Когда дело доходит до клеток мозга, не всем подходит один размер. Нейроны бывают самых разных форм, размеров и содержат различные типы химических веществ мозга. Но как они дошли до этого? Новое исследование в Nature предполагает, что идентичность всех нейронов червя связана с уникальными членами одного семейства генов, которые контролируют процесс преобразования инструкций ДНК в белки, известный как экспрессия генов. Результаты этого исследования могут стать основой для понимания того, как нервная система развивалась у многих других животных, включая человека. Исследование финансировалось Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта (NINDS), входящим в состав Национальных институтов здравоохранения.
"Центральная нервная система всех животных, от червей до людей, невероятно сложна и упорядочена. Генерация и разнообразие множества типов нейрональных клеток обусловлено экспрессией генов," сказал Роберт Риддл, доктор философии.D., программный директор NINDS. "Таким образом, удивительно и захватывающе осознавать, что разнообразие клеток, которое мы видим во всей нервной системе, может происходить только от одной группы генов."
Исследователи под руководством Оливера Хоберта, доктора философии.D., профессор биохимии и молекулярной биофизики Колумбийского университета в Нью-Йорке и аспирантка Молли Б. Рейли хотел знать, как клетки мозга в C. elegans червь получил свои различные формы и функции. Для этих экспериментов исследователи использовали генно-инженерного червя, у которого отдельные нейроны были обозначены цветом. Кроме того, кодирующие последовательности для белка зеленой флуоресценции были вставлены в гены гомеобокса, высококонсервативный набор генов, которые, как известно, играют фундаментальную роль в развитии. Паттерны экспрессии гена гомеобокса определялись путем изучения паттернов светящегося флуоресцентного маркера.
Доктор. Команда Хоберта обнаружила, что во всей нервной системе червя каждый тип нейрона содержит уникальный набор белков гомеобокса. Другими словами, идентичность каждого нейрона можно проследить по определенной комбинации генов гомеобокса, которые были включены или выключены.
Гены гомеобокса были первоначально обнаружены из-за их роли в обеспечении того, чтобы части тела оказывались на своих местах. С тех пор эти гены были обнаружены у всех видов животных, а также у растений и грибов. Гены гомеобокса содержат инструкции по созданию факторов транскрипции, которые представляют собой белки, которые могут контролировать активность других генов.
Нервная система взрослого C. elegans содержит 302 нейрона, которые можно разделить на 118 типов. Доктор. Команда Хоберта определила, что 70 генов гомеобокса участвуют в характеристике типов нейронов. Кроме того, дальнейший анализ показал, что коды гомеобокса можно использовать для подразделения классов нейронов. Например, дополнительный анализ выявил не только то, что клетка является двигательным нейроном, но и ее расположение в брюшном нервном канатике, червячной версии спинного мозга.
"Разнообразие нейронов может быть обусловлено семейством генов, которое различает отдельные типы клеток в головном мозге," сказал доктор. Хоберт, "Такая схема проста в том смысле, что всего одно семейство генов может объяснить все типы клеток мозга. Сложность, возникшая из-за этого простого семейства генов «штрих-кода», предполагает потенциальную роль генов гомеобокса в эволюции нервной системы."
В будущих исследованиях будет выяснено, можно ли идентифицировать клетки мозга других организмов по определенным белковым кодам. Кроме того, исследователи изучат влияние изменения кодов на идентичность и функцию нейронов.