Είτε στον εγκέφαλο είτε στους μύες, όπου υπάρχουν νευρικά κύτταρα, υπάρχουν συνάψεις. Αυτά τα σημεία επαφής μεταξύ των νευρώνων αποτελούν τη βάση για τη μετάδοση της διέγερσης, την επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων. Όπως σε κάθε διαδικασία επικοινωνίας, υπάρχει ένας αποστολέας και ένας δέκτης: Οι διεργασίες των νευρικών κυττάρων παράγουν και μεταδίδουν ηλεκτρικά σήματα ενεργώντας ως αποστολείς σημάτων.
Οι συνάψεις είναι σημεία επαφής μεταξύ των αξονικών νευρικών απολήξεων (η προ-σύναψη) και των μετασυναπτικών νευρώνων. Σε αυτές τις συνάψεις, η ηλεκτρική ώθηση αλλάζει σε χημικούς αγγελιοφόρους. Οι μεμβρανικοί σάκοι απελευθερώνουν αγγελιοφόρους από ειδικούς – τα συναπτικά κυστίδια.
Εκτός από τη μετάδοση πληροφοριών, οι συνάψεις μπορούν επίσης να αποθηκεύσουν πληροφορίες. Ενώ η δομή και η λειτουργία των συνάψεων είναι σχετικά καλά κατανοητές, λίγα είναι γνωστά για το πώς σχηματίζονται. Το περιοδικό Science δημοσίευσε τα αποτελέσματα.
Η φθορίζουσα πρωτεΐνη αποκαλύπτει την ανάπτυξη συναπτικών κυστιδίων
Για να παρακολουθήσουν τον σχηματισμό των προσυνάψεων από την αρχή, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ψαλίδι γονιδίου CRISPR. Έτσι θα εισάγουν μια φθορίζουσα πρωτεΐνη σε ανθρώπινα βλαστοκύτταρα και δημιούργησαν νευρώνες από τα τροποποιημένα βλαστοκύτταρα. Χάρη στον δείκτη φθορισμού, οι ερευνητές μπόρεσαν τώρα να παρατηρήσουν την ανάπτυξη των εκκολαπτόμενων συναπτικών κυστιδίων σε ζωντανά αναπτυσσόμενα ανθρώπινα νευρικά κύτταρα απευθείας κάτω από το μικροσκόπιο.
Τα συναπτικά κυστίδια είναι τα κυστίδια μεμβράνης που περιέχουν αγγελιοφόρους και αποθηκεύονται σε κάθε σύναψη. Έτσι θα μετατρέψουν τα ηλεκτρικά σήματα σε χημικά σήματα. Μαζί με τις πρωτεΐνες σκαλωσιάς που λένε στα συναπτικά κυστίδια πού είναι η σύναψη και τα κανάλια ασβεστίου που μεταφράζουν χημικά το ηλεκτρικό σήμα, αυτά τα κυστίδια σχηματίζουν τα κεντρικά στοιχεία της προ-σύναψης.
Και τα τρία συστατικά έχουν τα δικά τους γονίδια και επομένως αποτελούνται από διαφορετικά μόρια πρωτεΐνης. Για το λόγο αυτό, προηγουμένως θεωρούνταν ότι παίρνουν επίσης διαφορετικές διαδρομές για να ενωθούν τελικά σε ένα μέρος για να σχηματίσουν μια λειτουργική σύναψη.
Όλα τα εξαρτήματα ξεκινούν μαζί
Ωστόσο, οι παρατηρήσεις των ερευνητών μιλούν ενάντια σε αυτήν την υπόθεση. «Οι πρωτεΐνες των συναπτικών κυστιδίων και οι πρωτεΐνες της λεγόμενης «ενεργής ζώνης» και πιθανώς επίσης οι πρωτεΐνες προσκόλλησης που συγκρατούν τις συνάψεις μαζί, μοιράζονται τον ίδιο δίαυλο». Αυτό δηλώνει ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας καθηγητής Δρ. Volker Haucke, περιγράφοντας το εκπληκτικό εύρημα. “Ήταν πολύ αμφιλεγόμενο. Και όμως τα δεδομένα μας στους ανθρώπινους νευρώνες στον πολιτισμό είναι αρκετά ξεκάθαρα.”
Αλλά πώς ακριβώς φτάνουν οι πρωτεΐνες στη θέση σχηματισμού συνάψεων; Στη μελέτη τους, οι ερευνητές μπόρεσαν να δείξουν ότι ένας μηχανισμός κινητήρων πρωτεϊνών εξουσιοδοτεί την αξονική μεταφορά. Σύμφωνα με τα ευρήματά τους, ο κύριος οδηγός είναι μια κινεσίνη γνωστή ως KIF1A. Αυτή η κινητική πρωτεΐνη είναι περισσότερο γνωστή για τη συσχέτισή της με νευρολογικές διαταραχές στο περιφερικό νευρικό σύστημα και στον εγκέφαλο.
«Υποψιαζόμαστε ότι οι μεταλλάξεις στο KIF1A παρεμβαίνουν στην αξονική μεταφορά των προσυναπτικών πρωτεϊνών, με αποτέλεσμα νευρολογικά συμπτώματα όπως κινητικές διαταραχές, αταξία ή νοητική αναπηρία», εξηγεί ο Haucke. Ο επιστήμονας είναι επίσης καθηγητής μοριακής φαρμακολογίας στο Freie Universität Berlin.
Επιπλέον, οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να προσδιορίσουν την κυτταρική-βιολογική ταυτότητα των αξονικών φορέων. Αυτό οδήγησε σε μια άλλη έκπληξη: Ενώ η συντριπτική πλειοψηφία των εκκριτικών κυστιδίων προέρχεται από τη λεγόμενη συσκευή Golgi, τα κυστίδια αξονικής μεταφοράς δεν περιέχουν δείκτες Golgi. Αλλά μοιράζονται δείκτες με το ενδολυσοσωμικό σύστημα, το οποίο συνήθως εμπλέκεται στην αποικοδόμηση ελαττωματικών πρωτεϊνών σε μη νευρωνικά κύτταρα.
Ανακάλυψη οργανιδίων μεταφοράς που υπάρχουν μόνο στους νευρώνες
«Η εργασία μας υποδηλώνει ότι οι νευρώνες έχουν εφεύρει ένα νέο είδος οργανιδίων, ένα οργανίδιο μεταφοράς που μπορεί να είναι μοναδικό στους νευρώνες», εξηγεί η Δρ Σίλα Ριζαλάρ. “Αυτό ήταν τόσο λίγο γνωστό όσο το κοινό μονοπάτι μεταφορών.” Τα νέα ευρήματα από τη βασική έρευνα θα είναι χρήσιμα για κλινικές εφαρμογές.