Jambatan molekul memediasi kekhususan sinaps penghambat di korteks

Jambatan molekul memediasi kekhususan sinaps penghambat di korteks

Dengan pemandangan yang menakjubkan dan perawakannya yang menakjubkan, Jambatan Golden Gate sememangnya layak mendapat gelaran sebagai salah satu keajaiban moden dunia. Gaya art deco dan menara ikoniknya yang elegan menawarkan pengunjung peluang sekali seumur hidup untuk mengambil gambar yang menakjubkan. Membentang hampir 2 batu, Golden Gate berfungsi sebagai gerbang kritikal, memudahkan pertukaran idea, komoditi, dan orang.

Walaupun tidak sama besarnya, otak kita mempunyai pintu masuk yang serupa untuk menghubungkan neuron. Kompartemen kecil ini, yang disebut sinapsis, memungkinkan pertukaran maklumat yang dinamik dan pembentukan rangkaian saraf. Untuk membina litar ini, neuron yang sedang berkembang mesti terlebih dahulu mengikuti petunjuk panduan tertentu, melakukan perjalanan melintasi otak sehingga menemui pasangannya yang betul. Proses ini sangat penting untuk korteks serebrum, yang terdiri daripada enam lapisan berbeza yang berfungsi dan anatomi. Walaupun korteks telah dipelajari secara meluas, tidak banyak yang diketahui mengenai mekanisme molekul tepat yang mendorong kekhususan sinaps dalam lapisannya. Hal ini berlaku terutama untuk kelas neuron khusus yang disebut interneuron penghambat (INS), yang biasanya membuat hubungan tempatan dengan hanya satu atau dua lapisan. Membongkar molekul-molekul yang dimainkan akan meningkatkan pemahaman mengenai pembentukan litar penghambat kortikal.

Dalam penerbitan baru-baru ini dalam jurnal Kemajuan sains, Makmal Taniguchi Max Planck Florida telah menjelaskan mekanisme baru untuk kekhususan sinaps penghambatan di korteks. Mengenal pasti peranan baru untuk molekul lekatan sel IgSF11, saintis MPFI telah menemui bahawa protein itu memediasi penargetan sinaptik lapisan khusus dalam Sel Chandelier kortikal (ChCs).

"Makmal kami mengkhususkan diri dalam kajian interneuron kortikal dan pembentukan litar penghambatan," jelas Dr. Hiroki Taniguchi, Ph.D. dan Ketua Kumpulan Penyelidikan di Max Planck Florida. "Chandelier Cells, salah satu subtipe interneuron kegemaran kami, telah ditunjukkan untuk menyatakan penanda genetik yang unik dan hanya menghidupkan lapisan tertentu dalam korteks. (ChCs secara kritikal mengawal penghasilan lonjakan pada neuron utama kortikal dan telah terlibat dalam patologi gangguan otak seperti skizofrenia dan epilepsi.) Kami memutuskan bahawa jenis sel model ini akan menjadi tempat yang tepat untuk memulakan pencarian molekul yang memberikan lapisan- pemadanan sinaps khusus. "

Para saintis MPFI memulakan penyelidikan mereka menggunakan penjujukan RNA sel tunggal untuk meneliti IN secara genetik untuk gen yang unik untuk subtipe individu. Mereka menemui kumpulan gen terpilih dalam kategori menarik yang dikenali sebagai molekul lekatan sel, atau CAM. Satu CAM khususnya, IgSF11, sangat diperkaya dalam ChCs berbanding subtipe IN yang lain.

Jambatan molekul memediasi kekhususan sinaps penghambat di korteks

"Pemeriksaan genetik INS adalah tempat kami pertama kali menemui IgSF11," jelas Yasufumi Hayano, Ph.D., pengarang pertama penerbitan dan saintis penyelidikan di Taniguchi Lab. "Kami mencari gen khusus subtipe yang menyandikan protein permukaan sel, memikirkan bahawa gen yang dinyatakan di luar neuron akan menjadi calon yang tepat untuk memediasi interaksi spesifik sinaps."

CAM terdiri daripada kumpulan protein struktur yang pelbagai. Selalunya dianggap sebagai gam biologi, CAM dinyatakan di bahagian luar neuron dan berinteraksi dalam kompleks besar, memudahkan interaksi sel ke sel. Kompleks seperti jambatan yang mereka bentuk menawarkan kestabilan untuk sinapsis yang baru terbentuk dan bantuan dalam lekatan dan komunikasi sel. Satu kategori CAM, yang disebut CAM homofilik, hanya berinteraksi dengan CAM lain yang identik dengan diri mereka sendiri dan berteori mempunyai kemungkinan untuk memediasi kekhususan pembentukan sinaps.

