Sinapsele electrice ale peștilor s-au dovedit a fi asimetrice • Svetlana Yastrebova • Stiri despre "Elemente" • Neurobiologie, Genetică

Sinapsele electrice ale peștilor s-au dovedit a fi asimetrice.

Fig. 1. A – model de sinapsă electrică asimetrică a peștilor Danio rerio cu indicația de gene și proteine ​​caracteristice celulelor pre- și postsynaptice. B – sistem cu neuroni Mauthner (circuit Mauthner). "border = 0>

Fig. 1. A – model de sinapsă electrică asimetrică a peștilor Danio rerio cu indicația de gene și proteine ​​caracteristice celulelor pre- și postsynaptice. B – sistem cu neuroni Mauthner (circuit Mauthner). M – Neuronii lui Mautner. aud – celule care percep vibrațiile de apă. CoLo – interneuronii care reglează activarea motoneuronilor (MNsa) măduva spinării. Figura din articolul discutat îneLife

Cercetătorii neurologi americani au descoperit că, în peștele din zebra, sinapsele electrice – un tip de contact între celulele nervoase – nu sunt simetrice, contrar înțelepciunii convenționale. Fiecare dintre cele două celule din compoziția unui astfel de contact poartă pe suprafața sa diferite proteine ​​confexin codificate de gene inegale. Acest lucru sugerează că transmiterea unui semnal într-o sinapsă electrică are loc într-o direcție mai des decât în ​​alta. Acest studiu este primul care prezintă baza genetică pentru asimetria sinapselor electrice la vertebrate.

Celulele din compoziția unui organism trebuie să colaboreze cu "vecinii" și pentru aceasta trebuie să intre în contact cu ceilalți. Contactele celulare sunt împărțite în mai multe tipuri, în funcție de cât de apropiate sunt membranele celulelor participante, cum sunt aranjate zonele de contact ale membranelor, ce substanțe sunt transferate prin aceste contacte și așa mai departe. Semnele pentru clasificare pot fi găsite pe mai multe. În cadrul studiului, care va fi discutat, sunt considerate două tipuri de contacte celulare – sinapse chimice și electrice (figura 2). Acestea se găsesc în principal în sistemul nervos și structurile asociate acestuia. Neuronii pot comunica nu numai unul cu celălalt, ci și cu fibrele musculare (vezi Synapsa neuromusculară) și cu celule de multe alte tipuri.

Despre sinapsele chimice au auzit pe toți cei care au luat un curs în fiziologia animalelor. Acesta este locul în care membranele a două celule nervoase se apropie unul de celălalt, deși nu ating: câteva zeci de nanometri le separă. Un neuron transmite un semnal către celălalt sub formă de molecule neurotransmițător (pe scurt, mediatori), iar în majoritatea cazurilor transmiterea este una.Membranele vezicule cu molecule neurotransmitator din interiorul se separă de un neuron (separarea lor de celulă se numește membrana presinaptică), intră în spațiul dintre cele două celule (cleft sinaptic) și ajung la proteinele receptorilor de pe membrana postsynaptică aparținând celui de-al doilea neuron "primitor". Mediatorii se leagă de receptorii de pe membrana postsynaptică și acest lucru declanșează diverse schimbări în procesele fiziologice și biochimice ale neuronului corespunzător. Care dintre ele – depinde de neurotransmițătorul și receptorul specific. Este important ca semnalul să nu meargă în direcția opusă: de regulă, nu există receptori pe membrana presinaptică care sunt asemănători cu membrana postsynaptică de pe membrană, astfel încât celula care o poartă nu poate răspunde, în general, substanțelor pe care le-a izolat.

Sinapsele electrice sunt complet diferite de sinapsele chimice. În primul rând, distanța dintre neuronii din ele este mult mai mică, doar 2-4 nanometri, și nu există mediatori și receptori acolo. Semnalul transmis are o natură electrică și, mai important, poate trece în ambele direcții, adică acest tip de sinapsă este simetrică.Aici, în principiu, și toate informațiile care sunt raportate asupra sinapselor electrice pentru studenții de biologie, chiar și la departamentele specializate de fiziologie animală și (sau) activitate nervoasă mai mare.

