Круглые черви меняют поток материала в рот и наружу в ответ на яркий свет, открывая нейронам новый способ управления мышечными клетками.
У круглого червя C. elegans отсутствуют глаза и светопоглощающие молекулы, необходимые для зрения. Тем не менее, он может чувствовать неприятные на вкус химические вещества, производимые светом, и перестает есть. Ученые Массачусетского технологического института изучали C. elegans, чтобы точно определить нейронные схемы и движения мышц, необходимые для плевания. Предоставлено: Рэли МакЭлвери.
Уже более десяти лет исследователи знают, что аскариды Caenorhabditis Элеганс могут обнаруживать и избегать коротковолнового света, несмотря на отсутствие глаз и светопоглощающих молекул, необходимых для зрения. Будучи аспирантом лаборатории Хорвица, Нихил Бхатла предложил объяснение этой способности. Он заметил, что воздействие света не только заставляло червей удирать, но и побуждало их перестать есть. Эта подсказка привела его к серии исследований, которые показали, что его извивающиеся субъекты вообще не видели свет — они обнаруживали вредные химические вещества, которые он производил, такие как перекись водорода. Вскоре после этого в лаборатории Хорвица поняли, что черви не только пробуют вредные химические вещества, выделяемые светом, но и выплевывают их.
Теперь в исследовании, опубликованном в eLife, группа, возглавляемая недавним аспирантом Стивом Сандо, доктором философии '20, сообщает о механизме, лежащем в основе C. Элеганс. Отдельные мышечные клетки обычно считаются наименьшими единицами, которые нейроны могут независимо контролировать, но результаты исследователей ставят под сомнение это предположение. В случае плевка они определили, что нейроны могут направлять специализированные субрегионы одной мышечной клетки для генерации множественных движений, расширяя наше понимание того, как нейроны контролируют мышечные клетки, чтобы формировать поведение.
Аскариды плюются после того, как подверглись воздействию неприятной на вкус перекиси водорода, выделяемой ярким светом. Кредит: Стив Сандо
«Стив сделал замечательное открытие, что сокращение небольшого участка конкретной мышечной клетки может быть отделено от сокращения остальной части той же клетки», — говорит Х. Роберт Хорвиц, профессор биологии Дэвида Х. Коха в [Встраиваемое содержимое]
После того, как он присоединился к проекту, Сандо обнаружил, что черви не отрыгивают и не продолжают жевать. Вместо этого «взрывные насосы» перемещали материал в противоположном направлении, изо рта в окружающую среду, а не дальше обратно в глотку и кишечник. Другими словами, неприятный на вкус свет заставлял червей плеваться. Затем Сандо провел годы, преследуя своих испытуемых вокруг микроскопа при ярком свете и записывая их действия в замедленном движении, чтобы точно определить нейронные схемы и движения мышц, необходимые для этого поведения.
«Открытие того, что черви плюются, было для нас весьма неожиданным, потому что казалось, что рот двигается так же, как когда он жевает», - говорит Сандо. «Оказывается, вам действительно нужно было увеличивать и замедлять изображения, чтобы увидеть, что происходит, потому что животные такие маленькие, а поведение происходит так быстро».
Чтобы проанализировать, что происходит в глотке и вызывает это движение, исследователи использовали крошечный лазерный луч, чтобы хирургическим путем удалить отдельные нервные и мышечные клетки изо рта и определить, как это повлияло на поведение червя. Они также контролировали активность клеток во рту, помечая их специально разработанными флуоресцентными «репортерными» белками.
Они увидели, что пока червь ест, три мышечных клетки в передней части глотки, называемые pm3, сокращаются и расслабляются синхронными импульсами. Но как только червь ощущает легкий вкус, части этих отдельных клеток, наиболее близкие к передней части рта, блокируются в состоянии сокращения, открывая переднюю часть рта и позволяя материалу вытесняться наружу. Это меняет направление потока проглоченного материала и превращает подачу в плевки.
Команда определила, что это явление «разобщения» контролируется одним нейроном в задней части рта червя. Эта нервная клетка, получившая название M1, стимулирует локальный приток кальция к переднему концу мышцы pm3, вероятно, ответственной за запуск субклеточных сокращений.
M1 передает важную информацию, как коммутатор. Он принимает входящие сигналы от множества разных нейронов и передает эту информацию мышцам, участвующим в сплевывании. Сандо и его команда подозревают, что сила входящего сигнала может настроить поведение червя в ответ на вкус света. Например, их результаты показывают, что отвратительный вкус вызывает сильное полоскание рта, в то время как легкое неприятное ощущение вызывает более мягкое плевание червя, ровно настолько, чтобы извергнуть содержимое.
В будущем, по мнению Сандо, червя можно будет использовать в качестве модели для изучения того, как нейроны запускают субрегионы мышечных клеток для сокращения и формирования поведения - феномен, который, как они подозревают, имеет место у других животных, возможно, включая людей.
«По сути, мы нашли новый способ нейрону двигать мышцу», - говорит Сандо. «Нейроны управляют движениями мышц, и это может быть новым инструментом, который позволит им осуществлять сложный контроль. Это довольно интересно ».
Ссылка: «Мотив цепи песочных часов трансформирует двигательную программу посредством субклеточно локализованной передачи сигналов кальция в мышцах и сокращения», Стивен Р. Сандо, Нихил Бхатла, Юджин Л.К. Ли и Х. Роберт Хорвиц, 2 июля 2021 г., eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.59341
Статья изначально опубликована ВОТ
