Впервые ученые из Больницы для детей (SickKids) использовали передовую технологию визуализации Nanoscale Biomedical Imaging Facility, чтобы выявить атомную структуру фермента, который нейроны используют для связи.
Вся деятельность мозга – от памяти и эмоций до обучения и управления двигателем – возможна благодаря обмену информацией через синапсы, соединения между нейронами. Когда эта связь нарушается, могут возникнуть различные заболевания, например эпилепсия. Нейрон – это тип клетки, которая специализируется на общении с другими клетками, посылая химические сигналы, называемые нейротрансмиттерами, в синапсы. В мозге насчитывается 100 триллионов синапсов между нейронами.
То, как нейроны взаимодействуют между собой, изучается уже несколько десятилетий, но исследование, опубликованное в журнале Science, демонстрирует модели, полученные на основе сотен тысяч снимков высокого разрешения, которые раскрывают функции синапсов с новой ясностью.
Исследовательская группа надеется, что, получив изображения и смоделировав процесс высвобождения химических веществ из нейронов, они смогут определить новые терапевтические цели, которые помогут улучшить уход за детьми с эпилепсией и другими неврологическими заболеваниями.
При «общении» нейроны выделяют нейротрансмиттеры в синапсе, чтобы доставить их к принимающему нейрону. Эти нейротрансмиттеры высвобождаются из небольших пакетов, называемых синаптическими везикулами. После получения сообщения нейротрансмиттеры должны быть реабсорбированы и упакованы в новые синаптические везикулы, чтобы очистить синапс и освободить место для следующего сигнала.
Чтобы облегчить этот процесс, фермент под названием АТФаза везикулярного типа действует как насос, загоняя нейротрансмиттеры в синаптические везикулы. V-АТФаза также регулирует высвобождение нейротрансмиттеров из везикул.
В ходе исследования ученые выяснили, что V-АТФаза контролирует процесс высвобождения нейромедиаторов из синаптических везикул, самопроизвольно разрушаясь после заполнения везикул. Когда синаптические везикулы заполняются нейромедиаторами, V-АТФазы распадаются на две части, что позволяет высвободить нейромедиаторы.
Используя новые биохимические технологии и методы визуализации при поддержке SickKids Nanoscale Biomedical Imaging Facility, ученые смогли выделить синаптические везикулы и получить их изображения. Затем были разработаны новые вычислительные подходы для анализа изображений, чтобы показать V-АТФазу в везикулах с высоким разрешением, чего раньше не было.
Ученые создали 3D-модели V-АТФазы на основе изображений, полученных с помощью криогенной электронной микроскопии – метода, позволяющего получать изображения образцов при температуре –196 C. Команда увидела, что V-АТФаза взаимодействует с несколькими компонентами синаптической везикулы, которая содержит множество белков и липидов, участвующих в высвобождении нейротрансмиттеров.
«Самое удивительное, что мы узнали, что V-АТФаза взаимодействует с белком под названием синаптофизин. По весу синаптофизин – самый распространенный белок синаптических пузырьков. До сих пор его функция в нейронах была неясна. То, что мы обнаружили, показывает, что синаптофизин может способствовать привлечению V-АТФазы в синаптические везикулы, когда они только формируются. Мы также хотим понять, как загрузка везикул приводит к разрушению V-АТФазы и как этот процесс контролирует высвобождение нейротрансмиттеров из нейронов. В будущем это может стать терапевтической мишенью для лечения многих заболеваний, включая некоторые виды эпилепсии», – заключили ученые.
[Фото: John-Rubinstein, THE HOSPITAL FOR SICK CHILDREN (SICKKIDS)]