Нейробиологи из Медицинского центра Джорджтаунского университета раскрыли загадку, лежащую в основе человеческого обучения, и говорят, что решение может помочь объяснить некоторые формы умственной отсталости, а также дать ключ к разгадке общего функционирования мозга.
Исследователи долго ломали голову над тем, почему ген, известный как нейротрофический фактор мозга (BDNF), который имеет решающее значение для способности нейронов в гиппокампе расти и соединяться друг с другом, формируя основу памяти и обучения, производит два разных транскрипта. , которые затем производят идентичные белки.
В выпуске Cell от 11 июля ученые сообщают ответ, и он касается транспорта. Они обнаружили, что более длинный из двух транскриптов (информационная РНК или мРНК) включает дополнительные последовательности, которые "мотор" молекулы прикрепляются к, чтобы переместить информацию далеко от ядра клетки к длинным древовидным ветвям нервной клетки, известным как дендриты. Там белковые машины используют эту мРНК для производства белка, который помогает расти небольшим выступам (называемым дендритными шипами) на этих дендритах.
Более короткие мРНК также перемещаются из ядра в цитоплазму нейрона, но их не нужно транспортировать к дендритам. Эти транскрипты производят идентичный белок, но в этом случае исследователи полагают, что они помогают аксону, длинному кабельноподобному телу нейрона, расти.
Обучение происходит, когда и аксоны, и дендритные шипы растут и соприкасаются друг с другом, образуя связи, а существующие связи укрепляются. Выводы ученых обеспечивают критическое понимание того, как растут и созревают дендритные шипы, но это понимание может найти более широкое применение.
По словам ведущего исследователя исследования, Баоцзи Сюй, доктора философии, как бы интересны ни были результаты для понимания функции – и дисфункции – BDNF, поскольку он связан с обучением человека, они также актуальны для других генов и белков.D., доцент кафедры фармакологии Джорджтауна.
"Интересно то, что многие гены производят несколько транскриптов одного и того же белка – и никто не знает, почему," он говорит. "Итак, то, что мы здесь обнаружили, вероятно, очень применимо к другим генам. Выявлен механизм дифференциальной регуляции субклеточных функций белков."
В этом исследовании Сюй и его исследовательская группа, в которую вошли исследователи из Национального института здоровья детей и развития человека (NICHHD), Университета Эмори и Университета Колорадо, изучали, почему нейрону нужны два "разновидность" мРНК BDNF.
Ген производит фактор роста, который заставляет нейроны расти и жизненно важен для начального развития мозга; мыши, рожденные без BDNF, имеют дефекты развития и вскоре умирают. BDNF также секретируется нейронами в мозге взрослого человека, когда это необходимо, и это обычно происходит тогда, когда синаптические соединения между нейронами требуют укрепления, состояние, известное как "синаптическая пластичность" что лежит в основе памяти и обучения. "Если BDNF будет удален в мозгу взрослого животного, животное будет изо всех сил пытаться выучить новые задачи," Сюй говорит.
Ученые обнаружили, что трансляция белка происходит в дендритах, и полагали, что это производство белка важно для синаптической пластичности, "но изучать локальный синтез белка только в дендритах было сложно," Сюй говорит. "Когда вы изменяете синтез белка в дендритах, вы также влияете на производство белка в других частях нейрона."
Чтобы решить эту проблему, Сюй и ученым удалось создать мутантов мышей, у которых длинный вариант мРНК BDNF преобразован в более короткую форму мРНК. Они обнаружили, что у этих мышей дендритные шипы формируются нормально, но не созревают должным образом и не развиваются "обрезанный" как они должны быть. "Этот процесс важен для нормальной работы мозга. Без него мыши не могут улучшить нейронные связи в ответ на обучение," он говорит.
Сюй добавляет, что некоторые люди с умственной отсталостью страдают от той же проблемы. "На определенном этапе развития созревание дендритных шипов замораживается. Например, при синдроме ломкой Х-хромосомы слишком много незрелых дендритных шипов.
"То, что мы видим у нашей мыши-мутанта и у Fragile X, похоже," он говорит. "Если бы мы смогли найти способ увеличить синтез BDNF в дендритах, это могло бы быть полезно для людей с умственной отсталостью.
"Это, конечно, всего лишь теория, но теперь, когда мы понимаем функцию этих двух разных мРНК, мы можем начать исследовать, какие проблемы вызывает их дисфункция у людей," Сюй говорит.
Источник: Джорджтаунский университет