Отдельные нейроны смешивают несколько изменений РНК ключевого белка синапса, показали исследования мух

Ученые сделали свои выводы на нейронах, которые контролируют мышцы Дрозофила плодовые мошки. Эти клетки являются моделями в нейробиологии, поскольку они обладают многими фундаментальными свойствами, общими для нейронов людей и других животных, включая общение посредством высвобождения нейромедиатора глутамата. В лаборатории Троя Литтлтона, профессора меникона на кафедрах биологии и наук о мозге и когнитивных наук Массачусетского технологического института, которая изучает, как нейроны регулируют этот критический процесс, исследователи часто видят, что отдельные нейроны различаются по характеру своего выделения. Некоторые «говорят» больше, чем другие.

За более чем десятилетие исследований лаборатория Литтлтона показала, что белок под названием «Комплексин» ограничивает спонтанную болтовню глутамата. Он подавляет слияние пузырьков, заполненных глутаматом, на синаптической мембране, чтобы сохранить запас нейромедиатора на тот случай, когда он понадобится нейрону по функциональной причине, например, для имитации движения мышцы. Исследования лаборатории выявили у мух два разных типа комплексина (у млекопитающих их четыре) и показали, что эффективность фиксации редкой, но мощной формы сплайсинга 7B регулируется молекулярным процессом, называемым фосфорилированием. Как регулируется гораздо более распространенная версия 7А, было неизвестно, но ученые показали, что РНК, транскрибируемая с ДНК, которая инструктирует образование белка, иногда редактируется в клетке ферментом под названием ADAR.

В новом исследовании команды Литтлтона, возглавляемой бывшей аспиранткой Элизабет Бриха, лаборатория исследовала, влияет ли редактирование РНК комплексина 7А на то, как он регулирует высвобождение глутамата. То, что она обнаружила, было удивительным. Редактирование РНК комплексина 7А не только оказывает существенное влияние на то, насколько хорошо белок предотвращает высвобождение глютамата, но также оно может широко варьироваться среди отдельных нейронов, поскольку они могут стохастически смешивать и сопоставлять до восьми различных редакций белка. Некоторые изменения в среднем были гораздо более распространены, чем другие, но 96 процентов из 200 нейронов, которые исследовала команда, имели по крайней мере некоторое редактирование, которое повлияло на структуру конца белка, называемого его С-концом. Эксперименты по проверке некоторых последствий этого структурного изменения показали, что различные модификации комплексина 7А могут существенно повлиять на уровень электрического тока, измеряемого в разных синапсах. Этот изменяющийся уровень активности также может влиять на рост синапсов, которые нейроны образуют с мышцами. Таким образом, редактирование белка РНК может наделить каждый нейрон тонкой степенью контроля над коммуникацией.

«Это дает нервной системе возможность взять один и тот же транскриптом и, попеременно редактируя различные транскрипты РНК, эти нейроны будут вести себя по-разному», — сказал Литтлтон.

Более того, команда Литтлтона и Брии обнаружила, что другие ключевые белки, участвующие в синаптическом высвобождении глутамата, такие как Synapsin и Syx1A, также иногда редактируются на совершенно разных уровнях в одной и той же популяции нейронов. Это предполагает, что другие аспекты синаптической коммуникации также могут быть настраиваемыми.

«Такой механизм мог бы стать надежным способом изменить множество характеристик нейрональной активности», — пишут Брия, Литтлтон и коллеги.

Команда отслеживала различные уровни редактирования, тщательно извлекая и секвенируя РНК из ядер и тел клеток 200 мотонейронов. Работа позволила получить достаточно богатый набор данных, чтобы показать, что любой из трех аденозиновых нуклеотидов, кодирующих две аминокислоты на С-конце, можно заменить на другой, что дает восемь различных редакций белка. Незначительное большинство комплексина 7А осталось нередактированным в среднем нейроне, в то время как семь отредактированных версий составили остальную часть с самой разной степенью частоты.

Чтобы исследовать функциональные последствия некоторых различных редакций, команда исключила Комплексин, а затем «спасла» мух, добавив обратно неотредактированную или две разные отредактированные версии. Эксперименты показали резкий контраст между двумя отредактированными белками. Один, который встречается чаще, оказался менее эффективным зажимом, чем неотредактированный Комплексин, едва предотвращая спонтанное высвобождение глютамата и скачки электрического тока. Другой оказался более эффективным в сдерживании, чем неотредактированная версия, поскольку он строго сдерживал высвобождение глутамата и синаптический выход. И хотя обе отредактированные версии показали тенденцию отходить от синапсов в аксон нейрона, длинную ветвь, идущую от тела клетки, версия, которая хорошо зажималась, предотвращала любой чрезмерный рост синапсов, в то время как та, которая плохо зажимала, обеспечивала только скудный бордюр.

Поскольку в нейронах часто присутствует несколько редакций, Брия и команда провели еще одну серию экспериментов, в которых они «спасли» мух без комплексина с помощью комбинации неотредактированного Комплексина и редакции со слабым зажимом. Результатом стала смесь этих двух факторов: снижение спонтанного высвобождения глютамата по сравнению с использованием только одного лишь слабо фиксирующего варианта. Результаты показывают, что каждое издание не только потенциально точно регулирует высвобождение глутамата, но и их комбинации могут действовать комбинаторно.

Помимо Бриджи и Литтлтона, другими авторами статьи являются Чжо Гуань и Суреш Джетти.

Исследование поддержали Национальные институты здравоохранения, Фонд JPB и Институт обучения и памяти Пикауэра.