На клеточном уровне обучение и память требуют постоянной корректировки прочности синаптических соединений — функциональных связей между нервными клетками. Эти модификации достигаются включением в отдельные синапсы белков, которые модулируют эффективность межклеточной передачи сигнала.
Чертежи для синтеза этих молекул в форме информационных РНК (мРНК) доставляются в активные синапсы специальной транспортной системой. Международная команда под руководством Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) из Мюнхена, биохимик, профессор Майкл Киблер, теперь продемонстрировала, что ключевой фактор, участвующий в этом транспорте, специфически связывается с областями его груза мРНК, которые не имеют информации о кодировании белков, и что высвобождение РНК, обеспечивающие синтез белка, зависят от синаптической активности. Новые результаты опубликованы в журнале EMBO Reports.
Нервные клетки обычно состоят из тела клетки (в котором находится ядро), длинного волокна (аксона), которое проводит исходящие нервные импульсы, и набора более коротких выступов (дендритов) рядом с телом клетки, которые служат антеннами для входящих сигналов.
Инструкции по синтезу белков хранятся в ДНК в ядре клетки, сначала «транскрибируются» в мРНК и экспортируются из ядра в рибосомы в цитоплазме клетки. Рибосомы — это молекулярные машины, ответственные за трансляцию последовательностей мРНК в аминокислотные последовательности указанного вновь синтезированного белка. В нервных клетках рибосомы также находятся рядом с синапсами дендритов, что позволяет белкам, которые необходимы для синаптической функции, вырабатываться рядом с местами их действия. Эта локализованная система доставки также позволяет специфическим образом модифицировать определенные синапсы без сопутствующего изменения их соседей.
Киблер и его группа ранее показали, что специфический для мозга РНК-связывающий белок Staufen2 (Stau2) играет центральную роль в транспорте мРНК от ядра клетки к синаптическим рибосомам. «Однако оставалось неясным, как Stau2 распознает мРНК, которые он передает в синапсы, и как они транслируются в белки, которые изменяют определенные синапсы зависимым от активности образом», — объясняет Киблер.
В новом исследовании исследователи показывают, что Stau2 специфически связывается с так называемой последовательностью интрона, обнаруженной около конца определенного подмножества мРНК — в области, которая не содержит кодирующей информации, но вместо этого выполняет регуляторную функцию. Интроны — это участки в так называемом первичном транскрипте, транскрибируемом из ядерной ДНК, которые либо удаляются (с помощью процесса, называемого альтернативным сплайсингом), либо выборочно сохраняются перед экспортом обработанной мРНК. «Большинство интронов, обнаруженных в мРНК, расположены в областях, кодирующих белок, и их избирательное удерживание позволяет синтезировать различные версии — так называемые изоформы — белка из одной и той же РНК-предшественницы. Однако довольно необычно найти интрон, удерживаемый в нетранслируемой области мРНК, — говорит Теджасвини Шарандхар, первый автор исследования.
Более того, Stau2 не может связываться с изоформой мРНК, в которой отсутствует интрон. Следовательно, эта изоформа РНК не транспортируется к дендритам для трансляции.
Таким образом, интрон в некодирующей области служит одним из регуляторных маркеров, которые гарантируют, что мРНК распознается Stau2 и транспортируется в синапсы.
«Второе наше удивительное открытие заключается в том, что этот транспортный процесс зависит от синаптической активности», — говорит Киблер: мРНК, содержащая интрон, транспортируется от одного синапса к другому, но будет высвобождена для трансляции только в непосредственной близости от синапсов. активный.
Следовательно, синаптическая активность стимулирует стыковку мРНК со специфическими синапсами, а ее белковый продукт отмечает «обучающиеся» синапсы. Здесь также важную роль играет Stau2, поскольку в отсутствие белка ни одна мРНК не достигает дендритов.