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Wie das Gehirn den genetischen Code in seinen Zellen verschiebt, um zu wachsen und Erinnerungen zu schaffen

Kinesin-2-transportierende mRNA

Eine grafische Darstellung von Kinesin-2-transportierenden mRNA-Protein-Komplexen entlang der selbstorganisierenden Autobahnen eines Neurons. Vom Transportkomplex gelesene mNRA-Lokalisierungssignale sind mit dem Großbuchstaben Gs gekennzeichnet. Bildnachweis: S Maurer

Es ist das erste Mal, dass Wissenschaftler herausfinden, wie das Gehirn den genetischen Code in seinen Zellen transportiert.

Forschung veröffentlicht heute (13. März 2020) in Fortschritte in der Wissenschaft wirft ein neues Licht auf die molekulare Maschinerie, die die Form, das Wachstum und die Bewegung von Neuronen ermöglicht. Es ist das erste Mal, dass Wissenschaftler herausgefunden haben, wie das Gehirn den genetischen Code in seinen Zellen transportiert. Dieser Prozess wird als entscheidend für die Bildung und Speicherung von Langzeitgedächtnissen angesehen.

Gehirnzellen, auch als Neuronen bekannt, sind komplexe, spezialisierte Zellen mit langen Zweigen. Um zu wachsen, bauen Neuronen Proteine ​​an bestimmten Stellen eines Zweigs auf, so dass sie neue Vorsprünge bilden, die Richtung steuern können, in die sie sich bewegen, und Verbindungen zu anderen Neuronen herstellen können. Dieser Prozess ist besonders wichtig während der Entwicklung des Gehirns und hilft verschiedenen Arten von Neuronen, ihren Platz im breiteren Gehirngewebe zu finden. Die genetische Blaupause zum Aufbau Tausender verschiedener Arten nützlicher Proteine ​​wandert kontinuierlich in Form von mRNA, aus der genetische Informationen kopiert werden, um die Zweige der Zelle DNA.

In diesem Clip wandern Pakete von ein bis vier gelben fluoreszenzmarkierten mRNAs mit einem intakten Lokalisierungssignal auf Mikrotubuli, die in einer Mikrokammer angeordnet sind, die auf einem Mikroskop montiert ist. Blaue mRNAs haben ein mutiertes Lokalisierungssignal, das von der Transportmaschinerie nicht erkannt wird. Bildnachweis: S Maurer und S Baumman

Wie Neuronen, die längste Art von Tierzellen, die richtigen genetischen Blaupausen zur richtigen Zeit an den richtigen Ort bringen, ist eine unbeantwortete Frage. Es wurde angenommen, dass sie von Kinesinen transportiert werden, länglichen Proteinen mit zwei Füßen, die einen Fuß über den anderen zu einem Ziel gehen, aber es gab keine direkten Beweise, um dies zu beweisen. Jede lebende Zelle verfügt über ein Netzwerk selbstorganisierender Autobahnen, um großmolekulare Materialien von einer Seite zur anderen zu transportieren. Verschiedene Fahrzeuge bewegen eifrig Tausende verschiedener Ladungen, wobei Kinesine der häufigste Typ sind.

Jetzt haben Wissenschaftler des Zentrums für genomische Regulation (CRG) in Barcelona herausgefunden, dass eine Art Kinesin namens KIF3A / B mRNAs transportieren kann, wobei ein anderes Protein namens adenomatöse Polyposis coli (APC) als Adapter verwendet wird, der sowohl das Kinesin als auch die mRNA bindet. Ladung. Die Proteine ​​transportieren mindestens zwei Arten von mRNA, die für Tubulin und Actin kodieren, zwei Arten von Proteinen, mit denen Neuronen ihr Zellgerüst aufbauen. Dies ist wichtig, um die Zelle so zu formen, dass sie neue Verbindungen mit anderen Neuronen herstellen kann.

