Jembatan molekuler memediasi spesifisitas sinaps penghambatan di korteks

Jembatan molekuler memediasi spesifisitas sinaps penghambatan di korteks

Dengan pemandangannya yang menakjubkan dan perawakannya yang mencolok, Jembatan Golden Gate tentu pantas mendapatkan gelar sebagai salah satu keajaiban dunia modern. Gaya art deco yang elegan dan menara ikoniknya menawarkan pengunjung kesempatan sekali seumur hidup untuk foto-foto menakjubkan. Membentang hampir 2 mil, Gerbang Emas berfungsi sebagai gerbang penting, memfasilitasi pertukaran ide, komoditas, dan orang.

Meskipun tidak dalam skala besar yang sama, otak kita memiliki gerbang yang sama untuk menghubungkan neuron. Kompartemen kecil ini, yang disebut sinapsis, memungkinkan pertukaran informasi yang dinamis dan pembentukan sirkuit saraf. Untuk membangun sirkuit ini, neuron yang sedang berkembang pertama-tama harus mengikuti petunjuk panduan khusus, berjalan melintasi otak sampai menemukan pasangan yang tepat. Proses ini sebagian besar penting untuk korteks serebral, yang terdiri dari enam lapisan yang berbeda secara fungsional dan anatomis. Meskipun korteks telah dipelajari secara ekstensif, tidak banyak yang diketahui tentang mekanisme molekuler yang tepat yang mendorong spesifisitas sinaps di dalam lapisannya. Hal ini terutama berlaku untuk kelas neuron khusus yang disebut interneuron penghambat (IN), yang biasanya membuat koneksi lokal hanya dengan satu atau dua lapisan. Mengungkap molekul yang berperan akan memajukan pemahaman tentang pembentukan sirkuit penghambatan kortikal.

Dalam publikasi terbaru di jurnal Kemajuan ilmu pengetahuan, Laboratorium Taniguchi Max Planck Florida telah menjelaskan mekanisme baru untuk spesifisitas sinaps penghambatan di korteks. Mengidentifikasi peran baru untuk molekul adhesi sel IgSF11, para ilmuwan MPFI telah menemukan bahwa protein tersebut memediasi penargetan sinaptik khusus lapisan dalam Sel Chandelier kortikal (ChCs).

“Laboratorium kami mengkhususkan diri dalam studi interneuron kortikal dan pembentukan sirkuit penghambatan,” jelas Dr. Hiroki Taniguchi, Ph.D. dan Pemimpin Kelompok Riset di Max Planck Florida. “Sel Chandelier, salah satu subtipe interneuron favorit kami, telah terbukti mengekspresikan penanda genetik unik dan hanya mempersarafi lapisan tertentu di dalam korteks. (ChCs secara kritis mengontrol pembentukan lonjakan pada neuron utama kortikal dan telah terlibat dalam patologi gangguan otak seperti skizofrenia dan epilepsi.) Kami memutuskan bahwa tipe sel model ini akan menjadi tempat yang sempurna untuk memulai pencarian kami untuk molekul yang memberikan lapisan- pencocokan sinapsis tertentu.”

Ilmuwan MPFI memulai penyelidikan mereka menggunakan pengurutan RNA sel tunggal untuk menyaring IN secara genetik untuk gen yang unik untuk subtipe individu. Mereka menemukan kumpulan gen terpilih dalam kategori menarik yang dikenal sebagai molekul adhesi sel, atau CAM. Satu CAM khususnya, IgSF11, sangat diperkaya dalam ChCs dibandingkan dengan subtipe IN lainnya.

Jembatan molekuler memediasi spesifisitas sinaps penghambatan di korteks

“Penyaringan genetik IN adalah tempat pertama kali kami menemukan IgSF11,” jelas Yasufumi Hayano, Ph.D., penulis pertama publikasi dan ilmuwan penelitian di Taniguchi Lab. “Kami mencari gen spesifik subtipe yang mengkode protein permukaan sel, berpikir bahwa gen yang diekspresikan di luar neuron akan menjadi kandidat sempurna untuk memediasi interaksi spesifik sinaps.”