Fig. 2. Diagrama sinapselor chimice și electrice. Desene de pe wikipedia.org și din articolul în discuție îneLife

De ce se întâmplă acest lucru, de ce chiar și experții și cei care se pregătesc să devină ei rareori vorbesc despre sinapselor electrice? Probabil, parțial motivul este că, spre deosebire de cele chimice, ele sunt mai puțin frecvente în sistemul nervos și, cel mai important, sunt mai greu de detectat (vezi Barry W. Connors și Michael A. Long, 2004. Synapse electrice în creierul mamiferelor). Dezvoltarea tehnologiilor de imagistică celulară, în special microscopia electronică, a ajutat la deschiderea mai multor grupe de celule în vertebrate care comunică între ele, inclusiv prin utilizarea sinapselor electrice (un neuron, ca orice altă celulă, poate forma mai multe tipuri de contacte). Au fost găsite și în creierul mamiferului. Cu toate acestea, sinapsele electrice sunt mult mai frecvente la nivelul vertebratelor inferioare, cum ar fi peștii. Există, de asemenea, nevertebrate, chiar și cele foarte primitive (a se vedea ipoteza privind dubla apariție a sistemului nervos a primit noi confirmări, "Elements", 26.06.2014).

Se pare că sinapselele electrice sunt o formațiune evolutivă antică.Și trebuie să spun că este foarte util: semnalul este transmis prin sinapse electrice mult mai repede decât cel chimic, deoarece timpul nu este risipit pe eliberarea neurotransmițătorului în cleftul sinaptic și pe răspunsul receptorului la acesta. Astfel de contacte sunt potrivite pentru lanțurile nervoase, unde rata de transfer a datelor este deosebit de importantă – să spunem, dacă trebuie să oferiți un răspuns instant de la eschivarea unui prădător.

Și totuși, sinapselele electrice au un mare dezavantaj: ele nu sunt la fel de plastic ca cele chimice. Impulsurile transmise de ele sunt foarte monotone, ceea ce nu este cazul sinapselor chimice cu un set bogat de neurotransmițători (vezi Discuția despre rolul ctenoforilor în evoluție continuă, "Elements", 18.09.2015). În plus, într-o sinapsă electrică, forța care acționează asupra unei celule gazdă este mai dificil de dozat (într-o sinapsă chimică, de exemplu, pot fi eliberate mai mult sau mai puțin molecule de mediator). Acest lucru sugerează că astfel de contacte complexe între neuroni nu oferă nici un comportament complex, spre deosebire de sinapsele chimice, cu ajustarea efectelor lor pe o gamă largă, care în cele din urmă oferă numeroase adaptări ale comportamentului la condițiile unei lumi în continuă schimbare.Acesta este probabil un alt motiv pentru care sinapsele electrice rămân în umbră chiar și pentru cei mai mulți neurologi.

Totuși, investigarea acestor contacte între neuroni merită cu siguranță. Mai departe, cu cât mai multe lucrări arată că sinapselele electrice nu sunt la fel de simple cum sunt descrise în manualele de neurofiziologie și pot juca un rol mult mai important în activitatea nervoasă decât în ​​mod tradițional. Cel mai recent exemplu: sa dovedit că peștele Danio rerio sinapsele electrice sunt asimetrice și pot distinge în mod clar analogii membranei pre- și postsynaptice, fapt confirmat de experimentele pe animale transgenice.

Autorii lucrării în discuție au ales obiectul de studiu pentru pești, deoarece aceste animale au un sistem distinct anatomic de celule nervoase (astfel de sisteme sunt numite uneori circuite neuronale, circuit neural) cu sinapse electrice între ele – un sistem cu neuroni Mautner . 3). Cel mai important, este bine cunoscută ce formă de comportament face acest circuit neural.

Neuronii Mautner (M) sunt celule mari în creierul din spate.Există doar două: una pe partea stângă și una pe partea dreaptă; fiecare conduce mișcările părții opuse a corpului. Ele oferă o îndoire rapidă (în decurs de 10 milisecunde) în formă de C a corpului peștilor ca răspuns la apariția unui prădător. O astfel de mișcare vă permite să sarăți de pericol și să modificați brusc direcția de mișcare perpendiculară pe cea anterioară. Informația vine la neuronii Mauthner din celule care percep oscilațiile de apă (Aud), similare cu nervul auditiv. (Semnalele de la Aud la M sunt transmise prin ambele semnale electrice și chimice, totuși numai ele electrice au fost luate în considerare.) Procesele lungi (axonii) neuronilor Mautner trec prin toate segmentele măduvei spinării (există aproximativ 30) și în fiecare formă sinapselor chimice cu motoneuron (MN), și deja trimit direct un semnal către mușchii care îndoaie corpul.

