Исследование детализирует дефекты нейронов при наследственной спастической параплегии
Исследование биохимиков Университета Райса выявило специфические дефекты в нервных клетках, возникающие из-за двух генетических нарушений, вызывающих наследственную спастическую параплегию (НСП).
Работа, опубликованная 1 апреля в Journal of Cell Science, впервые показывает, как функция нейронов нарушается из-за конкретных генетических дефектов, вызывающих НСП — группу наследственных неврологических расстройств, поражающих около 20 000 человек в США. Пациенты страдают от онемения и слабости в ногах из-за прогрессирующего ухудшения нейронов, передающих сигналы от мозга к спинному мозгу.
Новое исследование основано на серии открытий о НСП, сделанных в лаборатории биохимика Джеймса МакНью с 2009 года. Работа выполнена совместно с лабораторией биохимика Майкла Стерна и включала тысячи экспериментов аспирантов Джимми Саммервилла (группа Стерна) и Джозефа Фауста (группа МакНью). Они создали десятки мутантных линий плодовой мушки Drosophila melanogaster, имеющей аналоги человеческих генов атластина и ретикулона, мутации в которых вызывают НСП.
Учёные манипулировали количеством белков атластина и ретикулона в нейронах мух. Оба белка участвуют в построении и поддержании структуры эндоплазматического ретикулума (ЭР) — сети трубочек и цистерн, критически важной для клетки. Исследование подчёркивает функциональную важность архитектуры сети ЭР.
«Эта работа фундаментальна: мы теперь понимаем на механистическом уровне, как структура ЭР влияет на способность нейрона передавать сигнал», — сказал МакНью.
НСП может быть вызвана дефектами более чем в 70 генах, но мутации в гене атластина связаны с 10% случаев. Механизмы, с помощью которых эти гены вызывают неврологические проблемы, были неясны.
В 2009 году МакНью и Андреа Дага обнаружили, что атластин является белком слияния мембран, помогающим соединять мембраны ЭР. Это было неожиданно, так как атластин оказался ферментом, использующим химическую энергию для слияния, в отличие от других известных белков слияния.
Для изучения атластина учёные перешли на модель плодовой мушки и начали сотрудничество с лабораторией Стерна, получив грант NIH в 2011 году. Ретикулон был добавлен в исследование, так как он также влияет на форму ЭР и иногда действует противоположно атластину.
Экспериментальный подход:
- Созданы три мутантные линии Drosophila: без гена атластина, без гена ретикулона и без обоих генов.
- Созданы десятки подкатегорий с добавлением генов, экспрессирующих отсутствующие белки в определённых количествах и тканях.
- Разработан новый метод экспрессии флуоресцентной метки в ЭР для визуализации его структуры в нейронах мух.
- Исследованы самые длинные нейроны в теле мухи (около 2 мм), аналогичные человеческим нейронам, соединяющим спинной мозг с ногами.
Ключевые результаты:
- Структура ЭР: Визуализация Фауста показала, что структура ЭР в синапсе резко меняется при отсутствии атластина. В норме ЭР образует структуру, похожую на корзину, а без атластина эта структура полностью отсутствует, остаётся лишь диффузный материал ЭР.
- Функция нейронов: Электрофизиологические измерения Саммервилла показали, что нейроны с такими деформированными синапсами выделяют меньше нейромедиаторов, необходимых для активации мышц.
- Ретикулон: При отсутствии ретикулона также наблюдалось снижение функции нейронов, но визуальных изменений в структуре ЭР обнаружить не удалось. Возможно, изменения слишком малы для обнаружения.
Стерн отметил сложность работы: атластин оказался «капризным» для манипуляций. Даже незначительные изменения его уровня часто приводили к гибели мух до тестирования, что ограничивало стандартные генетические инструменты.
Учёные рассматривают эту публикацию как вводную работу, закладывающую основу для текущих исследований механизмов НСП.
«Это превращает наблюдения в науку и готовит почву для экспериментов, которые мы проводим сейчас, направленных на понимание того, что делает этот белок и как это влияет на пациентов», — сказал Стерн.