Η μοριακή γέφυρα μεσολαβεί στην ανασταλτική ειδικότητα της συνάψεως στον φλοιό

Η μοριακή γέφυρα μεσολαβεί στην ανασταλτική ειδικότητα της συνάψεως στον φλοιό

Με την εκπληκτική θέα και το εντυπωσιακό ανάστημά της, η Γέφυρα Golden Gate αξίζει σίγουρα τον τίτλο της ως ένα από τα σύγχρονα θαύματα του κόσμου. Το κομψό στιλ αρ ντεκό και οι εμβληματικοί πύργοι του προσφέρουν στους επισκέπτες μια μοναδική ευκαιρία για μια εκπληκτική φωτογραφία. Τέντωμα για περίπου 2 μίλια, η Χρυσή Πύλη χρησιμεύει ως κρίσιμη πύλη, διευκολύνοντας την ανταλλαγή ιδεών, εμπορευμάτων και ανθρώπων.

Αν και όχι στην ίδια μεγαλοπρεπή κλίμακα, οι εγκέφαλοί μας έχουν παρόμοιες πύλες για τη σύνδεση νευρώνων. Αυτά τα μικροσκοπικά διαμερίσματα, που ονομάζονται συνάψεις, επιτρέπουν τη δυναμική ανταλλαγή πληροφοριών και το σχηματισμό νευρικών κυκλωμάτων. Για την κατασκευή αυτών των κυκλωμάτων, οι αναπτυσσόμενοι νευρώνες πρέπει πρώτα να ακολουθούν συγκεκριμένες οδηγίες καθοδήγησης, ταξιδεύοντας στον εγκέφαλο μέχρι να βρουν τους κατάλληλους συνεργάτες τους. Αυτή η διαδικασία είναι σε μεγάλο βαθμό σημαντική για τον εγκεφαλικό φλοιό, ο οποίος αποτελείται από έξι λειτουργικά και ανατομικά διακριτά στρώματα. Αν και ο φλοιός έχει μελετηθεί εκτενώς, δεν είναι γνωστά πολλά για τους ακριβείς μοριακούς μηχανισμούς που οδηγούν στην ειδικότητα της σύναψης στα στρώματά του. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για μια εξειδικευμένη κατηγορία νευρώνων που ονομάζονται ανασταλτικοί interneurons (INs), οι οποίοι συνήθως κάνουν τοπικές συνδέσεις με μόνο ένα ή δύο στρώματα. Η αποκάλυψη των μορίων στο παιχνίδι θα διευρύνει την κατανόηση του σχηματισμού φλοιού ανασταλτικού κυκλώματος

Σε πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό του Προκαταβολές Επιστήμη, Το εργαστήριο Taniguchi της Max Planck Florida έχει ρίξει φως σε έναν νέο μηχανισμό για την ανασταλτική ειδικότητα της σύναψης στον φλοιό. Αναγνωρίζοντας έναν νέο ρόλο για το μόριο προσκόλλησης κυττάρων IgSF11, οι επιστήμονες του MPFI ανακάλυψαν ότι η πρωτεΐνη μεσολαβεί σε συγκεκριμένη στοιβάδα συναπτική στόχευση σε κύτταρα φλοιώδους πολυελαίου (ChCs).

«Το εργαστήριό μας ειδικεύεται στη μελέτη των φλοιών του interneurons και του σχηματισμού ανασταλτικών κυκλωμάτων», περιγράφει ο Δρ Hiroki Taniguchi, Ph.D. και επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο Max Planck Florida. «Τα κύτταρα πολυέλαιου, ένας από τους αγαπημένους μας υποτύπους interneuron, έχει αποδειχθεί ότι εκφράζουν μοναδικούς γενετικούς δείκτες και αναζωογονούν μόνο ορισμένα στρώματα εντός του φλοιού. (Οι ChCs ελέγχουν κριτικά τη δημιουργία ακίδων στους κύριους νευρώνες του φλοιού και έχουν εμπλακεί στην παθολογία εγκεφαλικών διαταραχών όπως η σχιζοφρένεια και η επιληψία.) Αποφασίσαμε ότι αυτός ο τύπος κυτταρικού τύπου θα ήταν το ιδανικό μέρος για να ξεκινήσουμε την αναζήτηση μορίων που προσδίδουν στρώματα- συγκεκριμένη σύναψη αντιστοίχισης. "

