发现重写神经系统的进化历史

脊椎动物的一个组成部分——被称为神经元轴突初始段(AIS) -负责调节神经细胞的产量一直认为科学家最近已经进化,特别是在脊椎动物中,为了支持快速,精确的信号在脊椎动物神经系统的复杂电路。

但是发现由宾夕法尼亚州立大学的研究人员的实验室梅丽莎卷和蒂姆Jegla带来一个重写这个故事的一个基本方面。

”我一直在做的一件事很长时间,”Jegla说,“一般是研究神经系统的进化,我们发现,大多数神经元的基本功能——从控制信号各种细胞的分子结构,往往是老和守恒和许多现存物种之间共享,就像所有的两侧对称,和信号分子在刺丝胞动物即使在非常早期的神经系统。”

“但文献中的一个例外,巧合的是,我们重写这个故事,”他说,“是这个非常特殊的一个神经元的轴突初始段,即神经元的输出结束的开始,是一个独特的脊椎动物适应快速信号。轴突初始段提供了一个屏障分离膜的胞体和轴突的输入端-树突,这是至关重要的,因为这个膜有不同的角色,这是启动,然后把动作电位,神经元的输出。你有所有这些输入来自胞体和树突,这在轴突的初始段决定是否所有这些保证信号输入下一个细胞,或不是。这是神经元的决策点。”

Jegla进一步解释说,轴突初始段的结构和功能依赖于蛋白质被称为锚蛋白,特别是一个巨大的同种型称为锚蛋白是vertebrate-specific G。这一事实,加上结果“非常古老的无脊椎动物的生理研究神经元,在结构上不同的甚至不像我们的神经元,”导致了轴突的被广泛接受的概念,初始段和巨大的锚蛋白亚型,包括锚蛋白G,“在脊椎动物血统进化,”他说。

但是模糊地滚,和数据表明,可能有一些失踪的故事。

协作的确证

“我有这些数据生成独立的两个大学生在我的实验室里,这表明有一个扩散的障碍初感觉神经元轴突在果蝇,在轴突有一个扩散的障碍ankyrin-dependent的初始部分,她说。”,但我们没有足够的数据来真正改变整个感觉在这个领域,没有一个类似的结构,轴突初始段在果蝇中,所以这些数据坐在了很长一段时间。后来我们添加更多的碎片,但仍然没有完全足以说服人们,这真的是相同的结构。”

所以Jegla开始拼凑,通过phylogenomic分析、锚蛋白家族的进化历史。

“当我开始看,很明显,巨大的锚蛋白亚型的接受故事如锚蛋白G最近进化和vertebrate-specific是完全错误的,”Jegla说。

巨人锚蛋白,他解释说,事实上是古老的形式,在两侧对称动物的祖先进化而来的。映射后的基因组区域编码这些巨大的锚蛋白亚型的后生动物和密切相关的血统,Jegla确定最大的外显子是果蝇的基因组——卷”选择的模式生物果蝇。

Jegla的新结果,滚把这个数据她的学生聚集在一起的功能果蝇AIS-like扩散的屏障,利用一种被称为光漂白后荧光恢复技术(捆牢)。

“收紧的工作方式是,如果我们用荧光标记质膜蛋白分子,我们可以照一个强烈的激光在一个区域的神经元和灭活在这一地区所有的荧光团;然后随着时间的推移,我们可以看一看其他荧光团迁移到该地区,这给了我们一个主意关于扩散和这些东西是否在特定地区移动,”Jegla解释道。“所以我们比较这些标记蛋白质如何移动底部的树突和轴突的基础上,我们可以看到它是非常不同的。荧光蛋白来回来的树突,在轴突,他们只是不。”

卷学分程业冯——一个研究生在分子,细胞,和综合生物科学计划——在她的实验室工作,齐心协力最后一块显示的扩散势垒区底部的果蝇突。

“程业伟大的一件事是使电影从我们收紧实验他漂白树突和轴突同时我们可以看到,在同一个细胞体内,荧光回到树突和轴突的地区——这是非常令人满意的!”

Jegla补充道,“最后的一个重要部分,程业对我们是展示,使用荧光膜离子通道标志,标志,如果你摆脱锚蛋白,然后你可以看到细胞的荧光被身体为轴突的开始,所以锚蛋白是一个明确的角色在频道定位和扩散障碍。”

卷和Jegla认为它还为时过早知道这个AIS-like结构的全面依赖锚蛋白或其功能的所有细节,因此不管是真正的类似于脊椎动物轴突初始段——但是,Jegla说,“这看起来很像他们等效结构。”

“关键的事情,我们还不知道,因为没有可用的工具是否启动动作电位的渠道也有。现在每个人都想知道,这就是我们将工作。如果他们有,那上班AIS-like结构完全一样的脊椎动物轴突初始段,”Jegla说。“但是即使没有那块,这一发现完全修正的故事轴突初始段late-evolving,最终功能极神经元。很明显我们现在这个函数实际上是一个祖先的特征与所有主要的生物模型,比先前认为的。”

“这里有一些实际意义,轴突的初始段——以及许多其他神经元细胞的特性是守恒的我们之间和简单的模型生物像果蝇:我们可以回答我们的问题更加有效和廉价的如果我们局限于脊椎动物模型系统,“卷说。”除了满足好奇心如何我们的神经系统起源于进化,知道在简单的功能是守恒的,基因易处理的生物模型影响我们如何做实验来帮助理解,例如,轴突初始段可能发挥何种作用在神经损伤反应,事情最终是高度相关的和健康的人。”