Мембранные белки эффективнее достигают дистальных дендритов, чем растворимые

Белки — основа обучения и памяти. Однако, хотя воспоминания могут сохраняться всю жизнь, белки — относительно недолговечные молекулы, которые необходимо обновлять каждые несколько дней. Это создает огромную логистическую проблему для более чем 85 миллиардов нейронов мозга: миллиарды белков должны непрерывно производиться, транспортироваться, адресоваться и устанавливаться в нужном месте клетки. Ученые из Института исследований мозга Общества Макса Планка изучили узкое место в системе транспорта белков — точки ветвления дендритов. Они обнаружили, что поверхностная диффузия белков более эффективна для доставки белков к удаленным участкам дендритов, чем цитоплазматическая диффузия.

Нейроны распределяют тысячи различных видов белков, необходимых для поддержания синаптической функции и пластичности, по своему дендритному дереву. Однако большинство белков синтезируются за сотни микрометров от дистальных синапсов, в соме (теле клетки). Как белки достигают удаленных участков? В этом исследовании ученые сосредоточились на пассивном транспорте белков, соответствующем свободной диффузии. В отличие от активного транспорта с помощью молекулярных моторов, диффузия энергетически дешева. Однако есть и недостаток: пассивный транспорт медленный и ненаправленный.

Поверхностная диффузия более эффективна

Что происходит, когда белки достигают точек ветвления дендритов? Точки ветвления подобны перекресткам: часть белков повернет направо, другая часть — налево. Перекрестки могут быть узкими местами для движения. Аналогично, чем больше точек ветвления встречается на пути белков, тем ниже общее количество белков ниже по течению. В результате нейрону нужно производить больше белков, чтобы поддерживать их минимальное количество у дистальных синапсов.

Ученые использовали экспериментальные данные и разработали новую вычислительную модель для сравнения двух классов белков в зависимости от их "транспортной среды": растворимых белков, диффундирующих в цитоплазме, и мембранных белков. Оказалось, что поверхностная диффузия в среднем на 35% эффективнее цитоплазматической в обеспечении белками нижележащих участков.

Каждый белок имеет типичное расстояние, которое он может преодолеть при диффузии — свою длину диффузии. Чем выше это значение, тем больше белков достигнет дистальных дендритов. Если дендритная ветвь имеет большой радиус, то она может переносить больше белков. Комбинация двух факторов — ширины (радиуса) дендритов и того, как далеко могут перемещаться белки — определяет количество белков, которое нейрону необходимо произвести для снабжения всех синапсов.

Исследователи обнаружили, что, оптимизируя радиусы дендритов, нейрон может сократить общее количество белков и, следовательно, затраты на их синтез на несколько порядков. Результаты показывают, что морфология дендритного дерева нейронов играет ключевую роль в формировании нейронной функции и отражает стратегии оптимизации и ограничения, налагаемые транспортом белков.