Вторичные дендриты нейронов дрозофил разрослись стохастически
Ученые определили принципы эмбрионального развития разветвленных дендритных деревьев нейронов дрозофил: рост крупного первичного отростка строго определен, а перпендикулярные вторичные дендриты удлиняются стохастично — то растут, то уменьшаются и меняют направление. Ключевой для формирования структуры дендритного дерева оказалась внутренняя регуляция: соприкоснувшись, отростки «отталкиваются» и начинают уменьшаться, но не могут сжиматься дальше ближайшего разветвления. Препринт статьи доступен на портале bioRxiv.
Дендритные деревья — система принимающих сигналы отростков нейронов — сильно отличаются у разных типов нервных клеток. У биполярных нейронов, например, от тела в противоположные стороны отходит два пучка дендритов, у звездчатых отростки расходятся во все стороны, а у клеток Пуркинье все обширное дерево находится в одной плоскости.
На формирование, рост и ветвление дендритов влияют многочисленные внутриклеточные факторы, сигналы других клеток и активность самих нейронов. Однако нам до сих пор неизвестно, что именно определяет геометрию дендритного дерева, является ли его формирование стохастичным вероятностным процессом или же оно строго детерминировано. Иными словами, мы не знаем, определен ли рост каждой ветви факторами среды или же заложены лишь базовые принципы роста дерева.
Французские ученые из Университета Экс-Марсель под руководством Томаса Лекуи (Thomas Lecuit) проследили за формированием дендритного дерева нейронов плодовых мушек Drosophila melanogaster в ходе эмбрионального развития. У нервных клеток, которые выбрали для исследования, есть два основных дендритных ствола, которые отходят от тела нейрона (крупный и мелкий), а вторичные ветви отходят от них перпендикулярно — в итоге получается структура, напоминающая ершик для бутылок.
Для начала исследователи оценили структуру дендритного дерева на четырех стадиях личиночного развития, а затем визуализировали формирование системы отростков на всем протяжении эмбриогенеза. Оказалось, что у личинок нейроны растут пропорционально всему организму, однако их структура не меняется: количество первичных, вторичных и третичных отростков, их относительная длина и положение закладывались ещё в ходе эмбрионального развития.
Рост дерева происходил следующим образом: сначала появлялся и рос крупный первичный отросток, через час на нем начинали появляться динамичные перпендикулярные выросты, которые то вытягивалсь, то снова уменьшались, а на них — множество мелких третичных отростков. Через несколько часов вторичные дендриты стабилизировались, число третичных сокращалось и структура переставала меняться.
Обязательный рост первичного дендрита в определенном направлении может указывать на то, что его развитие детерминировано. Действительно, ученые обнаружили, что в большинстве случаев на мембране первичных отростков или параллельно им присутствует белок адгезии E-кадгерин, а при повреждении верхушки дендрит всегда восстанавливается и продолжает расти в том же направлении. Рост вторичных дендритов оказался гораздо более динамичным: они появлялись и исчезали, их длина варьировала, число колебалось от 10 до 25 на один первичный отросток, а направление не было постоянным.
Ученые предположили, что первичные дендриты растут детермеинированно, а вторичные — стохастично. Тогда они построили математическую модель развития дендритного дерева. В качестве начальной фазы взяли нейрон с полностью сформированным первичным отростком и задавали следующие параметры: частоту появления новых ответвлений (вторичных или третичных), скорость роста или уменьшения отростков, вероятность переключения с роста на сжатие. Кроме того, в модель добавили другие признаки, которые наблюдали у дрозофил: отталкивание дендритов (если кончики двух отростков соприкасаются, они перестают расти и уменьшаются), постепенное замедление роста и то, что вторичный дендрит не мог сжиматься дальше ближайшего ответвления третичного отростка — достигнув развилки, он снова начинал расти.
При запуске модели с разными параметрами получалось воссоздать различные типы дендритных деревьев, более или менее плотные и ветвистые. В том числе удалось повторить развитие системы отростков, которое наблюдали у дрозофил в первой части работы.
В дальнейшем было бы интересно проследить за формированием дендритных деревьев других типов и понять, где записаны правила развития отростков. Вполне возможно, что статистические принципы заложены генетически, и их изучение поможет лучше понять, как происходит кодирование формы в генах.
На рост нейронных отростков влияют психоделики: под их воздействием дендриты дрозофил отращивают больше ответвлений дендритов. Благодаря этому вещества могут помочь обратить атрофию нейронов при психических расстройствах.
