Ученые из Университета Аризоны обнаружили неизвестный механизм, который устанавливает полярность в развивающихся нервных клетках. Понимание того, как нервные клетки образуют связи, является важным шагом в разработке лекарств от повреждений нервов в результате травм спинного мозга или нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера.В исследовании, опубликованном 12 августа в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, докторант UA Сара Паркер и ее советник, доцент клеточной и молекулярной медицины Сурав Гош, сообщают, что решение, которое будет «плюсом» и «минус» конец в новорожденной нервной клетке образован длинной и короткой версиями одной и той же сигнальной молекулы.Нервные клетки — или нейроны — отличаются от многих других клеток своей сильно асимметричной формой: нейрон, отдаленно напоминающий дерево, имеет одно длинное, похожее на ствол расширение, заканчивающееся пучком щетинок, напоминающих корень.
Это называется аксоном. С противоположного конца тела клетки вырастают ветвистые структуры, известные как дендриты. Соединяя «ветви» своих дендритов с «кончиками корней» аксонов других нейронов, нервные клетки образуют сети, которые могут быть такими простыми, как несколько соединений, участвующих в рефлексе коленного рефлекса, или такими же сложными, как у человека. головной мозг.Паркер и ее команда обнаружили, что эмбриональные нервные клетки производят хорошо известный сигнальный фермент под названием атипичная протеинкиназа C (aPKC) в двух вариантах: полноразмерный и усеченный.
Обе разновидности конкурируют за связывание с одним и тем же молекулярным партнером, белком под названием Par3. Если короткая форма aPKC соединяется с Par3, она говорит клетке вырастить дендрит, а если длинная форма соединяется с Par3, вместо этого она образует аксон.Когда исследователи заблокировали производство короткой формы, нервная клетка вырастила несколько аксонов, а не дендритов. Когда они создали искусственное изобилие короткой формы, дендриты образовались за счет аксонов.
Студентка UA Софи Хапак провела множество экспериментов, показывающих, как две изоформы конкурируют за Par3.«Мы показываем, что подключение нейронной цепи намного сложнее, чем считалось ранее», — сказал Гош. «Процесс имеет встроенную устойчивость, которая явно определяет, какая часть ячейки является« положительной », а какая« отрицательной »».«Чтобы иметь функционирующую нейронную цепь, у вас должны быть принимающие и отправляющие концы», — сказал Паркер. «Первоначально, когда нейрон формируется, ему не хватает полярности, которая ему нужна, когда он превращается в часть цепи. Механизм, который мы обнаружили, устанавливает эту полярность».
«То, как устроены различные области мозга, является основой эмоций, памяти и всех когнитивных функций», — сказал Гош, член института BIO5 UA. «Установление нейронной полярности в отдельных нейронах абсолютно необходимо для формирования нейронных цепей».«Если мы поймем этот механизм, мы сможем подумать о методах стимулирования новых аксонов после того, как оригинальные аксоны были отрезаны, например, в результате травмы спинного мозга», — сказал Гош.Полученные данные опровергают общепринятое мнение, согласно которому развивающийся нейрон по умолчанию будет образовывать дендриты, если только длинная форма aPKC не получит указаний на создание аксона.
Выращивая и изучая нейроны сразу после их образования, Паркер и ее группа обнаружили, что обе формы aPKC, длинные и короткие, изначально равномерно распределяются по клетке. Эти формы впоследствии разделяются на разные части клетки по мере созревания нейрона и установления полярности.Поскольку клетки были выделены из мозга крысы и сохранены в культуре, исследователи смогли продемонстрировать, что для обучения развивающегося нейрона не требуется никаких внешних ключей от других клеток.
Неизвестно, является ли установление полярности случайным процессом или другие сигналы, которые еще предстоит идентифицировать, играют роль в регулировании численности двух разновидностей aPKC.Это исследование, финансируемое Национальными институтами здравоохранения и стипендия, присужденная Паркеру в рамках программы вознаграждений за достижения для College Scientists Foundation, Inc., стало результатом сотрудничества трех отделов UA — клеточной и молекулярной медицины, фармакологии и физиологии.