Οι επιστήμονες του MPFI ξεκίνησαν την έρευνά τους χρησιμοποιώντας προσδιορισμό αλληλουχίας RNA μονής κυψέλης για τη γενετική εξέταση INs για γονίδια μοναδικά σε έναν μεμονωμένο υποτύπο. Βρήκαν μια επιλεγμένη ομάδα γονιδίων σε μια ενδιαφέρουσα κατηγορία γνωστή ως μόρια προσκόλλησης κυττάρων ή CAM. Ένα CAM ειδικότερα, το IgSF11, ήταν εξαιρετικά εμπλουτισμένο σε ChCs σε σύγκριση με άλλους υπότυπους IN.

Η μοριακή γέφυρα μεσολαβεί στην ανασταλτική ειδικότητα της συνάψεως στον φλοιό

«Ο γενετικός έλεγχος των INs είναι όπου συναντήσαμε για πρώτη φορά το IgSF11», εξηγεί ο Yasufumi Hayano, Ph.D., πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης και ερευνητής στο εργαστήριο Taniguchi. «Ψάχναμε για γονίδια ειδικά για υποτύπους που κωδικοποιούν πρωτεΐνες κυτταρικής επιφάνειας, πιστεύοντας ότι αυτά που εκφράζονται στο εξωτερικό των νευρώνων θα είναι ο τέλειος υποψήφιος για τη μεσολάβηση μιας αλληλεπίδρασης ειδικά για τη σύναψη».

Τα CAM περιλαμβάνουν μια διαφορετική ομάδα δομικών πρωτεϊνών. Συχνά θεωρείται ως βιολογική κόλλα, τα CAM εκφράζονται στο εξωτερικό των νευρώνων και αλληλεπιδρούν σε μεγάλα σύμπλοκα, διευκολύνοντας αλληλεπιδράσεις μεταξύ κυττάρων. Το συγκρότημα που μοιάζει με γέφυρα προσφέρει σταθερότητα για πρόσφατα σχηματισμένες συνάψεις και βοηθά στην πρόσφυση και επικοινωνία των κυττάρων. Μία κατηγορία CAMs, που ονομάζονται ομοφιλικές CAM, αλληλεπιδρά μόνο με άλλες CAM που είναι πανομοιότυπες με τις ίδιες και θεωρητικά έχουν τη δυνατότητα να μεσολαβούν στην εξειδίκευση του σχηματισμού συνάψεων.

Αφού ταυτοποίησε το IgSF11 ως ομόφιλο CAM, η ομάδα MPFI έψαχνε την έκφραση IgSF11 σε νευρώνες από το άνω μισό του στρώματος 2/3 του φλοιού που ενέχουν τα ChCs, θεωρώντας ότι η έκφραση θα έπρεπε να συμβεί και στις δύο πλευρές για μια ομοφιλική αλληλεπίδραση CAM. Χρησιμοποιώντας φθορίζουσα in situ υβριδοποίηση (FISH), οι ερευνητές βρήκαν ισχυρή έκφραση του IgSF11 και στα δύο ChCs καθώς και στους νευρώνες στόχους που κατοικούν στο στρώμα 2/3 του φλοιού αλλά όχι σε άλλα στρώματα, παρέχοντας ισχυρές ενδείξεις ότι η αλληλεπίδραση IgSF11 είναι σημαντική στο ChC ειδικότητα συνάψεων.

