Центральная функция нервной системы - ее динамическая способность претерпевать изменения, например, в физиологических свойствах ее составляющих нейронов, синаптических связях между ними и характеристиках отдельных синапсов. Гипотеза о том, что нейронная активность может привести к такой пластичности, впервые предложенной нейрофизиологом Дональдом Хеббом в 1949 году, имеет фундаментальное значение для науки о мозге и подтверждена во многих исследованиях.
Важно продемонстрировать это уже хорошо описанное и широко изученное нейронное явление в нематоде, потому что C. elegans - это не просто червь, а мощная экспериментальная модель. Генетические исследования C. elegans привели к открытию нескольких молекулярных компонентов, общих для всех нервных систем. Кроме того, полная карта нейронной связи в нервной системе нематод доступна уже более 30 лет.
Сборка соединения C. elegans стала возможной не только крошечным размером червя (длиной 1 миллиметр), но также и потому, что его ячейки постоянны по количеству и идентичности, а его синаптические связи в значительной степени сохраняются между индивидуумами. Эти свойства, а также тот факт, что данные о связности были получены только у нескольких индивидуумов, создали впечатление, что нервная система C. elegans отличается исключительной устойчивостью и постоянной структурой. Интуиция предполагает, что этого не может быть - нервная система червя настолько сложна, что она должна основываться на динамических механизмах. Но несколько примеров вариабельности нейронов C. elegans описаны до сих пор.
C. elegans ингибиторный нейрон DVB делает разные связи в двух полах червя: самцы и гермафродиты. Один процесс распространяется на головку червя у обоих полов, а мужской-специфический рост к хвосту приводит к образованию синаптических связей с нейроном и мышцами, которые контролируют движение спикул самца - пары закаленных структур, которые вставляют в вульву гермафродита во время спаривания. Формирование этих новых синапсов и утрата некоторых старых, означают, что движение спикул происходит под запретным контролем DVB. Это усовершенствование улучшает эффективность спаривания мужчин. Харт и Хоберт теперь показывают, что этот мужской специфический рост DVB происходит между днями 1 и 5 взрослой жизни. Выросток создает ветвящуюся нейронную архитектуру, которая, в отличие от многих нейронных цепей C. elegans, варьируется между людьми.
Харт и Хоберт использовали флуоресцентные «репортерные» белки, чтобы визуализировать рост и образование синапсов DVB. Их анализ показывает, что рост не происходит, если самец не испытывает копулятивной активности. Затем авторы подражали естественному поведению, используя сложные генетические методы для активации или подавления передачи сигналов или движения целевого нейрона и мышц DVB, соответственно. Это показывает, что активность в задачах DVB стимулирует рост нейронов.
Какие молекулярные пути могут опосредовать рост DVB? Белки нейронной клеточной адгезии экспрессируются на клеточных поверхностях нервной системы. У них есть внеклеточные белковые взаимодействия, которые могут опосредовать связь между клетками и, как считается, играют роль в кодировании и создании синаптической структуры нервной системы. Двумя из наиболее изученных белков в этом классе являются нейрексин и нейролигин, которые могут взаимодействовать друг с другом и участвуют в формировании и регуляции синапса. Таким образом, они были естественными кандидатами для тестирования Харта и Хоберта.
Авторы исследовали роли этих белков путем сочетания генетической делеции или сверхэкспрессии белков с стимуляцией или подавлением активности в цепи. Эти анализы привели к нескольким выводам. Во-первых, нейрексин выражается в DVB и необходим для роста DVB. Во-вторых, активность нейрексина ингибируется нейролигином, который выражается в мужских половых органах и мышцах. В-третьих, экспрессия нейролигина подавляется активностью в цепи, что объясняет, почему рост DVB зависит от активности. Точно так же, как neuroligin ингибирует рост DVB и независимо от того, физически ли эти два белка взаимодействуют в этой обстановке, еще предстоит определить.
Работа Харта и Хоберта объединяет три области исследований в области нейронауки: разрастание, разветвление и выбор цели в пластических нейронах; контроль этих процессов за счет активности нейронов; и функцию белков нейронной клеточной адгезии. Таким образом, ценность исследования заключается не только в открытии нового явления, но и в том, что он предусматривает создание новых открытий.
Анализ мутантов C. elegans позволит идентифицировать дополнительные молекулы, которые влияют на рост DVB, например, связующего партнера нейрексина, который стимулирует рост. Затем можно проанализировать внутриклеточные механизмы, которые приводят к разрастанию DVB и как они контролируются взаимодействием между нейрексином и его связывающим партнером. Другие вопросы для изучения включают в себя то, как DVB знает, куда отправлять процессы, как его аксональные расширения распознают соответствующие синаптические цели и точно, как активность цепи контролирует экспрессию нейролигина.
Наконец, Харт и Хоберт обнаружили, что эти события происходят только у мужчин. Авторы попытались стимулировать рост DVB в гермафродитах, но их результаты свидетельствуют о том, что ни активность цепи, ни путь нейрексин-нейролигин сами по себе достаточны для этого. Другая работа в C. elegans предполагает, что она является дополнением к половым хромосомам (две Х-хромосомы в гермафродитах и только одна у мужчин) в клетках цепи, что в конечном итоге заставляет их реагировать на нейтральные по признаку пола пути в отношении пола ,
Генетические исследования влекут за собой мутации в генах нейральных клеточных адгезий, включая нейрексин и нейролигин, как основы психических расстройств, отчасти из-за роли этих генов в нейронной пластичности. Следовательно, прогресс в раскрытии деталей молекулярных путей, лежащих в основе их деятельности, может иметь глубокие последствия для понимания не только обучения и памяти, но также психических расстройств и их сексуального выражения.
Комментариев нет:
Отправить комментарий