Moleculaire brug medieert remmende synapsspecificiteit in de cortex

Moleculaire brug medieert remmende synapsspecificiteit in de cortex

Met zijn adembenemende uitzichten en opvallende gestalte verdient de Golden Gate Bridge zeker zijn titel als een van de moderne wereldwonderen. De elegante art-decostijl en iconische torens bieden bezoekers een unieke kans om verbluffende foto's te maken. De Golden Gate strekt zich uit over bijna 2 mijl en dient als een cruciale toegangspoort, die de uitwisseling van ideeën, goederen en mensen vergemakkelijkt.

Hoewel niet op dezelfde grandioze schaal, hebben onze hersenen vergelijkbare poorten om neuronen te verbinden. Deze kleine compartimenten, synapsen genaamd, maken de dynamische uitwisseling van informatie en de vorming van neurale circuits mogelijk. Om deze circuits te bouwen, moeten ontwikkelende neuronen eerst specifieke begeleidingssignalen volgen, door de hersenen reizen totdat ze hun juiste partners vinden. Dit proces is grotendeels belangrijk voor de hersenschors, die uit zes functioneel en anatomisch verschillende lagen bestaat. Hoewel de cortex uitgebreid is bestudeerd, is er niet veel bekend over de precieze moleculaire mechanismen die de synapsspecificiteit in zijn lagen aandrijven. Dit geldt met name voor een gespecialiseerde klasse van neuronen die remmende interneuronen (IN's) worden genoemd, die doorgaans lokale verbindingen maken met slechts één of twee lagen. Het blootleggen van de moleculen die in het spel zijn, zou het begrip van de vorming van corticale remmende circuits bevorderen.

In een recente publicatie in het tijdschrift van Wetenschap Advances, heeft het Taniguchi-lab van Max Planck Florida licht geworpen op een nieuw mechanisme voor remmende synapsspecificiteit in de cortex. MPFI-wetenschappers identificeerden een nieuwe rol voor het celadhesiemolecuul IgSF11 en hebben ontdekt dat het eiwit laagspecifieke synaptische targeting in corticale kroonluchtercellen (ChC's) bemiddelt.

"Ons laboratorium is gespecialiseerd in de studie van corticale interneuronen en de vorming van remmende circuits", beschrijft Dr. Hiroki Taniguchi, Ph.D. en onderzoeksgroepleider bij Max Planck Florida. “Van kroonluchtercellen, een van onze favoriete interneuronensubtypes, is aangetoond dat ze unieke genetische markers tot expressie brengen en alleen bepaalde lagen in de cortex innerveren. (ChC's controleren op kritische wijze het genereren van spikes in corticale hoofdneuronen en zijn betrokken bij de pathologie van hersenaandoeningen zoals schizofrenie en epilepsie.) We besloten dat dit modelceltype de perfecte plaats zou zijn om onze zoektocht naar moleculen te beginnen die laag- specifieke synaps-matching.”

MPFI-wetenschappers begonnen hun onderzoek met behulp van eencellige RNA-sequencing om IN's genetisch te screenen op genen die uniek zijn voor een individueel subtype. Ze vonden een selecte verzameling genen in een intrigerende categorie die bekend staat als celadhesiemoleculen of CAM's. Eén CAM in het bijzonder, IgSF11, was sterk verrijkt in ChC's in vergelijking met andere IN-subtypes.

Moleculaire brug medieert remmende synapsspecificiteit in de cortex

"Onze genetische screening van IN's is waar we IgSF11 voor het eerst tegenkwamen", legt Yasufumi Hayano, Ph.D., eerste auteur van de publicatie en onderzoeker in het Taniguchi Lab uit. "We waren op zoek naar subtype-specifieke genen die coderen voor celoppervlakte-eiwitten, in de veronderstelling dat degenen die aan de buitenkant van neuronen tot expressie worden gebracht de perfecte kandidaat zouden zijn om een ​​synaps-specifieke interactie te mediëren."

CAM's omvatten een diverse groep structurele eiwitten. Vaak beschouwd als een biologische lijm, worden CAM's tot expressie gebracht aan de buitenkant van neuronen en interageren ze in grote complexen, waardoor cel-tot-cel interacties worden vergemakkelijkt. Het brugachtige complex dat ze vormen, biedt stabiliteit voor nieuw gevormde synapsen en helpt bij celadhesie en communicatie. Eén categorie CAM's, homofiele CAM's genoemd, interageert alleen met andere CAM's die identiek zijn aan zichzelf en waarvan wordt aangenomen dat ze de mogelijkheid hebben om de specificiteit van synapsvorming te mediëren.

