Развитие нервной системы и иммунитета у насекомых контролируется одним и тем же белком

В ходе развития организма нейроны должны как-то отличать свои собственные отростки от чужих, чтобы образовывать межнейронные контакты (синапсы) в правильных местах. Оказалось, что у насекомых это распознавание обеспечивается белком DSCAM, другая функция которого — иммунная защита. Каждый нейрон вырабатывает свои собственные варианты (изоформы) этого белка, что и позволяет нейронам узнавать друг друга. Открытие показало, что система идентификации по принципу «свой–чужой», основанная на вариабельных белках надсемейства иммуноглобулинов, играет ключевую роль не только в иммунитете, но и в развитии нервной системы.

«Элементы» уже писали об удивительном белке DSCAM (Down syndrome cell adhesion molecule), который относится к надсемейству иммуноглобулинов и присутствует на поверхности клеток как позвоночных, так и насекомых. Белок DSCAM отличается необыкновенной вариабельностью, которая достигается за счет альтернативного сплайсинга, то есть редактирования молекулы матричной РНК после того, как она «считывается» с исходного гена. Например, у дрозофилы на базе одного и того же гена DSCAM может быть синтезировано 38 016 разных, хотя и очень похожих, белковых молекул (их называют изоформами). Недавно было экспериментально показано участие DSCAM в иммунной защите у насекомых, причем разные инфекции приводят к синтезу разных сплайс-вариантов белка.

Кроме того, было известно, что ген DSCAM необходим для правильного развития нервной системы (не случайно некоторые мутации в нём у человека ассоциированы с синдромом Дауна). Механизм участия DSCAM в индивидуальном развитии до сих пор был неясен, хотя общую «идею» нетрудно было угадать. Чтобы из делящихся клеток зародыша, которые все имеют одну и ту же заложенную в них «программу поведения» (геном), сформировалась не аморфная клеточная масса, а сложный организм, эти клетки должны знать, в какую сторону им расти или переползать, к кому приклеиваться, а от кого, напротив, отделяться. Для этого им нужно как-то узнавать друг друга, понимать, кто есть кто в их окружении. Такое взаимное узнавание клеток особенно важно в ходе развития нервной системы, чтобы отростки нейронов соединялись друг с другом правильным образом и формировали «правильные» нервные контуры и сети.

Что касается иммуноглобулинов, то они как раз и специализируются на выполнении задач такого рода, то есть на персональной идентификации и различении «своих» и «чужих». Поэтому можно было предвидеть, что для этих белков найдется работа не только в иммунной системе, но и в индивидуальном развитии и в других ситуациях, когда нужно разбираться, кто есть кто в клеточном или социальном окружении (о возможной роли иммуноглобулинов — белков ГКГ(главного комплекса гистосовместимости) в выборе брачных партнеров. Видообразование — личное дело каждого, «Элементы», 15.02.2006). Однако до недавнего времени никто не знал, каким именно способом белок DSCAM реализует эту функцию в ходе развития нервной системы.

В 2004 году у белка DSCAM было обнаружено поразительное свойство. Оказалось, что каждая изоформа этого белка обладает способностью к избирательному гомофильному связыванию. Это значит, что молекула данной изоформы «узнает» другую такую же молекулу и прочно связывается с ней, однако почти или вовсе не связывается со всеми остальными изоформами. Понятно, что эта особенность делает DSCAM идеальным молекулярным устройством для различения «своих» и «чужих» (self–nonself recognition). Оставалось выяснить, как это устройство используется при развитии нервной системы.

Биологи из Австрии и США, опубликовавшие результаты своих исследований в последнем номере журнала Nature, получили ответ на этот вопрос при помощи генной инженерии. Они создали три линии трансгенных мух (DSCAMsingle), в каждой из которых ген DSCAM был радикально «упрощен». Из него были вырезаны все альтернативные наборы фрагментов-заготовок, кроме одного-единственного, разного в каждой из трех линий. Трансгенные мухи, таким образом, могли синтезировать только один вариант белка DSCAM вместо 38 016.

Внесенные в геном изменения оказались летальными. Все трансгенные мухи, у которых обе копии гена DSCAM были изменены (то есть гомозиготы), погибали на стадии личинки или куколки, и у этих личинок и куколок наблюдались серьезные нарушения в развитии нервной системы. Например, у нормальных мух в обонятельном отделе мозга имеются определенным образом расположенные узлы, к каждому из которых присоединяются отростки чувствительных нейронов, несущих один конкретный тип обонятельных рецепторов. У личинок-мутантов данный отдел мозга представлял собой беспорядочную массу нейронов, и отростки чувствительных клеток крепились к нему как попало. При этом ген DSCAM у этих личинок работал, и количество производимого белка DSCAM было таким же, как у здоровых насекомых. Результат был одинаков во всех трех трансгенных линиях.

