Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


М. Кронгауз
«Русский язык на грани нервного срыва. 3D». Главы из книги


Р. Фишман
Истории мутантов: гомеозисные гены


С. Мац
Искривленное зеркало


Л. Полищук
Почему вымерли мамонты и гибнут сайгаки: история о вкладах


В. Кузык
Нос на батарейках


Д. Мамонтов
Взглянуть инопланетянам в глаза


А. Бердников
Машинная точность


Р. Фишман
Великий уравнитель


С. Амстиславский, Д. Рагаева и др.
Эмбрионы и артериальная гипертензия







Главная / Новости науки версия для печати

Развитие нервной системы и иммунитета у насекомых контролируется одним и тем же белком


Каждая нервная клетка имеет десятки и сотни отростков, которые в ходе индивидуального развития соединяются в строго определенном порядке. Как отростки нейронов находят друг друга и что позволяет им не ошибиться? Оказалось, что важную роль в этом играет иммунологический механизм различения «своих» и «чужих». Изображение с сайта strangepaths.com
Каждая нервная клетка имеет десятки и сотни отростков, которые в ходе индивидуального развития соединяются в строго определенном порядке. Как отростки нейронов находят друг друга и что позволяет им не ошибиться? Оказалось, что важную роль в этом играет иммунологический механизм различения «своих» и «чужих». Изображение с сайта strangepaths.com

В ходе развития организма нейроны должны как-то отличать свои собственные отростки от чужих, чтобы образовывать межнейронные контакты (синапсы) в правильных местах. Оказалось, что у насекомых это распознавание обеспечивается белком DSCAM, другая функция которого — иммунная защита. Каждый нейрон вырабатывает свои собственные варианты (изоформы) этого белка, что и позволяет нейронам узнавать друг друга. Открытие показало, что система идентификации по принципу «свой–чужой», основанная на вариабельных белках надсемейства иммуноглобулинов, играет ключевую роль не только в иммунитете, но и в развитии нервной системы.

«Элементы» уже писали об удивительном белке DSCAM (Down syndrome cell adhesion molecule), который относится к надсемейству иммуноглобулинов и присутствует на поверхности клеток как позвоночных, так и насекомых. Белок DSCAM отличается необыкновенной вариабельностью, которая достигается за счет альтернативного сплайсинга, то есть редактирования молекулы матричной РНК после того, как она «считывается» с исходного гена. Например, у дрозофилы на базе одного и того же гена DSCAM может быть синтезировано 38 016 разных, хотя и очень похожих, белковых молекул (их называют изоформами). Недавно было экспериментально показано участие DSCAM в иммунной защите у насекомых, причем разные инфекции приводят к синтезу разных сплайс-вариантов белка (подробнее обо всём этом см.: Раскрыта тайна иммунной системы насекомых, «Элементы», 27.06.2006).

Кроме того, было известно, что ген DSCAM необходим для правильного развития нервной системы (не случайно некоторые мутации в нём у человека ассоциированы с синдромом Дауна). Механизм участия DSCAM в индивидуальном развитии до сих пор был неясен, хотя общую «идею» нетрудно было угадать. Чтобы из делящихся клеток зародыша, которые все имеют одну и ту же заложенную в них «программу поведения» (геном), сформировалась не аморфная клеточная масса, а сложный организм, эти клетки должны знать, в какую сторону им расти или переползать, к кому приклеиваться, а от кого, напротив, отделяться. Для этого им нужно как-то узнавать друг друга, понимать, кто есть кто в их окружении. Такое взаимное узнавание клеток особенно важно в ходе развития нервной системы, чтобы отростки нейронов соединялись друг с другом правильным образом и формировали «правильные» нервные контуры и сети.

Что касается иммуноглобулинов, то они как раз и специализируются на выполнении задач такого рода, то есть на персональной идентификации и различении «своих» и «чужих». Поэтому можно было предвидеть, что для этих белков найдется работа не только в иммунной системе, но и в индивидуальном развитии и в других ситуациях, когда нужно разбираться, кто есть кто в клеточном или социальном окружении (о возможной роли иммуноглобулинов — белков ГКГ (главного комплекса гистосовместимости) в выборе брачных партнеров см.: Видообразование — личное дело каждого, «Элементы», 15.02.2006). Однако до недавнего времени никто не знал, каким именно способом белок DSCAM реализует эту функцию в ходе развития нервной системы.

В 2004 году у белка DSCAM было обнаружено поразительное свойство. Оказалось, что каждая изоформа этого белка обладает способностью к избирательному гомофильному связыванию. Это значит, что молекула данной изоформы «узнает» другую такую же молекулу и прочно связывается с ней, однако почти или вовсе не связывается со всеми остальными изоформами. Понятно, что эта особенность делает DSCAM идеальным молекулярным устройством для различения «своих» и «чужих» (self–nonself recognition). Оставалось выяснить, как это устройство используется при развитии нервной системы.

