Molekularni most posreduje inhibicijsku specifičnost sinapse u kori

Molekularni most posreduje inhibicijsku specifičnost sinapse u kori

Svojim pogledom koji oduzima dah i zapanjujućim stasom, most Golden Gate zasigurno zaslužuje naslov kao jedno od modernih svjetskih čuda. Njegov elegantan stil art decoa i kultni tornjevi posjetiteljima pružaju priliku za život zapanjujućih fotografija. Istezajući se gotovo 2 milje, Zlatna vrata služe kao kritični ulaz, olakšavajući razmjenu ideja, robe i ljudi.

Iako nisu na istoj grandioznoj ljestvici, naš mozak ima slične prolaze za povezivanje neurona. Ti maleni odjeljci, nazvani sinapsama, omogućuju dinamičku razmjenu informacija i stvaranje neuronskih sklopova. Da bi izgradili ove krugove, neuroni u razvoju prvo moraju slijediti određene smjernice, putujući mozgom dok ne pronađu svoje prave partnere. Ovaj je proces u velikoj mjeri važan za moždanu koru koja se sastoji od šest funkcionalno i anatomski različitih slojeva. Iako je korteks opsežno proučavan, ne zna se puno o preciznim molekularnim mehanizmima koji pokreću specifičnost sinapse unutar njezinih slojeva. To se posebno odnosi na specijaliziranu klasu neurona koja se naziva inhibicijski interneuroni (IN), a koji obično uspostavljaju lokalne veze sa samo jednim ili dva sloja. Otkrivanje molekula u igri dalje bi razumijevalo stvaranje kortikalnog inhibicijskog kruga.

U nedavnoj objavi u časopisu Znanost Napredak, Max Planck, Florida, laboratorij Taniguchi rasvijetlio je novi mehanizam za inhibicijsku specifičnost sinapse u korteksu. Identificirajući novu ulogu molekule stanične adhezije IgSF11, znanstvenici MPFI otkrili su da protein posreduje sinaptičko ciljanje specifično za sloj u kortikalnim stanicama lustera (ChCs).

"Naš je laboratorij specijaliziran za proučavanje kortikalnih interneurona i formiranje inhibicijskog kruga", opisuje dr. Hiroki Taniguchi, dr. Sc. i voditelj istraživačke grupe u Max Planck Florida. “Pokazalo se da stanice lustera, jedan od naših omiljenih intertiuronskih podtipova, izražavaju jedinstvene genetske markere i inerviraju samo određene slojeve unutar korteksa. (ChC kritično kontroliraju stvaranje skokova u glavnim kortikalnim neuronima i bili su upleteni u patologiju moždanih poremećaja kao što su shizofrenija i epilepsija.) Odlučili smo da bi ovaj model staničnog tipa bio savršeno mjesto za početak naše potrage za molekulama koje daju sloj - specifično podudaranje sinapsi. "

Znanstvenici MPFI-a započeli su svoje istraživanje korištenjem sekvenciranja jednoćelijske RNK kako bi genetski provjerili IN-ove za gene jedinstvene za pojedini podtip. Pronašli su odabrani skup gena u intrigantnoj kategoriji poznatoj kao molekule stanične adhezije ili CAM. Posebice jedan CAM, IgSF11, bio je visoko obogaćen ChC u usporedbi s drugim IN podtipovima.

Molekularni most posreduje inhibicijsku specifičnost sinapse u kori

"Naš genetski pregled IN-a je mjesto gdje smo prvi put naišli na IgSF11", objašnjava dr. Yasufumi Hayano, prvi autor publikacije i znanstveni istraživač u laboratoriju Taniguchi. "Tražili smo gene specifične za podtip koji kodiraju proteine ​​na staničnoj površini, misleći da bi oni izraženi na vanjskoj strani neurona bili savršeni kandidat za posredovanje interakcije specifične za sinapsu."