Брюшная нервная цепочка нормального мушиного эмбриона (слева) и мутантного, способного производить только одну изоформу белка DSCAM (справа). Стрелками показаны участки наиболее выраженных патологических изменений. Масштаб — 10 мкм. Фото из статьи в Nature Брюшная нервная цепочка нормального мушиного эмбриона (слева) и мутантного, способного производить только одну изоформу белка DSCAM (справа). Стрелками показаны участки наиболее выраженных патологических изменений. Масштаб — 10 мкм. Фото из статьи в Nature

Авторы сделали вывод, что жизненно важным является не только белок DSCAM сам по себе, но и разнообразие его изоформ.

Ранее было установлено, что каждый нейрон в норме производит свой собственный уникальный набор изоформ белка DSCAM. Можно было предположить два возможных механизма: либо конкретный набор изоформ предопределяет судьбу каждого индивидуального нейрона, «указывая» направление роста его аксонам и дендритам, либо он только создает уникальную «визитную карточку» данного нейрона, что позволяет нейрону отличать свои собственные отростки от чужих. В первом случае важно, какой именно набор изоформ производится каждым нейроном, во втором это не имеет значения, лишь бы у соседних нейронов эти наборы были разными.

При помощи ряда весьма сложных экспериментов (в частности, вносились изменения в геномы индивидуальных нейронов) удалось показать, что верным является второе предположение. Например, нейроны, способные синтезировать только одну изоформу DSCAM, растут неправильно, если они окружены другими такими же нейронами, однако их рост становится совершенно нормальным, если их окружают нервные клетки «дикого типа», производящие разные изоформы. Если нейрон вообще не производит белка DSCAM, он растет неправильно в любом клеточном окружении. От того, какую именно изоформу производят мутантные клетки, как выяснилось, ничего не зависит.

Таким образом, изоформы DSCAM нужны нервным клеткам для создания уникального «молекулярного паспорта», благодаря которому нейроны отличают свои собственные отростки от чужих.

Данное открытие подтверждает идею о том, что молекулярные системы различения «своих» и «чужих», основанные на иммуноглобулиновых белках, имеют гораздо большее распространение в живой природе, чем думали когда-то, и роль их отнюдь не сводится к одной лишь иммунной защите.

Источник :Daisuke Hattori, Ebru Demir, Ho Won Kim, Erika Viragh, S. Lawrence Zipursky, Barry J. Dickson. Dscam diversity is essential for neuronal wiring and self-recognition // Nature. 2007. V. 449. P. 223–227. (www.elementy.ru )

Ещё в разделе

Катастрофы оказывают влияние на человеческий мозг

Исследование Корнельского университета впервые доказало, что катастрофические события оказывают влияние на головной мозг человека.

Мозг мужчины в течение жизни уменьшается

Канадские ученые из Университета МакМастера установили, что интеллектуальные способности зависят от массы мозга, причем, чем больше масса, тем человек умнее.

Стрессы беспощадно взрывают мозг

Нервные расстройства всегда плохо сказываются на нашем самочувствии. Американские ученые пришли к выводу, что стрессы становятся причиной гибели нейронов, а это, в свою очередь, вызывает уменьшение гиппокампа (особой структуры головного мозга, которая уча

Стресс может повредить мозг ребенка

Ученые медицинского факультета Стэндфордского университета, штат Калифорния, обнаружили, что так называемое посттравматическое стрессовое расстройство (PTSD) вызывает уменьшение объема гипоталамуса – структуры мозга, связанной с памятью и эмоциями.

Отсутствие сна мешает размножаться нервным клеткам

Длительное лишение сна препятствует размножению нервных клеток в головном мозге, полагают американские ученые. Проведенный ими эксперимент на крысах показал, что подавление процесса деления нервных клеток связано с повышением уровня одного из так называем

Ученые открыли механизм внутреннего ощущения времени

Американские ученые из Калифорнийского университета изучили способность мозга ориентироваться во времени и пришли к выводу, что ряд физических изменений клеток головного мозга помогает органам человека ориентироваться в течении времени.

Ученые нашли шизофрению за пределами мозга

Биохимические изменения, происходящие при заболевании шизофренией, происходят не только в нервной системе, но и за её пределами - в остальных частях организма.