Dacă pe o parte a corpului muschii s-au contractat, atunci pe de altă parte ei nu ar trebui să se contracteze, altfel flexia în formă de C a corpului nu va funcționa. Prin urmare, în sistemul cu neuroni Mautner, există "contraweights" – interneurons CoLo. Ei formează sinapse electrice cu neuroni mautner care ghidează aceeași parte a corpului, precum și sinapse chimice inhibitoare cu motoneuron care asigură contracția mușchilor din partea opusă a corpului.Să presupunem că atunci când celula stângă Mauthner, care controlează partea dreaptă a corpului, este activată, interneuronul din dreapta primește un semnal de sinapsă electrică din el și trimite un semnal de frână asupra sinapsei chimice la neuronii motorului din partea stângă a corpului ca răspuns la acesta. Ca urmare, mușchii din dreapta sunt reduse, iar mușchii din stânga rămân în repaus, permițând astfel peștelui să devină în formă de C.

Fig. 3. Schema unui sistem cu neuroni mautner în pești Danio rerio. Explicații în text. M – Neuronii lui Mautner. aud – celule care percep vibrațiile de apă. CoLo – interneuronii care reglează activarea motoneuronilor (MNsa) măduva spinării. Figura din articolul discutat îneLife

Deci, se pare că într-un sistem cu neuroni Mautner există două locuri în care sinapsele electrice se întâlnesc: între celulele sensibile și neuronii Mautner (ca și autorii articolului, vom numi pe scurt aceste contacte Aud / M), precum și între celulele Mauthner și interneuron (denumirea lor scurtă este M / CoLo). Cercetătorii și-au stabilit sarcina de a afla care sunt proteinele din care sunt alcătuite synapsele electrice Aud / M și M / Colo și, de asemenea, înțeleg dacă acestea diferă în structură.

Aici este necesar să se vorbească mai detaliat despre dispozitivul sinapselor electrice (figura 4). De fapt, acesta este un fel de contact cu goluri, numai în sistemul nervos (în ansamblu, există aproape fiecare țesut în decalaj). În cadrul joncțiunilor gap, două celule sunt conectate prin subunități de proteine ​​de clase speciale: la nevertebrate, acestea sunt anexine (vezi Innexin), iar în vertebrate, conexine (vezi Connexin). Există multe varietăți ale ambelor și fiecare este codificată de gena proprie din familie GJD (delta joncțiunii). Șase Innexine (sau conexe) formează jumătate din canal. Fiecare dintre cele două celule "dă" jumătate la contactul (connexon), iar când sunt combinate, conexiunile formează un canal.

Fig. 4. Diagrama synapsei electrice. Explicație în text. Figura din articolul discutat îneLife

Teoretic, fiecare jumătate din canal nu poate consta din subunități de proteine ​​identice, ci codificate de gene diferite. Cu toate acestea, acest lucru nu a fost prezentat anterior pentru nici o sinapsă electrică. Pentru a afla dacă acest lucru este valabil Danio rerio, oamenii de stiinta au crescut cu o mutatie disconnect3. Această mutație distruge gena Cx36 și analogii ei. La mamifere, gena Cx36 codifică conexxinul cu același nume, în timp ce aproape toate celelalte gene conexin sunt pierdute. La strămoșii de pești osoși (se aplică oasele Danio), dimpotrivă, un analog al genei Cx36 la un moment dat evoluția sa dublat. Pe baza ei, au apărut noi gene care sunt foarte asemănătoare în structură, inclusiv cx34.1 și cx35.5 (acestea sunt adesea numite gjd1a și gjd2a în consecință, autorii au decis să utilizeze simboluri mai rar folosite pentru a face mai ușor să deseneze o analogie cu gena Cx36 mamifere). Mutația ar fi trebuit disconnect3 pauze de lucru nu numai Cx36 la mamifere, dar, de asemenea cx34.1 și cx35.5 în pește. În acest studiu, această ipoteză a fost confirmată când s-a efectuat secvențierea polimorfismelor singulare de nucleotide ale genelor connexin care le deosebeau una de cealaltă în cazul animalelor experimentale.

La pești cu mutație disconnect3 Numărul de neuroni Mautner, precum și celulele CoLo, au coincis cu cel al animalelor de control cu ​​gene "normale". Totuși, colorarea fluorescentă a genei Cx36 și aproape de acesta nu au dezvăluit sinapselor electrice nici în creierul posterior, nici în măduva spinării. Astfel, prezența acestei mutații a împiedicat formarea sinapselor electrice Aud / M și M / CoLo.

