Sinapse su spojevi preko kojih neuroni komuniciraju jedni sa drugima ili sa drugim tipovima ćelija. Sinapse se formiraju tokom života osobe, ali se njihova snaga i broj vremenom menjaju, što je fenomen poznat kao sinaptička plastičnost.
Dok su prošle studije neuronauke bacile mnogo svetla na sastav i funkciju sinapsi, genetski mehanizmi koji orkestriraju njihovo formiranje ostaju slabo shvaćeni. Eksperimentalni nalazi sugerišu da aktivnost neurona igra ključnu ulogu u formiranju sinapsi, ali interakcija između ove aktivnosti i genetskih mehanizama ostaje u velikoj meri neistražena.
Istraživači sa Univerziteta Stenford, Univerziteta Stoni Bruk i drugih instituta u SAD nedavno su sproveli studiju sa ciljem da popune ovu prazninu u literaturi, ispitivanjem dopaminergičkih neurona iz višećelijskog organizma Caenorhabditis elegans. Njihov rad, objavljen u Nature Neuroscience, otkriva snažan genetski program koji bi mogao biti u osnovi formiranja sinapsi putem neuronske aktivnosti.
„Iako su molekularni sastav i arhitektura sinapsi široko istraženi, mnogo se manje zna o tome koji genetski programi direktno aktiviraju sinaptičku ekspresiju gena i kako se moduliraju“, napisali su Callista Iee, Iutong Ksiao i njihove kolege u svom radu. „Koristeći Caenorhabditis elegans dopaminergičke neurone, otkrivamo da EGL-43/MECOM i FOS-1/FOS kontrolišu program sinaptogeneze zavisan od aktivnosti.“
Iee, Ksiao i njihove kolege su predložili ideju da sinaptički geni kontrolišu dva različita mehanizma. Jedan od njih se sastoji od programa koji regulišu obrasce ekspresije gena tokom razvoja, dok drugi zavisi od aktivnosti neurona.
Njihova nedavna studija imala je za cilj bolje razumevanje kako se ova dva različita mehanizma konvergiraju kako bi podržali formiranje sinapsi tokom razvoja. Da bi to uradili, sproveli su eksperimente na Caenorhabditis elegans, malom okruglom crvu koji se često koristi kao model organizma u biološkim istraživanjima.
Istraživači su modulirali aktivnost dopaminergičkih neurona u ovom organizmu koristeći optogenetske i hemogenetske tehnike, da bi zatim posmatrali kako je to uticalo na ekspresiju presinaptičkih proteina. Rezultati koje su prikupili sugerišu da je aktivnost neurona igrala ključnu ulogu u formiranju sinapsi.
Nakon toga, tim je krenuo da identifikuje genetske programe regulisane neuronskom aktivnošću koji pokreću formiranje sinapsi. Ovo ih je navelo da otkriju dva gena/proteina koji kontrolišu proces regulisan aktivnošću kroz koji se formiraju nove sinapse, naime EGL-43/MECOM i FOS-1/FOS.
„Gubitak bilo kog faktora ozbiljno smanjuje ekspresiju presinaptičkog proteina“, napisali su istraživači. „Oba faktora se direktno vezuju za promotere sinaptičkih gena i deluju zajedno sa CUT homeobok transkripcionim faktorima kako bi aktivirali transkripciju. egl-43 i fos-1 međusobno promovišu ekspresiju jedan drugog i povećavaju afinitet vezivanja FOS-1 za rezultate lokusa egl-43 u povećanju ekspresije presinaptičkog proteina i sinaptičke funkcije EGL-43 reguliše ekspresiju višestrukih faktora transkripcije, uključujući faktore regulisane aktivnošću i faktore razvoja koji definišu višestruke aspekte dopaminergičkog identiteta.
Nedavni rad ovog istraživačkog tima demonstrira mehanizam kroz koji aktivnost neurona modulira genetske programe koji kontrolišu formiranje sinapsi u Caenorhabditis elegans. Iako je ovaj mehanizam do sada primećen samo u dopaminergičkim neuronima, tim veruje da slični postoje i u različitim tipovima neurona.
U svojim sledećim studijama planiraju da prouče kako je genetski program koji su otkrili regulisan tokom vremena. Pored toga, mogli bi da istraže kako ovaj program interaguje sa drugim molekularnim procesima kako bi podržao ekspresiju sinaptičkih gena.