Setelah mengenal pasti IgSF11 sebagai CAM homofilik, pasukan MPFI mencari ekspresi IgSF11 pada neuron dari bahagian atas lapisan 2/3 korteks yang disokong oleh ChC, dengan alasan bahawa ekspresi perlu berlaku pada kedua-dua belah pihak untuk interaksi CAM homofilik. Dengan menggunakan hibridisasi in situ pendarfluor (FISH), para penyelidik mendapati ekspresi IgSF11 yang kuat di kedua-dua ChC dan juga pada neuron sasaran yang berada di dalam lapisan 2/3 korteks tetapi tidak di lapisan lain, memberikan bukti kuat bahawa interaksi IgSF11 penting dalam ChC kekhususan sinaps.

Seterusnya, makmal Taniguchi menilai peranan fungsional IgSF11 dalam pembentukan sinopsis ChC dengan mengeluarkan IgSF11 dari otak dan memeriksa perubahan. Untuk menguraikan apakah IgSF11 diperlukan secara fungsional hanya pada ChC atau kedua ChC dan menargetkan neuron kortikal, pasukan harus mengembangkan strategi yang memungkinkan penyingkiran IgSF11 secara selektif. Untuk mencapai ini, saintis MPFI menghasilkan tikus IgSF11 KO dan mentransplantasikan KO ChCs secara fluoresen menjadi haiwan inang jenis liar. KO ChC memperlihatkan pengurangan yang ketara dalam ukuran dan bilangan butiran sinaptik. Menguatkan hipotesis bahawa IgSF11 memberikan kekhususannya melalui interaksi homofilik, memindahkan ChC ke otak tikus IgSF11 KO menghasilkan pengurangan yang sama. Secara bersama-sama, IgSF11 nampaknya sangat terlibat dalam pengembangan bapton sinaptik ChC dan pembezaan morfologi.

Kerjasama dengan teras mikroskopi elektron MPFI dan makmal Kwon menyelidiki lebih jauh akibat fungsi KO IgSF11. Analisis ultrastruktur menggunakan EM pembesaran tinggi menunjukkan bahawa beberapa bouton sinaptik yang tersisa di KO ChCs tidak membezakan dengan betul dan menunjukkan kekurangan dalam transmisi sinaptik. Menyokong data ini, elektrofisiologi yang dibantu optogenetik tikus IgSF11 KO menunjukkan kekurangan tambahan dalam penghantaran sinaptik.

"Satu cabaran bekerja dengan sel Chandelier adalah bahawa mereka sukar dimanipulasi secara genetik menggunakan kaedah tradisional," jelas Dr. Hayano. "Untuk mengatasinya, kami merancang strategi baru berdasarkan virus menggunakan virus yang berkaitan dengan adeno untuk menyampaikan IgSF11, protein yang sukar diungkapkan, ke sel yang menarik."

Pasukan MPFI menggunakan strategi virus AAV mereka untuk menyiasat sama ada IgSF11 yang dinyatakan dalam neuron dari lapisan kortikal yang berlainan selain lapisan 2/3 dapat secara artifisial mendorong pembentukan sinaps dengan ChC. Memancarkan neuron pada lapisan V dengan IgSF11, mereka menemui banyak sinaps ektopik yang terbentuk antara sel-sel ini dan sel-sel candelier, suatu fenomena yang tidak akan berlaku dalam keadaan normal.

"IgSF11 adalah molekul lekatan sel pertama yang dikenal pasti yang secara langsung menjadi perantara subtipe interneuron, pembentukan sinapsis lapisan khusus di korteks," kata Dr. Taniguchi. “Penjelasan lebih lanjut mengenai mekanisme molekul di sekitar pemasangan litar penghambat dapat menunjukkan corak yang serupa pada subtipe interneuron yang berbeza dan membantu untuk menguraikan bagaimana rangkaian penghambatan terbentuk. Kerja kami mungkin memberikan jalan masuk yang berguna untuk memahami etiologi gangguan neurodevelopmental yang disebabkan oleh defisit litar pada subtipe interneuron yang unik. "