Клетки головного мозга позволяют молекулам РНК самостоятельно находить путь к синапсам

На протяжении многих лет в нейробиологии господствовало представление о том, что нейроны доставляют молекулы матричной РНК к удалённым синапсам с высокой точностью — при помощи специализированных белков и тщательно организованных внутриклеточных транспортных механизмов. Однако новые экспериментальные данные указывают на то, что такая картина может быть излишне упрощённой. Исследование показывает: в действительности пространственное распределение РНК в нейроне в значительной степени определяется вероятностными процессами и общим числом копий молекул, а не жёстко заданной системой адресной доставки.
[


Эти выводы ставят под сомнение устоявшиеся модели локального синтеза белка в нейронах, которые должны поддерживать тысячи синаптических контактов одновременно. В работе, выполненной под руководством Ренесы Тараннум и Шеннон Фаррис, использовались высокочувствительные методы визуализации, позволившие с беспрецедентной точностью отследить отдельные молекулы РНК в нейронах гиппокампа крыс. Полученная картина продемонстрировала систему, где ключевую роль играет не точное проектирование, а статистика плотной клеточной среды.


Основное внимание исследователей было сосредоточено на нейропиле — сложной сети дендритов и аксонов, в которой формируется основная масса синаптических связей. Применение мультиплексной флуоресцентной гибридизации in situ на уровне отдельных молекул позволило одновременно визуализировать 14 типов мРНК и подсчитать их как отдельные светящиеся сигналы.

Анализ показал, что наиболее распространённые транскрипты, кодирующие базовые белки, необходимые для поддержания структуры и функций синапсов, равномерно распределяются по всему нейропилю. Напротив, редкие мРНК, связанные с узкоспециализированными синаптическими белками, чаще обнаруживались в виде локальных скоплений.

Изначально подобная картина могла указывать на селективную сортировку и совместный транспорт определённых РНК при участии связывающих белков. Однако статистическое моделирование предложило более простое объяснение: кажущаяся кластеризация является естественным следствием низкого количества молекул в ограниченном пространстве, а не результатом целенаправленной организации.

Исследователи пришли к выводу, что частота пространственного пересечения мРНК в нейропиле соответствует стохастическим закономерностям. Чем больше копий определённого транскрипта присутствует в клетке, тем выше вероятность его перекрытия с другими молекулами. Редкие РНК, напротив, реже оказываются рядом друг с другом просто потому, что их меньше, а не из-за активного разделения.

Дополнительный анализ выявил выраженную неоднородность сигналов: отдельные РНК отличались по размеру и интенсивности свечения, что указывает на наличие как одиночных транскриптов, так и групп, состоящих из нескольких копий. Такая вариабельность наблюдалась стабильно в разных областях гиппокампа, подчёркивая универсальность обнаруженного принципа.

Полученные результаты имеют значение не только для понимания транспорта РНК, но и для более широких вопросов нейронной пластичности. Известно, что обучение и память требуют быстрой перестройки синаптических связей, что невозможно без локального синтеза белка. Если РНК достигает нужных участков в основном за счёт диффузии, то ключевой этап регуляции смещается непосредственно в синапс, где локальные сигналы определяют, какие молекулы будут вовлечены в трансляцию.

Такая схема, по мнению авторов, обладает рядом преимуществ. Широко распределённые мРНК обеспечивают постоянную доступность базовых белков, необходимых для поддержания клеточных функций. Редкие транскрипты, сосредоточенные в ограниченных областях, могут служить резервом для быстрого и адресного синтеза в ответ на специфические сигналы. Пространственная организация при этом не является ни полностью случайной, ни строго контролируемой.

Авторы предполагают, что нейроны используют простые физические принципы для управления сложной системой. Массовые молекулы заполняют доступное пространство, редкие сохраняются до момента необходимости, а статистические свойства плотной среды берут на себя значительную часть «организационной работы». Такая стратегия позволяет клеткам обслуживать тысячи микроскопических функциональных зон без необходимости управлять маршрутом каждой отдельной молекулы, жертвуя абсолютной точностью ради общей эффективности.
Источник: scienceblog.com