Em formação

Como as vias neurais são descobertas?


Eu vi a medula espinhal e é um cilindro branco, macio e escorregadio que tem um diâmetro pequeno (cerca de 25-30 milímetros). Absolutamente não tem uma textura reticular macroscopocamente que nos permitiria rastrear caminhos individuais. O mesmo vale para o cérebro, também não é macroscopicamente reticular e, no entanto, conhecemos muitas conexões dentro do cérebro.

Então, qual é a técnica usada para descobrir essas vias neurais e as informações sobre em quais partes da via estão localizadas as sinapses?

Um exemplo do que sabemos está aqui sob o título "Principais vias neurais".


Existem algumas maneiras de fazer isso.

Um exemplo importante é o caso de Phineas Cage, cujo acidente levou a graves danos cerebrais. Isso mudou seu comportamento, o que permitiu ao cientista conectar a fisiologia ao comportamento. Ou seja, o dano ao lobo frontal esquerdo causou mudança na personalidade, sem mudança significativa em outros comportamentos importantes, como a memória.

Da mesma forma, podemos observar danos cerebrais ocorridos naturalmente por meio de técnicas de imagem modernas (raios-X, tomografia computadorizada, ressonância magnética, ressonância magnética fMRI) e conectá-los a anormalidades comportamentais.

Também podemos aprender sobre o substrato neural do comportamento fazendo experiências em laboratório: observando os efeitos do dano ao tecido. Basicamente, você pergunta "o que acontece se danificarmos essa parte do cérebro". Dessa forma, podemos descobrir partes do cérebro que regulam diferentes partes do sono, dissecando o tronco cerebral de animais em diferentes regiões.

Outra opção é "olhar" para o cérebro enquanto ele funciona e detectar regiões ativas importantes. Aqui você pode usar qualquer número de técnicas: fMRI, EEG, sondagem direta com eletrodo de regiões do cérebro ou em imagens ópticas de cálcio em animais. A questão é que, nesses experimentos, você pede (ou faz) a seus sujeitos que executem o comportamento X e veja como e onde esse comportamento ativa os neurônios.


Neurocientistas descobrem as raízes do & quot congelamento evocado pelo medo & quot

O BÁSICO

Quando você sente medo, é seu impulso de congelar no lugar, fugir ou lutar? Todas as três respostas têm uma base neurobiológica necessária para a sobrevivência. Obviamente, dependendo da circunstância, há uma necessidade para cada três dessas respostas instintivas a uma ameaça percebida.

Lutar ou fugir foi estudado em profundidade. Novas pesquisas empolgantes do Reino Unido estão investigando a neurobiologia da resposta de "congelamento". Antes de decidir fugir ou lutar, a maioria dos mamíferos congela por alguns milissegundos para avaliar a situação antes de dar o próximo passo.

Às vezes, ficar congelado no lugar é a melhor defesa, às vezes não é. Um problema com a reação de congelamento na vida diária é que ela pode fazer com que as pessoas fiquem paralisadas de medo.

Pela primeira vez, neurocientistas da Universidade de Bristol identificaram uma via cerebral que pode ser a raiz da resposta universal ao congelamento quando estamos com medo. Seu estudo revolucionário, lançado em 23 de abril de 2014, descobriu uma cadeia de conexões neurais provenientes do cerebelo. Quando ativadas por um estímulo ameaçador real ou imaginário, essas conexões neurais podem fazer com que o corpo congele automaticamente.

O novo estudo intitulado “Neural Substrates Underlying Fear-Evoked Freezing: The Periaqueductal GreyCerebellar Link ”foi publicado no Journal of Physiology. Os pesquisadores de Bristol acreditam que entender como essas vias neurais centrais realmente funcionam nos aproximará do desenvolvimento de tratamentos eficazes para distúrbios emocionais, como ataques de pânico, fobias e ansiedade geral.

Quais regiões do cérebro estão envolvidas em nossa resposta de congelamento evocada pelo medo

O cinza periaquedutal (PAG) é uma região do cérebro responsável por ditar como humanos e animais respondem ao perigo percebido. O PAG há muito é conhecido por receber várias informações sobre ameaças em potencial e desencadear respostas reflexivas automáticas que nos fazem: congelar no lugar, nos dar o fluxo de sangue para fugir rapidamente ou a adrenalina para lutar.

Os neurocientistas da Universidade de Bristol identificaram uma via cerebral específica que vai do PAG a uma parte altamente localizada do cerebelo chamada pirâmide, que faz com que o corpo congele automaticamente no lugar.