Na het identificeren van IgSF11 als een homofiele CAM, zocht het MPFI-team naar IgSF11-expressie in neuronen van de bovenste helft van laag 2/3 van de cortex die ChC's innerveren, redenerend dat expressie aan beide kanten zou moeten plaatsvinden voor een homofiele CAM-interactie. Met behulp van fluorescente in situ hybridisatie (FISH) vonden onderzoekers robuuste expressie van IgSF11 in zowel ChC's als in doelneuronen die zich in laag 2/3 van de cortex bevinden, maar niet in andere lagen, wat sterk bewijs levert dat de IgSF11-interactie belangrijk is in ChC synaps specificiteit.

Vervolgens beoordeelde het Taniguchi-lab de functionele rol van IgSF11 bij de vorming van ChC-synapsen door IgSF11 uit de hersenen te verwijderen en veranderingen te onderzoeken. Om te ontleden of IgSF11 functioneel noodzakelijk was op alleen ChC's of zowel ChC's als corticale neuronen, moest het team een ​​strategie ontwikkelen die de selectieve verwijdering van IgSF11 mogelijk maakte. Om dit te bereiken, hebben MPFI-wetenschappers IgSF11 KO-muizen gegenereerd en fluorescent geïdentificeerde KO ChC's getransplanteerd in wildtype (wt) gastheerdieren. KO ChC's vertoonden een significante vermindering van zowel de grootte als het aantal synaptische boutons. De hypothese bevestigend dat IgSF11 zijn specificiteit verleent door homofiele interactie, resulteerde het transplanteren van wt ChC's in de hersenen van IgSF11 KO-muizen in dezelfde reductie. Alles bij elkaar genomen lijkt IgSF11 sterk betrokken te zijn bij de ontwikkeling van ChC-synaptische boutonen en morfologische differentiatie.

Samenwerkingen met de elektronenmicroscopiekern van MPFI en het Kwon-lab gingen dieper in op de functionele gevolgen van KO IgSF11. Ultrastructuuranalyse met behulp van EM met hoge vergroting onthulde dat de weinige overgebleven synaptische boutons in KO ChC's niet goed differentieerden en tekortkomingen vertoonden in synaptische transmissie. Ter ondersteuning van deze gegevens toonde optogenetica-ondersteunde elektrofysiologie van IgSF11 KO-muizen extra tekortkomingen in synaptische transmissie aan.

"Een uitdaging bij het werken met Chandelier-cellen is dat ze moeilijk genetisch te manipuleren zijn met traditionele methoden", legt Dr. Hayano uit. "Om dit te verhelpen, hebben we een nieuwe, op virussen gebaseerde strategie bedacht met behulp van adeno-geassocieerd virus om IgSF11, een moeilijk tot expressie te brengen eiwit, aan cellen van belang te leveren."

Het MPFI-team gebruikte hun AAV-virale strategie om te onderzoeken of IgSF11, uitgedrukt in neuronen van andere corticale lagen dan laag 2/3, kunstmatig de vorming van synapsen met ChC's zou kunnen induceren. Door neuronen in laag V te transduceren met IgSF11, ontdekten ze talrijke ectopische synapsen gevormd tussen deze cellen en kroonluchtercellen, een fenomeen dat zich onder normale omstandigheden niet zou voordoen.

"IgSF11 is het allereerste geïdentificeerde celadhesiemolecuul dat direct interneuronsubtype, laagspecifieke vorming van synapsen in de cortex medieert", merkt Dr. Taniguchi op. "Verdere opheldering van de moleculaire mechanismen die de assemblage van remmende circuits omringen, kan een vergelijkbaar patroon in andere verschillende interneuron-subtypes onthullen en helpen te ontrafelen hoe remmende circuits zich vormen. Ons werk kan een nuttig toegangspunt bieden tot het begrijpen van de etiologie van neurologische ontwikkelingsstoornissen die worden veroorzaakt door een tekort aan circuits in unieke interneuron-subtypes."