Совершив новый прорыв в изучении мозга млекопитающих, исследователи Копенгагенского университета сделали невероятное открытие. А именно, жизненно важный фермент, который обеспечивает сигналы мозга, включается и выключается случайным образом, даже при многочасовых «перерывах в работе». Эти открытия могут оказать большое влияние на наше понимание мозга и разработку фармацевтических препаратов. Сегодня находка на обложке журнала Nature.
Миллионы нейронов постоянно обмениваются сообщениями друг с другом, формируя мысли и воспоминания и позволяя нам перемещать наши тела по желанию. Когда два нейрона встречаются для обмена сообщениями, нейротрансмиттеры передаются от одного нейрона к другому с помощью уникального фермента.
Этот процесс имеет решающее значение для нейронной связи и выживания всех сложных организмов. До сих пор исследователи во всем мире считали, что эти ферменты постоянно активны и непрерывно передают важные сигналы. Но это далеко не так.
Используя инновационный метод, исследователи с химического факультета Копенгагенского университета внимательно изучили фермент и обнаружили, что его активность включается и выключается через случайные промежутки времени, что противоречит нашему предыдущему пониманию.
«Это первый раз, когда кто-либо изучал эти ферменты мозга млекопитающих по одной молекуле за раз, и мы в восторге от результата. Вопреки распространенному мнению и в отличие от многих других белков, эти ферменты могут перестать работать от нескольких минут до нескольких часов. Тем не менее, Мозг человека и других млекопитающих чудесным образом способен функционировать», — говорит профессор Димитриос Стамоу, который руководил исследованием из Центра геометрически спроектированных клеточных систем на химическом факультете Копенгагенского университета.
До сих пор такие исследования проводились с очень стабильными ферментами бактерий. Используя новый метод, исследователи впервые исследовали ферменты млекопитающих, выделенные из мозга крыс. Сегодня исследование опубликовано в Nature.
Переключение ферментов может иметь далеко идущие последствия для нейронной коммуникации
Нейроны общаются с помощью нейротрансмиттеров. Для передачи сообщений между двумя нейронами нейротрансмиттеры сначала закачиваются в небольшие мембранные пузыри (так называемые синаптические пузырьки). Мочевые пузыри действуют как контейнеры, которые хранят нейротрансмиттеры и высвобождают их между двумя нейронами только тогда, когда приходит время доставить сообщение.
Центральный фермент этого исследования, известный как V-АТФаза, отвечает за поставку энергии для насосов нейротрансмиттеров в этих контейнерах. Без него нейротрансмиттеры не будут закачиваться в контейнеры, а контейнеры не смогут передавать сообщения между нейронами.
Но исследование показывает, что в каждом контейнере находится только один фермент; когда этот фермент выключится, не будет больше энергии для загрузки нейротрансмиттеров в контейнеры. Это совершенно новое и неожиданное открытие.
«Почти непостижимо, что крайне важный процесс загрузки нейротрансмиттеров в контейнеры делегирован только одной молекуле на контейнер. Особенно, когда мы обнаруживаем, что в 40% случаев эти молекулы выключены», — говорит профессор Димитриос Стамоу.
Эти выводы вызывают множество интригующих вопросов:
«Означает ли отключение источника энергии контейнеров, что многие из них действительно пусты от нейротрансмиттеров? Будет ли большая часть пустых контейнеров существенно влиять на связь между нейронами ? или это может быть совершенно новый способ кодирования важной информации в мозгу? Только время покажет», — говорит он.
Революционный метод скрининга лекарств на V-АТФазу
Фермент V-АТФаза является важной мишенью для лекарств, поскольку он играет решающую роль в развитии рака, метастазов рака и некоторых других опасных для жизни заболеваний. Таким образом, V-АТФаза является выгодной мишенью для разработки противоопухолевых препаратов.
Существующие тесты для скрининга лекарств на V-АТФазу основаны на одновременном усреднении сигнала от миллиардов ферментов. Знания среднего эффекта лекарства достаточно, если фермент постоянно работает во времени или когда ферменты работают вместе в большом количестве.
«Однако теперь мы знаем, что ни то, ни другое не обязательно верно для V-АТФазы. В результате внезапно стало критически важно иметь методы, которые измеряют поведение отдельных V-АТФаз, чтобы понять и оптимизировать желаемый эффект лекарства. — говорит первый автор статьи доктор Элефтериос Космидис с химического факультета Копенгагенского университета, руководивший экспериментами в лаборатории.
Разработанный здесь метод является первым в истории, который может измерять влияние лекарств на протонную перекачку отдельных молекул V-АТФазы. Он может обнаруживать токи, более чем в миллион раз меньшие, чем метод накладных клещей, являющийся золотым стандартом.
Факты о ферменте V-АТФазе:
- V-АТФазы — это ферменты, расщепляющие молекулы АТФ и перекачивающие протоны через клеточные мембраны.
- Они обнаружены во всех клетках и необходимы для контроля рН/кислотности внутри и/или снаружи клеток.
- В нейрональных клетках градиент протонов, создаваемый V-АТФазами, обеспечивает энергию для загрузки нейрохимических мессенджеров, называемых нейротрансмиттерами, в синаптические везикулы для последующего высвобождения в синаптических соединениях.
Теги: млекопитающие