Os pesquisadores descobriram a via que liga o PAG ao córtex cerebelar, que termina como fibras trepadeiras no lóbulo vermal lateral VIII (pirâmide), em ratos adultos. Se você gostaria de ler mais sobre o cerebelo e as fibras de escalada, dê uma olhada no meu Psicologia Hoje postagem do blog, “Neuroscientists Discover How Practice Makes Perfect.”

As vias neurais centrais envolvidas no comportamento evocado pelo medo são semelhantes na maioria dos mamíferos. Se os neurocientistas puderem identificar como essas vias funcionam em estudos com animais, isso pode levar ao desenvolvimento de tratamentos eficazes para distúrbios emocionais humanos.

Conclusão: nada a temer, mas temer a si mesmo

Essas novas descobertas sobre a neurobiologia das respostas ao medo são um primeiro passo para entender melhor o papel que o cerebelo pode estar desempenhando no poder paralisante da ansiedade, fobias e medo em geral.

Como atleta, sempre achei útil navegar entre uma abordagem cerebral (ou "de cima para baixo") para navegar nas respostas de medo que vêm de "de baixo para cima" via tronco cerebral, cerebelo e a subsequente luta-ou - reação de vôo do sistema nervoso simpático.

As novas descobertas da equipe de pesquisa em Bristol oferecem percepções úteis para melhor compreender a raiz do medo paralisante que vem das profundezas do cérebro. O congelamento evocado pelo medo é uma resposta universal. Felizmente, cada um de nós pode flexionar alguns músculos cognitivos para anular esses impulsos neurobiológicos inatos.

O BÁSICO

Respirar fundo algumas vezes em qualquer situação de medo estimulará o nervo vago e os aspectos de "repouso e digestão" do sistema nervoso parassimpático. Essa resposta de relaxamento liberta as garras neurobiológicas do medo e nos permite "descongelar" e nos movermos livremente.

Embora esta pesquisa esteja em seus estágios iniciais, as descobertas iniciais são promissoras. A Dra. Stella Koutsikou, a primeira autora do estudo, acredita que identificar o circuito neural real ligado ao comportamento induzido pelo medo é a chave para o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes para distúrbios emocionais ligados a uma resposta ao medo.

Em um comunicado à imprensa, Bridget Lumb, da Universidade de Bristol, concluiu: "Nosso trabalho apresenta o novo conceito de que o cerebelo é um alvo promissor para estratégias terapêuticas para controlar a desregulação de estados emocionais, como transtornos de pânico e fobias."

Se você gostaria de ler mais sobre este assunto, confira meu Psicologia Hoje postagens no blog:


Neurocientistas identificam nova via neural que controla os movimentos das mãos

Uma nova via neural foi identificada por um grupo de neurocientistas que pode fundamentar nossa capacidade de fazer os movimentos coordenados das mãos necessários para alcançar e manipular objetos dentro do espaço extrapessoal imediato. A descoberta, descrita no Anais da Academia Nacional de Ciências, foi feito em primatas não humanos, mas a equipe acredita que uma via semelhante provavelmente também estará presente em humanos.

Lóbulos do cérebro. O lobo parietal é amarelo e a porção posterior fica próxima à região vermelha. Crédito da imagem: Henry Vandyke Carter / Henry Gray.

Os pesquisadores há muito acreditavam que os sinais cerebrais para esses e movimentos relacionados se originavam de áreas motoras no lobo frontal do cérebro, que controlam o movimento voluntário. Mas isso pode nem sempre ser verdade.

Os resultados do novo estudo mostram que a via neural recém-descoberta se origina não do lobo frontal, mas do córtex parietal posterior (PPC), uma região do cérebro que os neurocientistas pensavam estar envolvida apenas na associação de entradas sensoriais e construção de uma representação de espaço extrapessoal.

"As descobertas quebram a regra rígida e rápida de que um sulco no cérebro chamado de sulco central divide as áreas que controlam a função sensorial e motora", disse o autor sênior Peter Strick, professor de neurociência e cadeira de neurobiologia da Escola de Pittsburgh da Universidade de Pittsburgh Médico e diretor científico do Instituto do Cérebro da Universidade de Pittsburgh.

“Isso tem implicações em como entendemos o movimento da mão e pode nos ajudar a desenvolver melhores tratamentos para pacientes nos quais a função motora é afetada, como aqueles que tiveram um derrame.”

“Nosso estudo também terá um impacto direto sobre os esforços dos pesquisadores que estudam próteses neurais e interfaces de computador cérebro.”

Em 1975, o renomado neurocientista Vernon Mountcastle e co-autores propuseram a presença de um centro de controle de movimento no PPC e o denominaram um "aparelho de comando" para a operação dos membros, mãos e olhos dentro do espaço extrapessoal imediato.

