Исследование связывает различия в экспрессии генов нейронов с функциональными различиями.

В исследовании в нервные клеткиКоманда нейробиологов из Института обучения и памяти Пикауэра обнаружила, что два близкородственных нейронных подтипа отличаются друг от друга тем, как экспрессируются более 800 генов, или ~5% от общего числа генов, закодированных в геноме мухи. Манипулируя генами, экспрессия которых значительно варьируется, ученые затем смогли показать, сколько замечательных различий возникает между клетками.

«В нейробиологии предпринимаются глобальные усилия по идентификации всех различных типов нейронов, чтобы определить их уникальные характеристики и профили экспрессии генов», — сказал старший автор исследования Трой Литтлтон, профессор нейробиологии на факультетах биологии, мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института. «Эта информация может быть использована в качестве инструментария для изучения того, как недавно обнаруженные гены заболеваний связаны с конкретными нейронами, чтобы указать, какие клетки могут больше всего пострадать от конкретных заболеваний головного мозга».

Мы хотели использовать Дрозофила Чтобы проверить, сможем ли мы на самом деле определить, как транскриптом двух дифференциально сходных нейронов используется для понимания ключевых генов, которые определяют их уникальные структурные и функциональные характеристики.

Под микроскопом

Два нейрона, сравниваемые в исследовании, возникают из аналога спинного мозга мухи и контролируют мышцы, высвобождая нейромедиатор глутамат в соединениях, называемых синапсами. Основные функциональные различия нейронов заключаются в том, что «фазические» нейроны соединяются со многими мышцами и выделяют большие эпизодические выбросы глутамата, в то время как каждый «возбуждающий» нейрон соединяется только с одной мышцей и обеспечивает более непрерывную подачу химического вещества. Эта двойственность, также присутствующая в нейронах человеческого мозга, обеспечивает гибкий диапазон контроля.

Суреш Гити, научный сотрудник Института Пикауэра, возглавил работу в лаборатории Литтлтона, чтобы определить, как эти два нейрона развили свои различия. Команда начала с чрезвычайно глубокой характеристики того, как два типа клеток различаются по форме и функциям, а затем очень точно изучила экспрессию их генов или профили транскрипции.

При более внимательном рассмотрении тонические и метафазные клетки показали множество важных различий. Физические нейроны образуют меньше синапсов на отдельной мышце, чем тонические клетки, но поскольку они иннервируют больше мышц, фазовым нейронам приходится в общей сложности образовывать примерно в четыре раза больше синапсов. Тонические нейроны имеют больше входных сигналов, чем другие нейроны, благодаря своим более широким дендритам (ветвям, ведущим в клетку). Что касается выходных сигналов, то фазические нейроны производят гораздо более сильные сигналы при стимуляции и с большей вероятностью передают их, чем тонические нейроны. Анализ показал, что синаптические участки, стимулирующие высвобождение глутамата, называемые активированными зонами (АЗ), получают больше ионов кальция в фазовых нейронах, чем в тонических нейронах.

Особенно интересным новым открытием стало то, что AZ-области в тонических и фазовых нейронах приняли разную форму. Тысячи тонических областей были круглыми, как пончики, тогда как фазовые имели треугольную или звездообразную форму. Литтлтон предполагает, что эта разница может позволить большему количеству ионов кальция собираться в областях активной фазы, что, возможно, объясняет более высокие выбросы глутамата в них, чем в тонических нейронах.

выражать свои различия

Для оценки экспрессии генов Гетти использовал метод под названием «изоформный патчсек», в ходе которого он идентифицировал одни и те же тонические и фазирующие нейроны у сотен мух и извлек РНК из их отдельных ядер и тел клеток. По словам Литтлтона, этот метод, хотя и был чрезвычайно трудоемким, предоставил команде необычайно богатый источник информации о транскрипции конкретно интересующих клеток, включая не только то, как экспрессия генов различается между двумя типами клеток, но и то, как гены связаны между собой. Редактирование РНК. Она была другой.

В целом экспрессия 822 генов существенно различалась между двумя типами нейронов. Известно, что около 35 генов помогают управлять развитием аксональных ветвей, которые нейроны расширяют для формирования связей с мышцами — набор различий, связанных с тем, почему тонические нейроны иннервируют только одну мышцу, тогда как фазовые нейроны иннервируют многие. Другие дифференциально экспрессируемые гены связаны со структурой и функцией синапсов, в то время как более 20 других предполагают различия в нейромодулирующих химических веществах, к которым каждый нейрон чувствителен в качестве входных сигналов.

Команда обнаружила, что транспортные белки более экспрессируются в метафазных нейронах, что, возможно, объясняет, как они справляются с возросшей потребностью в большем количестве синапсов во многих мышцах. Команда также обнаружила, что в то время как тонические нейроны экспрессируют силильные гены, связывающие сахара с белками на их синаптической мембране, тонические нейроны экспрессируют уникальные гены убиквитина, которые расщепляют белки.

Задокументировав наиболее заметно отличающиеся гены, команда решила определить, что они делают, нарушая свою функцию, и посмотреть, как это влияет на клетки.

Например, Гетти, Литтлтон и коллеги обнаружили, что вмешательство в определенные гены убиквитина вызывает увеличение роста метафазных нейронов в синапсах. Между тем, нарушение процесса сиалолиза уменьшало синаптический рост тонических нейронов. Тонические нейроны также экспрессируют в 40 раз больше гена Wnt4, а инактивация Wnt4 снижает синаптический рост в этой группе нейронов.

Ученые также обнаружили, что фазовые нейроны экспрессируют ген кальциевого буфера более чем в 30 раз больше, чем тонические гены. Когда они мутировали этот ген, чтобы отключить его функцию, они обнаружили, что фазические нейроны, которые обычно имеют низкий базальный уровень кальция, теперь демонстрируют более высокий уровень кальция в состоянии покоя, подобно тоническим нейронам.

В другом эксперименте они показали, что могут явно нарушать формы AZ каждой клетки, вмешиваясь в гены цитоскелета, которые специфически экспрессирует каждый нейрон. Когда команда уменьшила ген, который активно экспрессируют метастатические нейроны, их AZ-области удлинились, но активированные AZ-области остались без изменений. Когда команда значительно уменьшила ген, экспрессируемый метафазными нейронами, их AZ-области стали менее круглыми, не затрагивая AZ-области метафазных клеток.

В целом анализ позволил команде начать строить модель молекулярных различий, которые делают две клетки разными, хотя Литтлтон сказал, что им еще предстоит проделать большую работу, чтобы понять, как весь спектр различий в экспрессии генов определяет уникальные характеристики клеток. два нейрона. Подвиды.

Помимо Литтлтона и Гетти, другими авторами статьи являются Андрес Крейн, Юлия Акбаржинова, Николь Апонте Сантьяго, Карен Каннингем и Чарльз Уитакер.

Исследование финансировали Фонд JPB, Институт обучения и памяти Пикера и Национальные институты здравоохранения.