Новая методика позволит увидеть отдельные белки в синапсах

Ученые из Массачусетского технологического института и Института Броуда при MIT и Гарвардском университете разработали способ быстрого получения высокоточных изображений синаптических белков. Статья о новой методике опубликована в журнале Nature Communications.

В нашем мозгу есть миллионы синапсов — контактов между нейронами, в которых сигнал между двумя клетками передается при помощи нейромедиаторов. В синапсах также находится огромное количество белков-рецепторов, которые принимают молекулярные сигналы. Изучение этих белков чрезвычайно важно, ведь нарушения их структуры играют большую роль в таких расстройствах, как аутизм и шизофрения.

Используя флуоресцентные аминокислотные зонды, исследователи смогли отобразить 12 различных белков в образцах ткани, которые содержали тысячи синапсов. «Мультиплексная визуализация важна, потому что существует большая вариативность синапсов и клеток, даже в пределах одного и того же мозга, — рассказывает Марк Бат из MIT. — Необходимо одновременно рассмотреть [все] белки в образце, чтобы понять, как выглядят субпопуляции различных синапсов, открыть новые типы синапсов и понять, как на них влияет генетическая вариативность».

Новая техника визуализации — усовершенствование существующего метода под названием DNA PAINT. Сначала исследователи маркируют белок или другую интересующую их молекулу зондом ДНК-антитело. А затем промаркированный белок визуализируют при помощи олигонуклеотида (короткой последовательности ДНК) с флуоресцентной меткой. Нуклеотид связывается с зондом, а метку затем можно увидеть на флуоресцентной микроскопии. 

Молекулы ДНК имеют низкую степень родства, и связи между ними постоянно разрываются и образовываются снова. Это дает мигающую флуоресценцию, которую возможно отобразить благодаря микроскопии сверхвысокого разрешения. Однако получение изображения отдельного белка в таком методе занимает около получаса, что делает технику неприменимой для визуализации большого количества молекул.

Марк Бат с коллегами модифицировали метод DNA PAINT, изменив структуру олигонуклеотида с меткой. Для этого ученые использовали так называемые запертые нуклеиновые кислоты, чтобы он мог более тесно связываться с ДНК-антителом, применяя так называемые закрытые нуклеиновые кислоты — термостабильные аналоги ДНК, химически модифицированные по остатку рибозы. Модифицированная методика дает более яркий сигнал при микроскопии, поэтому изображение может быть получено в разы быстрее, хоть и с чуть менее четким разрешением.

Исследователи использовали новую технику под названием PRISM для маркировки и визуализации 12 различных белков, обнаруженных в синапсах. Предыдущая вариация, по словам ученых, давала возможность получить информацию не более чем с четырех меток в одном образце. «Весь эксперимент занимает час, тогда как с методикой сверхвысокого разрешения на это уходит целая ночь», — хвастается Бат. Среди белков, который рассматривали в экспериментах, наиболее интересным для исследователей был Shank3: изменение его экспрессии влияет на формирование аутизма и шизофрении.

Сейчас ученые используют методику PRISM, чтобы понять, как различные генетические мутации влияют на структуру и белковый состав синапсов у людей с различными заболеваниями. «Понимание того, как генетические изменения влияют на развитие нейронов головного мозга, а также структуру и функции синапсов, является важной проблемой для нейронауки и понимания механизмов возникновения болезней», — подытоживает Марк Бат.

Уже известно, что синхронизация потенциалов в синапсах влияет на эффективность обучения. Аутизм с низким интеллектом при этом может быть обусловлен не только проблемами в синапсах, но и нарушением иммунитета матери.