No estudo atual, o Prof. Strick e colegas confirmam que tal aparelho de comando existe e demonstram uma nova via que conecta o PPC diretamente aos neurônios da medula espinhal que controlam o movimento das mãos.

Os autores realizaram três experimentos separados em um modelo de primata não humano para fazer a descoberta.

Eles mostraram pela primeira vez que a estimulação elétrica em uma região do PPC chamada 'área lateral 5' evocou movimentos do dedo e do punho no animal.

Quando eles injetaram um marcador de proteína na área lateral 5, eles descobriram que o marcador fez seu caminho até a medula espinhal e terminou no mesmo local onde os neurônios que controlam os músculos da mão estão presentes, sugerindo uma conexão.

“A fiação e as conexões do PPC para a medula espinhal e a mão parecem extremamente semelhantes às do lobo frontal que foram amplamente estudadas”, disse o autor principal Dr. Jean-Alban Rathelot, da Escola de Medicina da Universidade de Pittsburgh .

“Forma semelhante sugere função semelhante no controle do movimento.”

Para o experimento final, os pesquisadores usaram uma cepa do vírus da raiva como um "rastreador", uma vez que tem a capacidade de saltar através de neurônios conectados. Eles descobriram que, quando injetaram o vírus em um músculo da mão, ele foi de fato transportado de volta para os neurônios na mesma região do PPC onde a estimulação evocou movimentos da mão.

Esse resultado demonstrou a existência de um caminho direto da área lateral 5 para as regiões da medula espinhal que controlam os músculos das mãos.

“Sabemos por pesquisas anteriores que os indivíduos que sofreram lesões cerebrais nesta área têm problemas com movimentos hábeis dos dedos, como encontrar chaves em uma bolsa contendo muitas outras coisas, o que apóia fortemente nossas descobertas”, disse o co-autor Dr. Richard Dum, também da Escola de Medicina da Universidade de Pittsburgh.

Os neurocientistas acreditam que as múltiplas vias para controlar o movimento da mão a partir do lobo frontal e o PPC podem funcionar juntas para executar uma tarefa complexa da mão ou podem funcionar em paralelo para acelerar o movimento, assim como vários processadores em um computador podem aumentar a eficácia.

Jean-Alban Rathelot et al. O córtex parietal posterior contém um aparelho de comando para os movimentos das mãos. PNAS, publicado online em 3 de abril de 2017 doi: 10.1073 / pnas.1608132114

Este artigo é baseado em texto fornecido pela University of Pittsburgh School of Medicine.


Os primeiros anos de vida de uma criança são uma época de rápido crescimento do cérebro. Ao nascer, cada neurônio no córtex cerebral tem cerca de 2.500 sinapses aos três anos de idade, este número cresceu para impressionantes 15.000 sinapses por neurônio.

O adulto médio, entretanto, tem cerca de metade desse número de sinapses. Porque? Porque à medida que ganhamos novas experiências, algumas conexões são fortalecidas enquanto outras são eliminadas. Este processo é conhecido como poda sináptica.

Neurônios que são usados ​​freqüentemente desenvolvem conexões mais fortes e aqueles que são raramente ou nunca usados ​​eventualmente morrem.

Ao desenvolver novas conexões e eliminar as fracas, o cérebro é capaz de se adaptar ao ambiente em mudança.


Conteúdo

Em 1914, John S. Dexter notou o aparecimento de um entalhe nas asas da mosca da fruta Drosophila melanogaster. Os alelos do gene foram identificados em 1917 pelo biólogo evolucionário americano Thomas Hunt Morgan. [4] [5] Sua análise molecular e sequenciamento foram realizadas de forma independente na década de 1980 por Spyros Artavanis-Tsakonas e Michael W. Young. [6] [7] Alelos dos dois C. elegans Entalhe genes foram identificados com base em fenótipos de desenvolvimento: lin-12 [8] e glp-1. [9] [10] A clonagem e sequência parcial de lin-12 foi relatado ao mesmo tempo que Drosófila Entalhe por Iva Greenwald. [11]

A proteína Notch atravessa a membrana celular, com parte dentro e parte fora. As proteínas do ligante que se ligam ao domínio extracelular induzem a clivagem proteolítica e a liberação do domínio intracelular, que entra no núcleo da célula para modificar a expressão gênica. [12]

