새로운 발견은 뉴런이 의사 소통 능력을 구축하고 유지하는 방법을 보여줍니다

새로운 발견은 뉴런이 의사 소통 능력을 구축하고 유지하는 방법을 보여줍니다
날짜:
2022년 7월 20일
원천:
MIT 피코워 연구소
요약:
신경 세포는 회로 연결을 통해 메시지를 보낼 수 있도록 하는 칼슘 채널 모음을 조절하고 일상적으로 새로 고칩니다.

뉴런은 시냅스라는 연결을 통해 통신하기 때문에 신경계가 작동합니다. 그들은 칼슘 이온이 채널을 통해 분자 메시지를 전달하는 소포가 있는 "활성 영역"으로 흐를 때 "대화"합니다. 전하를 띤 칼슘은 소포가 시냅스 전 뉴런의 외막에 "융합"되도록 하여 통신 화학 화물을 시냅스 후 세포로 방출합니다. 새로운 연구에서 MIT의 Picower 학습 및 기억 연구소의 과학자들은 뉴런이 이 중요한 인프라를 설정하고 유지하는 방법에 대한 몇 가지 계시를 제공합니다.

새로운 연구의 수석 저자인 Troy Littleton은 "칼슘 채널은 칼슘 유입의 주요 결정자이며 소포 융합을 유발하므로 전기 신호를 화학적 시냅스 전달로 변환하는 시냅스 전 측 엔진의 중요한 구성 요소입니다"라고 말했습니다. eLife 및 MIT 생물학 및 뇌 및 인지 과학부 신경과학과 Menicon 교수 . "그들이 활성 영역에 어떻게 축적되는지는 정말 불분명했습니다. 우리의 연구는 활성 영역이 어떻게 축적되고 풍부한 칼슘 채널을 조절하는지에 대한 단서를 보여줍니다."

신경과학자들은 이러한 단서를 원했습니다. 한 가지 이유는 이 과정을 이해하면 뉴런이 학습과 기억 및 기타 중요한 뇌 기능의 기초가 되는 "가소성(plasticity)"이라는 능력인 의사 소통 방식을 변경하는 방법을 밝히는 데 도움이 될 수 있기 때문입니다. 또 다른 하나는 간질, 불안 및 신경통과 같은 다양한 상태를 치료하는 가바펜틴과 같은 약물이 칼슘 채널과 밀접하게 관련된 알파2델타라는 단백질에 결합한다는 것입니다. alpha2delta의 정확한 기능에 대해 더 많이 공개함으로써 연구는 이러한 치료법이 어떤 영향을 미치는지 더 잘 설명합니다.

더 많은 과학자들이 다른 조작으로 알파2델타라는 단백질을 제거할수록(오른쪽 두 열), 변경되지 않은 대조군(왼쪽 열)에 비해 파리 뉴런의 시냅스 활성 영역(밝기와 녹색 점의 수)에서 발생하는 Cac 칼슘 채널이 적습니다.

"시냅스 전 칼슘 채널의 기능 조절은 매우 중요한 임상 효과를 갖는 것으로 알려져 있습니다."라고 Littleton이 말했습니다. "이러한 채널이 어떻게 규제되는지에 대한 기준선을 이해하는 것이 정말 중요합니다."

MIT 박사후 연구원인 Karen Cunningham이 이 연구를 주도했으며, 이 연구는 Littleton의 연구실에서 그녀의 박사 학위 논문 작업이었습니다. 그녀는 초파리 운동 뉴런의 모델 시스템을 사용하여 활성 영역에서 칼슘 채널의 분포와 유지를 설명하는 단계별 프로세스를 처음으로 보여주기 위해 다양한 기술과 실험을 사용했습니다.

Cac에 모자

Cunningham의 첫 번째 질문은 유충에서 활성 영역이 발달하는 데 칼슘 채널이 필요한지 여부였습니다. 파리 칼슘 채널 유전자("불협화음" 또는 Cac라고 함)는 매우 중요하므로 파리는 문자 그대로 그것 없이는 살 수 없습니다. 따라서 Cunningham은 Cac를 즉석에서 녹아웃시키는 대신 단 하나의 뉴런 집단에서 Cac를 녹아웃시키는 기술을 사용했습니다. 이렇게 함으로써 그녀는 Cac가 없어도 활성 영역이 정상적으로 성장하고 성숙함을 보여줄 수 있었습니다.

파리의 유충 단계를 인위적으로 연장하는 또 다른 기술을 사용하여 그녀는 추가 시간이 주어지면 활성 영역이 BRP라는 단백질로 구조를 계속 구축하지만 Cac 축적은 정상적인 6일 후에 중단된다는 것을 알 수 있었습니다. Cunningham은 또한 뉴런에서 사용 가능한 Cac 공급 감소의 적당한 증가가 각 활성 영역에서 Cac가 끝나는 양에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했습니다. 더욱 궁금하게도 그녀는 Cac 양이 각 활성 영역의 크기에 따라 조정되지만 활성 영역에서 많은 BRP를 제거하면 거의 변화하지 않는다는 것을 발견했습니다. 실제로, 각 활성 영역에 대해 뉴런은 존재하는 Cac의 양에 일관된 상한선을 적용하는 것처럼 보였습니다.

