Учёные определили ген, запускающий ремоделирование нейронных цепей у C. elegans

Ген, который запускает ремоделирование нейронных цепей у нематоды C. elegans в процессе развития, был идентифицирован Майклом Фрэнсисом, PhD, доцентом нейробиологии. Исследование, детали которого опубликованы в Current Biology, является одним из первых, где активно записывали перестройку нейронных синапсов у живой модели животного. В результате был определён ген OIG-1 как главный регулятор этого процесса.

Это открытие даёт учёным новое понимание того, как и когда эволюционируют цепи в мозге в процессе созревания. Это может помочь исследователям понять, что происходит при расстройствах, связанных с "проводкой" мозга, таких как аутизм и синдром ломкой X-хромосомы.

"Это поразительно — наблюдать за этим. Мы можем буквально видеть, как синаптические соединения перемещаются из одной позиции в другую. Это оказалось важным окном, которое мы могли использовать для изучения нейронного ремоделирования и понимания того, как контролируется этот процесс. В ходе этого процесса мы смогли идентифицировать ген OIG-1 как важный триггер в развитии мозга и уточнении цепей у C. elegans. Захватывающе представить, что схожие механизмы могут работать и в развитии человеческого мозга", — сказал доктор Фрэнсис.

По мере нашего взросления связи в мозге претерпевают огромные изменения и развитие, становясь сложнее, чтобы кодировать наши знания об окружающем мире. Частью этого процесса является укрепление одних нейронных связей (синапсов) и ослабление или устранение других. Процесс синаптического уточнения или ремоделирования ключевой для развития нервных систем — от червей до людей, — но молекулярные механизмы, контролирующие специфичность и время этого процесса, плохо изучены.

Ключом к нахождению "окна" для записи нейронного ремоделирования стало обнаружение специфического рецептора ACR-12 в нейронах C. elegans. Этот рецептор расположен в синапсах двигательной цепи нематоды и отвечает за получение сигналов, помогающих вызвать расслабление или сокращение мышц, связанное с движением. Путём генетической маркировки рецептора зелёным флуоресцентным белком, Фрэнсис смог использовать его как маркер, наблюдая за изменением его локализации внутри нейронов в процессе развития. Благодаря прозрачности C. elegans, исследователи могли видеть ремоделирование в реальном времени под микроскопом.

"Мы смогли определить окно в несколько часов после вылупления личинок червя, в течение которого происходило нейронное ремоделирование. Мы идентифицировали гены с высокой экспрессией в этот период, а затем "выключали" их один за другим, чтобы найти тот, который играет роль в нейронном уточнении", — пояснил Фрэнсис.

Эти скрининги привели к идентификации OIG-1, члена суперсемейства иммуноглобулиновых (Ig) белков, как ключевого фактора для правильного выполнения программы нейронного ремоделирования у C. elegans.

"OIG-1 высоко экспрессируется у только что родившихся личинок нематоды. По мере старения нематод уровень этого белка падает, что позволяет ремоделированию продолжиться", — сказал Фрэнсис.

Чтобы подтвердить связь между OIG-1 и нейронной перестройкой, Фрэнсис полностью "выключил" этот ген у части нематод. В результате эти животные испытали нейронное созревание на гораздо более ранней стадии развития.

"Похоже, экспрессия OIG-1 ингибирует этот процесс перестройки. Когда её нет, ремоделирование происходит слишком рано. Это предполагает интересную модель нейронного развития. Синапсы, возможно, имеют большую способность к перемещению, чем мы думали, и гены вроде OIG-1 могут быть необходимы, чтобы подавлять их естественную тенденцию к движению", — отметил учёный.

Нематоды с "выключенным" OIG-1 не могли двигаться так же хорошо, как их дикие сородичи.

"С физической точки зрения, это было так, будто эти черви не смогли научиться ходить. В плане развития они не смогли прогрессировать дальше ползания", — сказал Фрэнсис.

Теперь, когда OIG-1 идентифицирован, следующий шаг для Фрэнсиса и коллег — разобрать молекулярные процессы, управляющие тем, как OIG-1 контролирует ремоделирование. Они надеются, что лучшее понимание этого процесса у нематоды прольёт свет на то, как происходят схожие процессы в человеческом мозге.