Jak mikroRNA působí jako „plán“ pro vyvíjející se mozek

Naše mozky obsahují miliardy neuronů a biliony spojení a vědci teprve začínají chápat složitý proces potřebný k vytvoření této úrovně složitosti. To zahrnuje odhalení role mikroRNA: malých, jednovláknových molekul, které pomáhají regulovat produkci proteinů v mozku a zbytku těla.

Nyní vědci Scripps Research vědci odhalili, jak mikroRNA ovlivňují vývoj buněk Purkinje – vzácný typ neuronu s vazbami na neurodevelopmentální poruchy. Jejich zjištění, Publikováno v NeuronMohlo by pomoci odhalit komplikované původ těchto podmínek a zároveň vrhnout světlo na to, jak jsou mikroRNA zapojeny do stárnutí, plasticity a dalších klíčových mozkových procesů.

„Pitsing MicroRNA sítí v vyvíjejícím se mozku má důležité důsledky pro pochopení neurodevelopmentálních poruch, zejména v Purkinjových buňkách, které jsou nejvíce postiženým neuronálním podtypem v Porucha autistického spektra“říká starší autor Giordano Lippi, docent neurovědy ve Scripps Research.

Předchozí studie naznačují, že mikroRNA jsou rozhodující pro vývoj mozku, ale jejich specifická role v diferenciaci – proces kmenových buněk zrání do specializovaných buněk – zůstal nejasný.

„Když se neurony vyvíjejí, musí se v určitém okamžiku rozhodnout, jaký podtyp se stanou, ale opravdu jsme nevěděli o plánu, který tuto diferenciaci poučí,“ říká Lippi. „Existovalo mnoho důkazů, které naznačují, že mikroRNAS by zde mohl mít velmi důležitou roli, ale protože nástroje nebyly dost dobré, nemohli jsme tuto otázku opravdu přibít.“

Tým se zaměřil na Purkinjovo buňky, které obsahují méně než 1% buněk v mozečku. Buňky Purkinje integrují informace z různých částí mozku a těla, což nám umožňuje vytvářet hladké a kontrolované pohyby. Jsou to některé z největších mozkových buněk a mají vzhled podobný stromu-jediný axonový „kufr“, který podporuje systém „větví“ známý jako dendritický arbor. Buňky Purkinje jsou také obklopeny strukturami zvanými horolezeckými vlákny, která se obtěžují kolem dendritů buněk a poskytují informace z jiných částí mozku.

K dosažení jejich velké velikosti a propracovaného Arbora zahrnuje vývoj buněk Purkinje prodloužená období růstu a větvení. U myší je dlouhý proces vývoje buněk Purkinje dokončen přibližně čtyři týdny po narození.

Pro zkoumání toho, jak jsou mikroRNA zapojeny do diferenciace neuronů, vyvinul tým nové nástroje, které dočasně vyplňují funkci mikroRNA během specifických vývojových oken. Zjistili, že mikroRNA jsou kritické ve dvou fázích ve vývoji Purkinjových buněk: inhibice mikroRNA během prvního týdne po narození vedla k Purkinjovým buňkám s méně komplexními dendritickými arbory ​​a menšími mozečkami.

Naproti tomu inhibice mikroRNA během třetího týdne po narození zabránila buňkám Purkinje ve vytváření synaptických spojení s horolezeckými vlákny. Tato zjištění objasnila, jak mikroRNAS řídí přesné načasování různých aspektů vývoje buněk Purkinje, u nichž se dříve předpokládalo, že k tomu dochází souběžně.

Ve spolupráci s spolupracujícím autorem Ianem MacRaeem, profesorem integrativní struktury a výpočetní biologie Ve Scripps Research se tým také vyvinul a Model myši Pro identifikaci, na které geny se molekuly mikroRNA zaměřily. Pomocí tohoto systému identifikovali dvě mikroRNA kritické pro vývoj buněk PurkinJe (miR-206 a miR-133) a čtyři genové cíle (Shank3, Prag1, Vash1 a EN2).

Když porovnávali mapu mikroRNA cíle PurkinJe buněk s mapou pyramidálních neuronů-funkčně odlišné, ale podobně vypadající mozkové buňky-ukázaly, že oba typy buněk sledují během vývoje velmi odlišné plány mikroRNA.

„Poprvé jsme byli schopni vidět, že některé mikroRNA jsou obohaceny v buňkách Purkinje, ale ne v Pyramidální neurony“říká Lippi,„ a tím, že tyto mikroRNA vypneme, ukážeme, jak jsou důležité pro vývoj jedinečných morfologických rysů buněk Purkinje. “

Zejména tři z cílů zapojených do vývoje buněk Purkinje fungují jako „brzdy“ pro růst buněk. Když se mikroRNA váže na tyto cíle, sundá brzdy, což umožňuje Purkinjovým buňkám růst jejich přehnaný dendritický altán.

Některé z těchto genových cílů byly dříve spojeny Neurodevelopmentální poruchy.

„Zdá se, že naše výsledky naznačují, že by mohly existovat případy, kdy může být pro některé z těchto nemocí příčina dysregulace sítí cílených mikroRNA ve specifických oblastech mozku,“ říká první autor Norjin Zolboot, postdoktorand v laboratoři Lippi. „Ve skutečnosti jsme žádný z těchto mechanismů nezkoumali, ale to je něco, na co se těšíme na vyšetřování v budoucnosti.“

Při pohledu dopředu tým také plánuje využít svou novou sadu nástrojů k dalšímu prozkoumání role MicroRNAS ve vývoji, nervové plasticitě a stárnutí.

„S těmito novými nástroji se otevírá mnoho dveří,“ říká Lippi. „Sotva jsme poškrábali povrch toho, co mikroRNA dělají, ale nyní máme způsob, jak to všechno důkladně prozkoumat, a myslím, že se jedná o velmi silnou sadu nástrojů, kterou bude v poli široce používat.“

Kromě Lippi, MacRae a Zolbota patří autoři studie Yao Xiao, Jessica Du, Marwan Ghanem, Su Yeun Choi, Miranda Junn, Federico Zampa, Zeyi Huang z Scripps Research.