Изображения фиксируют высвобождение нейромедиаторов в реальном времени

Это занимает всего несколько миллисекунд: везикула размером всего несколько нанометров, наполненная нейротрансмиттерами, приближается к клеточной мембране, сливается с ней и высвобождает свои химические посланники в синаптическую щель, делая их доступными для связывания со следующей нервной клеткой.

Команда под руководством профессора Кристиана Розенмунда из Charité — Universitätsmedizin Berlin запечатлела этот критический момент функционирования мозга на микроскопических изображениях. Они описывать их достижения в журнале Природные коммуникации.

Точечные соединения

«До сих пор никто не знал точных этапов слияния синаптических пузырьков с клеточной мембраной», — говорит доктор Яна Кролл, первый автор исследования, а теперь научный сотрудник лаборатории структурной биологии мембран-ассоциированных процессов, возглавляемой профессором Оливером Даумке в Центре Макса Дельбрюка.

«В наших экспериментах с нейроны мышинам удалось показать, что первоначально процесс начинается с образования точечного соединения. Этот крошечный стебель затем расширяется и превращается в пору, через которую нейротрансмиттеры попадают в синаптическую щель», — объясняет Кролл.

«Благодаря технологии, которую мы разрабатывали в течение пяти лет, впервые стало возможным наблюдать синапсы в действии, не нарушая их», — добавляет старший автор профессор Кристиан Розенмунд, заместитель директора Института нейрофизиологии Шарите. «Яна Кролл действительно проделала здесь новаторскую работу», — говорит Розенмунд, который также является членом правления кластера передового опыта NeuroCure.

Изображения были созданы на CFcryo-EM (Базовая установка для криоэлектронной микроскопии), совместной технологической платформе, управляемой Charité, Центром Макса Дельбрюка и Научно-исследовательским институтом молекулярной фармакологии Лейбница (FMP), которым руководит доктор Кристоф Диболдер. Центральную роль в исследовании также сыграли профессор Миша Кудряшев, руководитель лаборатории структурной биологии In Situ в Центре Макса Дельбрюка, и доктор Магдалена Шахерль, руководитель проекта группы структурной энзимологии в Шарите.

Мгновенная заморозка в этане

Чтобы наблюдать за синапсом в действии, команда использовала нейроны мыши, генетически модифицированные с помощью оптогенетика поэтому их можно было активировать вспышкой света, побуждая их немедленно выделять нейротрансмиттеры. Через одну-две миллисекунды после светового импульса исследователи заморозили нейроны в жидком этане при температуре минус 180°C.

«Вся клеточная активность мгновенно прекращается с помощью этого метода «замораживания погружением», что позволяет нам визуализировать структуры с помощью электронной микроскопии», — объясняет Кролл.

Метод выявил еще одну интригующую деталь: «Мы обнаружили, что большая часть слияние пузырьков были соединены крошечными нитями по крайней мере с еще одним пузырьком. Как только одна везикула сливается с мембраной, следующая уже занимает свое место», – сообщает Кролл. «Мы полагаем, что эта прямая форма рекрутирования пузырьков позволяет нейронам посылать сигналы в течение более длительного периода времени и, таким образом, поддерживать свою связь».

На пути к лучшему лечению эпилепсии

Процесс слияния пузырьков, визуализированный командой, происходит в человеческом мозге миллионы раз в минуту. Понимание этого в деталях имеет важные клинические последствия.

«У многих людей с эпилепсия или других синаптических расстройств, мутации были обнаружены в белках, участвующих в слиянии пузырьков», — объясняет Розенмунд. «Если мы сможем уточнить точную роль этих белков, будет легче разработать таргетную терапию для этих так называемых синаптопатий».

«Подход криоэлектронной микроскопии с временным разрешением с использованием света, как мы здесь представили, не ограничивается нейронами», — добавляет Кролл. «Ее можно применять во многих областях структурной и клеточной биологии».

Теперь она планирует повторить эксперименты в Центре Макса Дельбрюка, используя человеческие нейроны, полученные из стволовых клеток. Это будет непросто, отмечает она: «В лаборатории клеткам требуется около пяти недель, чтобы развить свои первые синапсы, а они чрезвычайно хрупкие».