CAM sastoje se od raznolike skupine strukturnih proteina. Često se smatraju biološkim ljepilom, CAM se izražavaju na vanjskoj strani neurona i međusobno djeluju u velikim kompleksima, olakšavajući interakciju stanica-stanica. Kompleks nalik mostu koji tvore nudi stabilnost novonastalim sinapsama i pomaže u adheziji i komunikaciji stanica. Jedna kategorija CAM-a, nazvana homofilnim CAM-ovima, komunicira samo s drugim CAM-ovima koji su sebi identični i za koje se pretpostavlja da imaju mogućnost posredovanja u specifičnosti stvaranja sinapsi.

Nakon identificiranja IgSF11 kao homofilnog CAM-a, MPFI tim tražio je ekspresiju IgSF11 u neuronima iz gornje polovice sloja 2/3 korteksa koji ChC-ovi inerviraju, obrazlažući da bi do ekspresije trebalo doći s obje strane radi homofilne CAM-interakcije. Koristeći fluorescentnu in situ hibridizaciju (FISH), istraživači su pronašli snažnu ekspresiju IgSF11 u oba ChC-a, kao i u ciljanim neuronima koji se nalaze unutar sloja 2/3 korteksa, ali ne i u drugim slojevima, pružajući snažne dokaze da je interakcija IgSF11 važna u ChC-u. specifičnost sinapse.

Zatim je laboratorij Taniguchi procijenio funkcionalnu ulogu IgSF11 u stvaranju ChC sinapsi uklanjanjem IgSF11 iz mozga i ispitivanjem promjena. Kako bi raščlanio je li IgSF11 funkcionalno potreban samo na ChC ili na oba ChC i ciljane kortikalne neurone, tim je morao razviti strategiju koja je omogućavala selektivno uklanjanje IgSF11. Da bi to postigli, znanstvenici MPFI generirali su miševe IgSF11 KO i presadili fluorescentno identificirane KO ChC u životinje domaćina divljeg tipa (wt). KO ChC pokazali su značajno smanjenje i veličine i broja sinaptičkih butona. Potvrđujući hipotezu da IgSF11 daje svoju specifičnost homofilnom interakcijom, transplantacija wt ChC u mozak IgSF11 KO miševa rezultirala je istim smanjenjem. Čini se da je IgSF11 u velikoj mjeri povezan s razvojem ChC sinaptičkog boutona i morfološkom diferencijacijom.

Suradnja s MPFI-jevom jezgrom za elektronsku mikroskopiju i Kwon-ovim laboratorijem produbila je dalje u funkcionalne posljedice KO IgSF11. Ultrastrukturna analiza korištenjem EM s velikim povećanjem otkrila je da se nekoliko preostalih sinaptičkih butona u KO ChCs nije pravilno razlikovalo i pokazalo je deficite u sinaptičkom prijenosu. Podržavajući ove podatke, elektrofiziologija miševa IgSF11 KO potpomognuta optogenetikom pokazala je dodatne nedostatke u sinaptičkom prijenosu.

"Jedan izazov u radu sa stanicama lustera jest taj što je njima teško genetski manipulirati tradicionalnim metodama", objašnjava dr. Hayano. "Da bismo to prevladali, osmislili smo novu strategiju zasnovanu na virusima pomoću adeno povezanog virusa za dostavljanje IgSF11, proteina koji se teško izražava, do ćelija od interesa."

MPFI tim koristio je svoju virusnu strategiju za AAV kako bi istražio može li IgSF11 eksprimiran u neuronima iz različitih kortikalnih slojeva, osim sloja 2/3, umjetno izazvati stvaranje sinapsi s ChC. Transducirajući neurone u sloju V s IgSF11, otkrili su brojne ektopične sinapse stvorene između ovih stanica i stanica lustera, što je fenomen koji se u normalnim okolnostima ne bi dogodio.

"IgSF11 je prva identificirana molekula stanične adhezije koja izravno posreduje intertiuronski podtip, sloj-specifično stvaranje sinapsi u korteksu", napominje dr. Taniguchi. „Daljnje razjašnjavanje molekularnih mehanizama koji okružuju sklop inhibicijskog kruga može otkriti sličan obrazac kod drugih različitih intertiuronskih podtipova i pomoći u razotkrivanju oblika inhibicijskih krugova. Naš rad može pružiti korisnu točku za razumijevanje etiologije poremećaja neurorazvoja uzrokovanih deficitom kruga u jedinstvenim intertiuronskim podtipovima. "