Molekulaarne sild vahendab ajukoores inhibeeriva sünapsi spetsiifilisust

Molekulaarne sild vahendab ajukoores inhibeeriva sünapsi spetsiifilisust

Oma hingematvalt kaunite vaadete ja silmatorkava kasvuga väärib Kuldvärava sild kindlasti oma tiitlit kui üht maailma moodsat imet. Selle elegantne art deco stiil ja ikoonilised tornid pakuvad külastajatele üks kord elus võimalust hämmastavate fotode saamiseks. Ligi 2 miili ulatuv Kuldvärav toimib kriitilise väravana, hõlbustades ideede, kaupade ja inimeste vahetust.

Ehkki mitte samas grandioosses skaalas, on meie ajudel neuronite ühendamiseks sarnased väravad. Need pisikesed sektsioonid, mida nimetatakse sünapsideks, võimaldavad dünaamilist teabevahetust ja närviahelate moodustumist. Nende ahelate ülesehitamiseks peavad arenevad neuronid kõigepealt järgima konkreetseid juhiseid, liikudes üle aju kuni nende õigete partnerite leidmiseni. See protsess on suuresti oluline ajukoorele, mis koosneb kuuest funktsionaalselt ja anatoomiliselt erinevast kihist. Kuigi ajukooret on põhjalikult uuritud, pole selle kihtides sünapsi spetsiifilisust juhtivate täpsete molekulaarsete mehhanismide kohta palju teada. See kehtib eriti neuronite spetsialiseeritud klassi kohta, mida nimetatakse inhibeerivateks interneuroniteks (IN), mis tavaliselt loovad lokaalseid ühendusi vaid ühe või kahe kihiga. Mängus olevate molekulide avastamine aitaks paremini mõista ajukoore inhibeeriva ahela moodustumist.

Hiljutises ajakirjas Teadus ettemaksed, Max Planck Florida Taniguchi labor on valgustanud uut mehhanismi pärssiva sünapsi spetsiifilisuse jaoks ajukoores. Tuvastades raku adhesioonimolekuli IgSF11 uudse rolli, avastasid MPFI teadlased, et valk vahendab kihispetsiifilist sünaptilist sihtimist kortikaalsetes lühtrirakkudes (ChC).

"Meie labor on spetsialiseerunud kortikaalsete interneuronite ja inhibeerivate ahelate moodustumise uurimisele," kirjeldab dr Hiroki Taniguchi, Ph.D. ja uurimisrühma juht Max Planckis Floridas. "On näidatud, et lühtrirakud, mis on üks meie lemmik interneuroni alamtüüpe, ekspresseerivad ainulaadseid geneetilisi markereid ja innerveerivad ajukoores ainult teatud kihte. (ChC-d kontrollivad kriitiliselt piikide teket kortikaalsetes peamistes neuronites ja neid on seostatud ajukahjustuste, nagu skisofreenia ja epilepsia, patoloogiaga.) Otsustasime, et see rakutüüp oleks ideaalne koht nende molekulide otsimiseks, mis annavad konkreetse sünapsi sobitamine. "

MPFI teadlased alustasid uurimist ühe raku RNA sekveneerimisega, et IN-id geneetiliselt sõeluda individuaalsele alamtüübile omaste geenide jaoks. Nad leidsid valitud geenikogumi intrigeerivas kategoorias, mida nimetatakse raku adhesioonimolekulideks või CAM-ideks. Eriti üks CAM, IgSF11, oli ChC-des väga rikastatud võrreldes teiste IN alamtüüpidega.

Molekulaarne sild vahendab ajukoores inhibeeriva sünapsi spetsiifilisust

"Meie IN-de geneetiline skriinimine oli koht, kus esimest korda kohtusime IgSF11-ga," selgitab Yasufumi Hayano, Ph.D., publikatsiooni esimene autor ja teadusteadlane Taniguchi laboris. "Otsisime alamtüübispetsiifilisi geene, mis kodeerivad rakupinna valke, arvates, et need, mis ekspresseeruvad neuronite välisküljel, oleksid ideaalsed kandidaadid sünapsispetsiifilise interaktsiooni vahendamiseks."

