Новое исследование, в онлайновом выпуске этой недели Продолжений Национальной академии наук, показывает невероятную степень биологического разнообразия в удивительном местоположении, т.е. в единственной невральной связи в стенке тела мух. Обнаружение открывает новый спектр интересных вопросов относительно важности структуры нервной системы и развития невральной проводки.
Генетик Барри Ганецкий, профессор Steenbock Биологических наук в университете Висконсина-Мадисона объявил:«Мы почти ничего не знаем о развитии нервной системы, несмотря на то, что мы знаем, что это должно произойти – изменение поведений, изменения сложности, существует добавление новых нейронов, формирование различных синаптических связей».Обнаружение оказывается еще более поразительным, учитывая, что Ganetzky и его аспирант Меган Кэмпбелл обнаружили неожиданное разнообразие в местоположении, очень знакомом ученым, т.е. нервно-мышечному соединению 4 (NMJ4), местоположение, где единственный мотонейрон связывается с определенной мышцей в стенке тела мухи, чтобы стимулировать ее активность.
Синапсы, где нейроны связываются с их нейронными или мышечными целями, имеют сложную структурную форму, будучи похож на миниатюрные деревья, украшенные крошечными сосудами, которые являются нервными окончаниями (синаптический boutons).Ганецкий объясняет:«Синапсы – то, где передача важной информации и интегральные функции нервной системы происходят. Это – фундаментальное место, где обработка информации имеет место, и существует основное убеждение, что структура синапса является ключевой для понимания его функции».Каждая мышца поставляется различным мотонейроном, формирующим NMJ с формой, размером и особенностью геометрии для того определенного NMJ.
Учитывая непротиворечивость анатомии мухи, даже через различные разновидности позволяет исследователям идентифицировать тот же самый синапс у различных отдельных мух. Синаптическое развитие и функция NMJ4 были хорошо исследованы, и Ганецкий использовал NMJ4 больше 20 лет, чтобы идентифицировать гены с массой биологических ролей от двигательных расстройств до нейродегенерации.Последний проект произошел из простых дебатов того, что действительно «нормально» для лабораторных дрозофил и их диких коллег. Кэмпбелл обнаружил во время экспертизы NMJ4 у общей дрозофилы лаборатории, Дрозофилы melanogaster, что синаптическая морфология между выведенными в лаборатории и дикими мухами, а также между штаммами, полученными в Мадисоне, Висконсин и штаммах от так далеко, как Зимбабве было непротиворечивым со всеми мухами, имеющими подобно выглядящие древовидные структуры и boutons.
Поощренный открытием, они решили заняться расследованиями далее. Ганецкий говорит: «Дрозофила является очень богатым родом – тысячами разновидностей с различными поведениями, различными предпочтениями в еде, различными средами, различными климатами, различными размерами – с вверх 50 миллионов лет расхождения».
Это может быть по сравнению с эволюционным разделением между мышами и людьми.Он добавляет, что независимо от этих различий, личиночный чертеж корпуса является точно тем же через все известные разновидности Drosophila независимо от их размера, среды обитания или источника пищи, заявляя что:«Клетка для клетки, мускулатуры стенки тела и структур иннервации идентична».
Они начали исследовать NMJ4 в других разновидностях Drosophila с помощью Висконсинского университета в Мадисоне накопление мухи эволюционного биолога Шона Б. Кэрролла. Они ожидали находить некоторые предсказуемые структуры с маленькими изменениями, когда они сосредоточились на их целевом синапсе в 21 различном виде Дрозофилы со всего мира, однако, после исследования только нескольких разновидностей Кэмпбелл сказал, что появилась различная картина.Подобный Дрозофиле melanogaster, каждая разновидность имела появление характеристики NMJ4, все же это появление отличалось существенно среди разновидностей.
Пока NMJ4 в некоторых разновидностях состоял из нескольких boutons, устроенных в простой структуре без ветвей, другим распределили многочисленный boutons по нескольким длинным отделениям или многим boutons, упакованным в плотные, плотно сгруппированные древовидные структуры.Даже при том, что Ганецкий объявляет: «Результаты были абсолютно поразительны – изменение далеко вне чего-либо, что мы когда-либо ожидали», было больше неожиданностей.Поразительные изменения в сложности не соответствовали эволюционному отношению среди разновидностей, т.е.
NMJs более тесно связанных разновидностей выглядел более подобным по сравнению с теми из более отдаленно связанных мух.Они даже обнаружили очевидные изменения между разновидностями, отделенными меньше чем на один миллион лет развития, разновидности, иначе кажущиеся настолько подобными, которые даже доставляют экспертов, испытывают затруднения в различении их на основе появления. По словам исследователей, такое быстрое развитие поразительно несмотря на то, что его биологическая важность остается неясной.Один ответ на вопрос того, что могло объяснить такое экстраординарное изменение, может быть возможностью генетического отклонения, случайным накоплением наследственной изменчивости, изменяющей появление NMJ, но не оказывающей влияния на организм иначе.
В основном любой NMJ, служащий цели, будет достаточен. Другая альтернатива могла быть то, что каждый NMJ сформирован естественным отбором из-за его определенного размера и структуры, чтобы так или иначе увеличить выживание или репродуктивный успех для членов той разновидности.Помогший коллегами генетиками Висконсинского университета в Мадисоне Бретом Пейсеуром и Бет Думонт, исследователи использовали количественную модель, чтобы исследовать различные структуры NMJ как функция эволюционной связи среди 11 разновидностей, эволюционное дерево которых точно известно от упорядочивания генома.Ганецкий говорит, что результаты демонстрируют, что вариабельность, которую они наблюдали, кажется, не случайна, заявляя:«Что это предлагает, то, что существует некоторая движущая сила – естественный отбор – который формирует синапс, чтобы быть определенным путем».
Они выдвинули гипотезу, что невральная функция будет очевидной целью выбора и измерила электрическую активность в схеме, но обнаружила, что записи активности от четырех разновидностей, чтобы представить диапазон структурной сложности показали те же основные невральные работы независимо от синаптической структуры.По словам исследователей, могут быть тонкие функциональные различия между различными структурами NMJ, оставшимися необнаруженными их пробой, но которые могли отклониться в различные биологические различия. Например, изучая способность или реакции стресса, которые были бы целью естественного отбора.
Ганецкий комментирует:«Мы полагаем, что существует некоторая причина, почему изменение имеет значение, но мы еще не знаем, какова та причина».Кэмпбелл и Ганецкий в настоящее время исследуют, чтобы учиться, лежат ли там в основе генетических и молекулярных механизмов и биологической важности того естественного изменения.
Ganetzky завершает:«Мы думаем, что сделали важное открытие о природе, что мы думаем, открывает все виды новых дверей. В этом пункте мы подняли многих, еще много вопросов, чем мы ответили… на вопросы о развитии нервных систем, развитии поведения, отношения между нейронной и синаптической морфологией и функцией.
Я надеюсь, что это захватывает интерес ученых во многих других областях, чтобы применить их собственные области экспертных знаний».