Badania łączą ekspresję genów neuronalnych z różnicami funkcjonalnymi

Odkrycie, w jaki sposób rozwijają się setki różnych typów komórek mózgowych poprzez ich unikalną ekspresję tysięcy genów, jest obiecujące nie tylko dla lepszego zrozumienia działania mózgu w zdrowiu, ale także tego, co dzieje się w chorobie. Nowe badanie MIT, w którym skrupulatnie bada tę „logikę molekularną” w dwóch typach neuronów muszki owocowej Drosophila, pokazuje, że nawet podobne komórki popychają i pociągają wiele dźwigni, aby rozwinąć odrębne funkcje.

W Studiuj w NeuronieZespół neurobiologów z Instytutu Nauki i Pamięci Picower odkrył, że te dwa blisko spokrewnione podtypy neuronów różnią się od siebie sposobem ekspresji ponad 800 genów, czyli około 5 procent wszystkich genów zakodowanych w genomie muchy. Manipulując genami, których ekspresja znacznie się różni, naukowcom udało się następnie wykazać, ile niezwykłych różnic między komórkami powstaje.

„Na całym świecie neuronauka podejmuje wysiłki, aby zidentyfikować wszystkie typy neuronów w celu określenia ich unikalnych cech i profili ekspresji genów” – mówi główny autor badania. Troya LittletonaMinecon profesor neurologii na wydziałach biologii oraz nauk o mózgu i kognitywistyce na MIT. „Informacje te można wykorzystać jako zestaw narzędzi do badania, w jaki sposób nowo odkryte geny chorobowe są mapowane na konkretne neurony, aby wskazać, które komórki mogą być najbardziej dotknięte określonymi zaburzeniami mózgu”.

„Chcieliśmy wykorzystać Drosophila, aby sprawdzić, czy faktycznie jesteśmy w stanie określić, w jaki sposób transkryptom dwóch podobnych neuronów jest wykorzystywany w różny sposób, aby zrozumieć kluczowe geny determinujące ich unikalne cechy strukturalne i funkcjonalne”.

Pod mikroskopem

Dwa neurony porównywane w badaniu wyłaniają się z odpowiednika muchy w rdzeniu kręgowym, aby kontrolować mięśnie poprzez uwalnianie neuroprzekaźnika glutaminianu w połączeniach zwanych synapsami. Główne różnice funkcjonalne między neuronami polegają na tym, że neurony „fazowe” łączą się z wieloma mięśniami i emitują duże, sporadyczne wybuchy glutaminianu, podczas gdy każdy neuron „pobudzający” łączy się tylko z jednym mięśniem i zapewnia bardziej ciągły kroplówkę substancji chemicznej. Ta dwoistość, obecna również w neuronach ludzkiego mózgu, zapewnia elastyczny zakres kontroli.

Suresh Geeti, badacz ze stopniem doktora w Instytucie Picauer, kierował pracami w laboratorium Littletona, aby ustalić, w jaki sposób te dwa neurony różniły się między sobą. Zespół rozpoczął od niezwykle dogłębnej charakterystyki różnic pod względem kształtu i funkcji obu typów komórek, a następnie bardzo dokładnie przyjrzał się ich ekspresji genów, czyli profilom transkrypcji.

Po bliższym zbadaniu komórki toniczne i metafazowe wykazały szereg istotnych różnic. Neurony fizyczne tworzą mniej synaps na pojedynczym mięśniu niż komórki toniczne, ale ponieważ unerwiają więcej mięśni, neurony fazowe muszą w sumie wytworzyć około cztery razy więcej synaps. Neurony toniczne mają więcej wejść niż inne neurony dzięki szerzej sięgającym dendrytom (gałęziom prowadzącym do komórki). Po stronie wyjściowej neurony fazowe wytwarzały znacznie silniejsze sygnały po stymulacji i były bardziej skłonne do ich przekazywania niż neurony toniczne. Analiza wykazała, że ​​miejsca synaptyczne stymulujące uwalnianie glutaminianu, zwane strefami aktywowanymi (AZ), otrzymują więcej jonów wapnia w neuronach fazowych niż w neuronach tonicznych.

