В нашем мозгу существует более триллиона клеток, называемых нейронами, которые образуют лабиринт связей. Каждый из этих нейронов содержит миллионы белков, которые выполняют разные функции. Как именно отдельные белки взаимодействуют, образуя сложные сети мозга, все еще остается загадкой, которую только начинают разгадывать.
Впервые группа ученых смогла наблюдать неповрежденные взаимодействия между белками непосредственно в мозгу живого животного. Новый подход к визуализации в реальном времени был разработан группой исследователей из Университета Майами (UM).
"Наша конечная цель – создать систематический обзор взаимодействия белков в головном мозге," говорит Акира Чиба, профессор биологии Колледжа искусств и наук UM и ведущий исследователь проекта. "Теперь, когда проект генома завершен, следующий шаг – понять, что белки, кодируемые нашими генами, делают в нашем организме."
Новый метод позволит ученым визуализировать взаимодействие белков в мозгу животного на разных этапах его развития, объясняет Чиба, который сравнивает белковые взаимодействия с тем, как организмы связываются друг с другом.
"Мы знаем, что размер белков составляет одну миллиардную часть человеческого. Тем не менее белки создают сети и взаимодействуют друг с другом, как это делают люди в социальных сетях," Чиба говорит. "Масштаб очень разный, но такое же поведение происходит среди основных единиц данной сети."
Исследователи выбрали эмбрионы плодовой мухи (Drosophila melanogaster) в качестве идеальной модели для исследования. Благодаря компактному и прозрачному корпусу, можно визуализировать процессы внутри клеток дрозофилы с помощью микроскопа для визуализации времени жизни флуоресценции (FLIM). Результаты наблюдений применимы к мозгу других животных, включая мозг человека.
Эмбрионы дрозофилы в исследовании содержали пару флуоресцентно меченых белков: необходимый для развития и повсеместно присутствующий белок, называемый Rho GTPase Cdc42 (белок контроля клеточного деления 42), помеченный зеленой флуоресцентной меткой и его предполагаемым партнером по передаче сигналов, регуляторным белком WASp (Wiskot -Aldrich Syndrome protein), помеченный красной флуоресцентной меткой. Считается, что вместе эти специализированные белки помогают нейронам расти во время развития мозга. Белки были выбраны потому, что такие же (гомологичные) белки существуют и в мозге человека.
Предыдущие методы требовали химической или физической обработки, которая, скорее всего, нарушила или даже убила клетки. Это сделало невозможным изучение взаимодействия белков в их естественной среде обитания.
Настоящее исследование решает эти проблемы, используя явление, называемое резонансной передачей энергии Фёрстера, или FRET. Это происходит, когда два небольших белка находятся на очень небольшом расстоянии друг от друга (восемь нанометров). Событие интерпретируется как время и место, где происходит конкретное взаимодействие белков внутри живого животного.
Результаты показывают, что FRET между двумя взаимодействующими белками-партнерами происходит внутри нейронов в течение времени и пространства, которое совпадает с образованием новых синапсов в мозге детеныша насекомого. Синапсы соединяют отдельные нейроны головного мозга.
"Предыдущие исследования показали, что Cdc42 и WASp могут напрямую связываться друг с другом в пробирке, но это первая прямая демонстрация того, что эти два белка взаимодействуют внутри мозга," Чиба говорит.