Apoi, era necesar să înțelegem care dintre cele două gene cx34.1 și cx35.5 care subunitățile din structura sinapselor electrice codifică. Pentru a face acest lucru, cercetatorii au creat astfel de himerici Danio rerioastfel încât au inactivat una dintre cele două gene aflate în discuție, fie în Aud, fie în M, fie în CoLo. Studiile care utilizează coloranți fluorescenți, precum și studierea comportamentului acestor pești au evidențiat un model important. Dacă gena cx35.5 a fost inactivată într-unul din tipurile de neuroni postsynaptici (la syn / apn Aud / M este o celulă Mauthner, iar în M / CoLo este interneuronul CoLo), sinapsele electrice ale unor astfel de pești au lucrat aproape ca la animalele din grupul martor și reacția lor de îndoire C a avut o viteză normală și amplitudine. Dacă aceeași genă a fost inactivată în orice neuron presinaptic (celula Aud în celulele Aud / M și M în M / CoLo, respectiv), s-au observat tulburări ale funcției sinaptice electrice, precum și reacțiile de prădător supraviețuitor.

Înregistrarea video a comportamentului a arătat că, în acest caz, peștele începe să se îndoaie în formă de C mai târziu decât cel de control – nu 6 milisecunde după o fluctuație accentuată a apei de lângă el, dar după 9. În plus, unghiul de îndoire nu era la fel de mare ca ar fi trebuit, iar după aceea peștele aproape nu a schimbat direcția de mișcare (Fig.5).Aceasta înseamnă că lipsa unei proteine ​​Cx35.5 active în membranele presinaptice a sinapselor electrice conduce la întreruperea acestor sinapse și schimbări în comportamentul peștilor. O concluzie similară a fost făcută pentru proteina Cx34.1: atunci când gena se codifică cx34.1 a fost inactivat în celulele postsynaptice, activitatea sinapsei electrice și reacția de eschivare au fost, de asemenea, perturbate.

Fig. 5. Comparația mișcărilor mutante Danio rerio cu disfuncție a sinapselor electrice, cu reacție de eschivare în eșantioane de control cu ​​gene de lucru ale conexinelor. pe F și H poziția corpului peștilor la momente diferite după ce a fost dat "alarma" (oscilația apei),E, G, euL – Fotografii ale aceluiași pește. dna – milisecunde. Figura din articolul discutat îneLife

Două întrebări pot apărea: 1) Deși, deși sinapsele electrice pot transporta un semnal în ambele direcții, cuvintele "presinaptic" și "postsynaptic" sunt utilizate în mod constant în text (și știri și articol științific)? 2) De ce synapsa electrică nefuncțională din sistem cu neuronii Mautner împiedică scăparea prădătorului datorită îndoirii în formă de C a corpului? Se poate răspunde astfel.1) Diferența funcțională dintre celulele pre- și postsynaptice din aceste sinapse electrice este prezentă. Semnificația pentru comportament are o transmisie de semnal de la Aud la M și de la M la CoLo, și nu în direcția opusă. 2) Cel puțin între Aud și M, pe lângă sinapsele electrice, există și cele chimice. Se pare că aceștia asigură reacția îndoirii în formă de C a corpului de pește în absența sinapsei electrice active și, din moment ce funcționează mai lent, reacția în sine este mai mică de câteva milisecunde. Nu s-au găsit sinapse chimice între M și CoLo, dar sunt mutante în ceea ce privește forma corpului. sx34.1 și cx35.5 pește, vedem că animalele nu sunt suficient de îndoite. Aceasta se datorează, probabil, inhibării insuficiente a neuronilor motori ai părții opuse a corpului datorită CoLo.

Pe baza rezultatelor enumerate, cercetatorii au concluzionat că structura sinapselor electrice Danio rerio nu simetrice. În general, proteina Cx35.5 este localizată pe membrana presinaptică, iar Cx34.1 este localizată pe membrana postsynaptică (figura 1). În mod similar, activitatea genelor respective diferă. Acesta este primul studiu care arata asimetria structurala a sinapselor electrice vertebrate la nivel genetic.

Sursa: Adam C Miller, Alex C Whitebirch, Arish N Shah, Kurt C Marsden, Michael Granato, John O'Brien, Cecilia B Moens. O bază genetică pentru asimetria moleculară la sinapselor electrice vertebrate // eLife. 2017, 22 mai; 6. pii: e25364. DOI: 10.7554 / eLife.25364

Svetlana Yastrebova


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: