Erwachsenes Gehirn nutzt pränatalen genetischen Plan für Gedächtnis

Was die Studie zeigt

Quelle: Genomic Press Eine heute in Genomic Psychiatry veröffentlichte, peer-reviewte Einladung zur Rezension argumentiert, dass das erwachsene Gehirn beim Lernen, Erinnern und Neuverdrahten kein Neues erfindet, sondern auf einen Werkzeugkasten zurückgreift, den es bereits bei der Geburt mitbrachte.

Die School of Medicine der University of New Mexico geleitete Synthese konzentriert sich auf ein einzelnes neuronales RNA-bindendes Protein namens HuD, das vom ELAVL4-Gen kodiert wird, sowie auf die etwa 4.000 Boten-RNAs, die es in verschiedenen Lebensphasen einer Maus bindet.

HuD gehört zur ELAV-Hu-Familie, benannt nach einem Protein der Fruchtfliege, das für die Existenz des Nervensystems überhaupt erforderlich ist. Bei Säugetieren sind drei der vier Hu-Proteine fast ausschließlich auf Neuronen beschränkt. Sie werden frühzeitig exprimiert.

Was die Studie zeigt

In einigen Entwicklungsreihen gehören sie zu den allerersten Signalen, die anzeigen, dass eine Zelle unwiderruflich die Entscheidung getroffen hat, sich zu einem Neuron zu entwickeln. Was HuD tut, sobald es an Ort und Stelle ist, ist die Frage, die dieser Übersichtsartikel vollständig zu beantworten versucht.

Die Autoren vergleichen zwei Interaktome, also zwei Listen, die HuD in lebendem Gewebe bindet. Eine stammt vom Gehirn einer Maus am embryonalen Tag 18, die andere vom adulten Vorderhirn. Die Hälfte der Zielmoleküle, 1.926 davon, erscheint auf beiden Listen. Etwa 620 sind einzigartig für den Embryo.

Weitere 1.583 gehören ausschließlich zum adulten Organismus. Das Venn-Diagramm ist an sich bereits beeindruckend; die Interpretation ist es noch mehr.

Was die Studie zeigt

Durch die Analyse mit Ingenuity Pathways Analysis beleuchten die gemeinsamen Zielmoleküle biologische Netzwerke, die wie ein Lehrbuch der neuronalen Funktion wirken: Quantität der Synapsen, Proliferation, Regeneration üle unter diesen Überschriften umfassen Bassoon und Gephyrin, die Gerüste, die Synapsen an Ort und Stelle halten.

Dazu gehören Cntnap2, ein Gen, das mit Autismus und geistiger Behinderung in Verbindung gebracht wird.

Dazu gehört der TrkB-Rezeptor, auf den Neuronen angewiesen sind, um nach Schädigungen zu überleben und sich im Laufe der Erfahrung umzugestalten. „Was uns überraschte, je länger wir uns mit den Daten beschäftigten, war, wie viel des Vokabulars des erwachsenen Gehirns bereits am embryonalen Tag 18 vorhanden war", sagte Dr.

Was die Studie zeigt

Perrone-Bizzozero. „Das erwachsene Neuron improvisiert nicht; es konsultiert ein Phrasebuch, das es schon vor der Geburt mit sich führt. Zellen sparen Ressourcen, indem sie dasselbe Protein lebenslang für verwandte Funktionen einsetzen.

Anstatt ihr gesamtes Verkabelungsschema neu zu schreiben, tauschen Neuronen spezifische, um lebenslange Plastizität aufrechtzuerhalten." Hier setzt die Synthese an.

Die fünfzehn kanonischen Signalwege, die embryonale, adulte und gemeinsame Zielsets gemeinsam haben, umfassen die axonale Führung, die Ephrin-Rezeptor-Signalgebung, die Netrin-Signalgebung, die Synaptogenese sowie die RHO-GTPase-Kaskade, die WASP- und WAVE-Komplexe antreibt.

Was die Studie zeigt

Auch bei 31 Krankheits- und Funktionskategorien besteht eine Überlappung, darunter die Entwicklung, Mikrotubul-Dynamik und abnormale Morphologie des Gehirns. Dennoch ändern sich innerhalb jedes Signalwegs die spezifischen mRNAs im Laufe des Alterns. Die Ephrin-B-Signalgebung rekrutiert im Embryo Cdc42, Gnaq und Kalrn.

Der gleiche Signalweg im Erwachsenenalter zieht hingegen Efnb1, Efnb2, Mapk1 und Rhoa hinzu. Der Signalweg ist identisch; die Akteure jedoch nicht. Dies ist das konzeptionelle Drehmoment der Übersichtsarbeit.

Wenn ein ausgereiftes Neuron nach einer Erfahrung seine Dendriten umgestaltet, ähnelt die molekulare Logik hinter dieser Umgestaltung verdächtig der Logik, die diese Dendriten ursprünglich aufgebaut hat. Die Autoren argumentieren, dass adulte Plastizität. Das Gehirn verfügt nicht über zwei Spielbücher.

Was die Studie zeigt

Es gibt eine solche, mit Substitutionen. „Man kann dies als eine Art evolutionäre Sparsamkeit lesen", sagte Dr. Michela Dell'Orco, Erstautorin der Übersichtsarbeit und die Forscherin, die zusammen mit den Mitautoren Drs.

Amy Gardiner und Federico Bolognani die HuD RIP-seq Pull-down-Experimente durchführte. „Unsere Ergebnisse sind noch überzeugender, da Proteine wie HuD, die schnelle und präzise neuronale Dynamiken unterstützen, seit mehr als einer halben Milliarde Jahren existieren", fügte Dr.

Bolognani hinzu, der ebenfalls in den frühen Phasen dieser Forschung wesentlich beigetragen hat. Die altersspezifischen Targets erzählen ihre eigene Geschichte. Embryonal-spezifische Targets konzentrieren sich auf den Aufbau Axonnetzwerks umfasst Cdc42, Kif2a, Marcks, Ncam1 und Sema5a.

Was die Studie zeigt

Zu den wichtigsten kanonischen Signalwegen gehören die Aktivierung, die WNT/β-Catenin-Signalgebung sowie Semaphorin-Interaktionen; all diese Wege tragen maßgeblich zur Geometrie des sich entwickelnden Gehirns bei.

Die Zielgruppen für Erwachsene konzentrieren sich stattdessen auf Verhaltens- und neurologische Erkrankungen, wobei Bdnf als zentrales Element fungiert und die dominierenden Themen die Signalwege der Synaptogenese, MAPK-Ziele, die Proteinubiquitinierung und die AMPK-Signalgebung darstellen. Der Embryo baut auf. Der Erwachsene erhält und passt sich an.

Die Übersicht widmet sich sorgfältig der Krankheit. ELAVL4 ist ein Risikogen für die Parkinson-Krankheit, wobei die Ergebnisse in mehreren Kohorten repliziert wurden. HuD ist bei der Alzheimer-Krankheit, der frontotemporalen Demenz und der amyotrophen Lateralsklerose dysreguliert.

Technik und Auswirkungen

In einem 5xFAD-Mausmodell führte der Knockout der Alzheimer-Pathologie, eine Entdeckung, die die Autoren als therapeutisch vielversprechend kennzeichnen. Die Aktivierung mit neuropathischen Schmerzen in Verbindung gebracht. Zu den Zielen, schwere Depression und bipolare Störung in Beziehung gesetzt.

Als Klasse, die verfolgt werden sollte, wurden kleine Molekül-Inhibitoren. „Wenn ein einzelnes Protein ein Risikofaktor bei Parkinson ist, bei Alzheimer und ALS dysreguliert ist und über sein Zielrepertoire mit Schizophrenie und Stimmungsstörungen in Verbindung steht, dann befindet sich HuD an einem ungewöhnlich stark frequentierten Schnittpunkt", sagte Dr.

Jeffery Twiss, Mitautor und Professor für Biowissenschaften an der University of South Carolina. „Es ist die Art, an dem therapeutische Hebelwirkung möglich sein könnte." Dr.

Technischer Hintergrund

Perrone-Bizzozero stimmt zu und weist darauf hin, dass die Implikationen der Studie weit über das Labor hinausreichen. „Die Ergebnisse unserer Grundlagenforschung bilden die Basis für die Entwicklung neuartiger molekularbasierter Therapien in Zukunft", sagte sie. Offene Fragen, die bewusst offen bleiben Die Autoren behaupten keine definitive Lösung.

HuD wirkt nicht allein. Es bindet kreisförmige RNAs wie circHomer1a, lange nichtkodierende RNAs wie BACE1-Antisense sowie kleine nichtkodierende RNAs einschließlich Y3 und konkurriert gleichzeitig mit der MikroRNA miR-495 µm überlappende Bindungsstellen.