Στη συνέχεια, το εργαστήριο Taniguchi αξιολόγησε τον λειτουργικό ρόλο του IgSF11 στο σχηματισμό συνάψεων ChC αφαιρώντας το IgSF11 από τον εγκέφαλο και εξετάζοντας τις αλλαγές. Προκειμένου να αναλυθεί εάν το IgSF11 ήταν λειτουργικά απαραίτητο μόνο σε ChCs ή και στα δύο ChCs και στοχεύοντας φλοιούς νευρώνες, η ομάδα έπρεπε να αναπτύξει μια στρατηγική που επέτρεπε την επιλεκτική αφαίρεση του IgSF11. Για να το επιτύχουν αυτό, οι επιστήμονες του MPFI δημιούργησαν ποντίκια IgSF11 KO και μεταμόσχευσαν φθορίζοντα ταυτοποιημένα KO ChCs σε ζώα ξενιστές άγριου τύπου (wt). Τα KO ChC παρουσίασαν σημαντική μείωση τόσο στο μέγεθος όσο και στον αριθμό των συναπτικών μπουτονιών. Επιβεβαιώνοντας την υπόθεση ότι το IgSF11 αποδίδει την ειδικότητά του μέσω ομοφιλικής αλληλεπίδρασης, η μεταμόσχευση wt ChCs στον εγκέφαλο IgSF11 KO ποντικών είχε ως αποτέλεσμα την ίδια μείωση. Συνολικά, το IgSF11 φαίνεται να εμπλέκεται έντονα στην ανάπτυξη του συναπτικού μπουτονίου του ChC και στη μορφολογική διαφοροποίηση.

Οι συνεργασίες με τον πυρήνα μικροσκοπίας ηλεκτρονικών MPFI και το εργαστήριο Kwon διερεύνησαν περαιτέρω τις λειτουργικές συνέπειες του KO IgSF11. Η ανάλυση της υποδομής χρησιμοποιώντας EM υψηλής μεγέθυνσης αποκάλυψε ότι τα λίγα εναπομείναντα συναπτικά μπουτόν στα KO ChCs δεν διαφοροποιήθηκαν σωστά και έδειξαν ελλείμματα στη συναπτική μετάδοση. Υποστηρίζοντας αυτά τα δεδομένα, η ηλεκτροφυσιολογία των οπτικών γενετικών ποντικών IgSF11 KO παρουσίασε επιπλέον ελλείμματα στη συναπτική μετάδοση.

«Μία πρόκληση που δουλεύει με τα κύτταρα πολυελαίων είναι ότι είναι δύσκολο να χειριστούν γενετικά χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους», εξηγεί ο Δρ Hayano. «Για να το ξεπεράσουμε, επινοήσαμε μια νέα στρατηγική που βασίζεται σε ιούς χρησιμοποιώντας τον ιό που σχετίζεται με το αδενο για να παραδώσει το IgSF11, μια δύσκολη στην έκφραση πρωτεΐνη, σε κύτταρα ενδιαφέροντος.»

Η ομάδα MPFI χρησιμοποίησε τη ιογενή στρατηγική AAV για να διερευνήσει εάν το IgSF11 που εκφράζεται σε νευρώνες από διαφορετικά φλοιώδη στρώματα εκτός από το στρώμα 2/3 θα μπορούσε να προκαλέσει τεχνητά το σχηματισμό συνάψεων με ChCs. Μεταδίδοντας νευρώνες στο στρώμα V με IgSF11, ανακάλυψαν πολλές εκτοπικές συνάψεις που σχηματίστηκαν μεταξύ αυτών των κυττάρων και των πολυελαίων, ένα φαινόμενο που δεν θα συνέβαινε υπό κανονικές συνθήκες.

«Το IgSF11 είναι το πρώτο μόριο κυτταρικής προσκόλλησης που εντοπίζεται που μεσολαβεί άμεσα στον υποτύπο interneuron, στο σχηματισμό συνάψεων για συγκεκριμένες στρώσεις στον φλοιό», σημειώνει ο Δρ Taniguchi. «Περαιτέρω διευκρίνιση των μοριακών μηχανισμών που περιβάλλουν το συγκρότημα ανασταλτικών κυκλωμάτων μπορεί να αποκαλύψει ένα παρόμοιο μοτίβο σε άλλους διακριτούς υπότυπους του interneuron και να βοηθήσει στην αποκάλυψη του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται τα ανασταλτικά κυκλώματα. Η δουλειά μας μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο σημείο εισόδου στην κατανόηση της αιτιολογίας των νευροαναπτυξιακών διαταραχών που προκαλούνται από έλλειμμα κυκλώματος σε μοναδικούς υπότυπους interneuron. "