Нейробиологи из Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте обнаружили, что белок действует как регулятор громкости для высвобождения нейротрансмиттеров, химических веществ, которые нейроны выделяют через соединения, называемые синапсами, для стимуляции мышц или взаимодействия с другими нейронами в цепях мозга. Полученные данные помогают объяснить, как работают синапсы, и могут помочь лучше понять некоторые неврологические расстройства.
Работая на модели дрозофилы, команда определила, что белок Synaptotagmin 7 (SYT7), который также обнаружен у людей и других млекопитающих, ограничивает количество и доступность содержащих нейротрансмиттеры капель, называемых пузырьками, для высвобождения в синапсе. Нейроны размещают пузырьки на участках, называемых "активные зоны" чтобы высвободить их через синапсы, процесс, называемый "слияние пузырьков." Когда ученые уменьшили SYT7, они увидели, что в синапсах выделяется гораздо больше нейротрансмиттеров. Когда они увеличили количество белка, выброс нейротрансмиттера значительно упал.
"Вы можете думать об этом как о регуляторе громкости радио," сказал старший автор Трой Литтлтон, профессор нейробиологии Menicon кафедры биологии, мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института. "Если нейрон хочет посылать больше сигналов, все, что ему нужно сделать, это в основном снизить уровень белка SYT7, который он производит. Это очень элегантный способ для нейронов увеличивать или уменьшать объем вывода, который они выдают."
Соавторами исследования являются научный сотрудник Чжо Гуань и Моника С. Киньонес-Фриас, успешно защитившая докторскую диссертацию по работе 4 мая. Она отметила, что, действуя как регулятор громкости, белок может изменять природу активности синапса в цепи, свойство, называемое "синаптическая пластичность."
"Syt7 регулирует нейротрансмиссию дозозависимым образом и может действовать как переключатель краткосрочной синаптической пластичности," Киньонес-Фриас сказал.
Ученый-исследователь Юлия Акбергенова также является соавтором исследования, опубликованного в eLife.
Синаптический сюрприз
Какими бы важными ни были результаты исследования, это не те результаты, которые команда изначально искала.
На протяжении десятилетий нейробиологи знали, что семейство белков синаптотагмина играет ключевую роль в синаптической функции. Фактически, докторская диссертация Литтлтона 1993 года показала, что SYT1 способствует быстрому высвобождению нейромедиаторов, когда запускается притоком ионов кальция. Но даже при отключенном SYT1 синапсы могут выпускать нейротрансмиттеры в более медленный период времени. Никто не обнаружил, что способствует последующему более медленному высвобождению, но многие ученые возлагали надежды на SYT7.
"Это то, что действительно искали все специалисты, включая мою лабораторию," Литтлтон сказал. "Поэтому было настоящим сюрпризом, когда мы выбили его и увидели прямо противоположное тому, что мы ожидали."
Мутанты и микроскопы
Чтобы изучить SYT7, команда сосредоточила свои эксперименты на синапсах в хорошо изученном месте: на стыке нейрона мухи и мышцы. Команда не только хотела увидеть, какие различия повлияет на синаптическую активность при изменении уровня белка, но и проследить, как это повлияло на эти различия.
Они изменили количество SYT7, которое нейрон мог продуцировать путем мутации и размножения мух, у которых ген был полностью элиминирован, могла быть экспрессирована только одна копия, или в которых ген был сверхэкспрессирован, производя больше SYT7, чем обычно. Для каждой из этих линий они измерили удивительную обратную связь между SYT7 и синаптической передачей.
Кроме того, используя метод, изобретенный лабораторией, чтобы визуально отмечать высвобождение нейротрансмиттера каждый раз, когда это происходит, они картировали, насколько активными были отдельные синапсы в соединении нейрон-мышца с течением времени. У мух, спроектированных так, чтобы производить меньше SYT7, они видели гораздо больше синапсов с высокой склонностью к высвобождению, чем у обычных мух.
После того, как они подтвердили ограничительную роль SYT7, возник естественный вопрос: как SYT7 ограничивает высвобождение нейромедиаторов?. В конце концов, синапсы очень сложны, и ключевые аспекты роли SYT7 в этом механизме еще предстоит охарактеризовать.
Когда они сравнивали синапсы у нормальных мух и у мух, у которых отсутствует SYT7, они не увидели серьезных различий в анатомии или притоке кальция, которые могли бы объяснить, как SYT7 работает для ограничения высвобождения.
Затем они обратили свое внимание на цикл, в котором везикулы высвобождают свой нейромедиаторный груз, а затем отправляются обратно в клетку для пополнения нейротрансмиттера перед воссоединением с пулом везикул, готовых к повторному развертыванию. Их эксперименты показали, что нейроны, лишенные SYT7, не рециркулируют везикулы по-разному, но, тем не менее, у них было больше везикул в легко высвобождаемом пуле (RRP). Более того, мутанты, у которых была сверхэкспрессирована SYT7, существенно ограничивали везикулы в этом пуле.
"SYT7 ограничивает высвобождение чувствительным к дозе способом, отрицательно регулируя количество синаптических везикул, доступных для слияния, и замедляя восстановление RRP после стимуляции," они определили.
Последним шагом было отследить, где находится SYT7 в синаптическом механизме. Под микроскопом они смогли зафиксировать его в сети трубок, окружающих, но не в пределах активных зон. Преимущество находится именно там, где также находятся другие белки, регулирующие перенос пузырьков, что дает SYT7 четкую возможность взаимодействовать с этими белками, чтобы регулировать возвращение пузырьков в активные зоны.
Последствия для болезни и пластичности
По словам Литтлтона, понимание роли SYT7 в синапсах у млекопитающих может иметь несколько значений. Два года назад исследователи показали, что уровень белка снижается у мышей, являющихся носителями генетической причины болезни Альцгеймера. А в феврале другая статья показала, что у пациентов с биполярным расстройством уровень белка ниже, чем у людей, не страдающих этим расстройством. Мыши с отключенным SYT7 проявляли маниакальное и депрессивное поведение.
По словам Литтлтона и Киньонес-Фриаса, более фундаментально это гибкость или пластичность, которые он может себе позволить. Поскольку SYT7 регулирует высвобождение нейротрансмиттера, замедляя пополнение запаса высвобождаемых везикул, повышение его уровней может превратить синапс из типа, который на раннем этапе посылает большие пакеты сигнала (и, следовательно, передает больше информации), а затем превращается в один, который со временем накапливает свой сигнал. Такие различия в сроках выпуска могут существенно повлиять на процесс обработки информации о цепях в мозгу.
Хотя команда смогла идентифицировать действие SYT7 на синапсы и показать ключевые аспекты того, как он функционирует, они все еще надеются определить точный механизм, который позволяет белку вступать в слияние везикул. Эта работа продолжается.