O modelo de clivagem foi proposto pela primeira vez em 1993 com base no trabalho feito com Drosófila Entalhe e C. elegans lin-12, [13] [14] informado pela primeira mutação oncogênica que afeta um ser humano Entalhe gene. [15] Evidências convincentes para este modelo foram fornecidas em 1998 por análise in vivo em Drosófila por Gary Struhl [16] e em cultura de células por Raphael Kopan. [17] Embora este modelo tenha sido inicialmente contestado, [1] a evidência a favor do modelo era irrefutável em 2001. [18] [19]

O receptor é normalmente acionado via contato direto célula a célula, no qual as proteínas transmembrana das células em contato direto formam os ligantes que se ligam ao receptor notch. A ligação Notch permite que grupos de células se organizem de tal forma que, se uma célula expressa uma determinada característica, ela pode ser desligada em células vizinhas pelo sinal de notch intercelular. Desta forma, grupos de células influenciam uns aos outros para formar grandes estruturas. Assim, os mecanismos de inibição lateral são essenciais para a sinalização Notch. lin-12 e Entalhe medeia decisões de destino de células binárias, e a inibição lateral envolve mecanismos de feedback para amplificar as diferenças iniciais. [18]

o Cascata de entalhe consiste em ligantes Notch e Notch, bem como proteínas intracelulares que transmitem o sinal notch para o núcleo da célula. A família de receptores Notch / Lin-12 / Glp-1 [20] foi encontrada envolvida na especificação de destinos de células durante o desenvolvimento em Drosófila e C. elegans. [21]

O domínio intracelular de Notch forma um complexo com CBF1 e Mastermind para ativar a transcrição de genes alvo. A estrutura do complexo foi determinada. [22] [23]

A via de sinalização Notch é importante para a comunicação célula-célula, que envolve mecanismos de regulação gênica que controlam múltiplos processos de diferenciação celular durante a vida embrionária e adulta. A sinalização Notch também desempenha um papel nos seguintes processos:

    função e desenvolvimento [24] [25] [26] [27]
  • estabilização do destino endotelial arterial e angiogênese [28]
  • regulação de eventos cruciais de comunicação celular entre o endocárdio e o miocárdio durante a formação da válvula primordial e desenvolvimento ventricular e diferenciação [29] homeostase, bem como implicações em outros distúrbios humanos envolvendo o sistema cardiovascular [30]
  • especificação oportuna da linhagem celular do pâncreas endócrino e exócrino [31]
  • influenciando as decisões binárias de destino das células que devem escolher entre as linhagens secretora e absortiva no intestino [32]
  • expansão do compartimento de células-tronco hematopoéticas durante o desenvolvimento ósseo e participação no comprometimento com a linhagem osteoblástica, sugerindo um papel terapêutico potencial para entalhe na regeneração óssea e osteoporose [33]
  • expansão das células endoteliais hemogênicas junto com o eixo de sinalização envolvendo a sinalização de Hedgehog e o comprometimento da linhagem Scl [34] do precursor linfoide comum [35]
  • regulação da decisão do destino celular nas glândulas mamárias em vários estágios de desenvolvimento distintos [36]
  • possivelmente alguns mecanismos não nucleares, como o controle do actincitoesqueleto por meio da tirosina quinaseAbl [37]
  • Regulação da decisão mitótica / meiótica na C. elegans linha germinativa [9]

A sinalização de notch é desregulada em muitos cânceres, [38] e a sinalização de notch defeituosa está implicada em muitas doenças, incluindo LLA-T (leucemia linfoblástica aguda de células T), [39] CADASIL (Arteriopatia dominante autossômica cerebral com infartos subcorticais e leucoencefalopatia ), esclerose múltipla (EM), tetralogia de Fallot, síndrome de Alagille e muitos outros estados de doença.

A inibição da sinalização notch demonstrou ter efeitos antiproliferativos na leucemia linfoblástica aguda de células T em células em cultura e em um modelo de camundongo. [40] [41] [42] Também foi descoberto que Rex1 tem efeitos inibitórios na expressão de notch em células-tronco mesenquimais, impedindo a diferenciação. [43]

A maturação do receptor notch envolve a clivagem no lado extracelular prospectivo durante o tráfego intracelular no complexo de Golgi. [44] Isso resulta em uma proteína bipartida, composta por um grande domínio extracelular ligado ao domínio transmembrana e intracelular menor. A ligação do ligante promove dois eventos de processamento proteolítico como resultado da proteólise, o domínio intracelular é liberado e pode entrar no núcleo para envolver outras proteínas de ligação ao DNA e regular a expressão gênica.

