Protein koji kontroliše metamorfozu obične voćne mušice mogao bi jednog dana igrati ulogu u preokretanju ozljeda mozga, rekli su istraživači sa Univerziteta Duke.
Ovaj protein usmjerava i rani razvoj i ponovni rast sićušnih grana koje prenose informacije od neurona do neurona. Poznate kao dendriti, ove tanke strukture koje liče na grane drveća odgovorne su za primanje električnih impulsa koji trepere po cijelom tijelu.
Nepravilan razvoj ili ozljeda dendrita povezani su s neurorazvojnim ili psihijatrijskim bolestima kod ljudi, kao što su autizam, šizofrenija i krhki X sindrom.
U normalnim okolnostima, neuronska komunikacija je laka, slično kao što susjedi razgovaraju preko ograde. Ali ako je neuron ozlijeđen ili deformiran, on često nema odgovarajuće dendrite potrebne da bi funkcionirao.
"Jedan od najvećih problema sa nervnim sistemom je taj što se ne regeneriše dobro nakon povrede," rekao je Chay Kuo, MD, Ph. D., George W. Brumley docent za biologiju ćelije, neurobiologije i pedijatrije. "Neuroni se ne množe, pa kada su povrijeđeni, dolazi do gubitka funkcije. Voljeli bismo znati kako to vratiti."
Dok podsticanje takvog ponovnog rasta u ljudskom mozgu trenutno nije moguće, regeneracija i arborizacija dendrita - grananje dendrita iz tijela neurona - neophodan su dio životnog ciklusa voćne mušice Drosophile. U stanju larve (ili crva), nervni sistem muhe je podešen na ono što je potrebno glistu sa glatkom kožom: pronalaženje hrane, kretanje i izbjegavanje napada. Međutim, kao odrasla osoba sa kožom prekrivenom čekinjama, nervni sistem mora biti opremljen za letenje, pronalaženje partnera i polaganje jaja.
Do sada, istraživači nisu shvatili kako su senzorni neuroni Drosophile u stanju da stvore dva odvojena obrasca grananja dendrita koji uspješno služe različitim vrstama senzornih okruženja, rekao je Kuo, koji je također član fakulteta Duke instituta za mozak Nauke (DIBS). Njegov tim je krenuo da pronađe genetski mehanizam koji to omogućava. Ovo istraživanje, koje finansira Alfred P. Sloan Foundation i George & Jean Brumley, Jr. Endowment, pojavit će se na internetu u izdanju Cell Reports od 27. februara.
Odgovor leži u metamorfozi insekata iz larve u odraslu osobu. Tokom ove tranzicije, Drosophila gubi neurone koji im neće biti potrebni za odrasli život. Preostali senzorni neuroni prekidaju svoje dendrite i izrastaju potpuno drugačiji skup. Proces regeneracije, koji je pod kontrolom hormona ekdizona, je sličan rezidbi stabla u proljeće kako bi se napravio prostor za novi rast, rekao je Kuo.
Da bi otkrio kako senzorni neuroni drozofile postižu ovu promjenu, Kuov tim je označio abdominalne senzorne neurone zelenim fluorescentnim proteinom (GFP) i pratio ih kroz metamorfozu kako bi vidio da li se njihovo grananje dendrita promijenilo. Dizajn i arhitektura dendrita bili su, u stvari, drugačiji u odrasloj fazi.
Test koji je izvršio bivši diplomirani student Grey Lyons otkrio je da je cistein proteinaza-1 (Cp1) odgovorna za regulaciju regeneracije neuronskih dendrita i inervaciju senzornog polja odraslih. Kuov tim je pokazao da se bez Cp1 senzorni dendriti Drosophile ne mogu regenerirati nakon rezidbe.
Postojeća literatura takođe ukazuje Kuov tim na paralelu između nervnog sistema drozofile i sisara.
"Istražili smo da li je moguće da se Cp1, tokom metamorfoze, prebaci iz citoplazme u jezgro kako bi cijepao transkripcijski faktor potreban za razvoj dendrita i čini ga novim transkripcijskim faktorom za regeneraciju", rekao je Kuo."I, ispostavilo se da je to istina."
Verzija Cp1 kod sisara je protein za koji se zna da je povezan s progresijom raka i drugim bolestima koji se naziva lizozomalni protein kaptezin-L (Ctsl). Tokom ćelijskog ciklusa, Ctsl može ciljati faktor transkripcije - protein koji veže specifične sekvence DNK - nazvan Cut-like 1 (Cux1) koji igra ulogu u ekspresiji gena. Ctsl progoni Cux1 unutar nukleusa i cijepa ga, stvarajući manji protein s drugačijim transkripcijskim svojstvima od originalnog.
"Osjećam da je ovo otkriće nevjerovatno jer je glavni faktor transkripcije uključen u način na koji senzorni neuroni muhe rastu dendrite na prvom mjestu Cut, a Cut-like 1 je njegov homolog kod sisara", rekao je Kuo. "[Lyonsova] početna ideja o očuvanju sisara u potrazi za odgovorima je bila velika. Bila je to slučajno."
Označavanjem Cut tokom metamorfoze Drosophila, Kuov tim je posmatrao obrazac vezivanja proteina unutar jezgra. Prije rezidbe dendrita, Cut se veže u velike mrlje. Međutim, nakon rezidbe, vezivanje Cut je difuzno, dajući mu priliku, rekao je Kuo, da se veže za različite gene tokom dvije faze rasta dendrita.
Tim je preveo ovo otkriće nazad u Cp1, otkrivajući da ono ide u jezgro neurona da bi razdvojilo rez, čineći novi faktor transkripcije potreban za regeneraciju dendrita nakon razvojnog orezivanja.
Ovo istraživanje bi takođe moglo potencijalno uticati na to kako nauka i zdravstvo razmišljaju i leče povrede mozga, rekao je Kuo. Trenutno, oštećeni neuroni koji su izgubili svoje dendrite nisu u stanju da pravilno komuniciraju sa svojim susjedima, što ih čini nefunkcionalnim. Problem bi se mogao preokrenuti, rekao je, pomažući neuronima da modifikuju svoj prvobitni razvojni program i ponovo izrastu nove dendrite.
"Ako možemo uticati na ovu kontrolu životne sredine koja menja program razvoja, moguće je da bismo neuroni mogli da se integrišu i bolje funkcionišu nakon povrede", rekao je..
