Otkrivanje kako se stotine različitih vrsta moždanih ćelija razvijaju iz njihove jedinstvene ekspresije hiljada gena obećava ne samo da će unaprediti razumevanje kako mozak funkcioniše u zdravlju, već i šta pođe po zlu u bolesti. Nova studija MIT-a koja precizno ispituje ovu „molekularnu logiku“ u dva tipa neurona voćne mušice Drosophila, pokazuje da čak i slične ćelije guraju i povlače mnoge poluge kako bi razvile različite funkcije.
U studiji u Neuronu, tim neurobiologa sa Instituta za učenje i pamćenje Picover otkrio je da se dva blisko povezana neuronska podtipa razlikuju jedan od drugog po tome kako izražavaju više od 800 gena, ili ~5% ukupnih gena kodiranih u genom muva. Manipulišući genima čija se ekspresija najviše razlikovala, naučnici su tada mogli da pokažu kako su proizveli nekoliko vidljivih razlika između ćelija.
„Postoji globalni napor u neuronauci da se identifikuju svi različiti tipovi neurona kako bi se definisala njihova jedinstvena svojstva i profili njihove ekspresije gena“, rekao je stariji autor studije Troj Litlton, profesor neuronauke Menicon na odeljenjima za biologiju i mozak i kognitivne nauke MIT-a. „Te informacije se mogu koristiti kao alat za proučavanje kako se novopronađeni geni bolesti mapiraju na te određene neurone da bi se ukazalo na to koji bi mogli biti najviše pogođeni određenim poremećajima mozga.“
„Želeli smo da koristimo Drosophilu kao način da vidimo da li možemo, u stvari, da utvrdimo kako se transkriptom dva slična neurona različito koristi da bismo razumeli koji ključni geni određuju njihova jedinstvena strukturna i funkcionalna svojstva.“
Dva tipa neurona koji su upoređeni u studiji oba proizilaze iz analoga kičmene moždine muve da kontrolišu mišiće oslobađanjem neurotransmitera glutamata na vezama zvanim sinapse. Glavne funkcionalne razlike neurona su u tome što se „fazični“ neuroni povezuju sa mnogim mišićima i emituju velike, povremene eksplozije glutamata, dok se „tonični“ neuroni povezuju sa samo jednim mišićem i obezbeđuju više konstantnog kapanja hemikalije. Ova dualnost, koja se takođe nalazi u neuronima ljudskog mozga, pruža fleksibilan opseg kontrole.
Postdok Instituta Picover Suresh Jetti predvodio je napore u Littletonovoj laboratoriji da se utvrdi kako ova dva neurona razvijaju svoje razlike. Tim je počeo sa neobično dubokom karakterizacijom toga kako se dva tipa ćelija razlikuju po obliku i funkciji, a zatim je vrlo precizno pogledao profile ekspresije gena, ili transkriptome.
Pomnim ispitivanjem, toničke i fazne ćelije pokazale su niz važnih razlika. Fazni neuroni stvaraju manje sinapsi na pojedinačnom mišiću nego tonički, ali pošto inerviraju toliko više mišića, fazni neuroni moraju da naprave oko četiri puta više sinapsi ukupno. Tonični neuroni imaju više ulaza od drugih neurona zahvaljujući dendritima koji se šire šire (grane koje vode u ćeliju).
Na izlaznoj strani stvari, fazni neuroni su proizvodili mnogo moćnije signale kada su stimulisani i bili su verovatnije da će ih poslati nego tonički neuroni. Analiza je pokazala da sinaptička mesta koja podstiču oslobađanje glutamata, nazvana aktivne zone (AZ), uzimaju više jona kalcijuma u fazne neurone nego toničke.