CAM terdiri dari beragam kelompok protein struktural. Sering dianggap sebagai perekat biologis, CAM diekspresikan di luar neuron dan berinteraksi dalam kompleks besar, memfasilitasi interaksi sel ke sel. Kompleks seperti jembatan yang mereka bentuk menawarkan stabilitas untuk sinapsis yang baru terbentuk dan membantu dalam adhesi sel dan komunikasi. Satu kategori CAM, yang disebut CAM homofilik, hanya berinteraksi dengan CAM lain yang identik dengan dirinya sendiri dan berteori memiliki kemungkinan memediasi spesifisitas pembentukan sinaps.

Setelah mengidentifikasi IgSF11 sebagai CAM homofilik, tim MPFI mencari ekspresi IgSF11 dalam neuron dari bagian atas lapisan 2/3 korteks yang dipersarafi ChCs, dengan alasan bahwa ekspresi perlu terjadi di kedua sisi untuk interaksi CAM homofilik. Menggunakan hibridisasi in situ fluorescent (FISH), para peneliti menemukan ekspresi kuat IgSF11 di kedua ChC serta di neuron target yang berada di dalam lapisan 2/3 korteks tetapi tidak di lapisan lain, memberikan bukti kuat bahwa interaksi IgSF11 penting dalam ChC kekhususan sinaps.

Selanjutnya, lab Taniguchi menilai peran fungsional IgSF11 dalam pembentukan sinapsis ChC dengan menghilangkan IgSF11 dari otak dan memeriksa perubahan. Untuk mengurai apakah IgSF11 secara fungsional diperlukan hanya pada ChC atau keduanya ChC dan neuron kortikal target, tim harus mengembangkan strategi yang memungkinkan penghapusan selektif IgSF11. Untuk mencapai ini, para ilmuwan MPFI menghasilkan tikus IgSF11 KO dan mentransplantasikan KO ChCs yang diidentifikasi secara fluoresensi ke dalam hewan inang tipe liar (wt). KO ChCs menunjukkan pengurangan yang signifikan baik dalam ukuran dan jumlah bouton sinaptik. Menguatkan hipotesis bahwa IgSF11 menganugerahkan kekhususannya melalui interaksi homofilik, transplantasi wt ChCs ke dalam otak tikus IgSF11 KO menghasilkan pengurangan yang sama. Secara keseluruhan, IgSF11 tampaknya sangat terlibat dalam pengembangan sinaptik ChC dan diferensiasi morfologis.

Kolaborasi dengan inti mikroskop elektron MPFI dan lab Kwon menggali lebih jauh konsekuensi fungsional KO IgSF11. Analisis ultrastruktur menggunakan EM perbesaran tinggi mengungkapkan bahwa beberapa bouton sinaptik yang tersisa di KO ChC tidak berdiferensiasi dengan baik dan menunjukkan defisit dalam transmisi sinaptik. Mendukung data ini, elektrofisiologi yang dibantu optogenetik dari tikus IgSF11 KO menunjukkan defisit tambahan dalam transmisi sinaptik.

“Salah satu tantangan bekerja dengan sel Chandelier adalah mereka sulit untuk dimanipulasi secara genetik menggunakan metode tradisional,” jelas Dr. Hayano. “Untuk mengatasi ini, kami merancang strategi berbasis virus baru menggunakan virus terkait adeno untuk mengirimkan IgSF11, protein yang sulit diekspresikan, ke sel yang diinginkan.”

Tim MPFI menggunakan strategi virus AAV mereka untuk menyelidiki apakah IgSF11 yang diekspresikan dalam neuron dari lapisan kortikal yang berbeda selain lapisan 2/3 dapat secara artifisial menginduksi pembentukan sinapsis dengan ChCs. Mentransduksi neuron di lapisan V dengan IgSF11, mereka menemukan banyak sinapsis ektopik yang terbentuk antara sel-sel ini dan sel lampu gantung, sebuah fenomena yang tidak akan terjadi dalam keadaan normal.

“IgSF11 adalah molekul adhesi sel pertama yang diidentifikasi yang secara langsung memediasi subtipe interneuron, pembentukan sinapsis lapisan khusus di korteks,” catat Dr. Taniguchi. “Menjelaskan lebih lanjut mekanisme molekuler di sekitar perakitan sirkuit penghambatan dapat mengungkapkan pola serupa pada subtipe interneuron lain yang berbeda dan membantu mengungkap bagaimana sirkuit penghambatan terbentuk. Pekerjaan kami dapat memberikan titik masuk yang berguna untuk memahami etiologi gangguan perkembangan saraf yang disebabkan oleh defisit sirkuit pada subtipe interneuron yang unik.”