Исследователи UA обнаружили, что две разные версии одного и того же сигнального белка сообщают нервной клетке, какой конец является каким. Полученные данные могут помочь улучшить терапию травм позвоночника и нейродегенеративных заболеваний.
Ученые из Университета Аризоны обнаружили неизвестный механизм, который устанавливает полярность в развивающихся нервных клетках. Понимание того, как нервные клетки создают связи, является важным шагом в разработке лекарств от повреждений нервов в результате травм спинного мозга или нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера.
В исследовании, опубликованном в августе. 12 в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, докторант UA Сара Паркер и ее советник, доцент клеточной и молекулярной медицины Сурав Гош, сообщают, что решение, которое будет "плюс" и "минус" конец в нервной клетке новорожденного состоит из длинной и короткой версий одной и той же сигнальной молекулы.
Нервные клетки – или нейроны – отличаются от многих других клеток своей сильно асимметричной формой: нейрон, отдаленно напоминающий дерево, имеет одно длинное, похожее на ствол расширение, заканчивающееся пучком щетинок, напоминающих корень. Это называется аксоном. С противоположного конца тела клетки вырастают ветвистые структуры, известные как дендриты. Подключив "ветви" их дендритов к "кончики корней" из аксонов других нейронов нервные клетки образуют сети, которые могут быть такими простыми, как несколько соединений, участвующих в рефлексе коленного рефлекса, или такими же сложными, как в человеческом мозгу.
Паркер и ее команда обнаружили, что эмбриональные нервные клетки производят хорошо известный сигнальный фермент под названием атипичная протеинкиназа C (aPKC) в двух вариантах: полноразмерный и усеченный. Обе разновидности конкурируют за связывание с одним и тем же молекулярным партнером, белком под названием Par3. Если короткая форма aPKC соединяется с Par3, она говорит клетке вырастить дендрит, а если длинная соединяется с Par3, вместо этого она образует аксон.
Когда исследователи заблокировали производство короткой формы, нервная клетка вырастила несколько аксонов и не дендритов. Когда они создали искусственное изобилие короткой формы, дендриты образовались за счет аксонов. Студентка UA Софи Хапак провела множество экспериментов, показывающих, как две изоформы конкурируют за Par3.
"Мы показываем, что подключение нейронной цепи намного сложнее, чем считалось ранее," сказал Гош. "Процесс имеет встроенную устойчивость, которая явно определяет, какая часть ячейки является «положительной», а какая «отрицательной».’"
"Чтобы иметь функционирующую нейронную цепь, у вас должны быть принимающие и отправляющие концы," Паркер сказал. "Первоначально, когда нейрон формируется, ему не хватает полярности, которая ему нужна, когда он превращается в часть цепи. Обнаруженный нами механизм устанавливает эту полярность."
"То, как связаны различные области мозга, является основой эмоций, памяти и всех когнитивных функций," сказал Гош, который является членом института BIO5 UA. "Установление нейрональной полярности в отдельных нейронах абсолютно необходимо для формирования нейронных цепей."
"Если мы поймем этот механизм, мы сможем подумать о методах стимулирования новых аксонов после того, как исходные были отрезаны в результате травмы спинного мозга, например," Гош сказал.
Полученные данные противоречат общепринятому мнению, согласно которому развивающийся нейрон будет образовывать дендриты по умолчанию, если только длинная форма aPKC не получит указание вместо этого создать аксон. Выращивая и изучая нейроны сразу после их образования, Паркер и ее группа обнаружили, что обе формы aPKC, длинные и короткие, изначально равномерно распределяются по всей клетке. Эти формы впоследствии разделяются на разные части клетки по мере созревания нейрона и установления полярности.
Поскольку клетки были выделены из головного мозга крысы и сохранены в культуре, исследователи смогли продемонстрировать, что никаких внешних ключей от других клеток не требуется, чтобы дать инструкции развивающемуся нейрону. Неизвестно, является ли установление полярности случайным процессом или другие сигналы, которые еще предстоит идентифицировать, играют роль в регулировании численности двух разновидностей aPKC.