Алиса Бахарева
Это облегчило симптомы поражения мышц и нервов
Выращивание дрозофил с дефектом первого комплекса дыхательной цепи в среде с комбинацией 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) увеличивает выработку АТФ за счет повышения активности второго и четвертого дыхательных комплексов. Активность первого комплекса при этом не меняется. Кроме того, у дрозофил снижалось накопление лактата и пирувата, которое происходит при дефекте первого комплекса, что, по-видимому, облегчало симптомы поражения мышц и нервов. Исследование опубликовано в Human Molecular Genetics. В митохондриях происходит окислительное фосфорилирование — многоэтапный процесс, в ходе которого окисляются восстановительные эквиваленты — восстановленные никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и флавинадениндинуклеотид (ФАДН2), — и вырабатывается АТФ. Происходит последовательный перенос электронов по дыхательной цепи — группе дыхательных ферментов в мембране митохондрии. Всего в цепи участвует пять комплексов дыхательных ферментов. Нарушение переноса электронов по дыхательной цепи сопровождается снижением выработки АТФ и вызывает митохондриальные заболевания. Наиболее часто «ломается» первый комплекс — НАДН-КоQ-оксидоредуктаза, или НАДН-дегидрогеназа. Его дефицит поражает органы и ткани с высокими энергетическими потребностями, таких как мозг, сердце, печень и скелетные мышцы. Обычно это проявляется тяжелыми неврологическими синдромами: например, наследственная оптическая нейропатия Лебера, синдром MELAS или синдром MERRF. Хотя первый комплекс отвечает за поступление наибольшего количества электронов в дыхательную цепь, второй комплекс — ФАД-зависимые дегидрогеназы, — работая параллельно с первым, также отвечает за вход электронов в цепь, передавая их, как и первый комплекс на убихинон (коэнзим Q). Потенциально повышение активности второго комплекса могло бы нивелировать снижение активности первого. Поскольку второй, третий и четвертый дыхательные комплексы и цитохром с содержат гемовые структуры, команда ученых под руководством Канаэ Андо (Kanae Ando) из Токийского столичного университета решили проверить, насколько эффективно будет применение предшественника гема 5-аминолевулиновой кислоты для повышения активности этих комплексов и восстановления синтеза АТФ у дрозофил с дефектом первого комплекса. Сначала ученые отключили у дрозофил ген, гомологичный NDUFAF6 и ответственный за экспрессию одного из регуляторных белков первого комплекса. У таких дрозофил мышцы были тоньше, хрупче и иннервировались хуже, чем у насекомых без нокдауна гена. Кроме того, самцы с неработающим геном погибали намного быстрее самок, и у них развивались более грубые нарушения опорно-двигательного аппарата. Затем ученые проанализировали как нокдаун гена первого комплекса влияет на экспрессию и активность других комплексов. Выяснилось, что нокдаун увеличивает экспрессию генов третьего и пятого комплексов, и снижает — четвертого. При этом активность второго и четвертого комплекса значительно повышалась после нокдауна у самок дрозофил. Ученые не обнаружили нарушений в процессах утилизации активных форм кислорода, однако у дрозофил обоих полов без работающего гена первого комплекса накапливался лактат и пируват. Чтобы проверить влияние комплекса 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) на митохондрии дрозофил с нокаутированным геном, их выращивали в среде, содержащей этот комплекс. Такое воздействие значительно повышало уровни АТФ у самцов и самок дрозофил, при этом количество копий митохондриальной ДНК не изменялось, то есть препарат не увеличивал количество митохондрий. Экспрессия и активность дефектного первого комплекса никак не изменились, а активность второго и четвертого комплексов выросли у самцов. В целом, повышенная экспрессия генов третьего комплекса и активность второго и четвертого комплексов смягчали дефектные фенотипы. Помимо этого 5-ALA-HCl + SFC снижало накопление лактата и пирувата у самцов и самок с нокдауном гена первого комплекса, что потенциально смягчает метаболические нарушения, вызванные дефицитом первого комплекса. У самцов и самок мух-дрозофил, которых лечили 5-ALA-HCl + SFC, наблюдалось меньше дефектов опорно-двигательного аппарата, а продолжительность их жизни значительно увеличилась. Ученые рассчитывают проверить эффект такого лечения на животных с более сложным строением, чтобы подтвердить универсальность такого подхода к лечению митохондриальных нарушений. Не всегда нужна мутация, чтобы нарушить работу дыхательной цепи. Недавно мы рассказывали про то, что большое количество натрия из потребляемой соли нарушает дыхательную цепь митохондрий в регуляторных Т-лимфоцитах. Это приводит к активации аутоиммунных процессов.