Den nematode betingede refleks er dannet på basis af insulinreceptoren • Elena Naimark • Videnskabsnyheder om "Elements" • Neurobiologi, Molekylærbiologi, Genetik

Den konditionerede refleks i nematoder dannes på basis af insulinreceptoren.

Nemaload – nematode tilslutningsprojekt C. elegans – hjælper med at knytte sammen alle de funktionelle elementer i sin neurale regulering. I mellemtiden er der kun enkelte blokke af funktionen af ​​nematode nervesystemet. Figur fra webstedet opensourcebrain.org

Japanske neuroscientists studerede dannelsen af ​​en smagskonditioneret refleks (en analog af langvarig hukommelse og læring) fra nematoder C. elegans. Det var muligt at dechiffrere den pivotale biokemiske mekanisme af denne refleks efter sin vej fra den adfærdsmæssige stereotype dannet til regulatoriske proteiner. Den biokemiske del af refleksresponsen omfatter elementer, der er fælles med pattedyr (og mennesker) – specifikke signalproteiner af insulinreceptoren. Forskere mener, at dette gør deres forskning til en lovende model for at studere menneskelig hukommelse og dens tilsvarende mangler.

For næsten tredive år siden, ved foredrag på biologiske fakulteter, blev det sagt, at i orme, som hos højere dyr, kunne en konditioneret refleks udvikles. Så blev denne kendsgerning opfattet af lyttere næsten som et mirakel, og den T-formede labyrint, hvor ormene blev testet for tilstedeværelsen af ​​en refleks, blev set som kreativ tankes højde.I løbet af disse tredive år har neurobiologi (og al biologi) gradvist, men meget hurtigt og kardinalt forfrisket: Erik Kandel modtog Nobelprisen (i 2000) for at studere betingede reflekser af mollusk af aply, forskerne lykkedes at klatre ind i det hellige helbred af neurale transmissioner – synapser og deres økonomi , osv. Nu er undersøgelsen af ​​betingede reflekser og dermed læring og hukommelse hos lavere hvirvelløse dyr blevet en neurobiologisk rutine; mange elegante måder blev opfundet for at formulere og udforske deres betingede reflekser (se for eksempel vores nyheder The Locust lærer den svære måde, 27. marts 2006; Flies gemmer oplysninger om "flytbare diske" 15. februar 2012; Insekter føler fornøjelse med dopamin, som pattedyr, 08.11.2012). Desuden blev han i stand til at dechiffrere mekanismen for dannelse af reflekser både på niveauet af neurale forbindelser og på niveauet af molekylære kaskader og generne der koder for dem. Afstanden, der rejste fra T-labyrinten til det enkelte protein, der blev slukket ved ultraviolet i en bestemt neuron i fremstillede mutanter, er enorm.

Neuroscientists fra Tokyo University og CREST-programmet fra Japan Science and Technology Agency udnyttede alle disse nyeste teknologier.De præsenterede et diagram over arbejdet med den konditionerede refleks: hvordan det virker på cellulære, neurale og molekylære niveauer. I deres resultater vises biokemiske motiver for dannelse af langvarig hukommelse.

De arbejdede med en velkendt nematode. C. elegans. Nematoder producerede en konditioneret refleks til nærvær af salt. Denne betingede refleks fungerede som en enkelt episode af hukommelse. Det er kendt, at nematoder reagerer på en vis koncentration af salt og kan huske det. Det er kendt, at neurode ASER (eller dets venstre analoge ASEL) giver smagsmodtagelse i nematoder. Det er også kendt, at proteiner af signaleringskaskaden af ​​insulinreceptoren PI3K, som også er involveret i processen med at huske og lære i højere dyr, på en eller anden måde er involveret i memoriseringsprocessen. Med denne information begyndte undersøgelsen.