Cunningham은 "뉴런이 시간이 지남에 따라 계속 축적되는 BRP와 같은 활성 영역의 구조 단백질에 대해 매우 다른 규칙을 갖고 있다는 사실이 밝혀졌으며, 이에 비해 엄격하게 조절되고 풍부하게 제한되어 있는 칼슘 채널이 있습니다."라고 말했습니다.

정기적인 새로 고침

팀의 모델은 활성 영역에서 Cac 풍부함을 조절하는 요인을 보여줍니다. Active Zone 스캐폴드 개발 및 alpha2delta를 통한 Cac 전달은 회전율을 억제하는 동안 증가시킵니다. Cac 생합성은 풍부함을 거의 증가시키지 않습니다.

연구 결과는 Cac 수준을 매우 엄격하게 조절하는 Cac 공급 또는 BRP의 변화 외에 다른 요인이 있음을 보여주었습니다. Cunningham은 alpha2delta로 전환했습니다. 그녀가 유전적으로 얼마나 많은 양이 발현되는지 조작했을 때, 그녀는 alpha2delta 수준이 활성 영역에 축적된 Cac의 양을 직접적으로 결정한다는 것을 발견했습니다.

추가 실험에서 Cunningham은 Cac 수준을 유지하는 alpha2delta의 능력이 뉴런의 전체 Cac 공급에 의존한다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 그 발견은 활성 영역에서 Cac 양을 안정화하여 제어하기보다는 알파 2델타가 활성 영역에 Cac를 공급 및 재공급하기 위해 Cac 인신매매 동안 상류에서 기능했을 가능성이 있음을 시사했습니다.

Cunningham은 재공급이 일어나는 것을 관찰하기 위해 두 가지 다른 기술을 사용하여 그 범위와 타이밍을 측정했습니다. 그녀는 활동 영역을 이미지화하고 풍경을 확인하기 위해 Cac 풍부함을 측정하기 위해 며칠의 개발 후 순간을 선택했습니다. 그녀는 그것을 지우기 위해 Cac 형광을 표백했습니다. 24시간 후, 그녀는 24시간 동안 활성 영역에 전달된 새로운 Cac만을 강조하기 위해 Cac 형광을 다시 시각화했습니다. 그녀는 그날 거의 모든 활성 영역에 걸쳐 Cac 전달이 있었지만, 하루의 작업은 며칠 전에 축적된 작업에 비하면 실제로 극히 일부에 불과하다는 것을 알았습니다. 게다가, 그녀는 더 큰 활성 영역이 더 작은 영역보다 더 많은 Cac를 축적한다는 것을 알 수 있었습니다. 그리고 돌연변이된 alpha2delta를 가진 파리에서는 새로운 Cac 전달이 전혀 없었습니다.

Cac 채널이 실제로 지속적으로 재공급되고 있다면 Cunningham은 Cac 채널이 활성 영역에서 제거되는 속도를 알고 싶었습니다. 그것을 결정하기 위해 그녀는 Cac 단백질에 태그가 붙은 Maple이라는 광전환 단백질로 염색 기술을 사용하여 그녀가 선택한 시간에 빛의 섬광으로 색상을 변경할 수 있었습니다. 그렇게 하면 그녀는 먼저 특정 시간(녹색으로 표시)까지 축적된 Cac의 양을 확인한 다음 Cac를 빨간색으로 바꾸기 위해 표시등을 깜박일 수 있습니다. 5일 후 그녀가 다시 확인했을 때 빨간색 Cac의 약 30%가 새로운 녹색 Cac으로 교체되어 30%의 회전율을 나타냅니다. 그녀가 alpha2 delta를 돌연변이시키거나 Cac 생합성을 감소시켜 Cac 전달 수준을 줄였을 때 Cac 회전율이 멈췄습니다.

Littleton은 그의 연구실이 이러한 결과를 기반으로 구축하기를 열망하고 있다고 말했습니다. 이제 칼슘 채널 풍부와 보충의 규칙이 명확해졌으므로 그는 뉴런이 가소성을 겪을 때 그것들이 어떻게 다른지 알고 싶어합니다. 그는 또한 세포체에서 만들어지는 개별 칼슘 채널을 추적한 다음 신경 축삭을 따라 활성 영역으로 이동하기를 열망하며 어떤 다른 유전자가 Cac 풍부에 영향을 미칠 수 있는지 결정하기를 원한다고 말했습니다.