آخرین مطالب

مطالعه نقش کلیدی یک پروتئین را در ناهمگونی نورون ها نشان می دهد –


تطبیق پذیری سیستم عصبی نه تنها از تنوع راه های ارتباط نورون ها در مدارها ناشی می شود، بلکه از “پلاستیسیته” یا توانایی آنها برای تغییر این اتصالات در هنگام به خاطر سپردن اطلاعات جدید، زمانی که شرکای مدار آنها تغییر می کنند یا موارد دیگر ناشی می شود. شرایط پدید می آید. یک مطالعه جدید توسط دانشمندان علوم اعصاب در موسسه Picower برای یادگیری و حافظه MIT نشان می‌دهد که چگونه فقط یک پروتئین واقع در خط مقدم اتصالات عصبی یا سیناپس‌ها، می‌تواند عمیقاً نحوه ارتباط برخی نورون‌ها و اجرای انعطاف‌پذیری را تغییر دهد.

این تیم دریافتند که بیان پروتئین توموسین یک عامل تعیین‌کننده اصلی در این است که آیا نورون‌های “پیش سیناپسی” که سیگنال‌هایی برای کنترل انقباض عضلانی ارسال می‌کنند، “فازی” خواهند بود، به این معنی که آنها به سرعت مقدار زیادی از انتقال‌دهنده عصبی گلوتامات را در سیناپس‌ها آزاد می‌کنند تا ارتباط برقرار کنند. یا “تونیک” خواهد بود، به این معنی که آنها گلوتامات را در دوزهای اندازه گیری شده تقسیم می کنند و مقداری را ذخیره می کنند. این مطالعه نشان می‌دهد که از آنجایی که نورون‌های تونیک دارای این ذخایر هستند، زمانی که گیرنده‌های سیناپس شروع به تزلزل می‌کنند، می‌توانند ترشح گلوتامات را افزایش دهند، انعطاف‌پذیری که به عنوان تقویت هموستاتیک پیش‌سیناپسی (PHP) شناخته می‌شود. نورون های فازی، با اندک یا بدون ذخیره توموسین واسطه، نمی توانند به طور مشابه پاسخ دهند.

تروی لیتلتون، نویسنده ارشد مطالعه جدید گفت: “اگر سیناپس را در سمت پس سیناپسی بشکنید، نورون پیش سیناپسی آن را تشخیص می دهد و خروجی بیشتری تولید می کند تا پاسخ سیناپسی کلی را ثابت نگه دارد. این نوع حساس انعطاف پذیری تطبیقی ​​به توموسین نیاز دارد.” که در eLife و منیکن استاد علوم اعصاب در مؤسسه Picower و بخش‌های زیست‌شناسی و مغز و علوم شناختی MIT. تنوع در توانایی نورون های مختلف برای بیان این شکل از شکل پذیری بستگی به این دارد که آیا آنها به طور معمول پروتئین را بیان می کنند یا نه.

درک نقش توموسین در نورون‌ها نه تنها برای تعریف عملکرد بنیادی سیناپس‌ها و مکانیسم‌های پلاستیسیته، که هدف بلندمدت آزمایشگاه لیتلتون است، مهم است، بلکه به این دلیل که انسان‌ها مانند مگس‌ها پروتئین‌های توموسین را می‌سازند و دارای کلاس‌های تونیک و فازیک نورون‌ها هستند.

انحراف طعمه

قبل از مطالعه، توموسین درگیر در ماشین مولکولی “SNARE” نورون های پیش سیناپسی شناخته شده بود. پروتئین‌های SNARE بسته‌ها یا وزیکول‌های انتقال‌دهنده‌های عصبی مانند گلوتامات را بر روی غشای نورون‌ها متصل می‌کنند تا بتوانند در سراسر سیناپس آزاد شوند. لیتلتون گفت که Tomosyn همچنین مشکوک بود که هدف آنزیمی باشد که برای یادگیری، حافظه و انعطاف پذیری مهم است.

چاد ساوولا، دانشجوی فارغ التحصیل سابق، مطالعه جدید را در آزمایشگاه لیتلتون هدایت کرد تا دقیقاً مشخص کند که توموسین چه کاری انجام می دهد. او کارهایی را شروع کرد که توسط نویسنده همکار نیکول آپونته سانتیاگو، یک دانشجوی سابق فارغ التحصیل، که جهش‌هایی را (اما هنوز آزمایش نکرده بود) آغاز کرد. توموسین ژن در تحقیقات خود در مورد پلاستیسیته نورون تونیک و فازیک.

زمانی که Sauvola شروع به ضبط انتقال سیناپسی از نورون ها کرد توموسین جهش‌هایی که برای از کار انداختن پروتئین طراحی شده بودند، مشاهده کرد که سیناپس‌ها در انتقال گلوتامات بسیار بیشتری درگیر هستند و عضلات پاسخ‌های بسیار بزرگ‌تری نسبت به حالت عادی دارند. ظاهراً از دست دادن توموزین طبیعی مانع از انتشار گلوتامات شد. قابل ذکر است که او می تواند اثرات جهش را با تعویض پروتئین توموسین انسانی ترمیم کند که حاکی از حفظ ویژگی پروتئین در همه گونه ها است.

