Nature神經學封面:解析“最重要的”運動神經元
日期:2012-12-04 09:34:51
紐約大學Langone醫學中心的科學家揭示了呼吸神經元回路建立所需的兩個關鍵基因。他們的這項研究作為封面文章,發表在Nature旗下Nature Neuroscience雜志十二月刊上。這一發現將有助于治療脊髓損傷和肌萎縮側索硬化癥ALS等神經退行性疾病。肌萎縮側索硬化癥ALS會逐漸殺死控制著呼吸、移動和進食等肌肉運動的神經元。
研究人員發現的兩個關鍵基因是一類特殊神經細胞的分子代碼,這類神經細胞被統稱為PMC(phrenic motor column)。如果脊柱中PMC區域受傷,就會立刻導致呼吸停止。領導該研究的生理學和神經科學助理教授Jeremy Dasen說,PMC神經細胞 “這可能是我們體內最重要的運動神經元”。不過迄今為止人們并不了解PMC神經元與其他神經元的區別,對PMC神經元的發育機制也所致甚少。
PMC細胞將恒流電化學信號從軸突傳到隔肌,控制肺部以呼吸的自然節律進行擴張和松弛。“現在我們知道PMC細胞與其他運動神經元的區別,就可以進行深入研究,尋找能夠選擇性增強PMC細胞活性的途徑,” Dr. Dasen說。
在這項為期三年的研究中,研究人員為了區別PMC神經元向隔神經注射了反向示蹤的熒光物質,隨后觀察脊髓中發熒光的神經元。他們構建了特殊的轉基因小鼠,在小鼠運動神經元及其軸突中表達綠色熒光蛋白GFP,以此觀察隔神經。經過一系列實驗,研究人員不僅標注了PMC神經元的特征性基因表達模式,還解析了基因的功能。研究顯示,Hoxa5和Hoxc5這兩個基因是控制PMC正確發育的主要因素。Hox基因本就是動物發育過程中著名的調控因子。
研究人員在小鼠胚胎的運動神經元中沉默了Hoxa5和Hoxc5,發現PMC不能形成正常組織形式,也不能與隔肌正確連接,導致新生動物無法呼吸。“在胎兒發育后期刪除這些基因,PMC神經元的數量也會下降,隔肌上無法形成足夠的隔神經,” Dr. Dasen說。
Dr. Dasen計劃在這一發現的基礎上對更廣泛的呼吸回路進行研究,包括腦干中負責生成節律的神經元,這些神經元會對二氧化碳水平、壓力等其他環境因子進行應答。“了解了PMC細胞之后,我們就可以順藤摸瓜去解析更廣泛的呼吸回路,嘗試理清所有呼吸相關的網絡,”他說。研究人員指出,了解呼吸網絡的作用機制,將有助于治療呼吸相關疾病。
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