Pirmą kartą sergančių vaikų ligoninės (SickKids) mokslininkai panaudojo pažangią vaizdo gavimo technologiją SickKids Nanoscale Biomedical Imaging Facility, kad atskleistų fermento, kurį neuronai naudoja bendrauti, atominę struktūrą.
Visa smegenų veikla – nuo atminties ir emocijų iki mokymosi ir motorinės kontrolės – yra įmanoma per sinapses, neuronų ryšius. Kai šis bendravimas nesėkmingas, gali atsirasti įvairių ligų, tokių kaip epilepsija.
Neuronas yra ląstelių rūšis, kuri specializuojasi bendraujant su kitomis ląstelėmis, siųsdama cheminius signalus, vadinamus neurotransmiteriais, į sinapses. Smegenyse tarp neuronų yra 100 trilijonų sinapsių.
Neuronų bendravimo būdas buvo tiriamas dešimtmečius, tačiau paskelbti tyrimai Mokslas demonstruojami modeliai, sukurti iš šimtų tūkstančių didelės raiškos vaizdų, kurie naujai aiškiai atskleidžia sinapsinę funkciją.
Mokslininkų komanda, kuriai vadovauja molekulinės medicinos programos vyresnysis mokslininkas daktaras Johnas Rubinsteinas ir pirmoji autorė ir Rubinstein laboratorijos doktorantė dr. Claire Coupland, tikisi, kad fiksuodama vaizdus ir modeliuodama, kaip cheminės medžiagos išsiskiria iš neuronų, jie gali padėti informuoti apie naujus gydymo tikslus, kurie padeda pagerinti vaikų, sergančių epilepsija ir kitomis neurologinėmis ligomis, priežiūrą.
Paskelbdamas šias išvadas, Rubinsteinas dalijasi, kaip jo komanda užfiksavo vaizdus ir ką jų išvados gali reikšti pacientams ateityje.
Ką jūsų tyrimas atskleidė apie neuronų bendravimo būdą?
Bendraudami neuronai išskiria neurotransmiterius į sinapsę, kad jie būtų pristatyti priimančiam neuronui. Šie neurotransmiteriai išsiskiria iš mažų paketų, vadinamų sinapsinėmis pūslelėmis. Kai tik gaunamas pranešimas, neurotransmiteriai turi būti reabsorbuoti ir supakuoti į naujas sinapsines pūsleles, kad išsivalytų sinapsė ir atsirastų vietos kitam signalui.
Siekiant palengvinti šį procesą, fermentas, vadinamas vezikulinio tipo ATPazė (V-ATPase), veikia kaip siurblys, nukreipiantis neuromediatorius į sinapsines pūsleles. V-ATPazė taip pat reguliuoja neurotransmiterių išsiskyrimą iš pūslelių.
Atlikdami tyrimą sužinojome, kad būdas, kuriuo V-ATPazė kontroliuoja neuromediatorių išsiskyrimo iš sinapsinių pūslelių procesą, spontaniškai suyra po to, kai pūslelės yra pakrautos. Mes nustatėme, kad kai užpildėme sinapsines pūsleles neurotransmiteriais, V-ATPazės suskaidomos į dvi dalis, o tai leidžia neuromediatoriams išleisti.
Kaip užfiksavote šio proceso vaizdus?
Naudodami naujus biocheminius metodus ir naujus vaizdo gavimo metodus, palaikomus „SickKids Nanoscale Biomedical Imaging Facility“, galėjome išskirti sinaptines pūsleles ir gauti jų vaizdus. Iš ten sukūrėme naujus skaičiavimo metodus, skirtus vaizdams analizuoti, kad būtų parodyta V-ATPazė pūslelėse esant didelei skiriamajai gebai – tai dar nebuvo padaryta anksčiau.
Sukūrėme 3D V-ATPazės modelius, remdamiesi vaizdais, kuriuos užfiksavome naudojant kriogeninę elektronų mikroskopiją (krio-EM), metodą, kuriuo mėginiai vaizduojami –196 ° C temperatūroje. Mūsų komanda pastebėjo, kad V-ATPazė sąveikauja su keliais sinaptinės pūslelės komponentais, kuriuose yra daug baltymų ir lipidų, dalyvaujančių neurotransmiterių išsiskyrime.
Labiausiai stebina tai, kad sužinojome, kad V-ATPazė sąveikauja su baltymu, vadinamu sinaptofizinu. Pagal svorį sinaptofizinas yra gausiausias sinapsinių pūslelių baltymas. Iki šiol jo funkcija neuronuose nebuvo suprantama. Tai, ką mes nustatėme, rodo, kad sinaptofizinas gali padėti įdarbinti V-ATPazę į sinapsines pūsleles, kai jos iš pradžių susidaro.
Kokie tolesni šio tyrimo žingsniai?
Dabar, kai išsiaiškinome, kad V-ATPazė sąveikauja su sinaptofizinu sinaptinėse pūslelėse, dirbame su Dr. Lu-Yang Wang, vyresniuoju Neurologijos ir psichikos sveikatos programos mokslininku, kad suprastume šios sąveikos vaidmenį smegenyse. Taip pat norime suprasti, kaip pūslelių apkrova veda prie V-ATPazės subyrėjimo ir kaip šis procesas kontroliuoja neurotransmiterių išsiskyrimą iš neuronų.
Ateityje šis procesas galėtų būti daugelio sveikatos būklių, įskaitant kai kurias epilepsijos rūšis, gydymo taikinys.