Хотите прожить долгую жизнь с ясным разумом?

Ученые заметили что, чем выше уровень развития общества, тем выше риск развития болезни Альцгеймера, то есть слабоумия. В развитых (или как принято говорить – в цивилизованных) странах - болезнью Альцгеймера заболевают от 21 до 27% людей старше 60 лет

Ученые разгадали СЕКРЕТ смеха

И человек тут же начинает хохотать или как минимум улыбаться в ответ. Об этом говорится в новом исследовании, проведенном неврологами из лондонского University College.В ходе эксперимента ученые предложили группе волонтеров прослушать разные звуки, как пр

Тайны предвидения

Люди, страдающие нарушениями памяти, не могут вспомнить прошедшие события и не могут предвидеть события будущего Ученые из университетского колледжа в Лондоне считают, что им удалось раскрыть нейробиологические основы предвидения будущих событий. Даршан

Длительная память имеет белковую природу

Длительная память имеет белковую природу

Современная наука утверждает, что отдельных «молекул памяти», способных хранить воспоминания, не существует. Как известно, воспоминания организованы целыми сетями, паттернами клеток нервной системы, которые связываются соединениями синапсов. Уникальную роль, в данном случае, играют белково-сахаридные молекулы пептидогликанов. Именно последние покрывают отдельные части нейронов, благодаря своей концентрации вокруг синапсов.

Благодаря уникальной разработке человеческая память улучшиться

Благодаря уникальной разработке человеческая память улучшиться

Биологи из Университета Южной Калифорнии разработали уникальный имплантат. Уникальность разработки состоит в том, что с ее помощью улучшается память человека. Устройство создавалось для людей, страдающих болезнью Альцгеймера.

Можно ли улучшить показатели учения

Можно ли улучшить показатели учения

Американские ученые из Бостонского университета выяснили, что искусственная синхронизация различных областей мозга, которую проделали при посредстве транскраниальной стимуляции, дает возможность значительно повысить успешность обучения и выполнения ряда задач.

Установлена причина нервного тика

Установлена причина нервного тика

Группе американских ученых удалось провести идентификацию генов, мутации в которых могут являться причиной синдрома Туретта. Именно так по научному называется расстройство центральной нервной системы, которое сопровождается различными тиками, включая выкрикивание нецензурных слов. Как известно, вышеупомянутое расстройство передается по наследству.

Пуповинная кровь замедляет старение

Пуповинная кровь замедляет старение

Американским нейробиологам удалось выяснить, что белки, входящие в состав пуповинной человеческой крови, являются средством омоложения для старых мышей.

Какие клетки поражаются при неврологических расстройствах

Какие клетки поражаются при неврологических расстройствах

Американские ученые из Калифорнийского университета смогли определить клетки мозга, принимающие участие в создании условных рефлексов, которые были изучены Павловым на собаках. Исследования подтвердили, что те же нейроны являются главными мишенями при болезнях Гентингтона и Паркинсона, а также синдроме Туретта.

И после смерти мозг не всегда умирает

И после смерти мозг не всегда умирает

Канадским медикам удалось зафиксировать одну невероятную закономерность. В частности речь идет о мозговой активности мертвого человека. После остановки сердца специалисты зарегистрировали продолжительные дельта-волны. Как правило, такие волны могут наблюдаться только при глубоком сне.

Существует ли связь между зеванием и размером головного мозга

Существует ли связь между зеванием и размером головного мозга

Американским психологам из Университета штата Нью-Йорк удалось обнаружить удивительный факт. Оказывается, что продолжительность зевания у млекопитающих имеет прямое отношение к размеру головного мозга.

Человеческий мозг содержит магнитные шарики

Человеческий мозг содержит магнитные шарики

Британские ученые, в результате нового исследования, обнаружили микроскопические магнитные частицы в человеческом мозге. По мнению биологов, частицы могли попасть в нервные ткани из загрязненного воздуха. Более того, есть основания полагать, что именно эти частицы могут стать причиной болезни Альцгеймера.

Рептилии могут видеть сны

Рептилии могут видеть сны

На основе результатов последнего исследования биологам удалось выяснить, что австралийские ящерицы могут видеть сны. Все дело в том, что ящерицы в состоянии входить в фазу быстрого сна, который, как известно, сопровождается сновидениями. При помощи этого эксперимента ученые смогли доказать наличие у рептилий такого же сна, как млекопитающих и птиц.

Оценка:

Пока комментариев нет