Molekulārais tilts nomāc inhibējošās sinapses specifiskumu garozā

Molekulārais tilts nomāc inhibējošās sinapses specifiskumu garozā

Ar savu elpu aizraujošo skatu un pārsteidzošo augumu Zelta vārtu tilts noteikti ir pelnījis savu titulu kā vienu no mūsdienu pasaules brīnumiem. Elegantais art deco stils un ikoniskie torņi piedāvā apmeklētājiem iespēju vienreiz mūžā iegūt satriecošas fotogrāfijas. Zelta vārti, kas stiepjas gandrīz 2 jūdzes, kalpo kā kritiski vārti, kas veicina ideju, preču un cilvēku apmaiņu.

Lai arī ne tajā pašā grandiozajā mērogā, mūsu smadzenēm ir līdzīgi vārti neironu savienošanai. Šie sīkie nodalījumi, kurus sauc par sinapsēm, ļauj dinamiski apmainīties ar informāciju un veidot neironu ķēdes. Lai izveidotu šīs ķēdes, attīstošajiem neironiem vispirms jāievēro īpašas norādes, ceļojot pa smadzenēm, līdz atrodami savi partneri. Šis process ir ļoti svarīgs smadzeņu garozai, kas sastāv no sešiem funkcionāli un anatomiski atšķirīgiem slāņiem. Lai gan garoza ir plaši pētīta, nav daudz zināms par precīziem molekulārajiem mehānismiem, kas virza sinapses specifiku tās slāņos. Tas jo īpaši attiecas uz specializētu neironu klasi, ko sauc par inhibējošiem interneuroniem (IN), kas parasti veido lokālus savienojumus tikai ar vienu vai diviem slāņiem. Atklājot spēles molekulas, varētu labāk izprast garozas inhibējošās ķēdes veidošanos.

Nesenajā publikācijā žurnālā Zinātne Avansa, Maksa Planka Floridas Taniguchi laboratorija ir izgaismojusi jaunu mehānismu inhibējošas sinapses specifiskumam garozā. Identificējot jaunu šūnu adhēzijas molekulas IgSF11 lomu, MPFI zinātnieki ir atklājuši, ka olbaltumviela mediē slāņa specifisko sinaptisko mērķauditoriju garozas lustras šūnās (ChC).

"Mūsu laboratorija specializējas kortikālo interneuronu un inhibējošās ķēdes veidošanās izpētē," apraksta doktors Hiroki Taniguchi. un pētījumu grupas vadītājs Maksā Plankā Floridā. “Ir pierādīts, ka lustras šūnas, kas ir viens no mūsu iecienītākajiem interneurona apakštipiem, ekspresē unikālus ģenētiskos marķierus un inervē tikai dažus garozas slāņus. (ChC kritiski kontrolē smadzeņu smadzeņu neironu radīšanu un ir iesaistīti smadzeņu traucējumu, piemēram, šizofrēnijas un epilepsijas, patoloģijā.) Mēs nolēmām, ka šis šūnu tipa modelis būs ideāla vieta, lai sāktu meklēt molekulas, kas piešķir slāņa specifiska sinapses atbilstība. ”

MPFI zinātnieki sāka savu izmeklēšanu, izmantojot vienas šūnas RNS sekvencēšanu, lai ģenētiski pārbaudītu IN gēnus, kas raksturīgi tikai atsevišķam apakštipam. Viņi atrada izvēlētu gēnu kopu intriģējošā kategorijā, kas pazīstama kā šūnu adhēzijas molekulas vai CAM. Viena CAM, īpaši IgSF11, bija ļoti bagātināta ar ChC, salīdzinot ar citiem IN apakštipiem.

Molekulārais tilts nomāc inhibējošās sinapses specifiskumu garozā

"Mūsu IN ģenētiskā pārbaude ir tā, kur mēs pirmo reizi atradām IgSF11," skaidro Yasufumi Hayano, Ph.D., pirmais publikācijas autors un pētnieks Taniguchi laboratorijā. "Mēs meklējām apakštipam raksturīgus gēnus, kas kodē šūnu virsmas olbaltumvielas, domājot, ka tie, kas izteikti neironu ārpuses, būs ideāls kandidāts, lai pastarpinātu sinapses specifisko mijiedarbību."