Dette er ASEL-neuronen (vist pile: til venstre axon, til højre neuronens krop), fremhævet af grøn protein. Foto fra artikel A. Vasquez-Rifo et al., 2013. For GARP-komplekset i forordningen om mikroRNA-medieret genet

Nematoder blev dyrket i et medium med en vis mængde salt, men en gruppe blev fodret som den skulle være, og den anden blev holdt på en sultedie. Derfor blev en eller anden saltkoncentration i en velfødt gruppe forbundet med mad og i en sulten gruppe – med sult.I de efterfølgende testtests blev nematoder plantet i bakker med ikke-ensartet saltkoncentration: det skiftede gradvist fra den ene kant af bakken til den anden fra lavt (tæt på nul) til højt. Forskere kunne kun bemærke i hvilken retning nematoderne ville gå – til kanten med en lav eller høj salt koncentration.

Nematoder blev dyrket i et miljø med tre forskellige saltkoncentrationer, idet en gruppe nematoder blev fodret (som sædvanlig, E. coli E. coli), og den anden er ikke. Derefter blev nematoder anbragt i en bakke med en ikke-ensartet saltkoncentration og uden mad: den varierede fra den ene kant af bakken til en anden fra 0 til 100 mol / m3 (mM, millimolar); derefter optaget inden for 10 minutter, i hvilken retning krybende orme dyrkes under visse betingelser. I disse eksperimenter blev normale nematoder og mutantlinjer for forskellige gener anvendt. Figur fra yderligere materialer til artiklen under drøftelse

Det er klart, at alle nematoderne, ifølge den udviklede refleks, skyndte sig til koncentrationen af ​​salt, som de var forbundet med mad. Den velfødte gruppe kravlede til hvor koncentrationen føltes, kendt for dem fra et velstående liv, den sultne gruppe tværtimod undgik det.

Som det viste sig, er denne refleks fraværende hos individer mutant i genet daf-2 – Dette er en af ​​deltagerne i PI3K-kaskade. Det viste sig, at i synapserne af ASER-neuronen, og kun der, er dens særlige isoform udtrykt. Hun blev kaldt daf-2c: Det er lavet af en anden isoform daf-2a ved at indsætte en ekstra exon. Præcis samme insert er kendt for den humane insulinreceptor IR-B (se C. Blanquart et al., 2008. Karakterisering af IRA / IRB-hybridinsulinreceptorer ved anvendelse af bioluminescensresonans-energioverførsel). Både i nematoder og hos mennesker eksponeres denne ekson-indsættelse på overfladen af ​​neuroner i synaps.

Strukturen af ​​lignende insulinreceptorer og deres isoformer med indsatser (vist i rødt) nematoden (til venstre) og person; I begge tilfælde udsættes indsatserne på overfladen af ​​cellerne. Figur fra artiklen under drøftelse

Denne analogi selv er fascinerende og lover mange lovende opdagelser inden for molekylære mekanismer og evolutionen af ​​læring. Med de menneskelige varianter af disse isoformer fortsætter arbejdet, men med resultaterne af denne undersøgelse fjernede nematoderne klart dem. Det var muligt at finde ud af detaljerne i memoriseringsprocessen og hvordan de biokemiske mekanismer fungerer på dette tidspunkt.

Eksperimenter med mutanter daf-2csåvel som andre deltagere i insulinsignaleringskaskaden viste, at det er denne isoform, og ikke daf-2a, deltager i smag træning.Det udtrykkes kun i axerne af ASER, og den anden isoform i cellekroppen. For at producere en refleks er det vigtigt, at DAF-2c er i axonen nær synaps. Derfor får proteiner, der transporterer dem fra cellekroppen til axonen, den primære rolle. Et sådant middel var transmembranproteinet CASY-1 fra cadherin superfamilien. CASY-1 binder specifikt til den nye exonindsats af DAF-2c. I mutanter på dette protein (genvariant) kommer DAF-2c ikke til axonen, og som følge heraf opstår der ingen læring. Interessant nok, hvis mutanten i stedet for DAF-2c bliver tvunget (ved hjælp af bindende proteiner) indsat i axon DAF-2a, vil den fungere på samme måde som DAF-2c. Med andre ord er et sted vigtigt for denne type receptor; en specifik indsats var nødvendig for at tage dette sted korrekt.