Die Ergebnisse sind von Interesse, da mRNAs eine Schlüsselrolle bei der Speicherung und Bildung von Erinnerungen spielen. Frühere Studien zeigen, dass mRNAs, die für das Protein Beta-Actin kodieren, kontinuierlich entlang der Synapsen wandern, der Verbindung zwischen zwei Neuronen. Wenn Synapsen wiederholt ein Signal empfangen, werden aus der mRNA Beta-Actin-Proteine ​​hergestellt, die für die Verstärkung der Synapsen und die Stärkung der Bindung zwischen zwei Neuronen wichtig sind. Das wiederholte Stimulieren einer Synapse verstärkt kontinuierlich die Verbindung, von der angenommen wird, dass sich Erinnerungen bilden.

mRNAs bewegen sich über relativ große Entfernungen. Hier bahnen sie sich ihren Weg über ein 40 Mikrometer langes Netz von Mikrotubuli-Straßen. Ein typisches Neuron ist zehnmal so lang. Die automatische Verfolgung transportierter RNAs (unteres Feld) zeigt die Transportgeschwindigkeit und die Anzahl der in derselben Verpackung transportierten mRNAs. Bildnachweis: S Maurer und S Baumann

„Der spanische Neurowissenschaftler Santiago Ramon y Cajal schlug zunächst vor, dass unser Gehirn Erinnerungen speichert, indem es die neuronalen Synapsen stärkt und die Form ändert, damit sich die Gehirnzellen fest erfassen und Signale effizienter leiten können“, sagt Sebastian Maurer, Forscher am Zentrum für Genomregulation und Blei Autor der Studie. “Mehr als ein Jahrhundert später beschreiben wir einen wesentlichen Mechanismus, der wahrscheinlich seinen Theorien zugrunde liegt, und zeigen, wie weit er seiner Zeit voraus war.”

Die Forscher stellten mithilfe reiner Komponenten in einem Reagenzglas synthetisch selbstorganisierende Autobahnen wieder her und enthüllten die Funktion einzelner Bausteine ​​und wie sie zusammenarbeiten, um mRNAs zu transportieren. Gereinigte Proteine, von denen vermutet wird, dass sie für den neuronalen mRNA-Transport wichtig sind, wurden mit verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen markiert und mit einem hochempfindlichen Mikroskop untersucht, das die schnelle Bewegung einzelner Moleküle erfassen kann.

Die Forscher fanden heraus, dass mRNAs und ihr Adapter APC die Zinesin-Zündung einschalten und das Protein aktivieren. Es wurde festgestellt, dass transportierte mRNAs ein spezielles Lokalisierungssignal aufweisen, das die Effizienz steuert, mit der verschiedene mRNAs auf das Kinesin geladen werden. Selbst geringfügige Änderungen dieses Signals wirkten sich auf die Reise der mRNA zum Ziel aus und zeigten die ausgeklügelten Mechanismen, die Gehirnzellen entwickeln, um die Logistik von Tausenden verschiedener Nachrichten zu steuern. Wenn die Kinesine keine Fracht beförderten, wechselten sie in den Energiesparmodus, um bis zu ihrer nächsten Arbeit Kraftstoff zu sparen.

„Das genaue Vehikel zu finden, das für den Transport von mRNA benötigt wird, ist wie die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen, weshalb die meisten Leute dachten, was unmöglich sei“, sagt Sebastian Mauer. “Aber wir haben es geschafft, was ohne die CRG oder die öffentliche Finanzierung der spanischen Regierung für riskante Projekte nicht möglich gewesen wäre.”

„Wir werden weiterhin die Transportsysteme untersuchen, aus denen das komplexe logistische Netzwerk eines Neurons besteht. Das Verständnis der molekularen Maschinerie, die der Entwicklung von Gehirnzellen zugrunde liegt, wird der Schlüssel zur Bekämpfung globaler Herausforderungen wie Demenz und neurogenerativen Erkrankungen sein. “

Referenz: 13. März 2020, Fortschritte in der Wissenschaft.