Исследователи из Института исследований мозга RIKEN в Японии обнаружили белковый комплекс, который помогает направлять рост аксонов – частей нейронов, составляющих наши нервы, соединяющих наши органы чувств и мышцы с головным и спинным мозгом. Исследование, опубликованное в Cell Reports, показывает, как белок миозин-Va действует как датчик кальция, который сообщает новым частям аксона, куда они должны идти.
Когда нервная система развивается, нейроны посылают свои аксоны, чтобы установить связь с другими нейронами. Например, нейрон в спинном мозге растет по направлению к привлекательным сигналам, исходящим из вентрального спинного мозга и пересекающим срединную линию. Передние концы растущих аксонов имеют "шишки" которые улавливают привлекательные и отталкивающие сигналы. Если сигнал притяжения находится слева, новые части мембраны аксона вставляются в левую сторону конуса роста, что заставляет аксон расти в направлении сигнала притяжения.
До сих пор, хотя ученые знали, что сигналы притяжения вызывают высвобождение ионов кальция из накопителей внутри конуса роста, они не знали, как это заставляет новые части аксона попадать в нужную часть конуса роста. "С этими экспериментами," отмечает лидер группы Хироюки Камигучи, "мы обнаружили, что миозин-Va является недостающим звеном между Ca2 + и поляризованной мембранной доставкой к конусу роста."
Их поиск недостающего звена начался с двух рецепторов кальция, который высвобождается из эндоплазматической сети конусов роста. Каждый из двух рецепторов – RyR3 и IP3R – связан с разным типом высвобождения кальция из эндоплазматического ретикулума и с ростом аксона в направлении привлекательных сигналов. Камигучи объясняет, "мы предположили, что в обоих случаях кальций обнаруживается одним и тем же сенсором, вызывая экспорт мембранных везикул на одну сторону конуса роста."
Чтобы выяснить, что такое общий датчик кальция, команда исследовала структуры двух рецепторов в поисках соответствующих областей. Они обнаружили одну область, которая очень похожа между двумя рецепторами. Затем они провели эксперименты, чтобы определить, какие белки могут там связываться, и обнаружили, что белок миозин-Va взаимодействует с участком на обоих рецепторах.
Чтобы проверить, необходим ли миозин-Va для роста аксонов до сигналов притяжения, они вводили in vitro в нейроны пептиды, полученные из области связывания миозина-Va. Миозин-Va по всему конусу роста затем связывается с этими пептидами вместо рецепторов Ry3 и IP3, и аксоны фактически отталкиваются от сигналов притяжения.
Затем команда изучила, как миозин-Va участвует в транспортировке мембранных везикул к конусу роста. Для этого они флуоресцентно пометили VAMP2 – молекулу, обнаруженную в везикулах, – и наблюдали, что происходит, когда миозин-Va предотвращается от связывания с рецепторами. Они обнаружили, что экспорт везикул увеличился повсюду, препятствуя росту в правильном направлении.
Затем группа использовала фокальный фотолиз, индуцированный лазером, чтобы проверить, могут ли аксоны быть направлены на рост в определенных направлениях без потребности в кальции. Они создали инертный "в клетке" версии конкурентного пептида и вводили их в клетки. Затем ультрафиолетовый свет попадал очень точно на одну сторону конуса роста, разрушая "клетки" с той стороны и высвобождая пептиды. В результате миозин-Va стал несвязанным только на одной стороне конуса роста, и аксон начал расти на этой стороне.
Камигучи осознает силу этой экспериментальной техники. "Наши пептиды препятствовали тому, чтобы аксоны пересекали срединную линию спинного мозга in vivo. Затем мы надеемся использовать опосредованный светом контроль динамики мембран для управления аксонами in vivo, а также для управления другими функциями клетки, такими как синаптический рост."