Mostek molekularny pośredniczy w hamującej swoistości synaps w korze mózgowej

Mostek molekularny pośredniczy w hamującej swoistości synaps w korze mózgowej

Z zapierającymi dech w piersiach widokami i uderzającą posturą most Golden Gate z pewnością zasługuje na miano jednego z nowoczesnych cudów świata. Jego elegancki styl art deco i kultowe wieże oferują odwiedzającym jedyną w swoim rodzaju możliwość zrobienia zdumiewających zdjęć. Rozciągająca się na prawie 2 mile Golden Gate służy jako kluczowa brama, ułatwiająca wymianę pomysłów, towarów i ludzi.

Chociaż nie w tej samej skali, nasze mózgi mają podobne bramy łączące neurony. Te maleńkie przedziały, zwane synapsami, umożliwiają dynamiczną wymianę informacji i tworzenie obwodów neuronalnych. Aby zbudować te obwody, rozwijające się neurony muszą najpierw podążać za określonymi wskazówkami naprowadzającymi, podróżując przez mózg, aż do znalezienia odpowiednich partnerów. Proces ten jest w dużej mierze ważny dla kory mózgowej, która składa się z sześciu funkcjonalnie i anatomicznie odrębnych warstw. Chociaż kora została dokładnie zbadana, niewiele wiadomo na temat dokładnych mechanizmów molekularnych kierujących specyficznością synaps w jej warstwach. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku wyspecjalizowanej klasy neuronów zwanych interneuronami hamującymi (IN), które zazwyczaj tworzą lokalne połączenia tylko z jedną lub dwiema warstwami. Odkrycie zaangażowanych molekuł pogłębiłoby wiedzę na temat tworzenia korowych obwodów hamujących.

W niedawnej publikacji w czasopiśmie Postępy nauki, laboratorium Taniguchi Maxa Plancka Florida rzuciło światło na nowy mechanizm hamującej specyficzności synaps w korze mózgowej. Identyfikując nową rolę cząsteczki adhezyjnej komórek IgSF11, naukowcy z projektu MPFI odkryli, że białko to pośredniczy w ukierunkowaniu synaptycznym na warstwy korowe w komórkach żyrandola (ChCs).

„Nasze laboratorium specjalizuje się w badaniu interneuronów korowych i tworzenia obwodów hamujących”, opisuje dr Hiroki Taniguchi. i kierownik grupy badawczej w Max Planck Florida. „Komórki żyrandolowe, jeden z naszych ulubionych podtypów interneuronów, wykazują ekspresję unikalnych markerów genetycznych i unerwiają tylko niektóre warstwy kory. (ChC krytycznie kontrolują generowanie impulsów w głównych neuronach korowych i są zaangażowane w patologię zaburzeń mózgu, takich jak schizofrenia i epilepsja.) Uznaliśmy, że ten model komórki byłby idealnym miejscem do rozpoczęcia naszych poszukiwań cząsteczek, które nadają warstwę- specyficzne dopasowanie synaps.”

Naukowcy z MPFI rozpoczęli badania od sekwencjonowania jednokomórkowego RNA, aby genetycznie przeszukiwać IN pod kątem genów unikalnych dla poszczególnych podtypów. Odkryli wybraną pulę genów w intrygującej kategorii znanej jako cząsteczki adhezyjne komórek lub CAM. W szczególności jeden CAM, IgSF11, był wysoce wzbogacony w ChC w porównaniu z innymi podtypami IN.

Mostek molekularny pośredniczy w hamującej swoistości synaps w korze mózgowej

„Nasze genetyczne badania przesiewowe IN są miejscem, w którym po raz pierwszy natknęliśmy się na IgSF11”, wyjaśnia dr Yasufumi Hayano, pierwszy autor publikacji i naukowiec z laboratorium Taniguchi. „Szukaliśmy genów specyficznych dla podtypów, które kodują białka powierzchniowe komórki, sądząc, że te wyrażane na zewnątrz neuronów byłyby idealnym kandydatem do pośredniczenia w interakcji specyficznej dla synapsy”.

CAM obejmują zróżnicowaną grupę białek strukturalnych. Często uważane za klej biologiczny, CAM są wyrażane na zewnątrz neuronów i wchodzą w interakcje w dużych kompleksach, ułatwiając interakcje międzykomórkowe. Tworzony przez nie kompleks przypominający most zapewnia stabilność nowo utworzonym synapsom i wspomaga adhezję komórek i komunikację. Jedna kategoria CAM, zwana homofilnymi CAM, oddziałuje tylko z innymi CAM, które są identyczne i teoretycznie mają możliwość pośredniczenia w specyficzności tworzenia synaps.