Notch e a maioria de seus ligantes são proteínas transmembrana, portanto, as células que expressam os ligantes normalmente devem estar adjacentes à célula que expressa notch para que a sinalização ocorra. [ citação necessária ] Os ligantes notch também são proteínas transmembrana de passagem única e são membros da família de proteínas DSL (Delta / Serrate / LAG-2). No Drosophila melanogaster (a mosca da fruta), existem dois ligantes chamados Delta e Serrate. Em mamíferos, os nomes correspondentes são semelhantes a Delta e Jagged. Em mamíferos, existem vários ligantes tipo Delta e Jagged, bem como possivelmente uma variedade de outros ligantes, como F3 / contactina. [37]

No nematóide C. elegans, dois genes codificam proteínas homólogas, glp-1 e lin-12. Houve pelo menos um relatório que sugere que algumas células podem enviar processos que permitem que a sinalização ocorra entre células com até quatro ou cinco diâmetros de células uma da outra. [ citação necessária ]

O domínio extracelular de entalhe é composto principalmente de pequenos motivos ricos em cistina chamados de repetições do tipo EGF. [45]

O entalhe 1, por exemplo, tem 36 dessas repetições. Cada repetição do tipo EGF é composta por aproximadamente 40 aminoácidos e sua estrutura é amplamente definida por seis resíduos de cisteína conservados que formam três ligações dissulfeto conservadas. Cada repetição semelhante a EGF pode ser modificada por O-glicanos ligados em locais específicos. [46] Um O- açúcar glicose pode ser adicionado entre a primeira e a segunda cisteínas conservadas, e um O-fucose pode ser adicionada entre a segunda e a terceira cisteínas conservadas. Esses açúcares são adicionados por um ainda não identificado O-glucosiltransferase (exceto para Rumi) e Proteína GDP-fucose O-fucosiltransferase 1 (POFUT1), respectivamente. A adição de O-fucose por POFUT1 é absolutamente necessária para a função de entalhe e, sem a enzima para adicionar O-fucose, todas as proteínas notch não funcionam corretamente. Até o momento, a maneira pela qual a glicosilação de entalhe afeta a função não é completamente compreendida.

o O-glicose em entalhe pode ser ainda mais alongada a um trissacarídeo com a adição de dois açúcares de xilose por xilosiltransferases, e o O-fucose pode ser alongada a um tetrassacarídeo pela adição ordenada de um açúcar N-acetilglucosamina (GlcNAc) por uma N-acetilglucosaminiltransferase chamada Fringe, a adição de uma galactose por uma galactosiltransferase e a adição de um ácido siálico por uma sialiltransferase. [47]

Para adicionar outro nível de complexidade, em mamíferos existem três Fringe GlcNAc-transferases, denominadas lunatic fringe, manic fringe e radical fringe. Essas enzimas são responsáveis ​​por algo chamado "efeito de franja" na sinalização de entalhe. [48] ​​Se Fringe adicionar um GlcNAc ao O-fucose açúcar então a subsequente adição de uma galactose e ácido siálico ocorrerá. Na presença desse tetrassacarídeo, o notch sinaliza fortemente quando interage com o ligante Delta, mas inibiu marcadamente a sinalização ao interagir com o ligante Jagged. [49] Os meios pelos quais essa adição de açúcar inibe a sinalização por meio de um ligante e potencializa a sinalização por meio de outro não são claramente compreendidos.

Uma vez que o domínio extracelular de notch interage com um ligante, uma metaloprotease da família ADAM chamada ADAM10, cliva a proteína notch fora da membrana. [50] Isso libera a porção extracelular do entalhe (NECD), que continua a interagir com o ligante. O ligando mais o domínio extracelular de notch é então endocitado pela célula que expressa o ligante. Pode haver efeitos de sinalização na célula que expressa o ligante após a endocitose, esta parte da sinalização notch é um tópico de pesquisa ativa. [ citação necessária Após esta primeira clivagem, uma enzima chamada γ-secretase (que está implicada na doença de Alzheimer) cliva a parte restante da proteína notch apenas dentro do folheto interno da membrana celular da célula que expressa o notch. Isso libera o domínio intracelular da proteína notch (NICD), que então se move para o núcleo, onde pode regular a expressão do gene, ativando o fator de transcrição CSL. Originalmente, pensava-se que essas proteínas CSL suprimiam a transcrição do alvo Notch. No entanto, pesquisas adicionais mostraram que, quando o domínio intracelular se liga ao complexo, ele muda de um repressor para um ativador de transcrição. [51] Outras proteínas também participam da porção intracelular da cascata de sinalização notch. [52]

A sinalização Notch é iniciada quando os receptores Notch na superfície celular envolvem ligantes apresentados em trans em células opostas. Apesar do tamanho expansivo do domínio extracelular Notch, foi demonstrado que os domínios 11 e 12 do EGF são os determinantes críticos para as interações com Delta. [53] Estudos adicionais implicaram regiões fora de Notch EGF11-12 na ligação do ligante. Por exemplo, o domínio 8 de Notch EGF desempenha um papel no reconhecimento seletivo de Serrate / Jagged [54] e os domínios de EGF 6-15 são necessários para a sinalização máxima após a estimulação do ligante. [55] Uma estrutura cristalina das regiões de interação de Notch1 e Delta-like 4 (Dll4) forneceu uma visualização em nível molecular das interações Notch-ligante e revelou que o MNNL N-terminal (ou C2) e os domínios DSL dos ligantes se ligam para Notch domínios EGF 12 e 11, respectivamente. [56] A estrutura Notch1-Dll4 também iluminou um papel direto para fucose ligada a Notch O e frações de glicose no reconhecimento de ligante e racionalizou um mecanismo estrutural para o ajuste mediado por glicano da sinalização Notch. [56]

A via de sinalização Notch desempenha um papel importante na comunicação célula-célula e regula ainda mais o desenvolvimento embrionário.

Edição da polaridade do embrião

A sinalização notch é necessária na regulação da polaridade. Por exemplo, experimentos de mutação mostraram que a perda de sinalização Notch causa polaridade anterior-posterior anormal em somitos. [57] Além disso, a sinalização Notch é necessária durante a determinação da assimetria esquerda-direita em vertebrados. [58]

Estudos iniciais no organismo modelo de nematóides C. elegans indicam que a sinalização Notch tem um papel importante na indução do mesoderma e na determinação do destino celular. [9] Como mencionado anteriormente, C. elegans tem dois genes que codificam para homólogos Notch parcialmente redundantes, glp-1 e lin-12. [59] Durante C. elegans, GLP-1, o C. elegans Notch homólogo, interage com APX-1, o C. elegans Delta homólogo. Essa sinalização entre blastômeros específicos induz a diferenciação dos destinos das células e estabelece o eixo dorsal-ventral. [60]

Somitogênese Editar

A sinalização Notch é fundamental para a somitogênese. Em 1995, Notch1 mostrou ser importante para coordenar a segmentação de somitos em camundongos. [61] Outros estudos identificaram o papel da sinalização Notch no relógio de segmentação. Esses estudos levantaram a hipótese de que a função primária da sinalização Notch não atua em uma célula individual, mas coordena os relógios das células e os mantém sincronizados. Essa hipótese explicava o papel da sinalização Notch no desenvolvimento da segmentação e foi apoiada por experimentos em camundongos e peixes-zebra. [62] [63] [64] Experimentos com camundongos mutantes Delta1 que mostram somitogênese anormal com perda da polaridade anterior / posterior sugerem que a sinalização Notch também é necessária para a manutenção das bordas dos somitos. [61]

Durante a somitogênese, um oscilador molecular nas células mesodermas paraxiais dita a taxa precisa de formação de somito. Um modelo de relógio e frente de onda foi proposto para determinar espacialmente a localização e os limites entre os somitos. Esse processo é altamente regulado, pois os somitos devem ter tamanho e espaçamento corretos para evitar malformações no esqueleto axial que podem potencialmente levar à disostose espondilocostal. Vários componentes principais da via de sinalização Notch ajudam a coordenar as etapas principais neste processo. Em camundongos, as mutações em Notch1, Dll1 ou Dll3, Lfng ou Hes7 resultam na formação anormal de somito. Da mesma forma, em humanos, as seguintes mutações podem levar ao desenvolvimento de disostose espondilocostal: DLL3, LFNG ou HES7. [65]

Diferenciação epidérmica Editar

A sinalização Notch é conhecida por ocorrer dentro das células ciliadas em diferenciação encontradas nas primeiras camadas epidérmicas durante o desenvolvimento inicial da pele. [66] Além disso, ele descobriu que a presenilina-2 funciona em conjunto com o ARF4 para regular a sinalização Notch durante esse desenvolvimento. [67] No entanto, ainda não foi determinado se a gama-secretase tem um papel direto ou indireto na modulação da sinalização de Notch.

Os primeiros achados sobre a sinalização Notch no desenvolvimento do sistema nervoso central (SNC) foram realizados principalmente em Drosófila com experimentos de mutagênese. Por exemplo, a descoberta de que um fenótipo letal embrionário em Drosófila foi associada à disfunção de Notch [68] indicou que as mutações de Notch podem levar à falha da segregação de células neurais e epidérmicas no início Drosófila embriões. Na última década, os avanços nas técnicas de mutação e nocaute permitiram a pesquisa sobre a via de sinalização Notch em modelos de mamíferos, especialmente roedores.

