Исследование рыбок данио-рерио выявило пространственные сигналы, которые формируют разнообразие нейронов за пределами экспрессии генов
Исследователи из Института биологического интеллекта Общества Макса Планка выявили более 60 типов транскриптомных нейронов в зрительном тектуме данио-рерио с почти идентичными профилями экспрессии генов, но при этом с очень разными функциями и формами, что свидетельствует о влиянии пространственного позиционирования на функцию и морфологию нейронов.
Полученные результаты ставят под сомнение традиционные предположения о том, что нейроны одного и того же транскриптомного типа имеют идентичные формы и реакции.
У рыб оптический тектум образует крышу среднего мозга. Оптический тектум данио-рерио обрабатывает визуальные входы и другую сенсорную информацию , отображая их топографически по тектуму, устанавливая местоположение объектов и событий в пространстве, центрированном на теле.
Хотя предыдущие исследования описывали специализированные субрегионы в пределах этой карты, связь между нейронной транскриптомной идентичностью и функцией оставалась неясной.
В исследовании «Типы транскриптомных нейронов топографически различаются по функциям и морфологии», опубликованном в журнале Nature , для профилирования тектальных нейронов через шесть-семь дней после оплодотворения использовалось секвенирование РНК отдельных клеток.
Исследователи проанализировали 45 766 клеток и идентифицировали 66 различных типов транскриптомных нейронов (t-типов). На основе дифференциальной экспрессии генов эти t-типы были далее разделены на 33 возбуждающих и 33 ингибирующих подтипа. Мультиплексная гибридизация in situ и двухфотонная кальциевая визуализация использовались для изучения пространственной организации, морфологии и свойств визуального ответа этих нейронов.
Результаты показали, что нейроны, разделяющие транскриптомные профили, часто демонстрируют различные морфологии и функциональные ответы в зависимости от их положения в тектуме. Определенные t-типы были распределены вдоль определенных молекулярных слоев, при этом ингибирующие и возбуждающие нейроны были разделены на глубокие и поверхностные области.
Нейроны одного и того же Т-типа демонстрировали различные профили реакции на визуальные стимулы , такие как надвигающиеся угрозы и движущиеся точки, в зависимости от их точного местоположения.
Редкая маркировка и трассировка нейронов подтвердили, что нейроны одного и того же Т-типа могут формировать различные проекционные паттерны и синаптические связи , что еще больше подчеркивает роль пространственных и возрастных факторов в определении функции нейронов .
Исследование предполагает, что внешние сигналы, включая морфогены и синаптическую среду, влияют на дифференциацию и специализацию тектальных нейронов за пределами их генетической идентичности.
Комментарий в News and Views под названием « Всегда ли экспрессия генов отражает функцию ?», написанный М. Нешетом Озелем и Клодом Деспланом и также опубликованный в Nature , еще раз подчеркивает центральную идею этого исследования о том, что транскриптомные профили сами по себе не всегда определяют функциональную и морфологическую идентичность нейрона.
Хотя нейроны одного и того же «t-типа» разделяют основные генетические маркеры, они могут расходиться в своих ответах и форме, если они находятся в разных областях оптического тектума. Эта пространственная дифференциация может быть обусловлена локальными ограничениями, такими как потенциальные синаптические партнеры нейрона, сигналы управления аксоном и другие внешние факторы, а не стабильными изменениями в экспрессии генов.
Как отмечают Озель и Десплан, исследование Макса Планка поднимает более широкую проблему в нейронной классификации: как согласовать данные по экспрессии генов с тем фактом, что фенотипическое разнообразие часто возникает из-за сочетания внутренних и внешних факторов.