Большинство нервных клеток имеет один длинный аксон и множество коротких дендритов. Возникновение такой полярности крайне важно для осуществления функций нейронов. Michinori Toriyama с коллегами показали, что недавно открытый белок shootin 1 играет важную роль в детерминации того, какой из отростков в развивающемся нейроне станет аксоном.


Рис.1.  |  Serial time-lapse images of EGFP-shootin1 accumulation in neurites 1 and 2 of Fig. 2 (D-G)

В культуре в гиппокампальных нейронах образуется несколько небольших отростков (нейритов) во время первых 12-24 часов после plating (стадии 1 и 2). Один из отростков начинает удлиняться и становится аксоном (стадия 3). Переход от стадии 2 к стадии 3, осуществляемый через 24-48 часов после plating, является первым этапом поляризации. Исследователи показали, что уровень shootin 1 менялся в отростках нейронов на стадии 2, причем чем выше была его концентрация, тем быстрее росли нейриты. Такая внутриклеточная локализация белка резко менялась на стадии 3, когда этот белок предпочтительно накапливался в образующихся аксонах, но исчезал из нейритов этого же нейрона.


Рис.2.  |  Expression of excess levels of shootin1 leads to the formation of surplus axons on DIV7

Авторы обнаружили, что нормальный уровень экспрессии shootin 1 необходим для образования полярности нейрона. Сверхэкспрессия shootin 1 в нейронах гиппокампа приводила к его постоянному накоплению в многочисленных нейритах, ведя к формированию дополнительных лишних аксонов почти у половины нейронов. И, напротив, репрессия экспрессии shootin 1 значительно влияла на формирование поляризации нейронов, хотя большинство нейронов все еще сохраняло способность к поляризации в течение 7 дней после plating.


Рис.3.  |  Effects of cytochalasin D on shootin1 distribution in hippocampal neurons.

Авторы пытались выяснить, чем регулируется асимметричное распределение shootin 1 в нейронах гиппокампа. Они обнаружили, что shootin 1 активно транспортировался из тела клетки в отростки прерывисто и такой транспорт сопровождался пассивной диффузией белка обратно в тело клетки. Ингибиторы актина или миозина устраняли антероградный транспорт shootin 1 и препятствовали его асимметричному накоплению в отростках нейритов.


Рис.4.  |  Inhibition of PI 3-kinase activity suppresses formation of shootin1-induced multiple axons but repression of shootin1 expression by RNAi does not inhibit formation of PI 3-kinase-induced multiple axons

Т.к. phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K) важна для появления полярности нейронов, исследователи попытались выяснить, взаимодействует ли shootin 1 с этим путем поляризации нервных клеток. Они обнаружили, что shootin 1 связывается с PI3K в мозге крыс и что оба этих белка колокализуются в конусах роста аксонов на стадии 3 в культивируемых нейронах гиппокампа. Важно то, что устранение экспрессии shootin 1 редуцировало активность PI3K в конусах роста аксонов, тогда как сверхэкспрессия shootin 1 вела к эктопической активации PI3K в нейритах. Это свидетельствует о том, что shootin 1 действует как upstream (вышестоящий белок в каскаде) для PI3K.

На основании этих находок, исследователи предложили модель, согласно которой антероградный транспорт и пассивная ретроградная диффузия shootin 1, которая работает как upstream для PI3K, обеспечивают позитивную обратную связь, способствующую поляризации нейронов. Таким образом, если нейрит имеет больше shootin 1, чем его менее успешные сибсы, он будет расти быстрее своих собратьев. Это, в свою очередь, увеличивает время ретроградной диффузии shootin 1, увеличивая в дальнейшем уровень белка и стимулируя последующий рост нейрита.

См. также:

Video 1

Video 2

Video 3

См. статьи:

1. Yoshimura, T. et al. Signalling networks in neuronal polarization. J. Neurosci. 26, 10626–10630 (2006)

2. Статья Mitch Leslie: A protein long shot