В рамках нового прорыва, позволяющего лучше понять мозг млекопитающих, исследователи Копенгагенского университета сделали невероятное открытие. А именно, жизненно важный фермент, который обеспечивает передачу сигналов мозгу, включается и выключается случайным образом, даже делая многочасовые "перерывы в работе". Эти результаты могут оказать серьезное влияние на наше понимание работы мозга и разработку фармацевтических препаратов. Сегодня это открытие появилось на обложке журнала Nature.

Миллионы нейронов постоянно обмениваются сообщениями друг с другом, формируя мысли и воспоминания и позволяя нам двигать своими телами по желанию. Когда два нейрона встречаются, чтобы обменяться сообщением, нейромедиаторы транспортируются от одного нейрона к другому с помощью уникального фермента.

Этот процесс имеет решающее значение для нейронной коммуникации и выживания всех сложных организмов. До сих пор исследователи по всему миру думали, что эти ферменты активны в любое время, чтобы непрерывно передавать важные сигналы. Но это далеко не так.

Используя инновационный метод, исследователи из химического факультета Копенгагенского университета внимательно изучили фермент и обнаружили, что его активность включается и выключается через случайные промежутки времени, что противоречит нашему предыдущему пониманию.

"Это первый случай, когда кто-либо изучал эти ферменты мозга млекопитающих по одной молекуле за раз, и мы в восторге от результата. Вопреки распространенному мнению и в отличие от многих других белков, эти ферменты могут перестать работать от нескольких минут до нескольких часов. Тем не менее, мозг людей и других млекопитающих чудесным образом способен функционировать", - говорит профессор Димитриос Стаму, который руководил исследованием из центра геометрически спроектированных клеточных систем на химическом факультете Копенгагенского университета.

До сих пор такие исследования проводились с очень стабильными ферментами бактерий. Используя новый метод, исследователи впервые исследовали ферменты млекопитающих, выделенные из мозга крыс. Сегодня исследование опубликовано в журнале Nature.

Переключение ферментов может иметь далеко идущие последствия для нейронной коммуникации

Нейроны общаются с помощью нейромедиаторов. Чтобы передавать сообщения между двумя нейронами, нейромедиаторы сначала закачиваются в маленькие мембранные пузыри (называемые синаптическими пузырьками). Мочевые пузыри действуют как контейнеры, которые хранят нейротрансмиттеры и высвобождают их между двумя нейронами только тогда, когда приходит время доставить сообщение.

Центральный фермент этого исследования, известный как V-АТФазы, отвечает за поставку энергии для нейромедиаторных насосов в этих контейнерах. Без этого нейротрансмиттеры не накачивались бы в контейнеры, и контейнеры не смогли бы передавать сообщения между нейронами.

Но исследование показывает, что в каждом контейнере есть только один фермент; когда этот фермент отключается, больше не будет энергии для загрузки нейротрансмиттеров в контейнеры. Это совершенно новое и неожиданное открытие.

"Почти непостижимо, что чрезвычайно важный процесс загрузки нейротрансмиттеров в контейнеры делегирован только одной молекуле на контейнер. Особенно когда мы обнаруживаем, что в 40% случаев эти молекулы отключены", - говорит профессор Димитриос Стаму.

Эти результаты поднимают много интригующих вопросов:

"Означает ли отключение источника энергии контейнеров, что во многих из них действительно нет нейротрансмиттеров? Будет ли большая доля пустых контейнеров существенно влиять на связь между нейронами? Если да, то будет ли это "проблемой", которую нейроны эволюционировали, чтобы обойти, или это может быть совершенно новый способ кодирования важной информации в мозге? Только время покажет", - говорит он.

Революционный метод скрининга лекарств на V-АТФазу

Фермент V-АТФазы является важной лекарственной мишенью, поскольку он играет решающую роль при раке, метастазировании рака и ряде других опасных для жизни заболеваний. Таким образом, V-АТФаза является прибыльной мишенью для разработки противоопухолевых препаратов.

Существующие методы скрининга лекарств на V-АТФазу основаны на одновременном усреднении сигнала от миллиардов ферментов. Знание среднего эффекта лекарства достаточно до тех пор, пока фермент постоянно работает во времени или когда ферменты работают вместе в большом количестве.

"Однако теперь мы знаем, что ни то, ни другое не обязательно верно для V-АТФазы. В результате внезапно стало критически важно иметь методы, которые измеряют поведение отдельных V-АТФаз, чтобы понять и оптимизировать желаемый эффект лекарства", - говорит первый автор статьи доктор Элефтериос Космидис, химический факультет Копенгагенского университета, который руководил экспериментами в лаборатории..

Разработанный здесь метод является первым в истории, который позволяет измерить влияние лекарств на протонную накачку отдельных молекул V-АТФазы. Он может обнаруживать токи более чем в миллион раз меньшие, чем метод патч-клещей золотого стандарта.

Факты о ферменте V-АТФазе:

    V-АТФазы - это ферменты, которые расщепляют молекулы АТФ для перекачки протонов через клеточные мембраны.
    Они содержатся во всех клетках и необходимы для контроля рН / кислотности внутри и / или снаружи клеток.
    В нейрональных клетках протонный градиент, создаваемый V-АТФазами, обеспечивает энергию для загрузки нейрохимических мессенджеров, называемых нейротрансмиттерами, в синаптические пузырьки для последующего высвобождения в синаптических соединениях.