HuD konkurriert zudem mit einem weiteren RNA-bindenden Protein, KHSRP, um dieselben mRNAs; dabei stabilisiert HuD das Transkript, während KHSRP es destabilisiert. Der funktionelle Output in einem gegebenen Neuron hängt öchiometrie, vom Zelltyp sowie, die das Feld erst zu kartieren beginnt.

Technik und Auswirkungen

Werden kleine Molekül-Inhibitoren für neurodegenerative Erkrankungen entwickelt, werden sie die regenerativen Funktionen erhalten, die HuD ebenfalls erfüllt? Kann die Unterscheidung zwischen embryonalen und adulten Zielstrukturen genutzt werden, um eine selektive Remodellierung in geschädigtem adultem Gewebe zu steuern?

Was kontrolliert die Bindungsaffinität, die entscheidet, welche Zielstrukturen unter Stress zuerst freigesetzt werden? Die Review behandelt diese Fragen als Aufgaben für das kommende Jahrzehnt, nicht als Randnotiz. Dies ist keine originäre experimentelle Arbeit.

Es handelt sich um eine Synthese, ein sorgfältiges Zusammenführen, Sequenzierläufen, Knockout-Phänotypen und klinischer Genetik zu einem einzigen Argument darüber, wie ein Neuron sich über ein ganzes Leben hinweg aufrechterhält. Die Argumentation ist, weil sie Plastizität neu definiert.

Was die Studie zeigt

Wenn das Lernen im Erwachsenenalter auf entwicklungsbiologischen Mechanismen basiert, dann ist die Grenze zwischen Gehirnentwicklung und Gehirnwiederherstellung dünner, als es Lehrbücher nahelegen.

Die Therapien, die wir zukünftig für Schlaganfälle, neurodegenerative Erkrankungen und neuropsychiatrische Störungen anbieten können, werden wahrscheinlich davon abhängen, ob wir es schaffen, erwachsene Neuronen dazu zu bewegen, dieses frühe „Wortschatzheft" etwas häufiger zu konsultieren.

Zentrale Fragen beantwortet: A: Nein, und dies ist die tiefgreifendste Erkenntnis dieser Synthese. Ihr erwachsenes Gehirn ist im Wesentlichen ein Experte für Recycling. Wenn Sie sich eine neue Erinnerung bilden oder sich an eine neue Erfahrung anpassen, improvisieren Ihre Neuronen nicht oder erfinden kein neues strukturelles System.

Was die Studie zeigt

Stattdessen greifen sie zurück und konsultieren ein internes „Wortschatzheft", das sie bereits vor der Geburt mit sich führen, wobei sie exakt dieselben halbe Milliarde Jahre alten Protein (HuD) und kanonischen Signalwege nutzen, die Ihr Gehirn ursprünglich im Mutterleib aufgebaut haben.

A: Betrachten Sie dies wie eine Theaterproduktion: Das Stück, das Drehbuch und der Regisseur bleiben identisch, doch die Schauspieler werden ausgetauscht. Zum Beispiel rekrutiert der Embryo im ephrin-Signalweg des Gehirns eine spezifische Besetzung ülen (Cdc42, Gnaq, Kalrn), um die initialen Verbindungen zu bilden.

Im Erwachsenenalter bleibt derselbe Signalweg aktiv, bringt jedoch eine reife Besetzung (Efnb1, Efnb2, Mapk1, Rhoa) ein, um diese Verbindungen aufrechtzuerhalten und zu verfeinern. A: Da HuD etwa 4.000 verschiedene Boten-RNAs reguliert, befindet es sich an einer außerordentlich dicht besetzten biologischen Schnittstelle.

Es fungiert als ein massiver operativer

Es fungiert als ein massiver operativer Knotenpunkt; wenn es einwandfrei funktioniert, sichert es eine perfekte kognitive Flexibilität.

Wenn es jedoch dysreguliert oder strukturell beeinträchtigt ist, löst es eine katastrophale Kettenreaktion über Tausende macht es zu einem Hauptverdächtigen bei Parkinson-Risiko, ALS, Demenz und schweren psychiatrischen Störungen. Herausgeberische Anmerkungen: Dieser Artikel wurde News bearbeitet. Zusätzliche Kontextinformationen wurden ügt.

Über diese Forschungsarbeit zu Gedächtnis und Genetik Autor: Ma-Li Wong Quelle: Genomic Press Kontakt: Ma-Li Wong – Genomic Press Bild: Das Bild ist Neuroscience News zuzuordnen Ursprüngliche Forschung: Die Ergebnisse werden in Genomic Psychiatry veröffentlicht.