A molekuláris híd közvetíti a gátló szinapszispecifitást a kéregben

A molekuláris híd közvetíti a gátló szinapszispecifitást a kéregben

A Golden Gate híd lélegzetelállító látványával és feltűnő termetével minden bizonnyal megérdemli a világ egyik modern csodája címet. Elegáns art deco stílusa és ikonikus tornyai életében egyszeri lehetőséget kínálnak a meghökkentő fényképek elkészítésére. A csaknem 2 mérföldnyire húzódó Aranykapu kritikus átjáróként szolgál, megkönnyítve az eszmék, az áruk és az emberek cseréjét.

Noha nem ugyanazon a grandiózus skálán, agyunk hasonló átjárókkal rendelkezik az idegsejtek összekapcsolására. Ezek az apró rekeszek, úgynevezett szinapszisok, lehetővé teszik a dinamikus információcserét és az idegi áramkörök kialakulását. Ezen áramkörök kiépítéséhez a fejlődő idegsejteknek először konkrét útmutatásokat kell követniük, az agyon át haladva, amíg megtalálják megfelelő partnereiket. Ez a folyamat nagyrészt fontos az agykéreg számára, amely hat funkcionálisan és anatómiailag elkülönülő rétegből áll. Bár a kéreget alaposan tanulmányozták, nem sok mindent tudni a pontos molekuláris mechanizmusokról, amelyek a szinapszispecifitást vezetik a rétegein belül. Ez különösen igaz az idegsejtek speciális osztályára, az úgynevezett gátló interneuronokra (IN), amelyek általában csak egy vagy két réteggel kötnek lokális kapcsolatokat. A játékban lévő molekulák feltárása tovább javítaná a kérgi gátló áramkör kialakulásának megértését.

A. Folyóirat nemrégiben megjelent publikációjában Tudomány előlegek, Max Planck floridai Taniguchi laboratórium rávilágított a kéreg szinapszis specifitásának gátló új mechanizmusára. Az IgSF11 sejtadhéziós molekula új szerepének azonosításával az MPFI tudósai felfedezték, hogy a fehérje közvetíti a rétegspecifikus szinaptikus célzást a kortikális csillársejtekben (ChC).

"Laboratóriumunk a kortikális interneuronok és a gátló körképződés tanulmányozására szakosodott" - írja Dr. Hiroki Taniguchi, Ph.D. és a kutatócsoport vezetője a floridai Max Planckban. „A csillársejtekről, az egyik kedvenc interneuron altípusunkról kimutatták, hogy egyedi genetikai markereket fejeznek ki, és csak bizonyos rétegeket innerválnak a kéregben. (A ChC-k kritikusan ellenőrzik a kéreg fő neuronjaiban a tüske képződését, és szerepet játszanak az agyi rendellenességek, például a skizofrénia és az epilepszia patológiájában.) Úgy döntöttünk, hogy ez a modell típusú sejt lesz a tökéletes hely arra, hogy megkezdjük olyan molekulák keresését, amelyek réteg- speciális szinapszisillesztés. ”

Az MPFI tudósai egysejtű RNS-szekvenálással kezdték meg a vizsgálatot, hogy genetikailag megvizsgálják az IN-eket az egyes altípusokra jellemző gének számára. Találtak egy kiválasztott génkészletet egy érdekes kategóriában, amelyet sejtadhéziós molekuláknak vagy CAM-oknak neveznek. Különösen az egyik CAM, az IgSF11 volt erősen gazdag ChC-kben, összehasonlítva más IN altípusokkal.

A molekuláris híd közvetíti a gátló szinapszispecifitást a kéregben

„Az IN genetikai átvilágításánál találkoztunk először az IgSF11-vel” - magyarázza Yasufumi Hayano, Ph.D., a publikáció első szerzője és a Taniguchi Lab kutatója. "Olyan altípus-specifikus géneket kerestünk, amelyek a sejtfelszíni fehérjéket kódolják, és arra gondoltunk, hogy az idegsejtek külsején expresszálódóak tökéletes jelöltek lesznek a szinapszis-specifikus kölcsönhatás közvetítésére."

