Нейробиологи обнаружили у развивающихся нейронов спинного мозга механизм, который помогает растущему аксону менять маршрут на пути к нужной клетке. Когда аксон проходит важный промежуточный участок, нейрон переключает работу сразу множества генов и меняет набор молекул на его конце. Исследование на мышах показывает, что навигацией длинного нервного волокна управляет не только его растущий кончик, но и тело нейрона.
Аксон можно представить как длинный кабель, который нейрон прокладывает к другим клеткам. Во время развития нервной системы некоторые аксоны проходят значительные расстояния и по дороге несколько раз меняют направление. Ошибка на одном из таких поворотов способна привести волокно совсем не к той цели.
До сих пор большую часть внимания уделяли конусу роста, подвижной структуре на конце аксона. Конус воспринимает химические сигналы окружающих клеток и реагирует на молекулярные ориентиры, которые притягивают или отталкивают растущее волокно. Новые данные показывают дополнительный уровень управления: тело нейрона заранее меняет программу экспрессии генов, а результат затем проявляется на удалённом конце аксона.
Авторы изучали комиссуральные нейроны эмбрионального спинного мозга мышей. Их аксоны особенно удобны для наблюдения за навигацией, поскольку растут к средней линии спинного мозга, пересекают её, а затем резко меняют направление. До и после пересечения одному и тому же аксону приходится по-разному реагировать на окружающие сигналы.
Исследователи выделили такие нейроны на четырёх стадиях развития и применили секвенирование РНК отдельных клеток, чтобы проследить, какие гены работают в каждый момент. Анализ охватил более 12 тысяч нейронов и выявил крупную перестройку экспрессии генов примерно в тот период, когда аксоны пересекают среднюю линию.
Переключение затрагивало не один отдельный ген. Нейроны одновременно меняли активность целых групп генов, связанных с развитием и навигацией аксона. В результате менялся набор белков на растущем волокне, поэтому после прохождения средней линии аксон начинал иначе воспринимать окружающие молекулярные сигналы и мог двигаться к следующей точке маршрута.
Хороший пример такой перестройки даёт молекула клеточной адгезии L1. В исследованных нейронах L1 появляется на аксонах после пересечения средней линии, тогда как до этого этапа практически не обнаруживается. Подобная смена молекулярного оснащения позволяет одному волокну последовательно выполнять разные навигационные команды, не меняя саму клетку на каждом участке пути.
Работа также показала, что комиссуральные нейроны заметно разнообразнее, чем можно было предположить по общему маршруту их аксонов. Учёные обнаружили несколько молекулярно различающихся подтипов и не нашли простой зависимости между временем рождения нейрона и тем, на какую сторону направляется его аксон. Полученный набор данных фактически представляет подробную карту изменения генетической активности клеток во время формирования проводящих путей спинного мозга.
Авторы связывают результат и с одной из главных проблем регенеративной неврологии. После повреждения спинного мозга или инсульта недостаточно просто заставить аксон снова расти: новое волокно должно найти правильную цель и встроиться в нужную нервную цепь. Современные экспериментальные подходы уже способны стимулировать рост нервных отростков, однако управление их маршрутом остаётся гораздо более сложной задачей.
Найденный генетический переключатель пока не является способом лечения и не проверялся как метод восстановления нервной системы у людей. Исследователи предполагают, что понимание естественных программ развития в будущем поможет определить группы генов, которые стоит активировать при регенерации, чтобы растущий аксон не просто удлинялся, а двигался в нужном направлении. Похожую задачу учёные решают и с других сторон: ранее исследователи показали, что при повреждениях спинного мозга в восстановлении нервной ткани могут участвовать астроциты , расположенные далеко от места травмы.