Powstawanie nowych synaps stanowi podstawę procesu uczenia się, podczas którego neurony tworzą nowe połączenia pomiędzy sobą. Synaptogeneza nie jest jednak przypadkowym zjawiskiem – liczba nowych synaps, ich umiejscowienie i rodzaje podlegają precyzyjnej kontroli. Identyfikacja biorących w tym udział czynników, zarówno zewnątrz- jak i wewnątrzkomórkowych, jest celem licznego grona naukowców na całym świecie.

Zespół naukowców z Belgii i Szwajcarii skupił się na układzie nerwowym muszki owocowej (Drosophila melanogaster), będącej częstym obiektem modelowym, szczególnie dla specjalistów w dziedzinie genetyki i neurofizjologii. Wykorzystując genetyczne podejście jednokomórkowe, badacze mogli manipulować poszczególnymi neuronami w obrębie ośrodkowego układu nerwowego owadów.

“Właściwe funkcjonowanie mózgu opiera się na ściśle kontrolowanym rozgałęzianiu neuronalnych wypustek komórkowych zwanych aksonami i dendrytami oraz na prawidłowym tworzeniu synaps w precyzyjnie określonych miejscach wzdłuż tych rozgałęzień – mówi prof. Dietmar Schucker, współautor badania. – Określenie formowania synaps pozwala rozstrzygnąć, w którym miejscu i ile potencjalnych połączeń komórka nerwowa może utworzyć. Dlatego też kontrolowanie liczby synaps w obrębie każdego rozgałęzienia neuronowego jest niezbędne dla poprawnego formowania się złożonych sieci w mózgu.”

Naukowcy analizowali tworzenie się synaps w obrębie jednego przedziału subkomórkowego i docelowego, a także rolę, jaką odgrywają w tym procesie enzymy – kinazy białkowe i fosfatazy, będące kluczowymi elementami większości wewnątrzkomórkowych szlaków sygnalizacyjnych. Przypuszczali bowiem, że enzymy te mogą także mieć ogromne znaczenie dla swoistości rozmieszczenia przestrzennego synaps. Rolę każdego z nich oceniali za pomocą metody knockdown – “wyłączając” genetycznie poszczególne z nich.

Otrzymane przez zespół wyniki ujawniły, że utrata fosfatazy Prl-1 prowadziła do powstawania defektów w tworzeniu połączeń nerwowych w kilku różnych obwodach. Była to wskazówka, iż enzym ten może być kluczowy dla procesu synaptogenezy. Dalsza analiza pozwoliła na dokładne zlokalizowanie ścieżki sygnalizacyjnej z jego udziałem, prowadzącej do zmian w zakresie tworzenia połączeń między neuronami.

“Co zaskakujące, okazało się, że jest to jeden z najbardziej rozpowszechnionych szlaków sygnalizacyjnych, ścieżka receptor insuliny-Akt-mTor, niezbędna dla wielu reakcji fizjologicznych, wzrostu komórek i nowotworów – mówi dr Olivier Urwyler, współautor badania. – Ograniczenie subkomórkowego rozmieszczenia Prl-1 do niewielkiego przedziału skutkowało silną kaskadą sygnałową, zwiększającą lokalnie tworzenie synaps.”

Obserwacja muszek pozbawionych Prl-1 wykazała, że osobniki te mają poważne trudności z poruszaniem się. Jednocześnie naukowcy wiedzą, iż nadekspresja tego białka może wiązać się ze stymulacją przerzutów komórek nowotworowych.

Choć badania dotyczą muszek owocowych, ich wyniki mogą mieć przełożenie także na ludzki układ nerwowy. Prl-1 jest bowiem białkiem konserwatywnym u bezkręgowców oraz kręgowców, włączając w to ssaki. Naukowcy przypuszczają więc, że również u człowieka aktywność tej fosfatazy może być kluczowa dla prawidłowego przebiegu procesu synaptogenezy.

“Zróżnicowanie aktywności Prl-1 może służyć jako czynnik specyficzności w kontrolowaniu precyzyjnego dostrojenia połączeń synaptycznych w ludzkich neuronach, podobnie do efektów, które ujawniliśmy w zakresie tworzenia obwodów neuronowych i synaps u muszek owocowych – mówi prof Schmucker.

Bibliografia:
Urwyler O., Izadifar A., Vandenbogaerde S., Sachse S., Misbaer A., Schmucker D. Branch-restricted localization of phosphatase Prl-1 specifies axonal synaptogenesis domains. Science, 2019

Dodaj komentarz