A via de sinalização Notch foi considerada crítica principalmente para a manutenção e autorrenovação da célula progenitora neural (NPC). Nos últimos anos, outras funções da via Notch também foram encontradas, incluindo a especificação das células gliais, [69] [70] o desenvolvimento de neuritos, [71] assim como o aprendizado e a memória. [72]

Edição de diferenciação de células neuronais

A via Notch é essencial para manter os NPCs no cérebro em desenvolvimento. A ativação da via é suficiente para manter os NPCs em um estado de proliferação, enquanto as mutações de perda de função nos componentes críticos da via causam diferenciação neuronal precoce e depleção de NPC. [25] Moduladores do sinal Notch, por exemplo, a proteína Numb são capazes de antagonizar os efeitos Notch, resultando na interrupção do ciclo celular e na diferenciação de NPCs. [73] [74] Por outro lado, a via do fator de crescimento de fibroblastos promove a sinalização de Notch para manter as células-tronco do córtex cerebral no estado proliferativo, totalizando um mecanismo que regula o crescimento da área de superfície cortical e, potencialmente, a girificação. [75] [76] Desta forma, a sinalização Notch controla a auto-renovação do NPC, bem como a especificação do destino da célula.

Um ramo não canônico da via de sinalização Notch que envolve a fosforilação de STAT3 no resíduo de serina na posição de aminoácido 727 e subsequente aumento da expressão de Hes3 (eixo de sinalização STAT3-Ser / Hes3) mostrou regular o número de NPCs na cultura e no cérebro de roedor adulto. [77]

Em roedores adultos e em cultura de células, Notch3 promove a diferenciação neuronal, tendo um papel oposto ao Notch1 / 2. [78] Isso indica que os receptores Notch individuais podem ter funções divergentes, dependendo do contexto celular.

Neurite development Edit

Em vitro estudos mostram que Notch pode influenciar o desenvolvimento de neurites. [71] Na Vivo, a deleção do modulador de sinalização Notch, Numb, interrompe a maturação neuronal no cerebelo em desenvolvimento, [79] enquanto a deleção de Numb interrompe a arborização axonal nos gânglios sensoriais. [80] Embora o mecanismo subjacente a esse fenômeno não seja claro, esses achados em conjunto sugerem que a sinalização Notch pode ser crucial na maturação neuronal.

Gliogenesis Edit

Na gliogênese, Notch parece ter um papel instrutivo que pode promover diretamente a diferenciação de muitos subtipos de células gliais. [69] [70] Por exemplo, a ativação da sinalização Notch na retina favorece a geração de células da glia Muller às custas dos neurônios, enquanto a sinalização Notch reduzida induz a produção de células ganglionares, causando uma redução no número de células da glia Muller. [25]

Função do cérebro adulto Editar

Além de seu papel no desenvolvimento, a evidência mostra que a sinalização Notch também está envolvida na apoptose neuronal, retração de neurite e neurodegeneração de acidente vascular cerebral isquêmico no cérebro [81]. Além das funções de desenvolvimento, proteínas Notch e ligantes são expressos em células do adulto sistema nervoso, [82] sugerindo um papel na plasticidade do SNC ao longo da vida. Camundongos adultos heterozigotos para mutações em Notch1 ou Cbf1 têm déficits no aprendizado espacial e na memória. [72] Resultados semelhantes são observados em experimentos com presenilinas 1 e 2, que medeiam a clivagem intramembranosa de Notch. Para ser específico, a deleção condicional de presenilinas 3 semanas após o nascimento em neurônios excitatórios causa déficits de aprendizagem e memória, disfunção neuronal e neurodegeneração gradual. [83] Vários inibidores da gama secretase que foram submetidos a ensaios clínicos em humanos na doença de Alzheimer e pacientes com MCI resultaram em piora estatisticamente significativa da cognição em relação aos controles, o que se acredita ser devido ao seu efeito incidental na sinalização de Notch. [84]

A via de sinalização Notch é um componente crítico da formação e morfogênese cardiovascular tanto no desenvolvimento quanto na doença. É necessário para a seleção da ponta endotelial e das células do caule durante a angiogênese germinativa. [85]

Desenvolvimento cardíaco Editar

A via do sinal Notch desempenha um papel crucial em pelo menos três processos de desenvolvimento cardíaco: desenvolvimento do canal atrioventricular, desenvolvimento do miocárdio e desenvolvimento do trato de saída do coração (OFT). [86]