Биологи из Австрии и США, опубликовавшие результаты своих исследований в последнем номере журнала Nature, получили ответ на этот вопрос при помощи генной инженерии. Они создали три линии трансгенных мух (DSCAMsingle), в каждой из которых ген DSCAM был радикально «упрощен». Из него были вырезаны все альтернативные наборы фрагментов-заготовок, кроме одного-единственного, разного в каждой из трех линий. Трансгенные мухи, таким образом, могли синтезировать только один вариант белка DSCAM вместо 38 016.

Внесенные в геном изменения оказались летальными. Все трансгенные мухи, у которых обе копии гена DSCAM были изменены (то есть гомозиготы), погибали на стадии личинки или куколки, и у этих личинок и куколок наблюдались серьезные нарушения в развитии нервной системы. Например, у нормальных мух в обонятельном отделе мозга имеются определенным образом расположенные узлы, к каждому из которых присоединяются отростки чувствительных нейронов, несущих один конкретный тип обонятельных рецепторов. У личинок-мутантов данный отдел мозга представлял собой беспорядочную массу нейронов, и отростки чувствительных клеток крепились к нему как попало. При этом ген DSCAM у этих личинок работал, и количество производимого белка DSCAM было таким же, как у здоровых насекомых. Результат был одинаков во всех трех трансгенных линиях.

Брюшная нервная цепочка нормального мушиного эмбриона (слева) и мутантного, способного производить только одну изоформу белка DSCAM (справа). Стрелками показаны участки наиболее выраженных патологических изменений. Масштаб — 10 мкм. Фото из статьи в Nature
Брюшная нервная цепочка нормального мушиного эмбриона (слева) и мутантного, способного производить только одну изоформу белка DSCAM (справа). Стрелками показаны участки наиболее выраженных патологических изменений. Масштаб — 10 мкм. Фото из статьи в Nature

Авторы сделали вывод, что жизненно важным является не только белок DSCAM сам по себе, но и разнообразие его изоформ.

Ранее было установлено, что каждый нейрон в норме производит свой собственный уникальный набор изоформ белка DSCAM. Можно было предположить два возможных механизма: либо конкретный набор изоформ предопределяет судьбу каждого индивидуального нейрона, «указывая» направление роста его аксонам и дендритам, либо он только создает уникальную «визитную карточку» данного нейрона, что позволяет нейрону отличать свои собственные отростки от чужих. В первом случае важно, какой именно набор изоформ производится каждым нейроном, во втором это не имеет значения, лишь бы у соседних нейронов эти наборы были разными.

При помощи ряда весьма сложных экспериментов (в частности, вносились изменения в геномы индивидуальных нейронов) удалось показать, что верным является второе предположение. Например, нейроны, способные синтезировать только одну изоформу DSCAM, растут неправильно, если они окружены другими такими же нейронами, однако их рост становится совершенно нормальным, если их окружают нервные клетки «дикого типа», производящие разные изоформы. Если нейрон вообще не производит белка DSCAM, он растет неправильно в любом клеточном окружении. От того, какую именно изоформу производят мутантные клетки, как выяснилось, ничего не зависит.

Таким образом, изоформы DSCAM нужны нервным клеткам для создания уникального «молекулярного паспорта», благодаря которому нейроны отличают свои собственные отростки от чужих.

Данное открытие подтверждает идею о том, что молекулярные системы различения «своих» и «чужих», основанные на иммуноглобулиновых белках, имеют гораздо большее распространение в живой природе, чем думали когда-то, и роль их отнюдь не сводится к одной лишь иммунной защите.

Источник: Daisuke Hattori, Ebru Demir, Ho Won Kim, Erika Viragh, S. Lawrence Zipursky, Barry J. Dickson. Dscam diversity is essential for neuronal wiring and self-recognition // Nature. 2007. V. 449. P. 223–227.

См. также:
1) Раскрыта тайна иммунной системы насекомых, «Элементы», 27.06.2006.
2) Видообразование — личное дело каждого, «Элементы», 15.02.2006.
3) А. В. Марков, А. М. Куликов. Гипотеза иммунологического тестирования партнеров — системы распознавания «своих» и «чужих» в исторической перспективе // Изв. РАН. Сер. Биол. 2006. № 4. С. 389–403.

Александр Марков


Комментарии (9)



Последние новости: НейробиологияГенетикаМедицинаАлександр Марков

2.08
Гибридизация однодомных и двудомных растений увеличивает разнообразие половых фенотипов
29.07
Систему противовирусной защиты можно применить для эффективной иммунотерапии рака
11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
7.06
Индийская община Бней-Исраэль не может быть одним из десяти потерянных колен

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия