Синтез белков по требованию в синапсе: динамика трансляции в окончаниях нейронов
Синтез белков в отростках нервных клеток — дендритах — лежит в основе формирования долговременной памяти и других функций мозга. «В дендритах находятся тысячи матричных РНК (мРНК), однако динамика того, как множество этих мРНК трансформируются в конечные белки, остаётся неясной», — говорит Джеймс Эбервайн, доктор философии, профессор фармакологии Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета.
Дендриты, ответвляющиеся от тела нейрона, играют ключевую роль в межклеточной коммуникации нервной системы. Именно в синапсе — месте контакта нейронов — предположительно происходят процессы обучения и памяти.
Предыдущие исследования лаборатории Эбервайна показали, что трансляция мРНК в белки происходит в дендритах в специфических фокальных точках — «трансляционных хот-спотах». Локальный синтез белков в дендритах (а не в теле нейрона) позволяет клетке быстро и избирательно реагировать на внешние стимулы, что особенно важно для нейронов с высокой поляризованностью морфологии.
Быстрые структурные и функциональные изменения в дендритах и аксонах, известные как синаптическая пластичность, требуют оперативного синтеза новых белков. Клетки могут использовать разные скорости трансляции для разных типов мРНК, чтобы производить нужные количества и соотношения необходимых белков.
Эбервайн, первый автор работы Тэ Кён Ким и их коллеги, включая Джая Йона Сула, впервые показали в живом нейроне, что трансляция двух дендритных мРНК сложна в пространстве и времени. Исследование опубликовано в Cell Reports.
Эксперимент в гиппокампе
Команда изучила две мРНК, кодирующие белки, связывающие глутамат — основной нейромедиатор мозга. Используя нейроны гиппокампа крыс, исследователи обнаружили неоднородное распределение трансляционных хот-спотов вдоль дендритов для этих двух мРНК.
Это указывает, что трансляция РНК определяется именно наличием хот-спотов, а не просто присутствием РНК. Поскольку хот-споты неоднородны, понимание их индивидуальной динамики важно для изучения обучения и памяти.
«Не всегда один конкретный тип РНК доминирует в хот-споте по сравнению с другим, — отмечает Эбервайн. — Поскольку в дендрите в целом присутствует от 1000 до 3000 разных типов мРНК, но не такое же количество хот-спотов, "меняются" ли мРНК местами у рибосом в этих активных точках в пространстве и времени?»
Для отслеживания синтеза новых белков учёные использовали инженерные мРНК рецепторов глутамата, помеченные разными флуоресцентными белками, включая фотопереключаемый белок. Когда мРНК помечена зелёным, это означает, что она уже была транслирована. После воздействия лазером этот белок меняет цвет на красный, что позволяет метить время трансляции. Новые белки, синтезированные в этом хот-споте, будут зелёными, а их появление видно по жёлтой флуоресценции (зелёный + красный).
«Впервые этот метод мечения белков использован для количественного измерения акта трансляции множества белков в пространстве и времени в живой клетке. Мы называем это количественной функциональной геномикой трансляции», — поясняет Эбервайн.
«Наши результаты показывают, что местоположение трансляционного хот-спота регулирует одновременную трансляцию множества мРНК в дендритах нервных клеток и, следовательно, синаптическую пластичность», — говорит Сул.
Фундаментальная основа
Почти 10 лет назад лаборатория Эбервайна обнаружила, что дендриты нервных клеток способны к сплайсингу мРНК — процессу, который ранее считался исключительной прерогативой клеточного ядра. Сплайсинг позволяет из одной мРНК получать разные варианты белков за счёт комбинации различных экзонов.
Лаборатории удалось показать, что сплайсинг может происходить в дендритах благодаря использованию чувствительных технологий, позволяющих детектировать и количественно оценивать как сплайсинг РНК, так и транслированный белок в отдельных изолированных дендритах.
Понимание динамики биологии РНК и трансляции белков в дендритах может дать представление о регуляторных механизмах, которые можно модулировать для терапевтических целей при неврологических и психиатрических заболеваниях.