CAM satur daudzveidīgu strukturālo olbaltumvielu grupu. Bieži vien CAM tiek uzskatīts par bioloģisku līmi, un tie tiek izteikti neironu ārpusē un mijiedarbojas lielos kompleksos, veicinot šūnu savstarpēju mijiedarbību. Tilta veida komplekss, ko tie veido, nodrošina stabilitāti jaunizveidotajām sinapsēm un palīglīdzekļiem šūnu adhēzijā un komunikācijā. Viena CAM kategorija, ko sauc par homofīlām CAM, mijiedarbojas tikai ar citām CAM, kas ir identiskas pašām ar tām un teorētiski ir iespējamas kā starpnieks sinapses veidošanās specifikai.

Pēc IgSF11 identificēšanas kā homofīla CAM MPFI komanda meklēja IgSF11 ekspresiju neironos no garozas 2/3 slāņa augšējās puses, ko ChCs inervē, pamatojot, ka homofilai CAM mijiedarbībai ekspresija būtu jānotiek abās pusēs. Izmantojot fluorescējošu in situ hibridizāciju (FISH), pētnieki atklāja spēcīgu IgSF11 ekspresiju gan ChC, gan mērķa neironos, kas atrodas garozas 2/3 slānī, bet ne citos slāņos, sniedzot pārliecinošus pierādījumus tam, ka IgSF11 mijiedarbība ir svarīga ChC sinapses specifika.

Pēc tam Taniguchi laboratorija novērtēja IgSF11 funkcionālo lomu ChC sinapses veidošanā, noņemot IgSF11 no smadzenēm un pārbaudot izmaiņas. Lai analizētu, vai IgSF11 bija funkcionāli nepieciešams tikai ChC vai abiem ChC un mērķa kortikālajiem neironiem, komandai bija jāizstrādā stratēģija, kas ļāva selektīvi noņemt IgSF11. Lai to paveiktu, MPFI zinātnieki ģenerēja IgSF11 KO peles un fluorescējoši identificētus KO ChC pārstādīja savvaļas tipa (wt) saimniekiem. KO ChCs ievērojami samazināja gan sinaptisko boutonu lielumu, gan skaitu. Apstiprinot hipotēzi, ka IgSF11 piešķir savu specifiku, izmantojot homofilu mijiedarbību, transplantējot wt ChC IgSF11 KO peles smadzenēs, tika panākta tāda pati samazināšanās. Kopumā IgSF11, šķiet, ir cieši saistīts ar ChC sinaptiskā boutona attīstību un morfoloģisko diferenciāciju.

Sadarbība ar MPFI elektronu mikroskopijas kodolu un Kvona laboratoriju padziļināja KO IgSF11 funkcionālās sekas. Ultrastruktūras analīze, izmantojot lielu palielinājumu EM, parādīja, ka daži atlikušie sinaptiskie boutoni KO ChCs nebija pienācīgi diferencēti un parādīja sinaptiskās pārraides deficītu. Atbalstot šos datus, IgSF11 KO pelēm ar optoģenētiku balstīta elektrofizioloģija parādīja papildu deficītu sinaptiskajā transmisijā.

"Viena problēma, strādājot ar lustras šūnām, ir tā, ka ar tām ir grūti ģenētiski manipulēt, izmantojot tradicionālās metodes," skaidro Dr. Hayano. "Lai to pārvarētu, mēs izstrādājām jaunu uz vīrusiem balstītu stratēģiju, izmantojot adeno saistīto vīrusu, lai nogādātu IgSF11, grūti izsakāmu olbaltumvielu, interesējošajām šūnām."

MPFI komanda izmantoja savu AAV vīrusu stratēģiju, lai izpētītu, vai IgSF11, kas izteikts neironos no dažādiem garozas slāņiem, izņemot slāni 2/3, varētu mākslīgi izraisīt sinapses veidošanos ar ChC. Pārnesot neironus V slānī ar IgSF11, viņi atklāja daudzas ārpusdzemdes sinapses, kas izveidojās starp šīm šūnām un lustras šūnām - parādība, kas nenotiktu normālos apstākļos.

"IgSF11 ir pati pirmā identificētā šūnu adhēzijas molekula, kas tieši mediē interneurona apakštipu, slāņa specifisku sinapses veidošanos garozā," atzīmē Dr. Taniguchi. "Turpmāk nosakot molekulāros mehānismus, kas apņem inhibējošās ķēdes montāžu, var atklāt līdzīgu modeli citos atšķirīgos starpneironu apakštipos un palīdzēt atšķetināt, kā veidojas inhibējošās ķēdes. Mūsu darbs var būt noderīgs ieejas punkts, lai izprastu neiroloģiskās attīstības traucējumu etioloģiju, ko izraisa ķēdes deficīts unikālos starpneironu apakštipos. "