I nematoder udtrykkes den normale reaktion på salt i en forøgelse af antallet af bobler i synera af ASER-neuronen. Ved hjælp af sofistikeret teknologi målte forskerne antallet af vesikler i synapsene under normal refleks manifestation og derefter sammenlignet med mutante nematoder. I mutanter daf-2 koncentrationen af ​​bobler viste sig at være stærkt forøget Men hvis du inkludere mutanterne daf-2cså vender alt tilbage til det normale. Og inddragelsen daf-2a ændrer ikke noget: koncentrationen af ​​synaptiske vesikler forbliver høj. Også koncentrationen af ​​vesikler i mutanter ved gen casy-1 – det øges dramatisk Dette betyder, at tilstedeværelsen af ​​DAF-2c øger intensiteten af ​​nerve transmission.

Resultaterne af testning af nematoder dyrket i sultningsbetingelser (de reducerede saltkoncentrationen med halvdelen og målte antallet af bobler i synapset). Sammenlignet med normen (WT, vildtype) i mutanter (casy-1, daf-2) stærkt øget koncentration af bobler; hvis du tilføjer daf-2c (Ex [daf-2c], ex – udtryk), er denne effekt udglattet (hvilket ikke sker, hvis du tilføjer daf-2a). Det samme sker, hvis du med magt indsætter daf-2a på plads daf-2c (design daf-2a :: CICD). Figur fra artiklen under drøftelse

CASY-1 binder sig igen til kineser af mikrotubuli, og de sørger for bevægelse af vesikler i synaps.

Det viser sig, at i axonen ASER, der tjener smagen, og kun der, er en særlig form for insulinreceptor udtrykt; det binder sig til transmembranproteinet CASY-1, som er i stand til at interagere med kinesin, og således stimuleres nerveimpulser. I denne historie er det fortsat at forstå delen om den betingede refleks og træning, det vil sige hvordan produktionen af ​​nøglekomponenten er reguleret eksternt. daf-2c.

Det var muligt at opdage et stof, som efterhånden som det vokser nematoder i sultne forhold, nedsætter sin aktivitet – dette er den vigtigste cellulære regulator af ERK. Dette stof hæmmer aktiviteten af ​​CASY-1 (dette måtte også være lang og omhyggeligt bevist ved anvendelse af forskellige mutantvarianter). I dette tilfælde leveres DAF-2c til aksonerne i moderate mængder, vesiklerne udsprøjtes ikke i de synaptiske kløfter, og som følge heraf opnås en refleks – undgåelse af saltkoncentration.

Ordningen med refleksrealisering fra en ekstern stimulering til et adfærdsmæssigt respons gennem molekylære regulatoriske kaskader. Figur fra artiklen under drøftelse

På den ene side er alt gjort af japanske forskere simpelt, men på den anden side – svært. Simpelthen – fordi vi ser det afkodede refleksformationsmønster. Det er svært, fordi der skal bruges mindst en halv snes forskellige testteknologier her for hver enkelt at forstå hvad testresultatet betyder, at søge over hundrede varianter af nematodmutationer og at udvikle en refleks for hver enkelt. Desuden skyldes kompleksiteten også en stærk forenkling. Det er klart, at andre reguleringsmekanismer er overlejret på den.For eksempel arbejdede de med samme smagsreflex før og fandt et specielt protein, nematocin, en analog af oxytocin, som også deltager i dannelsen af ​​denne refleks (se seksuel adfærd og træning i C. elegans er reguleret af et peptid svarende til oxytocin, "Elements", 10/31/2012). I dette nye arbejde er nematocin ikke nævnt, selv om det ville være interessant og vigtigt at forstå, hvor de metaboliske regulatoriske veje af nematocin og DAF-2c skærer hinanden.

Kilde: Hayao Ohno, Shinya Kato, Yasuki Naito, Hirofumi Kunitomo, Masahiro Tomioka, Yuichi Iino Rolle af den synaptiske phosphatidylinositol3-kinase i C. elegans // Videnskab. 2014. V. 345, s. 313-317.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: