Animation, die die Funktionsweise der Axo-Ziliar-Synapse zeigt. Das Axon (blau) sendet einen Neurotransmitter durch die Ziliarsynapse (gelb) direkt in den neuronalen Kern (braun). (Sheu et al., Cell, 2022) Eine bisher unbekannte Art von Synapse scheint sich in seltsamen, haarähnlichen Fortsätzen auf der Oberfläche von Neuronen versteckt zu haben, wie neue Forschungsergebnisse zeigen.
Eine Studie an Mäusen legt nahe, dass Strukturen, die als primäre Zilien bezeichnet werden, eine Rolle bei der neuronalen Signalübertragung spielen; Insbesondere fungieren sie als Abkürzung für die direkte Übertragung von Signalen in den Zellkern, um Veränderungen im Chromatin, dem Komplex, der die Chromosomen bildet, auszulösen.
Diese Entdeckung könnte Wissenschaftlern helfen, die Rolle dieser mysteriösen Strukturen in anderen Zellen zu entschlüsseln und uns ein tieferes Verständnis der komplizierten Funktionsweise des Gehirns zu ermöglichen.
„Diese spezielle Synapse stellt eine Möglichkeit dar, zu ändern, was im Zellkern transkribiert oder hergestellt wird, und das verändert ganze Programme.“ sagt der Mediziner David Clapham des Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute.
„Es ist wie ein neues Dock an einer Zelle, das einen schnellen Zugriff auf Chromatinveränderungen ermöglicht, und das ist sehr wichtig, weil.“ Chromatin verändert so viele Aspekte der Zelle.“
Primäre Flimmerhärchen ragen aus der Oberfläche fast aller Säugetierzellen hervor – einige von ihnen haben eine gut verstandene Rolle, wie sie dabei helfen, den Schleim in unserer Lunge zu bewegen – aber bei vielen Zellen sind ihre Funktionen kaum verstanden.
In manchen Fällen können sie als Antenne fungieren, die Signale von externen Reizen empfängt. Zum Beispiel in Photorezeptorzellen Sie spielen eine Rolle bei der Verarbeitung von Licht.
Es wird angenommen, dass primäre Zilien ein Überbleibsel unserer einzelligen Entstehung vor Milliarden von Jahren sind, aber welche Funktion sie in Neuronen erfüllen, ist ein Rätsel.
Das liegt zumindest teilweise daran, dass sie so klein sind, dass sie mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren schwer zu erkennen sind, sagen die Forscher.
Jüngste Fortschritte haben es jedoch einfacher gemacht, kleinere und feinere Strukturen zu erkennen, was ein Team unter der Leitung des Neurowissenschaftlers Shu-Hsien Sheu vom Janelias Clapham Lab dazu veranlasste, einen genaueren Blick darauf zu werfen.
Die Forscher führten ihre Studie sowohl an lebenden erwachsenen Mäusen als auch an fixierten Gehirnproben durch. Mithilfe der fokussierten Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopie untersuchten sie die Neuronen in hoher Auflösung und stellten fest, dass die Zilien mit Neuronenaxonen eine Synapse bilden können – eine Struktur, die es Neuronen ermöglicht, Signale zwischen Zellen auszutauschen.
Für die zweite Phase der Forschung verwendeten die Forscher einen neu entwickelten Biosensor in Verbindung mit einer Technik namens Fluoreszenz-Lebensdauer-Bildgebung (FLIM), um die biochemischen Prozesse zu beobachten, die in den Zilien lebender Mäuse ablaufen.
Dadurch konnte das Team einen schrittweisen Prozess aufschlüsseln, bei dem der Neurotransmitter Serotonin vom Axon an Rezeptoren auf den Zilien abgegeben wird. Von dort aus öffnet eine Signalkaskade das Chromatin im Kern des Neurons und ermöglicht so Veränderungen im genetischen Material im Inneren.
Das Team nennt ihre Entdeckung eine „Axo-Zilien-Synapse“ oder „Axon-Zilien-Synapse“ und sagt, dass die Signale, da sie Veränderungen im Zellkern auslösen, für die Umsetzung längerfristiger Veränderungen verantwortlich sein könnten als der Axon-Dendrit synaptische Verbindungen.
Die Ziliarsynapse könnte daher eine Abkürzung für langfristige genomische Veränderungen sein.
Der nächste Forschungsschritt wird darin bestehen, weitere Rezeptoren auf den neuronalen Primärzilien genauer unter die Lupe zu nehmen. Diese Studie konzentrierte sich nur auf Serotonin, aber es gibt mindestens sieben weitere Neurotransmitterrezeptoren, die einer weiteren Untersuchung bedürfen, sagen die Forscher.
Nach einem tieferen Verständnis neuronaler Zilien möchte das Team die Rolle primärer Zilien in anderen Organen untersuchen. Ein detaillierteres Verständnis der Funktionsweise des Körpers ist immer eine gute Sache. Dies kann beispielsweise zur Entwicklung zielgerichteterer, spezialisierter therapeutischer Medikamente führen.
Allerdings muss natürlich zunächst festgestellt werden, dass die Ziliarsynapse vorhanden ist und im menschlichen Gehirn auf die gleiche Weise funktioniert.
„Alles, was wir über Biologie lernen, kann den Menschen helfen, ein besseres Leben zu führen“, Clapham sagt . „Wenn man herausfindet, wie die Biologie funktioniert, kann man Dinge in Ordnung bringen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Zelle .