Molekulární můstek zprostředkovává inhibiční synaptickou specificitu v kůře

Molekulární můstek zprostředkovává inhibiční synaptickou specificitu v kůře

Díky svým dechberoucím výhledům a pozoruhodnému vzrůstu si most Golden Gate určitě zaslouží svůj titul jako jeden z moderních divů světa. Jeho elegantní styl ve stylu art deco a ikonické věže nabízejí návštěvníkům jedinečnou příležitost k ohromujícím fotografiím. Golden Gate, která se táhne téměř 2 míle, slouží jako kritická brána a usnadňuje výměnu nápadů, komodit a lidí.

I když ne ve stejném grandiózním měřítku, naše mozky mají podobné brány pro připojení neuronů. Tyto malé oddíly, nazývané synapsí, umožňují dynamickou výměnu informací a tvorbu neurálních obvodů. K vybudování těchto obvodů musí vývoj neuronů nejprve následovat konkrétní vodítka, cestovat po mozku, dokud nenajdou své správné partnery. Tento proces je do značné míry důležitý pro mozkovou kůru, která se skládá ze šesti funkčně a anatomicky odlišných vrstev. I když byla mozková kůra rozsáhle studována, není známo mnoho o přesných molekulárních mechanismech, které řídí její synaptickou specificitu. To platí zejména pro specializovanou třídu neuronů zvanou inhibiční interneurony (IN), které obvykle vytvářejí místní spojení pouze s jednou nebo dvěma vrstvami. Odhalení molekul ve hře by dále pomohlo porozumět tvorbě kortikálního inhibičního obvodu.

V nedávné publikaci v časopise Věda ZálohyLaboratoř Taniguchi z Max Planck na Floridě osvětlila nový mechanismus pro specifičnost inhibiční synapse v kůře. Při identifikaci nové role molekuly IgSF11 buněčné adheze vědci MPFI zjistili, že protein zprostředkovává vrstevně specifické synaptické cílení v kortikálních lustrových buňkách (ChC).

„Naše laboratoř se specializuje na studium kortikálních interneuronů a tvorbu inhibičních obvodů,“ popisuje Dr. Hiroki Taniguchi, Ph.D. and Research Group Leader ve společnosti Max Planck Florida. "Ukázalo se, že lustrové buňky, jeden z našich oblíbených podtypů interneuronu, vyjadřují jedinečné genetické markery a inervují pouze určité vrstvy v kůře." (ChC kriticky regulují generování špiček v hlavních kortikálních neuronech a podílejí se na patologii mozkových poruch, jako je schizofrenie a epilepsie.) Rozhodli jsme se, že tento model buněčného typu bude ideálním místem pro zahájení hledání molekul, které propůjčují vrstvu konkrétní shoda synapsí. “

Vědci MPFI zahájili vyšetřování pomocí jednobuněčného sekvenování RNA k genetickému screeningu IN na geny jedinečné pro jednotlivý podtyp. Našli vybraný soubor genů v zajímavé kategorii známé jako molekuly buněčné adheze nebo CAM. Jedna konkrétně CAM, IgSF11, byla vysoce obohacena o ChC ve srovnání s jinými podtypy IN.

Molekulární můstek zprostředkovává inhibiční synaptickou specificitu v kůře

„Náš genetický screening IN je místem, kde jsme se poprvé setkali s IgSF11,“ vysvětluje Yasufumi Hayano, Ph.D., první autor publikace a vědecký pracovník v laboratoři Taniguchi. "Hledali jsme geny specifické pro podtyp, které kódují proteiny buněčného povrchu, a mysleli jsme si, že ty exprimované na vnější straně neuronů by byly dokonalým kandidátem na zprostředkování interakce specifické pro synapse."