برای یادگیری نحوه عملکرد توموسین، Sauvola ساختار آن را مطالعه کرد و دریافت که این پروتئین با عمل به عنوان طعمه ای برای جدا کردن پروتئین های SNARE بر روی غشای پلاسمایی، از اتصال وزیکول های سیناپسی به غشاء جلوگیری می کند. او این موضوع را در میکروسکوپ الکترونی نورون‌ها تأیید کرد، سیناپس‌هایی که فاقد توموسین هستند، 50 درصد وزیکول‌های بیشتری را در غشاء نسبت به سیناپس‌های دارای توموسین موجود نشان می‌دهند. او همچنین به طور عمدی سیناپس ها را تحریک کرد تا آزادسازی گلوتامات را تشویق کند و دریافت که در حالی که توموسین معمولی به طور معمول فعالیت در حیوانات نوع وحشی را حفظ می کند، جهش یافته ها نمی توانند به درستی میزان انتقال سیناپسی را مهار کنند.

یک تفاوت فاحش

با توجه به تفاوت در رفتار آزادسازی گلوتامات بین نورون های تونیک و فازیک، Sauvola تصمیم گرفت سطوح توموسین را در آن انواع سلول بررسی کند. مشخص شد که نورون‌های تونیک ضعیف‌تر، بیش از دو برابر نورون‌های فازیک قوی‌تر توموسین دارند، که نشان می‌دهد که سطوح توموسین می‌تواند تفاوت در سبک آزادسازی گلوتامات را توضیح دهد.

برای تعیین اینکه آیا توموسین چنین نقش محوری دارد، ساوولا آزمایش‌های تحریک بیشتری را در دو نوع عصبی انجام داد. همانطور که انتظار می رفت، پس از تحریک در حیوانات عادی، نورون های فازیک گلوتامات بسیار بیشتری نسبت به نورون های تونیک ساطع کردند. با این حال، در توموسین جهش یافته ها، دو کلاس عصبی رفتار مشابهی داشتند، با نورون های تونیک که مشابه همتایان عصبی فازیک خود آزاد می شوند.

فعال کردن پلاستیسیته

اگر توموسین آزادسازی گلوتامات از وزیکول را به‌طور خاص در نورون‌های تونیک مهار می‌کرد، ممکن است دلیل این باشد که چرا فقط نورون‌های تونیک می‌توانند انعطاف‌پذیری PHP را نشان دهند. مطمئناً وقتی ساوولا گیرنده‌های گلوتامات را در سلول‌های ماهیچه‌ای برای القای پاسخ PHP مختل کرد، متوجه شد که نورون‌های تونیک فاقد توموسین، درست مانند نورون‌های فازیک کنترل، نمی‌توانند این شکل از انعطاف‌پذیری را تحریک کنند. اما زمانی که او به پاسخ در نورون‌های تونیک طبیعی نگاه کرد، دریافت که سیناپس توسط سیناپس افزایش‌های عمده‌ای در آزادسازی گلوتامات دارد – حتی سیناپس‌هایی که از قبل تمایل بسیار کمی از خود نشان می‌دادند به نظر می‌رسید که توانایی قابل توجهی برای انتشار سیگنال‌های سیناپسی به دست می‌آورند.

لیتلتون گفت: “این واقعاً یک کشف شگفت انگیز است که من پیش بینی نمی کردم.” بسیار شگفت‌آور است که می‌بینیم این سیناپس‌های ضعیف می‌توانند در مقیاس زمانی بسیار سریع‌تر عمل کنند.»

لیتلتون گفت، یکی از گام‌های بعدی آزمایشگاه این است که بفهمد چه تعامل مولکولی باعث می‌شود که توموسین در صورت نیاز به PHP ترمز را کاهش دهد. یکی دیگر از جهت‌گیری‌های آینده، نگاهی به انواع دیگر نورون‌ها، به‌ویژه در مغز، خواهد بود تا ببینیم سطح توموسین چگونه متفاوت است و چگونه بر خروجی سیناپسی آنها تأثیر می‌گذارد.

اما نتایج جدید به طور قطع نشان می دهد که توانایی توموسین برای جلوگیری از اتصال SNARE به وزیکول ها و در نتیجه انتشار گلوتامات، تفاوت چشمگیری در سبک ارتباط عصبی بین نورون های تونیک و فازیک ایجاد می کند.

علاوه بر ساوولا، لیتلتون و آپونته سانتیاگو، نویسندگان دیگر مقاله یولیا آکبرگنوا و کارن کانینگهام هستند.

مؤسسه ملی بهداشت و بنیاد JPB بودجه ای را برای این تحقیق فراهم کردند.