A CAM-ok a strukturális fehérjék sokféle csoportját tartalmazzák. Gyakran biológiai ragasztónak tartják, hogy a CAM-ok az idegsejtek külső részén expresszálódnak, és nagy komplexekben kölcsönhatásba lépnek, megkönnyítve a sejtek közötti kölcsönhatást. Az általuk képzett hídszerű komplexum stabilitást kínál az újonnan kialakult szinapszisok számára, és segíti a sejtek tapadását és kommunikációját. A CAM-ok egyik kategóriája, az úgynevezett homofil CAM-ok csak más CAM-okkal lépnek kölcsönhatásba, amelyek azonosak önmagukkal és elméletileg lehetőségük van arra, hogy közvetítsék a szinapszis képződésének sajátosságait.

Miután az IgSF11-et homofil CAM-ként azonosította, az MPFI-csoport az IgSF11-expressziót kereste meg a neuronokban a kéreg 2/3-os rétegének felső feléből, amelyet a ChC-k innerválnak, azzal érvelve, hogy az expressziónak mindkét oldalon meg kell történnie egy homofil CAM interakcióhoz. A fluoreszcens in situ hibridizáció (FISH) segítségével a kutatók az IgSF11 robusztus expresszióját találták mind a ChC-kben, mind pedig a kéreg 2/3-os rétegén belül elhelyezkedő, de más rétegekben nem található neuronokban. szinapszis specifitás.

Ezután a Taniguchi laboratórium értékelte az IgSF11 funkcionális szerepét a ChC szinapszisok kialakulásában az IgSF11 eltávolításával az agyból és a változások vizsgálatával. Annak elemzéséhez, hogy az IgSF11 funkcionálisan szükséges-e csak ChC-ken, vagy mindkét ChC-n és mind a célkérgi neuronokon, a csapatnak ki kellett dolgoznia egy stratégiát, amely lehetővé tette az IgSF11 szelektív eltávolítását. Ennek megvalósításához az MPFI tudósai IgSF11 KO egereket generáltak, és fluoreszcensen azonosított KO ChC-ket transzplantáltak vad típusú (wt) gazdaállatokba. A KO ChC-k jelentős csökkenést mutattak a szinaptikus boutonok méretében és számában egyaránt. Megerősítve azt a hipotézist, miszerint az IgSF11 homofil interakció révén megadja a specifitását, a wt ChC átültetése az IgSF11 KO egerek agyába ugyanezt a redukciót eredményezte. Úgy tűnik, hogy az IgSF11 erősen érintett a ChC szinaptikus bouton fejlődésében és a morfológiai differenciálódásban.

Az MPFI elektronmikroszkópos magjával és a Kwon laboratóriummal folytatott együttműködés tovább mélyítette a KO IgSF11 funkcionális következményeit. Az ultraszerkezeti elemzés nagy nagyítású EM alkalmazásával feltárta, hogy a KO ChC-kben még kevés szinaptikus bouton nem differenciálódott megfelelően, és hiányosságokat mutatott a szinaptikus transzmisszióban. Ezeket az adatokat alátámasztva az IgSF11 KO egerek optogenetikával segített elektrofiziológiája további hiányokat mutatott a szinaptikus transzmisszióban.

"A csillársejtekkel való együttműködés egyik kihívása az, hogy a hagyományos módszerekkel nehéz őket genetikailag manipulálni" - magyarázza Dr. Hayano. "Ennek leküzdésére új vírusalapú stratégiát dolgoztunk ki adeno asszociált vírus felhasználásával, hogy az IgSF11-et, egy nehezen expresszálható fehérjét juttassuk az érdekes sejtekhez."

Az MPFI-csoport az AAV vírusstratégiáját felhasználva megvizsgálta, hogy a 11/2-as rétegtől eltérő, különböző kérgi rétegekből származó neuronokban expresszált IgSF3 képes-e mesterségesen előidézni a ChC-kkel való szinapszisok kialakulását. Az V. réteg neuronjait IgSF11-gyel transzdukálva számos ektópiás szinapszist fedeztek fel e sejtek és a csillársejtek között, ami normális körülmények között nem fordul elő.

"Az IgSF11 a legelső azonosított sejtadhéziós molekula, amely közvetlenül közvetíti az interneuron altípust, a kéreg szinapszisainak rétegspecifikus képződését" - jegyzi meg Dr. Taniguchi. „A gátló áramkör összeállítását körülvevő molekuláris mechanizmusok további tisztázása hasonló mintázatot fedhet fel más interneuron altípusokban, és elősegítheti a gátló áramkörök kialakulását. Munkánk hasznos belépési pontot jelenthet az egyedi interneuron altípusok áramköri hiánya által okozott neurodevelopmentális rendellenességek etiológiájának megértéséhez. "