Новый биосенсор сможет «измерять» пластичность мозга

Согласитесь, мы не можем себя представить полноценными людьми без способности обучаться и помнить накопленный опыт. Когда мы учимся, нейроны через химические и молекулярные сигналы меняют свою форму и укрепляют связи между друг другом. Этот процесс называется синаптической пластичностью. В Институте Макса Планка во Флориде (MPFI) создали биосенсор, который, во-первых, поможет сфокусироваться на молекулярных составляющих этой пластичности, а во-вторых, возможно, станет первым шагом на пути к методам её точечной стимуляции. Статья опубликована в Neuron.

новый биосенсор

Чтобы прийти к пониманию того, как молекулы совершают «групповую рассылку» информации по всему нейрону, научная команда из лаборатории Риохея Ясуды (Ryohei Yasuda) разрабатывает специальные техники высокого разрешения. Они позволят визуализировать активность и расположение молекул, участвующих в процессе пластичности.

Ада Тан (Ada Tang), постдок в этом коллективе, создала молекулярные биосенсоры, которые смогли продемонстрировать деятельность двух важных для пластичности сигнальных белков, ERK и PKA. Эти протеины «отправляли сообщения» другим белкам, добавляя к ним фосфатную группу. Учёные обнаружили, что помимо важной роли в изменчивости мозга, обучении и запоминании, они обладают ещё некоторыми удивительными свойствами.

Крючок для шипика

Дендриты, короткие отростки нейрона, предназначены для того, чтобы принимать информацию от других нервных клеток (подробнее об «анатомии» нейрона вы можете узнать в серии Нейронауки для всех). Они разветвляются в виде древовидной структуры, распространяя ветви, как правило, в радиусе нескольких десятков микрометров. Эти отростки покрыты шипиками – крошечными выступами, которые «ловят» входные сигналы нейронов и инициируют молекулярные процессы внутри клетки. Если шипик стимулировать, он растёт и укрепляет кодировку воспоминаний.

Ранее учёные пользовались традиционными методами типа вестерн-блоттинга, чтобы определять усреднённую активность ERK и PKA многих клеток. Однако, они не могли визуализировать молекулы прямо в дендритных шипиках из-за их небольшого размера.

Схематическое изображение сенсора. Датчик состоит из доменов, имеющих сродство к разным белкам. Фосфорилирование (присоединение остатка фосфорной кислоты) вызывает ассоциации доменов с нужным пептидным субстратом и таким образом его маркирует. Источник: Max Planck Florida Institute for Neuroscience.

Чтобы датчики получились достаточно чувствительными, Тан синтезировала новый тёмный светопоглощающий краситель sREAChet. Когда она связала sREAChet с двумя зелеными флуоресцентными белками (GFP) и целевым пептидом, то обнаружила, что чувствительность на активность белка усилилась в 2-3 раза по сравнению с предыдущими датчиками. И её хватило для того, чтобы визуализировать один дендритный шипик.

«Эти датчики будут полезны для любых клеточных биологов, так как ERK и PKA участвуют в самых разнообразных процессах в клетках, и их аномальная активность связана с многими заболеваниями, включая рак и психические расстройства», — пояснил Ясуда.

Вдоль по древу

Чтобы продемонстрировать работу новых датчиков, команда Ясуды сначала стимулировала отдельные дендритные шипики, а затем с помощью специального 2-фотонного флуоресцентного микроскопа изучала каждый из них. К своему удивлению учёные обнаружили, что активность белков не оставалась в пределах шипика и распространялась даже дальше 10 мкм вдоль аксона, влияя на близлежащие дендриты.

«То, что мы нашли, как PKA и ERK, активирующиеся в одном месте, распространяли этот импульс на несколько десятков микрометров, безусловно, является удивительным открытием для нашей области», — отмечает Тан.

Но, конечно, впереди ещё долгий путь к пониманию биохимических основ обучения и памяти.

Текст: Анна Хоружая

Ссылка на источник