Хотя нейронная архитектура, отвечающая за передачу электрических импульсов, известна уже более века, основная биология, лежащая в основе того, как нейрон получает свой единственный и неповторимый аксон – фундаментальный компонент взаимодействия нейронов, – остается загадкой.
В новой статье исследователь из Калифорнийского университета в Риверсайде и его коллеги описывают генетические переключатели, которые запускают образование аксонов. Их работа сосредоточена на двух молекулярных компонентах – белке, связывающем полипиримидиновый тракт 2 (PTBP2), и гене стреляющего (SHTN1).
"Нейроны так отличаются от других клеток тела," сказал Сика Чжэн, доцент кафедры биомедицинских наук медицинского факультета Калифорнийского университета в Риверсайде. "Это единственные клетки, которые могут вырастить выступ (аксон), который может стать в сотни и тысячи раз длиннее, чем само тело клетки."
Нейроны передают информацию посредством электрических импульсов. Эти импульсы проходят по длинному нитевидному аксону, который идет от центрального тела нейрона. В конце аксона импульсная дуга проходит через щель к пальцеобразному дендриту соседнего нейрона. Эта искра синапса передает информацию от одной нервной клетки к другой. Сложная нейронная цепь обеспечивает каждое действие, эмоцию и мысль, которые вы испытываете каждый день.
"В полевых условиях мы обычно изучаем один ген, чтобы понять явление, но один ген не может описать все, что происходит для генерации аксона," Чжэн сказал. "Вместо того, чтобы сосредотачиваться на одном гене, мы думаем глобально, чтобы изучить процесс, который порождает впечатляющий набор задач по созданию аксона."
Предыдущие исследования выявили более 150 генов, которые играют определенную роль в функции аксонов. Чжэн и его команда были удивлены, обнаружив, что общие уровни экспрессии этих генов остаются относительно стабильными по мере роста аксона. Если эти гены не изменяют свою численность, как тогда они заставляют нейроны производить аксоны??
Эти гены меняют свои "персонаж" через процесс регуляции генов, называемый альтернативным сплайсингом. Альтернативный сплайсинг позволяет одному гену производить несколько похожих изоформ белков с разными функциями или идентичностями. По словам Чжэна, это как если бы эти гены трансформировались, чтобы взять на себя новую задачу – в данном случае создание аксона.
PTBP2, специализированный связывающий РНК белок, собирался занять центральное место в исследовании. Чжэн и его команда обнаружили рост PTBP2 в незрелых нейронных клетках. Этот белок управляет точной хореографией, стоящей за этими событиями сплайсинга, действуя как коммутатор, контролирующий каждый шаг процесса, который производит один важный аксон.
На ранней стадии формирования аксона PTBP2 включает длинную изоформу гена SHTN1, которая способствует росту аксона. По мере созревания нейрона, PTBP2 постепенно снижается, и ген SHTN1 переключается с длинной изоформы на короткую. Рост аксона останавливается, когда нейрон и его аксон подключаются к нейронной цепи.
"PTBP2 и SHTN1 дают нам отправную точку для понимания того, как происходят изменения сплайсинга, способствующие росту аксонов," Чжэн сказал. "Мы можем использовать эту информацию, чтобы выяснить, что происходит на клеточном уровне, и мы находимся только на верхушке айсберга."
Хотя это исследование было сосредоточено на PTBP2 и гене SHTN1, Чжэн отмечает, что другие белки или гены и их изоформы также могут играть роль в образовании аксонов. Это исследование также проводилось с использованием нервных клеток мыши. Чжэн и его команда не знают, будут ли те же механизмы действовать в нервных клетках человека. Хотя исследование предлагает новый взгляд на этот фундаментальный вопрос, Чжэн предупреждает, что могут пройти годы, прежде чем эти результаты смогут быть использованы в будущих методах лечения.
"Нейродегенеративные заболевания часто проявляются дегенерацией аксонов," Чжэн сказал. "Нам нужно подумать о процессе сплайсинга, чтобы понять дегенерацию и регенерацию аксонов для будущих методов лечения, но предстоит еще много работы."
Статья под названием "Аксоногенез координируется нейрон-специфическим программированием альтернативного сплайсинга и регулятором сплайсинга PTBP2," опубликовано в февральском номере Neuron.