Использовав ткани мозга мышей и человека, исследователи школы медицины Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University School of Medicine) выявили новые доказательства того, что белок, извлечённый из некоторых, но не всех, популяций «вспомогательных» клеток мозга под названием астроциты, играет особую роль в формировании связей между нейронами, необходимых для обучения и создания новых воспоминаний.
Используя генетически модифицированных мышей с меньшим количеством таких связей, исследователи провели эксперименты. Они показали, что можно доставлять корректирующие белки с помощью наночастиц, восстанавливая отсутствующие белки, необходимые для «починки» дефектной нейронной магистрали.
Поскольку подобные соединительные сети теряются или повреждаются в результате нейродегенеративных заболеваний, например, болезни Альцгеймера, или некоторых других расстройств, таких как болезнь Норри, исследователи говорят, что результаты исследования могут помочь в работе по восстановлению нормального функционирования мозга.
Полученные результаты описаны в журнале Nature Neuroscience.
«Мы изучали биологию, лежащую в основе функционирования астроцитов, но открыли новую цель, позволяющую вмешиваться в течение нейродегенеративных заболеваний», — говорит Джеффри Ротштейн (Jeffrey Rothstein), директор Института исследований мозга в Университете Джона Хопкинса.
«Хотя астроциты выглядят в мозгу одинаково, у нас было подозрение, что у них могут быть специальные роли, в зависимости от региональных различий и изменений при некоторых заболеваниях, — говорит Ротштейн. — Мы надеемся, что, если узнаем устройство различий в этих популяциях астроцитов, это может позволить направлять развитие мозга или даже обратить вспять некоторые заболевания. Наши текущие исследования дают надежду на это».
Астроциты являются поддерживающими клетками, они действуют как проводники к новым клеткам, предоставляют химическую сигнализацию и избавляются от побочных продуктов обмена веществ в клетках мозга.
Команда Ротштейна сосредоточилась на конкретном белке астроцитов Glt1, транспортёре глутамата. По данным предыдущих исследований, его не хватало в астроцитах из некоторых частей мозга с нейродегенеративными заболеваниями. Как биологический пылесос, этот белок обычно всасывает химический «посредник» глутамат из пространства между нейронами после отправки сообщения из клетки в клетку. Это шаг, необходимый для прекращения передачи информации и предотвращения накопления токсичных уровней глутамата.
Когда транспортёры глутамата исчезают из определённых частей мозга, моторной коры и спинного мозга у людей с боковым амиотрофическим склерозом, глутамат остаётся слишком надолго, подавая сообщения, тем самым чрезмерно возбуждая клетки и убивая их.
Чтобы выяснить, как мозг решает, какие клетки нуждаются в переносчиках глутамата, Ротштейн и его коллеги сосредоточились на области ДНК, содержащей промотор Glt1 (своеобразный переключатель, последовательность нуклеотидов перед стартовым сайтом транскрипции переносчика глутамата, белка Glt1, запускающая или останавливающая транскрипцию). Сразу после начальной позиции транскрипции Glt1, учёные вставили ген, отвечающий за экспрессию белка tdTomato, способного флуоресцировать чрезвычайно ярким красным светом. Таким образом, у генно-модифицированных мышей активация переносчика глутамата в клетках очень заметно визуализировалась.
Поскольку варианты гена, отвечающего за транскрипцию Gll1, описаны пока весьма приблизительно, учёные варьировали место вставки промотора от 2,5 до 8,3 килобаз от места начала транскрипции. Сначала у мышей флуоресцировали красным все клетки. В варианте около 7,9 килобаз экспрессия флуоресцирующего белка tdTomato (а значит, в данном случае и переносчика глутамата) уже была ограничена нейронами. Неожиданно, при вставке в 8,3 килобаз, флуоресценция ограничилась астроглией серого вещества головного мозга, в частности коры и ещё нескольких регионов. Чтобы проверить, что результат не случаен, исследователи наблюдали tdTomato-флуоресценцию в течение пяти недель и не выявили её больше ни в каких регионах и клетках мозга, кроме тех астроцитов, что «засветились» сразу.
Поскольку исследователи смогли идентифицировать эти «красные астроциты 8,3», они подумали, что у них может быть особая функция, отличная от функции других астроцитов мозга. Для более точного определения того, что эти «красные астроциты 8,3» делают в мозгу, учёные исследовали молекулярный состав культуры этих клеток в пробирке, выявили вещества, уровень экспрессии которых в «красных астроцитах» может быть особенно высоким, после чего проверили эти предположения с помощью всё той же красной флуоресценции. В результате в «красных астроцитах 8,3» был зафиксирован высокий уровень экспрессии гена, кодирующего другой белок, известный как норрин (NDP).
Команда Ротштейна взяла нейроны из обычного мозга мыши, обработала их норрином и обнаружила, что эти нейроны отрастили большие «ветви», отростки, используемые для передачи химических сообщений между клетками мозга. Затем, говорит Ротштейн, исследователи посмотрели на мозг мышей, специально сконструированных с отсутствием норрина, и увидели, что у нейронов этих животных было меньше отростков, чем у соответствующих клеток здоровых мышей, вырабатывавших норрин.
В другом комплексе экспериментов исследовательская группа создала генетическую плазмиду, способную к экспрессии норрина, комплиментарного «8,3-астроцитам», и упаковала её в наночастицу, пригодную для целевой доставки. Когда они впрыскивали наночастицы, доставляющие экспрессирующие норрин плазмиды в мозг мышей, генетически сконструированных без способности к экспрессии этого белка, нейроны этих мышей начинали расти быстрее и в большем количестве, что необходимо для восстановления нейронных сетей. Затем исследователи повторили эксперимент с человеческими нейронами.
Ротштейн отмечает, что мутации, снижающие уровень белка норрин в организме человека, вызывают болезнь Норри. Это редкое генетическое заболевание, приводящее к слепоте в младенчестве и умственной инвалидности. Поскольку исследователи смогли создать новые ветви для нейронной коммуникации, они считают, что когда-нибудь появится возможность использовать норрин для лечения некоторых видов нарушений интеллекта, например, болезни Норри.
Дальнейшие шаги учёных будут заключаться в том, что они будут изучать, может ли норрин восстановить связи в мозгу животных моделей с нейродегенеративными заболеваниями.