Škrkavky mění tok materiálu dovnitř a ven z jejich úst v reakci na jasné světlo a odhalují nový způsob, jak neurony ovládat svalové buňky.
Škrkavka C. elegans postrádá oči a molekuly pohlcující světlo potřebné k vidění. Přesto dokáže vycítit ošklivě chutnající chemikálie produkované světlem a přestane jíst. Vědci z MIT studovali C. elegans, aby přesně určili nervové obvody a pohyby svalů potřebné pro plivání. Kredit: Raleigh McElvery
Již více než deset let vědci vědí, že škrkavka Caenorhabditis elegans dokáže detekovat světlo s krátkou vlnovou délkou a vyhnout se mu, navzdory tomu, že nemá oči a molekuly pohlcující světlo potřebné pro zrak. Jako postgraduální student v laboratoři Horvitz navrhl Nikhil Bhatla vysvětlení této schopnosti. Všiml si, že vystavení světlu nejen způsobilo, že se červi svíjeli, ale také je přimělo, aby přestali jíst. Toto vodítko ho přivedlo k sérii studií, které naznačovaly, že jeho svíjející se subjekty světlo vůbec neviděly – detekovaly škodlivé chemikálie, které produkovalo, jako je peroxid vodíku. Brzy poté si Horvitzova laboratoř uvědomila, že červi ošklivé chemikálie, které světlo vytváří, nejen ochutnávají, ale také je vyplivují.
Nyní ve studii zveřejněné v eLife, tým vedený čerstvým postgraduálním studentem Stevem Sando PhD '20 uvádí mechanismus, který je základem plivání C.elegans. Jednotlivé svalové buňky jsou obecně považovány za nejmenší jednotky, které mohou neurony nezávisle ovládat, ale zjištění vědců tento předpoklad zpochybňují. V případě plivání zjistili, že neurony mohou nasměrovat specializované podoblasti jedné svalové buňky tak, aby generovaly více pohybů, což rozšiřuje naše chápání toho, jak neurony ovládají svalové buňky, aby utvářely chování.
Škrkavka si odplivne poté, co je vystavena ošklivě chutnajícímu peroxidu vodíku produkovanému jasným světlem. Kredit: Steve Sando
„Steve učinil pozoruhodný objev, že kontrakci malé oblasti určité svalové buňky lze oddělit od kontrakcí zbytku téže buňky,“ říká H. Robert Horvitz, profesor biologie David H. Koch na [Vložený obsah]
Poté, co se připojil k projektu, Sando zjistil, že červi ani neříhají, ani nepřestávají žvýkat. Místo toho „výbuchové pumpy“ hnaly materiál v opačném směru, z úst do místního prostředí, spíše než dále zpět do hltanu a střeva. Jinými slovy, špatně chutnající světlo způsobilo plivání červů. Sando poté strávil roky pronásledováním svých subjektů kolem mikroskopu jasným světlem a zaznamenáváním jejich akcí ve zpomaleném záběru, aby přesně určil neurální obvody a pohyby svalů potřebné pro toto chování.
"Zjištění, že červi plivali, bylo pro nás docela překvapivé, protože ústa se zdála být v pohybu stejně jako při žvýkání," říká Sando. "Ukázalo se, že jste opravdu potřebovali přiblížit a zpomalit věci, abyste viděli, co se děje, protože zvířata jsou tak malá a jejich chování se děje tak rychle."
Aby vědci analyzovali, co se děje v hltanu za účelem vytvoření tohoto plivání, použili malý laserový paprsek k chirurgickému odstranění jednotlivých nervových a svalových buněk z úst a zjistili, jak to ovlivnilo chování červa. Sledovali také aktivitu buněk v ústech tím, že je označili speciálně upravenými fluorescenčními „reportérskými“ proteiny.
Viděli, že zatímco červ jí, tři svalové buňky směrem k přední části hltanu zvané pm3 se stahují a uvolňují společně v synchronních pulzech. Jakmile však červ ochutná světlo, podoblasti těchto jednotlivých buněk nejblíže přední části tlamy se uzavřou ve stavu kontrakce, otevřou přední část tlamy a umožní vytlačení materiálu ven. Tím se obrátí směr toku požitého materiálu a krmení se změní na plivání.
Tým zjistil, že tento fenomén „odpojení“ je řízen jediným neuronem v zadní části červových úst. Tato nervová buňka, nazývaná M1, podněcuje lokalizovaný přítok vápníku na předním konci svalu pm3 pravděpodobně odpovědného za spouštění subcelulárních kontrakcí.
M1 přenáší důležité informace jako ústředna. Přijímá příchozí signály z mnoha různých neuronů a přenáší tyto informace do svalů zapojených do plivání. Sando a jeho tým mají podezření, že síla příchozího signálu může vyladit chování červa v reakci na ochutnávací světlo. Jejich zjištění například naznačují, že odporná chuť vyvolává prudké vypláchnutí úst, zatímco mírně nepříjemný pocit způsobí, že červ plivl jemněji, jen tolik, aby vypudil obsah.
V budoucnu si Sando myslí, že červ by mohl být použit jako model ke studiu toho, jak neurony spouštějí podoblasti svalových buněk ke zúžení a tvarování chování – což je fenomén, o kterém se domnívají, že se vyskytuje u jiných zvířat, možná včetně lidí.
"V podstatě jsme našli nový způsob, jak může neuron pohybovat svalem," říká Sando. „Neurony organizují pohyby svalů a toto by mohl být nový nástroj, který jim umožní vykonávat sofistikovaný druh kontroly. To je docela vzrušující."
Reference: „Motiv okruhu přesýpacích hodin transformuje motorický program prostřednictvím subcelulárně lokalizované signalizace a kontrakce svalového vápníku“ Steven R Sando, Nikhil Bhatla, Eugene LQ Lee a H Robert Horvitz, 2. července 2021, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.59341
Článek původně publikován ZDE
