Flying To The Tune of a Neuropeptide Receptor:«Συναρπαστικές» ιδέες από Fruit Flies
Για μια μύγα φρούτων, το πέταγμα είναι σχεδόν τα πάντα. Είναι η πιο σημαντική έμφυτη συμπεριφορά που βοηθά τη μύγα να προσεγγίσει τις πηγές τροφής και τους συντρόφους, να ξεφύγει από τα αρπακτικά και να βρει ασφαλείς τοποθεσίες για να γεννήσει αυγά. Τι δίνει όμως στη μύγα των φρούτων την ικανότητά της να πετάει ακατάπαυστα και να απλώνει το χέρι στη φρουτιέρα σας; Μια πρόσφατη μελέτη από το εργαστήριο του καθηγητή Gaiti Hasan, που δημοσιεύτηκε στο PLOS Genetics , έχει εντοπίσει μόρια που παίζουν βασικό ρόλο σε αυτήν τη συμπεριφορά.
Το να πετάς, όπως πολλοί πιστεύουν, απαιτεί τεράστια ενέργεια. Γνωρίζατε όμως ότι η υποκείμενη βάση για την έναρξη και τη διατήρηση της πτήσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη δραστηριότητα των νευρώνων; Οποιαδήποτε οπτική, οσμή ή μηχανική ένδειξη σε μια μύγα γίνεται αντιληπτή από περιφερειακούς αισθητήριους νευρώνες, οι οποίοι στη συνέχεια μεταδίδουν αυτές τις πληροφορίες σε βαθύτερα κέντρα του εγκεφάλου. Συγκεκριμένοι νευρώνες στον κεντρικό εγκέφαλο της μύγας ανταποκρίνονται σε αυτά τα ερεθίσματα και μεταφέρουν τα μηνύματα πιο κάτω στην κεντρική γεννήτρια προτύπων που επιτρέπει τη συντονισμένη δράση των μυών πτήσης για πτήση.
Λοιπόν, πόσο καιρό μπορούν να πετούν οι μύγες; Κάτω από εργαστηριακές συνθήκες, οι συγγραφείς παρατήρησαν ότι οι δεμένες μύγες μπορούν να πετούν κατά μέσο όρο για περίπου 10 λεπτά, χωρίς διακοπή! Αυτό το παράδειγμα έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό νευρώνων και μορίων που βοηθούν στη διατήρηση τόσο μακρών περιόδων πτήσης και που θα μπορούσαν να αποδειχθούν πλεονέκτημα για την επιβίωση των μυγών στην άγρια φύση.
Οι συγγραφείς ανακάλυψαν ότι μια πρωτεΐνη που ονομάζεται υποδοχέας FMRFa (FMRFaR) παίζει σημαντικό ρόλο στους νευρώνες της μύγας για να επιτρέπει την πτήση για μεγάλες χρονικές περιόδους. Το FMRFaR βρίσκεται στην πλασματική μεμβράνη των κυττάρων και ταξινομείται σε μια ομάδα πρωτεϊνών που ονομάζονται υποδοχείς συζευγμένοι με πρωτεΐνη G (GPCRs). Οι GPCR μεταφέρουν εξωκυτταρικά μηνύματα από μόρια όπως πεπτίδια, ορμόνες και νευροδιαβιβαστές σε ενδοκυτταρικές αποκρίσεις. Τι συμβαίνει όταν μια μύγα φρούτων δεν έχει αυτή την πρωτεΐνη FMRFaR; Οι συγγραφείς διαπίστωσαν ότι οι μύγες μεταλλαγμένες για το FMRFaR δεν μπορούσαν να πετάξουν για πολύ. Στην πραγματικότητα, αυτές οι μύγες μπορούσαν να διατηρούν πτήση μόνο για το μισό χρόνο από εκείνο των ομολόγων τους άγριου τύπου. Το ερώτημα, λοιπόν, είναι πού ακριβώς υπάρχουν αυτές οι πρωτεΐνες και τι κάνουν.
Ακριβώς όπως οι άνθρωποι, οι μύγες των φρούτων έχουν μια ποικιλία νευρώνων στον εγκέφαλό τους που κάνουν διαφορετικούς νευροδιαβιβαστές για να μεταφέρουν πληροφορίες ο ένας στον άλλο. Ανάμεσά τους είναι μια πολύ γνωστή κατηγορία νευρώνων που παράγουν και χρησιμοποιούν ντοπαμίνη για σηματοδότηση. Οι ντοπαμινεργικοί νευρώνες, όπως ονομάζονται, είναι γνωστό ότι επηρεάζουν συμπεριφορές όπως η μάθηση, η μνήμη και η κίνηση στα θηλαστικά. Στη μύγα των φρούτων, γενετικά πειράματα αποκάλυψαν ότι το FMRFaR ήταν παρόν σε ώριμους ντοπαμινεργικούς νευρώνες και οι μύγες με νευρώνες που δεν είχαν το FMRFaR σε ενήλικες ήταν σε θέση να διατηρούν πτήση μόνο για λιγότερο από 3 λεπτά.
