Используя ткань мозга мышей и человека, ученые из Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins Medicine) доказали пользу белка норрина, который получают из клеток глии — астроцитов. Используя генетически модифицированных мышей с меньшим количеством синапсов, исследователи обнаружили, что количество межнейрональных контактов можно восполнять с помощью доставки наночастиц, содержащих закодированный норрин. Исследование, опубликованное в журнале NatureNeuroscience, может помочь справиться с некоторыми нейродегенеративными заболеваниями.
Отмеченные различными флуоресцентными маркерами «астроциты 8300» в позвоночнике мыши. Credit: Jeffrey Rothstein et al. / Nature Neuroscience 2019
В мозге глиальные клетки астроциты участвуют и в химической передаче сигналов, и очищают межнейрональное пространство от продуктов метаболизма клеток мозга. Команда профессора Джеффри Ротштейна (Jeffrey Rothstein) сосредоточилась на конкретном астроцитарном белке – глутаматном транспортере-1 (GLT-1). Интерес к этому белку вполне обоснован, ведь именно его дефицит отмечается при некоторых нейродегенеративных заболеваниях. Например, при боковом амиотрофическом склерозе (БАС).
GLT-1 работает подобно биологическому пылесосу: белок удаляет химический «мессенджер» глутамат из пространства между нейронами после того, как «сообщение» от одной клетки было отправлено другой клетке. Удаление этого вещества необходимо, чтобы прекратить передачу импульса и предотвратить накопление токсичного уровня глутамата. Если переносчики GLT-1 исчезают из определенных частей мозга, таких как моторная кора и спинной мозг, токсичная концентрация глутамата может убить клетку.
Чтобы разобраться в уникальной способности здорового мозга определять потребность в транспортерах глутамата, Ротштейн и его коллеги сосредоточили внимание на области ДНК перед геном, которая обычно регулирует производство белка GLT-1 (эта область ДНК называется промотором).
Сразу после промотора Glt1 ученые вставили ген, отвечающий за экспрессию белка tdTomato, способного флуоресцировать ярким красным светом. Таким образом, клетки светились ярким красным светов, если ген был активирован.
Однако, исследователи знали лишь примерное расположение промотора, а потому выбирали разное место для модификации ДНК у мышей, отсчитывая от 1000 до 7000 нуклеотидов. Сначала у мышей флуоресцировали красным все клетки в мозге, включая нейроны. Когда исследователи попробовали увеличить последовательность до 8300 нуклеотидов, свечение отмечалось лишь в некоторых популяциях клеток. Эти красные клетки были астроцитами, но светились они только в определенных слоях коры головного мозга у мышей.
Полученные результаты навели авторов на мысль, что в некоторых астроцитах присутствовал и другой белок, который «располагался» в цепочке ДНК выше GLT-1.
Чтобы более точно выяснить функцию и особенности «астроцитов 8300»,исследователи использовали машину для сортировки клеток. Ученые отделили светящиеся астроциты от неокрашенных, а затем определили то, какие гены заставили клетку флюоресцировать. Позднее они обнаружили, что в «астроцитах 8300»содержится ген, ответственный за выработку белка норрина.
После этого команда Ротштейна исследовала нейроны нормального мозга мыши: ученые обработали их норрином и обнаружили, что в этих нейронах увеличивается количество дендритов (отростков) и имеется больше «расширений» на них (шипиков), используемых для передачи химических сообщений между клетками мозга.
Затем исследователи изучили мозг генетически модифицированных мышей, у которых отсутствовала выработка норрина. Ученые увидели, что в условиях дефицита белка между нейронами образуется меньше синаптических контактов.
В другом эксперименте исследовательская группа взяла участок ДНК, который отвечает за синтез норрина, и собрала их в доставляемые наночастицы. Когда ученые вводили наночастицы норрина в мозг мышей, у которых отключили синтез белка, нейроны начинали быстро расти, активно образуя межнейрональные связи. Эксперимент повторили и с человеческими нейронами.
Ротштейн также рассказал, что существуют мутации в гене норрина, которые снижают активность синтеза белка у людей. Такое состояние называется болезнь Норри – редкое генетическое заболевание, которое может привести к слепоте у младенцев и умственной отсталости.
Поскольку исследователи смогли вырастить новые синаптические контакты, они полагают, что когда-нибудь можно будет использовать норрин для лечения некоторых типов когнитивных расстройств, таких как вышеупомянутая болезнь Норри. А сама методика может послужить основой для лечения нейродегенеративных заболеваний в целом.
«Мы изучаем фундаментальную биологию того, как функционируют астроциты, но, возможно, мы обнаружили новую цель для потенциального вмешательства в нейродегенеративные заболевания с помощью новой терапии», — отмечает Джеффри Ротштейн.
Текст: Анастасия Тихомирова
Molecularly defined cortical astroglia subpopulation modulates neurons via secretion of Norrin by Jeffrey Rothstein, Sean Miller, Thomas Philips, Namho Kim, Raha Dastgheyb, Zhuoxun Chen, Yi-Chun Hsieh, J. Gavin Daigle, Jeannie Chew, Svetlana Vidensky et al. in Nature Neuroscience (2019).
DOI: 10.1038/s41593-019-0366-7