Szczególnie interesującym nowym odkryciem było to, że regiony AZ w neuronach tonicznych i fazowych przybierały różne kształty. Tysiące obszarów tonicznych było okrągłych, przypominających pączki, natomiast fazowe miały bardziej trójkątny lub gwiazdowaty kształt. Littleton wysuwa hipotezę, że ta różnica może pozwolić na gromadzenie się większej ilości jonów wapnia w obszarach fazy aktywnej, co prawdopodobnie wyjaśnia ich większe wybuchy uwalniania glutaminianu niż w neuronach tonicznych.

wyrazić swoje różnice

Aby ocenić ekspresję genów, Getty zastosował technikę zwaną izoformą patchseq, identyfikując te same neurony toniczne i fazowe u setek much i ekstrahując RNA z ich poszczególnych jąder i ciał komórkowych. Technika ta, jak twierdzi Littleton, choć niezwykle ciężka, zapewniła zespołowi niezwykle bogate źródło informacji transkrypcyjnych z konkretnych komórek będących przedmiotem zainteresowania, w tym nie tylko różnic w ekspresji genów w obu typach komórek, ale także sposobu ich wiązania. Edycja RNA. Była inna.

Ogólnie ekspresja 822 genów różniła się istotnie pomiędzy obydwoma typami neuronów. Wiadomo, że około 35 genów pomaga kierować rozwojem gałęzi aksonalnych, które neurony rozciągają, tworząc połączenia z mięśniami. Jest to zbiór różnic związanych z tym, dlaczego neurony toniczne unerwiają tylko jeden mięsień, podczas gdy neurony fazowe unerwiają wiele. Inne geny ulegały zróżnicowanej ekspresji, związane ze strukturą i funkcją synaps, podczas gdy ponad 20 innych sugerowało różnice w neuromodulacyjnych substancjach chemicznych, na które każdy neuron był wrażliwy.

Zespół odkrył, że białka transportowe ulegają większej ekspresji w neuronach metafazowych, co prawdopodobnie wyjaśnia, w jaki sposób nadążają za większym zapotrzebowaniem na więcej synaps w wielu mięśniach. Zespół odkrył również, że podczas gdy neurony toniczne wyrażają geny sililowe, które wiążą cukry z białkami na błonie synaptycznej, neurony toniczne wyrażają unikalne geny ubikwityny, które rozkładają białka.

Po udokumentowaniu najbardziej odmiennych genów zespół postanowił ustalić, co robią, zakłócając ich funkcje, i zobaczyć, jak wpływa to na komórki.

Na przykład Getty, Littleton i współpracownicy odkryli, że interferencja z określonymi genami ubikwitynacji powoduje wzrost wzrostu neuronów metafazowych w synapsach. Tymczasem zakłócenie procesu sialolizy zmniejszyło wzrost synaptyczny w neuronach tonicznych. Neurony toniczne wyrażały także 40 razy więcej genu zwanego Wnt4, a inaktywacja Wnt4 zmniejszała wzrost synaptyczny w tej grupie neuronów.

Naukowcy odkryli również, że neurony fazowe wyrażają 30 razy więcej genów buforujących wapń niż genów tonicznych. Kiedy zmutowali ten gen, aby wyłączyć jego funkcję, odkryli, że neurony fazowe, które zwykle mają niski podstawowy poziom wapnia, teraz wykazują wyższy poziom wapnia spoczynkowego, podobnie jak neurony toniczne.

W innym eksperymencie wykazali, że mogą wyraźnie zakłócać formy AZ każdej komórki poprzez zakłócanie genów cytoszkieletu, które specyficznie wyraża każdy neuron. Kiedy zespół zredukował gen, który w dużym stopniu wyrażają neurony przerzutowe, ich regiony AZ uległy wydłużeniu, ale ich aktywowane regiony AZ pozostały niezmienione. Kiedy zespół znacząco zredukował gen wyrażany przez neurony metafazowe, ich regiony AZ stały się mniej okrągłe, nie wpływając na regiony AZ komórek metafazowych.

Ogólnie rzecz biorąc, analiza umożliwiła zespołowi rozpoczęcie budowania modelu różnic molekularnych, które odróżniają te dwie komórki, chociaż Littleton stwierdził, że nadal mają dużo do zrobienia, aby zrozumieć, w jaki sposób pełen zakres różnic w ekspresji genów determinuje unikalne cechy obu komórek. dwa neurony. Podgatunek.

Oprócz Littletona i Getty’ego autorami artykułu są Andres Crane, Yulia Akbarjinova, Nicole Aponte Santiago, Karen Cunningham i Charles Whitaker.

Badania sfinansowały Fundacja JPB, Instytut Nauki i Pamięci Picquer oraz Narodowy Instytut Zdrowia.