CAM-id sisaldavad mitmesugust struktuurvalkude rühma. Sageli mõeldakse kui bioloogilist liimi, ekspresseeritakse CAM-e neuronite välisküljel ja nad interakteeruvad suurtes kompleksides, hõlbustades rakkude vahelist suhtlemist. Nende moodustatud sillataoline kompleks pakub stabiilsust äsja moodustunud sünapside jaoks ning aitab rakkude adhesiooni ja sidet. Üks CAM-ide kategooria, mida nimetatakse homofiilseteks CAM-ideks, suhtleb ainult teiste CAM-idega, mis on identsed iseendaga ja millel on teoreetiline võimalus sünapside moodustumise spetsiifilisuse vahendamiseks.

Pärast IgSF11 tuvastamist homofiilse CAM-iga otsis MPFI meeskond IgSF11 ekspressiooni neuronites kooriku 2/3 kihi ülemisest poolest, mida ChC-d innerveerivad, põhjendades, et homofiilse CAM-i interaktsiooni jaoks peaks ekspressioon ilmnema mõlemal küljel. Fluorestseeruva in situ hübridisatsiooni (FISH) abil leidsid teadlased IgSF11 tugeva ekspressiooni nii ChC-des kui ka siht neuronites, mis asuvad 2/3 ajukoore kihis, kuid mitte teistes kihtides, andes tugeva tõendi, et IgSF11 interaktsioon on ChC-s oluline sünapsi spetsiifika.

Järgmisena hindas Taniguchi labor IgSF11 funktsionaalset rolli ChC sünapside moodustumisel, eemaldades ajust IgSF11 ja uurides muutusi. Selleks, et analüüsida, kas IgSF11 oli funktsionaalselt vajalik ainult ChC-de või nii ChC-de kui ka ajukoore neuronite puhul, pidi meeskond välja töötama strateegia, mis võimaldas IgSF11 selektiivselt eemaldada. Selle saavutamiseks genereerisid MPFI teadlased IgSF11 KO hiired ja siirdasid fluorestseeruvalt identifitseeritud KO ChC metsiktüüpi (wt) peremeesloomadesse. KO ChC-d näitasid nii sünaptiliste boutonite suuruse kui ka arvu olulist vähenemist. Kinnitades hüpoteesi, et IgSF11 annab oma spetsiifilisuse homofiilse interaktsiooni kaudu, viis wT ChC-de siirdamine IgSF11 KO hiirte ajudesse sama vähenemise. Kokkuvõttes tundub, et IgSF11 on tugevalt seotud ChC sünaptilise boutoni arenguga ja morfoloogilise diferentseerumisega.

Koostöö MPFI elektronmikroskoopia südamiku ja Kwoni laboriga süvenes veelgi KO IgSF11 funktsionaalsetesse tagajärgedesse. Ultrastruktuuranalüüs suure suurendusega EM abil näitas, et vähesed KO ChC-de allesjäänud sünaptilised boutonid ei eristunud korralikult ja näitasid sünaptilise ülekande puudujääke. Neid andmeid toetades näitas IgSF11 KO hiirte optogeneetika abil elektrofüsioloogia sünaptilises ülekandes täiendavaid puudujääke.

"Lühtrirakkudega töötamisel on üks väljakutse see, et neid on traditsiooniliste meetodite abil raske geneetiliselt manipuleerida," selgitab dr Hayano. "Selle ületamiseks mõtlesime välja uue viirusepõhise strateegia, kasutades adenoga seotud viirust, et viia raskesti ekspresseeritav valk IgSF11 huvipakkuvatesse rakkudesse."

MPFI meeskond kasutas oma AAV viirusstrateegiat, et uurida, kas IgSF11, mis ekspresseerub neuronites, mis pärinevad erinevatest kortikaalsetest kihtidest kui kiht 2/3, võib kunstlikult tekitada sünapside moodustumist ChC-dega. Edastades IgSF11-ga kihi V neuroneid, avastasid nad arvukad emakavälised sünapsid, mis moodustasid nende rakkude ja lühtrirakkude vahel - nähtus, mida tavatingimustes ei esine.

"IgSF11 on esimene tuvastatud raku adhesioonimolekul, mis vahendab otseselt interneurooni alamtüüpi, kihispetsiifilist sünapsite moodustumist ajukoores," märgib dr Taniguchi. "Inhibeeriva ahela komplekteerimist ümbritsevate molekulaarsete mehhanismide edasine selgitamine võib paljastada sarnase mustri ka teistes erinevates interneurooni alamtüüpides ja aidata lahti mõtestada, kuidas inhibeerivad ahelad tekivad. Meie töö võib olla kasulik lähtepunkt unikaalsete interneurooni alamtüüpide ahela defitsiidist põhjustatud neurodevelopmentaalsete häirete etioloogia mõistmiseks. "