Po zidentyfikowaniu IgSF11 jako homofilnej CAM, zespół MPFI szukał ekspresji IgSF11 w neuronach z górnej połowy warstwy 2/3 kory, którą unerwiane są przez ChC, argumentując, że ekspresja musiałaby wystąpić po obu stronach dla homofilnej interakcji CAM. Stosując fluorescencyjną hybrydyzację in situ (FISH), naukowcy odkryli silną ekspresję IgSF11 zarówno w ChC, jak i w neuronach docelowych znajdujących się w warstwie 2/3 kory, ale nie w innych warstwach, dostarczając mocnych dowodów na to, że interakcja IgSF11 jest ważna w ChC specyficzność synaps.

Następnie laboratorium Taniguchi oceniło funkcjonalną rolę IgSF11 w tworzeniu synaps ChC poprzez usunięcie IgSF11 z mózgu i zbadanie zmian. Aby przeanalizować, czy IgSF11 był funkcjonalnie niezbędny tylko na ChC, czy na obu ChC i docelowych neuronach korowych, zespół musiał opracować strategię, która umożliwiła selektywne usuwanie IgSF11. Aby to osiągnąć, naukowcy z MPFI wygenerowali myszy KO IgSF11 i przeszczepili zidentyfikowane fluorescencyjnie KO ChC zwierzętom-gospodarzom typu dzikiego (wt). KO ChC wykazały znaczne zmniejszenie zarówno rozmiaru, jak i liczby zawiązków synaptycznych. Potwierdzając hipotezę, że IgSF11 nadaje swoją specyficzność poprzez interakcję homofilną, przeszczepienie ChC wt do mózgów myszy IgSF11 KO spowodowało takie samo zmniejszenie. Podsumowując, wydaje się, że IgSF11 jest silnie związany z rozwojem pączków synaptycznych ChC i różnicowaniem morfologicznym.

Współpraca z rdzeniem mikroskopii elektronowej MPFI i laboratorium Kwon pozwoliła dokładniej zbadać funkcjonalne konsekwencje KO IgSF11. Analiza ultrastruktury przy użyciu EM o dużym powiększeniu wykazała, że ​​kilka pozostałych pączków synaptycznych w KO ChC nie różnicowało się prawidłowo i wykazywało deficyty transmisji synaptycznej. Popierając te dane, elektrofizjologia wspomagana optogenetyką myszy IgSF11 KO wykazała dodatkowe deficyty w transmisji synaptycznej.

„Jednym z wyzwań przy pracy z komórkami żyrandola jest to, że trudno nimi manipulować genetycznie przy użyciu tradycyjnych metod”, wyjaśnia dr Hayano. „Aby przezwyciężyć ten problem, opracowaliśmy nową strategię opartą na wirusach, wykorzystującą wirusa związanego z adenowirusem do dostarczania IgSF11, trudnego do ekspresji białka, do interesujących komórek”.

Zespół MPFI wykorzystał swoją strategię wirusową AAV do zbadania, czy IgSF11 ulegający ekspresji w neuronach z różnych warstw korowych innych niż warstwa 2/3 może sztucznie indukować tworzenie synaps z ChC. Neurony transdukujące w warstwie V za pomocą IgSF11 odkryli liczne synapsy ektopowe utworzone między tymi komórkami a komórkami żyrandolowymi, zjawisko, które nie wystąpiłoby w normalnych warunkach.

„IgSF11 jest pierwszą zidentyfikowaną cząsteczką adhezyjną komórek, która bezpośrednio pośredniczy w podtypie interneuronowym, w specyficznym dla warstwy tworzeniu synaps w korze”, zauważa dr Taniguchi. „Dalsze wyjaśnienie mechanizmów molekularnych otaczających zespół obwodów hamujących może ujawnić podobny wzór w innych odrębnych podtypach interneuronów i pomóc w wyjaśnieniu, w jaki sposób tworzą się obwody hamujące. Nasza praca może stanowić przydatny punkt wyjścia do zrozumienia etiologii zaburzeń neurorozwojowych spowodowanych deficytem obwodów w unikalnych podtypach interneuronów”.