CAM obsahují různorodou skupinu strukturních proteinů. CAM, které jsou často považovány za biologické lepidlo, jsou exprimovány na vnější straně neuronů a interagují ve velkých komplexech, což usnadňuje interakce mezi buňkami. Mostový komplex, který tvoří, nabízí stabilitu nově vytvořeným synapsím a pomáhá při adhezi a komunikaci buněk. Jedna kategorie CAM, nazývaná homofilní CAM, interaguje pouze s jinými CAM, které jsou samy o sobě identické a jsou teoretizovány tak, aby měly možnost zprostředkovat specifičnost tvorby synapsí.

Po identifikaci IgSF11 jako homofilní CAM tým MPFI hledal expresi IgSF11 v neuronech z horní poloviny vrstvy 2/3 kůry, kterou ChC inervují, s odůvodněním, že pro homofilní CAM interakci by k expresi muselo dojít na obou stranách. Pomocí fluorescenční hybridizace in situ (FISH) vědci zjistili silnou expresi IgSF11 v obou ChC a také v cílových neuronech, které se nacházejí ve vrstvě 2/3 kůry, ale ne v jiných vrstvách, což poskytuje silný důkaz, že interakce IgSF11 je v ChC důležitá specifičnost synapse.

Dále laboratoř Taniguchi vyhodnotila funkční roli IgSF11 při tvorbě synapsí ChC odstraněním IgSF11 z mozku a zkoumáním změn. Aby bylo možné analyzovat, zda je IgSF11 funkčně nezbytný pouze pro ChC nebo oba ChC a cílové kortikální neurony, musel tým vyvinout strategii, která umožnila selektivní odstranění IgSF11. K dosažení tohoto cíle vědci MPFI vytvořili IgSF11 KO myši a transplantovali fluorescenčně identifikované KO ChC do hostitelských zvířat divokého typu (wt). KO ChC vykazovaly významné snížení jak velikosti, tak počtu synaptických boutonů. Potvrzení hypotézy, že IgSF11 propůjčuje svou specificitu prostřednictvím homofilní interakce, vede transplantace wt ChC do mozků IgSF11 KO myší ke stejné redukci. Dohromady se zdá, že IgSF11 je silně zapojen do vývoje synaptického boutonu ChC a morfologické diferenciace.

Spolupráce s jádrem elektronové mikroskopie MPFI a laboratoří Kwon se dále zabývala funkčními důsledky KO IgSF11. Analýza ultrastruktury pomocí EM s velkým zvětšením odhalila, že několik zbývajících synaptických boutonů v KO ChC se správně nerozlišovalo a vykazovalo deficity v synaptickém přenosu. Na základě těchto údajů prokázala optogenetická elektrofyziologie myší IgSF11 KO další deficity v synaptickém přenosu.

„Jednou z výzev při práci s lustrovými buňkami je, že je obtížné je geneticky manipulovat pomocí tradičních metod,“ vysvětluje Dr. Hayano. "Abychom to překonali, vyvinuli jsme novou strategii založenou na virech, která využívá virus spojený s adeno k dodávání IgSF11, obtížně exprimovatelného proteinu, do zájmových buněk."

Tým MPFI použil svou virovou strategii AAV ke zkoumání, zda IgSF11 exprimovaný v neuronech z různých kortikálních vrstev jiných než vrstva 2/3 může uměle vyvolat tvorbu synapsí s ChC. Při transdukci neuronů ve vrstvě V IgSF11 objevili četné ektopické synapsie vytvořené mezi těmito buňkami a lustrovými buňkami, což je jev, který by se za normálních okolností nevyskytoval.

„IgSF11 je vůbec první identifikovaná molekula buněčné adheze, která přímo zprostředkovává interneuronový podtyp, vrstvu specifickou tvorbu synapsí v kůře,“ poznamenává Dr. Taniguchi. "Další objasnění molekulárních mechanismů obklopujících inhibiční obvody může odhalit podobný vzorec v jiných odlišných podtypech interneuronu a pomoci odhalit, jak se tvoří inhibiční obvody." Naše práce může poskytnout užitečný vstupní bod do porozumění etiologii poruch neurového vývoje způsobených deficitem obvodu v jedinečných podtypech interneuronu. “