Naukowcy opracowali metodę wykorzystującą wirusy do śledzenia rozwoju neuronów u żab, rzucającą światło na ewolucję układu nerwowego kręgowców i umożliwiającą porównanie wyników ze ssakami.
Chociaż wirusy są zazwyczaj kojarzone z chorobami, nie wszystkie wirusy są szkodliwe lub powodują choroby. Niektóre odgrywają zasadniczą rolę w leczeniu terapeutycznym i szczepieniach. W badaniach naukowych wirusy są często wykorzystywane do infekowania określonych komórek, modyfikowania ich genetycznie lub wizualizacji neuronów w centralnym układzie nerwowym organizmu (OUN) – ośrodku dowodzenia składającym się z mózgu, rdzenia kręgowego i nerwów.
Proces podświetlania został obecnie z powodzeniem zastosowany w przypadku płazów, które mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia mózgu i rdzenia kręgowego czworonogów – zwierząt czteronożnych, w tym ludzi. Wykazano to w nowym badaniu przeprowadzonym przez międzynarodowe konsorcjum EDGE, pod wspólnym przewodnictwem: Sweeney Lab w Instytucie Nauki i Technologii w Austrii (ISTA) i Laboratorium Toschesa przy ul Uniwersytet Kolumbii.
Naukowcy opracowali nową metodę wykorzystującą wirusy związane z adenowirusami (AAV) do śledzenia układu nerwowego żaby podczas całej jej metamorfozy – przejścia rozwojowego od wczesnych stadiów kijanki do postaci dorosłej. To przełomowe badanie, opublikowane niedawno w Komórka Rozwojowamoże pomóc wprowadzić neurobiologię płazów w nową erę.
Od pływania do chodzenia: badanie metamorfozy
David Vijatovic i Lora Sweeney wchodzą do laboratorium pełnego zbiorników na wodę. Vijatovic puka w jednego z nich. Wewnątrz pojawia się mała, cętkowana zielonkawo-brązowa afrykańska żaba szponiasta (Xenopus laevis). Jego kończyny są wydatne, z wdziękiem manewrują i chwytają otoczenie. W innym zbiorniku kijanki wirują, wykonując proste ruchy pływackie. Niezwykłe jest to, że jedno przekształca się w drugie.
„Żaby przechodzą metamorfozę” – mówi Sweeney – „co czyni je doskonałym organizmem modelowym do badania przejścia między dwoma trybami ruchu — pływaniem i chodzeniem”. Rozwój żaby trwa od 12 do 16 tygodni, co daje naukowcom czas na zbadanie każdego etapu. W ciągu tych tygodni z zarodka żaby przed osiągnięciem stadium dorosłego rozwija się młoda kijanka, kijanka z dwiema nogami i młoda żaba z czterema nogami. „Przyglądając się kilku stadiom rozwoju, możemy zbadać zachowania lokomotywowe i leżące u ich podstaw zmiany w układzie nerwowym” – dodaje Vijatovic.
Dekodowanie obwodów neuronowych żaby
Układ nerwowy organizmu nazywany jest obwodem nerwowym, ponieważ przypomina obwód elektryczny. „Komórki nerwowe (neurony) są połączone z innymi neuronami i przekazują informacje elektryczne. To, jak się zachowujemy, co odczuwamy i jak wchodzimy w interakcję ze światem, wynika ze sposobu, w jaki nasze neurony komunikują się ze sobą w ramach tych obwodów” – wyjaśnia Sweeney. Najważniejszym elementem jest sposób podłączenia obwodu. Wiemy, że neurony są połączone, ale który neuron łączy się z którym? Z jakimi innymi komórkami rozmawia pojedyncza komórka i jakie komunikaty przekazuje?
Aby dowiedzieć się więcej na temat tego okablowania, badacze wykorzystali wirusy, które okazały się potężnym narzędziem. Wirusy związane z adenowirusami (AAV) są pod tym względem idealne. Nie są chorobotwórcze i mogą infekować wiele typów komórek, w tym neurony. AAV można modyfikować tak, aby pod mikroskopem świeciły jasnozielonymi, fluorescencyjnymi kolorami podczas podróży wzdłuż neuronów, czy to w ruchu wstecznym (do tyłu, od synapsa w kierunku ciała komórki) lub postępowo (w przód, od ciała komórki w kierunku synapsy). Innymi słowy, AAV można wykorzystać do oświetlania obwodu neuronowego od końca nadawczego do końca odbiorczego i odwrotnie.
