В течение 30 лет загадочные кластеры белков, обнаруженные в теле клетки нейронов в гиппокампе, части мозга, интриговали ученых со всего мира. Теперь у выдающегося профессора физиологии и мембранной биологии Медицинской школы Калифорнийского университета в Дэвисе наконец-то есть ответ. В новом исследовании, опубликованном в PNAS, ученый показывают, что эти белковые кластеры являются "узловыми точками" передачи сигналов кальция в нейроне, которые играют решающую роль в активации транскрипции генов.
Транскрипция позволяет частям ДНК нейрона "транскрибироваться" в нити РНК, которые затем используются для создания белков, необходимых клетке.
Лаборатория Триммера изучает загадочные скопления у мышей, но они существуют у беспозвоночных и всех позвоночных, включая человека. По оценке ученого, на одном нейроне может быть от 50 до 100 таких больших кластеров.
Он и его коллеги знали, что кластеры образованы белком, который пропускает ионы калия через мембраны (калиевый канал). Они также знали, что эти кластеры содержат определенный тип кальциевых каналов. Кальциевые каналы позволяют кальцию проникать в клетки, где он вызывает различные физиологические реакции в зависимости от типа клетки.
Высококонсервативные черты относительно неизменны в эволюционных временных масштабах, что позволяет предположить, что они обладают важным функциональным свойством у этих очень разных типов животных.
Гиппокамп, одна из областей мозга, где кластеры находятся на нейронах, играет важную роль в обучении и памяти. Исследователи знали, что нарушение этих кластеров — например, из-за генетических мутаций в калиевом канале — приводит к тяжелым неврологическим расстройствам. Но было непонятно почему.
Нам давно известны функции других типов кластеров ионных каналов, например, в синапсах. Однако неизвестно, какую роль играют эти гораздо более крупные структуры на теле клетки в физиологии нейрона. Много исследований было сосредоточено на передаче сигналов кальция в дендритах. Теперь мы гораздо больше понимаем важность передачи сигналов в этих конкретных участках тела клетки нейрона.
Эксперимент, который выявил функцию нейронных кластеров, был разработан Николасом Вьеррой, докторантом лаборатории Триммера и ведущим автором исследования. Ученые разработали подход, который позволил нам отделить кальциевый канал от кластеров калиевых каналов в нейронах. Ключевым открытием было то, что это лечение блокировало экспрессию генов, запускаемую кальцием. Это говорит о том, что партнерство кальциевых и калиевых каналов в этих кластерах важно для функции нейронов.
В своем эксперименте исследователи по существу "обманули" кальциевые каналы в этих кластерах, заполнив нейроны фрагментами калиевых каналов-приманок. Когда кальциевые каналы цеплялись за ловушки вместо настоящих калиевых каналов, они отрывались от кластеров. В результате процесс, известный как сцепление возбуждения и транскрипции, который связывает изменения электрической активности нейронов с изменениями экспрессии генов, был инактивирован.
Авторы исследования надеются, что их открытия проложат дорогу к появлению новых возможностей для исследований.
Многие исследования были сосредоточены на передаче сигналов кальция в дендритах - участках, где нейроны получают сигналы от других нейронов. Передача сигналов кальция в клеточном теле нейронов получила меньше внимания. Теперь мы гораздо больше понимаем важность передачи сигналов в этих конкретных участках тела клетки нейрона.