Molekulárny mostík sprostredkováva inhibičnú synaptickú špecifickosť v kôre

Molekulárny mostík sprostredkováva inhibičnú synaptickú špecifickosť v kôre

Vďaka svojim úchvatným výhľadom a pozoruhodnému vzrastu si most Golden Gate určite zaslúži svoj titul ako jeden z moderných divov sveta. Jeho elegantný štýl v štýle art deco a ikonické veže ponúkajú návštevníkom jedinečnú príležitosť na ohromujúce fotografie. Golden Gate, ktorá sa tiahne takmer 2 míle, slúži ako kritická brána a uľahčuje výmenu myšlienok, komodít a ľudí.

Aj keď nie v rovnakej grandióznej mierke, náš mozog má podobné brány na spájanie neurónov. Tieto malé oddelenia, nazývané synapsie, umožňujú dynamickú výmenu informácií a tvorbu neurónových obvodov. Na vytvorenie týchto obvodov musí vyvíjajúci sa neurón najskôr postupovať podľa konkrétnych vodiacich pokynov, cestovať naprieč mozgom, až kým nenájde svojich správnych partnerov. Tento proces je do veľkej miery dôležitý pre mozgovú kôru, ktorá sa skladá zo šiestich funkčne a anatomicky odlišných vrstiev. Aj keď bola kôra rozsiahle študovaná, nie je veľa známe o presných molekulárnych mechanizmoch, ktoré vedú k synaptickej špecifickosti v jej vrstvách. To platí najmä pre špecializovanú triedu neurónov nazývanú inhibičné interneuróny (IN), ktoré zvyčajne vytvárajú lokálne spojenia iba s jednou alebo dvoma vrstvami. Odkrytie molekúl pri hre by ďalej podporilo pochopenie tvorby kortikálneho inhibičného obvodu.

V nedávnej publikácii v časopise Veda Zálohy„Laboratórium Taniguchi z Floridy Maxa Plancka prinieslo svetlo do nového mechanizmu pre špecifickosť inhibičnej synapsie v kôre. Vedci MPFI identifikovali novú úlohu pre molekulu bunkovej adhézie IgSF11 a zistili, že tento proteín sprostredkováva vrstvovo špecifické synaptické zacielenie v kortikálnych lustrových bunkách (ChC).

„Naše laboratórium sa špecializuje na štúdium kortikálnych interneurónov a tvorbu inhibičných obvodov,“ popisuje Dr. Hiroki Taniguchi, Ph.D. a vedúci výskumnej skupiny v spoločnosti Max Planck na Floride. "Ukázalo sa, že lustrové bunky, jeden z našich obľúbených podtypov interneurónu, vyjadrujú jedinečné genetické markery a inervujú iba určité vrstvy v kôre." (ChC kriticky riadia tvorbu špičiek v kortikálnych hlavných neurónoch a podieľajú sa na patológii mozgových porúch, ako je schizofrénia a epilepsia.) Rozhodli sme sa, že tento model bunkového typu bude dokonalým miestom na začatie hľadania molekúl, ktoré prepožičiavajú vrstvu konkrétne priradenie synapsií. “

Vedci MPFI začali svoje vyšetrovanie pomocou jednobunkového sekvenovania RNA na genetické skríning IN pre gény jedinečné pre jednotlivý podtyp. Našli vybraný súbor génov v zaujímavej kategórii známej ako molekuly bunkovej adhézie alebo CAM. Najmä jeden CAM, IgSF11, bol vysoko obohatený o ChC v porovnaní s inými podtypmi IN.

Molekulárny mostík sprostredkováva inhibičnú synaptickú špecifickosť v kôre

„Náš genetický skríning IN je miestom, kde sme sa prvýkrát stretli s IgSF11,“ vysvetľuje Yasufumi Hayano, Ph.D., prvý autor publikácie a vedecký pracovník v laboratóriu Taniguchi. "Hľadali sme gény špecifické pre subtyp, ktoré kódujú proteíny na bunkovom povrchu, mysliac si, že tie, ktoré sú exprimované na vonkajšej strane neurónov, by boli dokonalým kandidátom na sprostredkovanie interakcie špecifickej pre synapsie."

