Когда небольшие раны заживают, тонкие нервные окончания, которые чувствуют прикосновение или контролируют потоотделение, обычно могут вырасти заново. Как и многие другие процессы в организме, способность регенерировать новые ткани изменяется на протяжении всего жизненного цикла, обычно снижаясь с возрастом. Чтобы исследовать молекулярные детали регенерации нервной системы червя, C. Elegans идеален, потому что доступен весь его план – коннектом. Сплоченный коллектив исследователей, изучающих C. elegans – настоящие ветеринары нейробиологии, поскольку они владеют почти всеми инструментами в этой области для изучения этого микрокосма биологии. В публикации сегодня в журнале Science группа этих исследователей обнаружила генетическую схему, которая регулирует отрастание аксонов после их экспериментальной резки с помощью лазера. Несмотря на то, что целостность этих механизмов обеспечивает стабильность нервной системы взрослого человека, манипулирование ими может позволить восстановить нормальное функционирование поврежденной системы.
В первую очередь для того, чтобы правильно развиваться, экспрессия генов, контролирующих построение ткани, происходит в заданном ритме, каждому из которых соответствует свое время и место. После развития организма многие из этих генов выводятся из эксплуатации или циклы их экспрессии сбрасываются. Иногда два компонента, которые действуют вместе на личиночной стадии, у взрослой особи противостоят друг другу. Ранее было обнаружено, что два игрока в этой генетической «око за око», lin-41 и let-7, действуют как таймеры во время этих переходов. Исследователи в описанном здесь исследовании наткнулись на эту конкретную схему, когда изучали влияние еще одного гена, alg-1, на регенерацию аксонов. В частности, они обнаружили, что черви с мутантной формой alg-1 могут регенерировать определенные аксоны до 2.В 5 раз длиннее аксонов нормальных взрослых червей.
Один конкретный сенсорный нейрон, нейрон AVM (передняя вентральная микротрубочка), имеет четко определенный аксон, который может вырасти снова у личинки, а не у взрослых. Этот нейрон со странным названием имеет еще более странную субклеточную особенность. Его дендриты, помимо аксона, заполнены уникальной микротрубочкой, состоящей из 15 протофиламентов. Большинство млекопитающих используют форм-фактор микротрубочек, специально созданный из 13 протофиламентов, но многие беспозвоночные используют от 10 до 15. Нейрон avm также уникален тем, что является одним из немногих нейронов, который мигрирует в асимметричное положение в теле червя – у него нет аналогов на противоположной стороне.
Нейрон АВМ демонстрирует четкую экспрессию не только гена alg-1, но и другого фактора, регулируемого alg-1, известного как let-7. Исследователи смогли показать, что let-7 отвечает за подавление повторного роста нейронов АВМ у взрослых. Прямое ингибирование let-7 или, альтернативно, повышение уровня его реципрокного ингибитора lin-41 полностью восстанавливает регенерационные способности аксонов личинок. Из этого они делают вывод, что циклические взаимодействия между let-7 и lin-41 представляют собой общую стратегию, используемую не только для определения клеточной судьбы в процессе развития, но и для контроля регенерации аксонов.
Экспрессия let-7 контролировалась с помощью версии гена, чувствительной к температуре. Используемый конкретный аллель имеет нормальную активность при 15 ° C, но может быть полностью отключен при 20 ° C. Фактический продукт гена let-7 – это, в конечном счете, не белок, а один из класса недавно открытых регуляторов, известных как микроРНК. Полная функциональность микроРНК еще не полностью определена, но, похоже, они способны регулировать белки, ДНК и мРНК.
Исследователи также были неравнодушны к предположениям относительно того, почему организм, кажется, прилагает усилия, чтобы подавить повторный рост у взрослых. Аксотомия с помощью лазера, возможно, не была основным критерием выбора во время эволюции червя, но некоторая способность к восстановлению тканей была бы важна в жизни червя. В более широком плане может показаться, что потеря определенных способностей у взрослого может быть небольшой платой за большую стабильность связей, которые могут возникнуть вместе с ним.
Недавно мы сообщили об исследовании на мышах, которое продемонстрировало, что зрелый мозг продолжает реконструировать свою тонкую структуру на протяжении всей жизни организма. У аксонов млекопитающих есть еще одно осложнение: миелинизация необходима для передачи сигналов на значительные расстояния, но она также может быть препятствием для повторного роста. Для аксонов, которые были скомпрометированы травмой или пороком развития, повернуть время вспять для нескольких генов может быть лишь частью головоломки.