Posebno novo i intrigantno otkriće je da su AZ u toničkim i faznim neuronima poprimili različite oblike. Tonički AZ su bili okrugli, poput krofni, dok su fazni bili više trouglasti ili zvezdastog oblika. Littleton pretpostavlja da bi ova razlika mogla omogućiti da se više kalcijumovih jona ugura u fazne aktivne zone, možda objašnjavajući njihov veći nalet oslobađanja glutamata u poređenju sa toničnim neuronima.
Da bi procenio ekspresiju gena, Jetti je upotrebio tehniku nazvanu „isoform patchsek“ u kojoj je identifikovao potpuno iste toničke i fazne neurone u stotinama muva i ekstrahovao RNK iz njihovih pojedinačnih jezgara i ćelijskih tela. Tehnika, iako je bila veoma naporna, pružila je timu neobično bogatu venu transkriptomskih informacija upravo iz ćelija od interesa, rekao je Litlton, uključujući ne samo kako se ekspresija gena razlikuje između dva tipa ćelija, već i kako spajanje gena i uređivanje RNK bili drugačiji.
Sve u svemu, ekspresija 822 gena se značajno razlikovala između dva tipa neurona. Poznato je da oko 35 gena pomažu u vođenju rasta aksonskih grana koje neuroni protežu da bi uspostavili svoje veze sa mišićima – skup razlika koje se odnose na to zašto tonički neuroni inerviraju samo jedan mišić, dok fazni inerviraju mnoge.
Drugi različito eksprimirani geni povezani su sa strukturom i funkcijom sinapsi, dok je više od 20 drugih sugerisalo razlike u neuromodulatornim hemikalijama na koje je svaki neuron bio osetljiv kao ulaz.
Tim je otkrio da su transportni proteini izraženije izraženi u faznim neuronima, možda objašnjavajući kako oni drže korak sa većom potražnjom za stvaranjem više sinapsi u mnogim mišićima. Tim je takođe otkrio da dok tonički neuroni izražavaju gene „sijalilacije“ za vezivanje šećera za proteine na njihovoj sinaptičkoj membrani, oni fazni eksprimiraju jedinstvene „ubikvitinske“ gene koji razgrađuju proteine.
Nakon što je dokumentovao koji su geni najizraženiji različiti, tim je krenuo da utvrdi šta rade tako što ometaju njihovu funkciju i vide kako to utiče na ćelije.
Na primer, Jetti, Littleton i kolege su otkrili da ometanje specifičnih gena ubikvitinacije dovodi do toga da fazni neuroni prerastu sinapse. U međuvremenu, narušavanje sialilacije izazvalo je sinaptički podrast u toničkim neuronima. Tonički neuroni su takođe eksprimirali 40 puta više gena zvanog Vnt4, a poremećaj Vnt4 je smanjio sinaptički rast u ovoj populaciji neurona.
Naučnici su takođe otkrili da fazni neuroni eksprimiraju gen za puferovanje jona kalcijuma >30 puta više od toničnih. Kada su mutirali taj gen da poremete njegovu funkciju, otkrili su da fazni neuroni, koji obično imaju niže osnovne nivoe kalcijuma, sada pokazuju viši kalcijum u mirovanju slično toničnim neuronima.
I u drugom eksperimentu su pokazali da mogu jasno da poremete AZ oblike svake ćelije interferirajući sa genima citoskeleta koje je svaki neuron posebno eksprimirao. Kada je tim smanjio gen koji fazni neuroni dosta eksprimiraju, njihovi AZ su se izdužili, ali tonični AZ nisu bili pogođeni. Kada je tim smanjio gen koji fazni neuroni visoko eksprimiraju, njihovi AZ su postali manje okrugli bez uticaja na AZ u faznim ćelijama.
Sve u svemu, analiza je omogućila timu da počne da konstruiše model molekularnih razlika koje čine da se dve ćelije razlikuju, iako je Litlton rekao da imaju još posla da shvate kako pun repertoar razlika u ekspresiji gena definiše jedinstvena svojstva dva neurona podtipovi.