CAM obsahujú rozmanitú skupinu štrukturálnych proteínov. CAM, ktoré sa často považujú za biologické lepidlo, sa exprimujú na vonkajšej strane neurónov a interagujú vo veľkých komplexoch, čo uľahčuje interakcie medzi bunkami. Mostový komplex, ktorý tvoria, ponúka stabilitu pre novovzniknuté synapsie a pomáha pri adhézii a komunikácii buniek. Jedna kategória CAM, nazývaná homofilné CAM, interaguje iba s inými CAM, ktoré sú navzájom identické a teoretizované tak, aby mali možnosť sprostredkovať špecifickosť tvorby synapsií.

Po identifikácii IgSF11 ako homofilnej CAM tím MPFI hľadal expresiu IgSF11 v neurónoch z hornej polovice vrstvy 2/3 kôry, ktorú ChC inervujú, s odôvodnením, že pre homofilnú CAM interakciu by sa expresia musela vyskytnúť na oboch stranách. Použitím fluorescenčnej hybridizácie in situ (FISH) vedci zistili silnú expresiu IgSF11 v oboch ChC, ako aj v cieľových neurónoch nachádzajúcich sa vo vrstve 2/3 kôry mozgovej, ale nie v iných vrstvách, čo poskytuje silný dôkaz o dôležitosti interakcie IgSF11 v ChC. špecifickosť synapsie.

Ďalej laboratórium Taniguchi hodnotilo funkčnú úlohu IgSF11 pri tvorbe ChC synapsií odstránením IgSF11 z mozgu a skúmaním zmien. Aby bolo možné zistiť, či je IgSF11 funkčne nevyhnutný iba na ChC alebo na oboch ChC a na cieľových kortikálnych neurónoch, musel tím vyvinúť stratégiu, ktorá umožnila selektívne odstránenie IgSF11. Aby sa to dosiahlo, vedci MPFI generovali myši IgSF11 KO a transplantovali fluorescenčne identifikované KO ChC do hostiteľských zvierat divokého typu (wt). KO ChC vykazovali významné zníženie ako veľkosti, tak aj počtu synaptických boutónov. Potvrdením hypotézy, že IgSF11 poskytuje svoju špecificitu prostredníctvom homofilnej interakcie, bola transplantácia wt ChCs do mozgu myší IgSF11 KO rovnaká. Dohromady sa zdá, že IgSF11 je silne zapojený do vývoja synaptického boutónu ChC a morfologickej diferenciácie.

Spolupráca s jadrom elektrónovej mikroskopie MPFI a laboratóriom Kwon sa ďalej zaoberala funkčnými dôsledkami KO IgSF11. Ultraštruktúrna analýza pomocou EM s veľkým zväčšením odhalila, že niekoľko zostávajúcich synaptických boutónov v KO ChC sa nediferencovalo správne a vykazovali deficity v synaptickom prenose. Na základe podpory týchto údajov demonštrovala elektrofyziológia myší IgSF11 KO optogenetikou ďalšie deficity synaptického prenosu.

„Jednou z výziev pri práci s lustrovými bunkami je, že je ťažké ich geneticky manipulovať pomocou tradičných metód,“ vysvetľuje Dr. Hayano. "Aby sme to prekonali, vyvinuli sme novú stratégiu založenú na vírusoch s použitím vírusu spojeného s adeno na dodanie IgSF11, ťažko exprimovateľného proteínu, do záujmových buniek."

Tím MPFI použil svoju vírusovú stratégiu AAV na zistenie, či IgSF11 exprimovaný v neurónoch z rôznych kortikálnych vrstiev iných ako vrstva 2/3 môže umelo indukovať tvorbu synapsií s ChC. Transdukciou neurónov vo vrstve V s IgSF11 objavili veľa ektopických synapsií vytvorených medzi týmito bunkami a lustrovými bunkami, čo je jav, ktorý by sa za normálnych okolností nevyskytoval.

„IgSF11 je úplne prvá identifikovaná molekula bunkovej adhézie, ktorá priamo sprostredkováva interneurónový podtyp, vrstvovo špecifickú tvorbu synapsií v kôre,“ poznamenáva Dr. Taniguchi. "Ďalšie objasnenie molekulárnych mechanizmov obklopujúcich inhibičný obvod môže odhaliť podobný vzorec v iných odlišných podtypoch interneurónu a pomôcť objasniť, ako sa tvoria inhibičné obvody." Naša práca môže poskytnúť užitočný vstupný bod do porozumenia etiológie porúch neurového vývoja spôsobených deficitom okruhu v jedinečných interneurónových podtypoch. “

Detonic