„Jest to powszechna technika stosowana w neuronauce, szczególnie w przypadku dobrze zbadanych organizmów, takich jak myszy. W przypadku płazów sądzono, że nie da się tego zrobić” – mówi Vijatovic. Takie było powszechne przekonanie aż do teraz.
Pokonywanie barier dzięki współpracy
Aby znakowanie AAV zadziałało u płazów, Sweeney i Vijatovic połączyli siły z międzynarodowym zespołem naukowców z grupy Marii Tosches na Uniwersytecie Columbia, gdzie pracują pozostali dwaj współpierwsi autorzy badania, Eliza Jaeger i Astrid Deryckere. W skład konsorcjum weszli także naukowcy z Uniwersytetu w Tel Awiwie, Uniwersytetu Utah, Instytutu Badawczego Scripps i Kalifornijskiego Instytutu Technologii. Naukowcy połączyli siły, czerpali od siebie wiedzę, odwiedzili konferencje, odbyli niezliczone rozmowy telefoniczne na Zoomie i przedstawili różne perspektywy i pomysły. „Kiedy zaczynasz badania nad organizmem, który nie jest jeszcze dobrze poznany, wspaniale jest mieć społeczność, w której możesz dzielić się informacjami” – mówi Sweeney.
Przeanalizowali istniejące AAV, aby znaleźć odpowiednie dla płazów i zoptymalizowali strategię zakażania, ostatecznie opracowując „przewodnik” dla żab i traszek. Vijatovic podsumowuje swoją karierę doktorską: „Zaczęliśmy od młodych kijanek, przeszliśmy do starszych kijanek, a ostatecznie przeszliśmy do młodych, a następnie dorosłych żab, a także dorosłych traszek. Dopasowaliśmy narzędzie do każdego etapu życia.”
Spostrzeżenia na temat neuronauki człowieka od płazów
Dzięki tej nowej technice naukowcom udało się zastosować AAV do śledzenia połączeń neuronowych u płazów. Pomoże im to dowiedzieć się więcej o porównaniu mózgu płazów z mózgiem ssaków. Poza tym nowe podejście otwiera również drzwi do dalszej analizy rozwoju neuronów. W przypadku niektórych przebadanych wariantów AAV badacze mogą znakować komórki progenitorowe w określonym momencie rozwoju obwodu i śledzić je, aby zobaczyć, jakie stają się neurony. „W ten sposób możemy rozwiązać cały obwód poprzez jego rozwój, zobaczyć, jak zmienia się on w czasie i jak zbudowany jest cały układ nerwowy” – mówi Sweeney.
Chociaż płazy i ssaki ostatni raz mieli wspólnego przodka około 360 milionów lat temu, mają wspólne cechy. „Porównując szczegóły układu nerwowego żaby z układem nerwowym człowieka, możemy zobaczyć, czego nie mamy, a co mamy” – kontynuuje Sweeney. Wiedza ta może pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób ludzki układ nerwowy wyspecjalizował się z biegiem czasu. „Im lepiej rozumiemy podstawowe elementy składowe układu nerwowego, tym lepiej rozumiemy, w jaki sposób możemy je zastąpić podczas choroby i urazu”.
Odniesienie: „Narzędzia wirusowe związane z adeno do śledzenia rozwoju neuronów i łączności u płazów”: Eliza CB Jaeger, David Vijatovic, Astrid Deryckere, Nikol Zorin, Akemi L. Nguyen, Georgiy Ivanian, Jamie Woych, Rebecca C. Arnold, Alonso Ortega Gurrola , Arik Shvartsman, Francesca Barbieri, Florina A. Toma, Hollis T. Cline, Timothy F. Shay, Darcy B. Kelley, Ayako Yamaguchi, Mark Shein-Idelson, Maria Antonietta Tosches i Lora B. Sweeney, 26 listopada 2024 r., Komórka Rozwojowa.
DOI: 10.1016/j.devcel.2024.10.025