Πώς βοηθάει οι ντοπαμινεργικοί νευρώνες FMRFaR on fly στη διατήρηση της πτήσης; Το FMRFaR, κατά την ενεργοποίηση, εκκινεί έναν καταρράκτη σηματοδότησης μέσα στα κύτταρα που αυξάνει το κυτταροπλασματικό ασβέστιο, μια διαδικασία που απαιτείται για τη ρύθμιση της νευρωνικής διεγερσιμότητας. Η νευρωνική διεγερσιμότητα είναι η αλλαγή στο δυναμικό της μεμβράνης των νευρώνων που συμβαίνει μέσω της εισροής και εκροής ιόντων όπως το νάτριο, το κάλιο και το ασβέστιο. Αυτές οι αλλαγές εκπολώνουν τους νευρώνες και διεγείρουν την απελευθέρωση χημικών σηματοδοτικών ουσιών που ονομάζονται νευροδιαβιβαστές που μεταφέρουν σήματα από έναν νευρώνα στους νευρώνες συνεργάτες του.
Οι Ravi et al. διαπίστωσε ότι η λειτουργία FMRFaR απαιτείται στους ντοπαμινεργικούς νευρώνες για τη διατήρηση της βέλτιστης διεγερσιμότητας. Η απώλεια του FMRFaR σε ώριμους ντοπαμινεργικούς νευρώνες μείωσε την ικανότητά τους να αποπόλωσης, όπως μετρήθηκε από την ένταση φθορισμού μιας πρωτεΐνης που ανταποκρίνεται σε αλλαγές στο δυναμικό της μεμβράνης. Αντίθετα, όταν οι ντοπαμινεργικοί νευρώνες χωρίς το FMRFaR συμπληρώθηκαν γενετικά με μια πρωτεΐνη που αυξάνει τη διεγερσιμότητα της μεμβράνης, οι μύγες έδειξαν σημαντική βελτίωση στη διάρκεια των περιόδων πτήσης. Αυτά τα ευρήματα έδειξαν ότι το FMRFaR στους ντοπαμινεργικούς νευρώνες απαιτείται για τη ρύθμιση της διεγερσιμότητας της μεμβράνης και ως εκ τούτου την πτήση.
Το ερώτημα που ακολουθεί είναι πώς το FMRFaR αλλάζει τη νευρωνική διεγερσιμότητα; Η διέγερση του FMRFaR έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή τριφωσφορικής ινοσιτόλης (IP3 ), ένα μικρό μόριο, το οποίο συνδέεται με μια πρωτεΐνη που υπάρχει στο ενδοπλασματικό δίκτυο, που ονομάζεται υποδοχέας τριφωσφορικής ινοσιτόλης (IP3 R). Η IP3 Το R είναι επίσης ένας δίαυλος ιόντων και κατά τη σύνδεση IP3 , απελευθερώνει ασβέστιο από τα ενδοπλασματικά δικτυωτά αποθέματα και ως εκ τούτου αυξάνει το ασβέστιο του κυτοσολίου. Αυτό το ασβέστιο μπορεί να ενεργοποιήσει τις ευαίσθητες στο ασβέστιο πρωτεΐνες. Μία τέτοια πρωτεΐνη είναι η εξαρτώμενη από ασβέστιο-καλμοδουλίνη πρωτεϊνική κινάση (CaMKII). Οι βραχύτερες περιόδους πτήσης σε μύγες με μειωμένη λειτουργία CamKII σε ντοπαμινεργικούς νευρώνες οδήγησαν τους συγγραφείς να υποθέσουν ότι το CaMKII ενεργοποιείται ως απόκριση στη διέγερση του FMRFaR στους νευρώνες. Πράγματι, τα ελλείμματα πτήσης λόγω απώλειας FMRFaR στους ντοπαμινεργικούς νευρώνες βελτιώθηκαν σε κάποιο βαθμό από την υπερέκφραση του CamKII. Πιστεύουν ότι η αύξηση του ασβεστίου μετά την ενεργοποίηση του FMRFaR διεγείρει το CamKII που με τη σειρά του επηρεάζει είτε άμεσα είτε έμμεσα τα κανάλια στην πλασματική μεμβράνη που ελέγχουν τη νευρωνική διεγερσιμότητα.
Συνολικά, φαίνεται ότι το FMRFaR βρίσκεται στη διεπαφή της εξωκυτταρικής και ενδοκυτταρικής σηματοδότησης ασβεστίου στους ντοπαμινεργικούς νευρώνες και τέτοια σήματα βοηθούν στη διατήρηση του δυναμικού της μεμβράνης των ντοπαμινεργικών νευρώνων σε μια κατάσταση που απαιτείται για παρατεταμένη πτήση. Η ταυτότητα των καναλιών μεμβράνης που είναι ευαίσθητα στην ενεργοποίηση του FMRFaR είναι ακόμα άγνωστη. Αν και είναι γνωστό ότι το FMRFaR ενεργοποιείται από ένα νευροπεπτίδιο που ονομάζεται FMRF, οι νευρώνες που απελευθερώνουν FMRF και τα σήματα που διεγείρουν την απελευθέρωση του FMRF πρέπει επίσης να αναγνωριστούν.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Τα σήματα Ca2+ που διεγείρονται από τον υποδοχέα FMRFa αλλάζουν τη δραστηριότητα των κεντρικών ντοπαμινεργικών νευρώνων που ρυθμίζουν την πτήση στο Drosophila melanogaster, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό PLOS Genetics. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Preethi Ravi, Deepti Trivedi και Gaiti Hasan από το Εθνικό Κέντρο Βιολογικών Επιστημών, Ινστιτούτο Θεμελιωδών Ερευνών Tata.
