Kiedy neurony tracą swój kształt, może dojść do upośledzenia funkcji mózgu lub neurodegeneracji.

Ann Wehman, adiunkt biofizyki molekularnej i komórkowej w Kolegium Nauk Przyrodniczych i Matematyki Uniwersytetu w Denver, zaczęto badać, w jaki sposób kształt neuronów utrzymuje się u dorosłych. Wehman współpracuje przy tym projekcie z Andrew Chisholmem, Distinguished Profesor neurobiologii oraz biologii komórkowej i rozwojowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Wehman i Chisholm znaleźli się wśród 18 badaczy, którzy otrzymali fundusze w wysokości ponad 10 milionów dolarów od Fundacji Rodziny Paula G. Allena.

Jako nowo mianowani wybitni badacze Allena Wehman i Chisholm otrzymają 1,5 miliona dolarów na zbadanie roli pęcherzyków zewnątrzkomórkowych (EV) w utrzymaniu obwodów neuronalnych. pojazdy elektryczne to struktury otoczone błoną — wypełnione białkami, kwasami nukleinowymi, lipidami i innymi biomolekułami — które mogą przemodelować kształt i zawartość komórki. Po uwolnieniu do środowiska pozakomórkowego, EV mogą również zostać dostarczone do komórek biorców i wywołać zmiany fizjologiczne lub patologiczne.

„Wiemy, że wszystkie typy komórek mogą uwalniać tego rodzaju pęcherzyki” – mówi Wehman. „To oznacza bakterie, czyli neurony w mózgu i wszystko pomiędzy”. Naukowcy wiedzą również, że pojazdy elektryczne mogą zmieniać się w odpowiedzi na stres i inne warunki wpływające na komórki. Ale wiele pozostaje niewiadomych.

Nagrodzono cztery projekty z zakresu pęcherzyków zewnątrzkomórkowych oraz trzy projekty dotyczące badań nad hormonami płciowymi. Rozważając obszary finansowania, Grupa Paula G. Allena Frontiers szuka nowych dziedzin, w których inwestycja mogłaby katalizować postęp naukowy laureatów i wszystkich innych osób w swoich dziedzinach.

„To bardzo ekscytująca współpraca między naszymi dwoma laboratoriami, ponieważ podeszliśmy do tego problemu z różnych punktów widzenia” – mówi Chisholm.

Podczas pracy z C. elegancjagatunku robaka powszechnie stosowanego w badaniach naukowych, Chisholm dowiedział się, że geny i białka regulujące produkcję pojazdów elektrycznych odgrywają rolę w układzie nerwowym. Kiedy neurony generują zbyt wiele EV, tracą swój kształt. Mutując jednak pewne geny, znalazł wersje tych białek, które powodują, że neurony zmniejszają uwalnianie EV i odzyskują swój normalny kształt.

Tymczasem Wehman ustalił funkcję tych samych genów i białek i powiązał je z pojazdami elektrycznymi. Jej eksperymenty we wczesnym rozwoju C. elegancja zarodków pokazało, jak zaburzenie niektórych białek błonowych powoduje zwiększenie uwalniania EV. Błony komórkowe są asymetryczne pod względem zawartości; zawierają różne rodzaje lipidów po każdej stronie. Ale membrany mogą utracić tę asymetrię.

„Utrata asymetrii lipidów może spowodować wiele różnych rzeczy. Ale konkretny lipid, na który patrzymy, powoduje uwalnianie pęcherzyków zewnątrzkomórkowych, gdy stają się one symetryczne” – mówi Wehman.

Chisholm i Wehman mają teraz nadzieję dowiedzieć się, w jaki sposób neurony zachowują kształt swoich komórek przez całe życie, w tym w jaki sposób komórki regulują liczbę wytwarzanych pęcherzyków i miejsce ich wytwarzania. Duet będzie nadal przeprowadzał testy z wykorzystaniem C. elegancja. Gatunek jest przezroczysty, co oznacza, że ​​nadaje się do mikroskopii fluorescencyjnej do badań fizjologicznych.

Robaki mają również znacznie mniejszy genom niż ludzie. Tam, gdzie ludzie mogą mieć kilka różnych wersji genu, C. elegancja zwykle będzie mieć tylko jeden, co upraszcza badanie genetyczne. C. elegancja ewoluował również tak, aby generować potomstwo, zamiast żyć długo. „Jest to świetne rozwiązanie z punktu widzenia genetyki, ponieważ pojedynczy robak ma setki potomstwa” – zauważa Wehman.

Jednym z celów grantu jest opracowanie genetycznie zakodowanego czujnika, który umożliwi naukowcom obserwację dynamiki pojazdów elektrycznych C. elegancja. W szczególności chcieliby się dowiedzieć, czy lipid zwany PE (fosfatydyloetanoloamina) działa na powierzchni komórki czy w znajdującej się pod nią błonie. Jak w przypadku wielu lipidów, taki czujnik nie istnieje. Poprzednie badania Wehmana wykazały, że dystrybucja PE w błonach komórkowych napędza pączkowanie błony w celu utworzenia pojazdów elektrycznych.

„Chcemy nowych narzędzi, które pozwolą nam przyjrzeć się rozkładowi lipidów, co powie nam o czynnikach kontrolujących uwalnianie EV” – mówi Chisholm. „Gdybyśmy mogli opracować czujnik tego lipidu PE u żywego zwierzęcia lub nawet jego półproduktową wersję, byłby to duży postęp. To coś, co obecnie nie istnieje, więc jest to przedsięwzięcie obarczone wysokim ryzykiem.

W dłuższej perspektywie badania podstawowe Wehmana i Chisholma mogą mieć potencjalne implikacje dla zdrowia mózgu. „Pojazdy elektryczne są obecnie popularne jako potencjalna metoda dostarczania leków” – zauważa Wehman. Gdyby firmy farmaceutyczne mogły kontrolować liczbę pojazdów elektrycznych wytwarzanych przez komórkę, mogłyby poprawić wydajność procesów w bioreaktorach wykorzystywanych do opracowywania nowych receptur leków.

Pojazdy elektryczne mogą również służyć jako biomarkery w nieinwazyjnych badaniach medycznych u pacjentów. Jednak dostrajanie poziomu EV u pacjentów w celu leczenia choroby pozostaje niepraktyczne bez pełniejszego zrozumienia wielu funkcji, jakie pojazdy elektryczne pełnią u zwierząt, a więc pytań, które Wehman i Chisholm z niecierpliwością czekają na zbadanie.