Desenvolvimento do canal atrioventricular (AV) Editar

Desenvolvimento ventricular Editar

Desenvolvimento do trato de saída ventricular Editar

Angiogênese Editar

As células endoteliais usam a via de sinalização Notch para coordenar os comportamentos celulares durante o surgimento dos vasos sanguíneos que ocorre durante a angiogênese. [101] [102] [103] [104]

A ativação de Notch ocorre principalmente em células "conectores" e células que revestem vasos sanguíneos estáveis ​​patenteados por meio da interação direta com o ligante Notch, ligante 4 semelhante a Delta (Dll4), que é expresso nas células da ponta endotelial. [105] A sinalização de VEGF, que é um fator importante para a migração e proliferação de células endoteliais, [106] pode ser regulada para baixo em células com sinalização Notch ativada pela redução dos níveis de transcrição do receptor Vegf. [107] Embriões de peixe-zebra sem sinalização Notch exibem expressão ectópica e persistente do ortólogo de peixe-zebra de VEGF3, flt4, dentro de todas as células endoteliais, enquanto a ativação de Notch reprime completamente sua expressão. [108]

A sinalização Notch pode ser usada para controlar o padrão de brotamento dos vasos sanguíneos durante a angiogênese. Quando as células dentro de um vaso patente são expostas à sinalização de VEGF, apenas um número restrito delas inicia o processo angiogênico. Vegf é capaz de induzir a expressão DLL4. Por sua vez, as células que expressam DLL4 regulam negativamente os receptores Vegf em células vizinhas por meio da ativação de Notch, evitando assim sua migração para o broto em desenvolvimento. Likewise, during the sprouting process itself, the migratory behavior of connector cells must be limited to retain a patent connection to the original blood vessel. [105]

During development, definitive endoderm and ectoderm differentiates into several gastrointestinal epithelial lineages, including endocrine cells. Many studies have indicated that Notch signaling has a major role in endocrine development.

Pancreatic development Edit

The formation of the pancreas from endoderm begins in early development. The expression of elements of the Notch signaling pathway have been found in the developing pancreas, suggesting that Notch signaling is important in pancreatic development. [109] [110] Evidence suggests Notch signaling regulates the progressive recruitment of endocrine cell types from a common precursor, [111] acting through two possible mechanisms. One is the "lateral inhibition", which specifies some cells for a primary fate but others for a secondary fate among cells that have the potential to adopt the same fate. Lateral inhibition is required for many types of cell fate determination. Here, it could explain the dispersed distribution of endocrine cells within pancreatic epithelium. [112] A second mechanism is "suppressive maintenance", which explains the role of Notch signaling in pancreas differentiation. Fibroblast growth factor10 is thought to be important in this activity, but the details are unclear. [113] [114]

Intestinal development Edit

The role of Notch signaling in the regulation of gut development has been indicated in several reports. Mutations in elements of the Notch signaling pathway affect the earliest intestinal cell fate decisions during zebrafish development. [115] Transcriptional analysis and gain of function experiments revealed that Notch signaling targets Hes1 in the intestine and regulates a binary cell fate decision between adsorptive and secretory cell fates. [115]

Bone development Edit

Early em vitro studies have found the Notch signaling pathway functions as down-regulator in osteoclastogenesis and osteoblastogenesis. [116] Notch1 is expressed in the mesenchymal condensation area and subsequently in the hypertrophic chondrocytes during chondrogenesis. [117] Overexpression of Notch signaling inhibits bone morphogenetic protein2-induced osteoblast differentiation. Overall, Notch signaling has a major role in the commitment of mesenchymal cells to the osteoblastic lineage and provides a possible therapeutic approach to bone regeneration. [33]

Notch is implicated in development of alveoli in the lung. [118]

Role of Notch signaling in leukemia Edit

Aberrant Notch signaling is a driver of T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) [119] and is mutated in at least 65% of all T-ALL cases. [120] Notch signaling can be activated by mutations in Notch itself, inactivating mutations in FBXW7 (a negative regulator of Notch1), or rarely by t(79)(q34q34.3) translocation. In the context of T-ALL, Notch activity cooperates with additional oncogenic lesions such as c-MYC to activate anabolic pathways such as ribosome and protein biosynthesis thereby promoting leukemia cell growth. [121]

Notch inhibitors Edit

The involvement of Notch signaling in many cancers has led to investigation of notch inhibitors (especially gamma-secretase inhibitors) as cancer treatments which are in different phases of clinical trials. [2] [122] As of 2013 [update] at least 7 notch inhibitors were in clinical trials. [123] MK-0752 has given promising results in an early clinical trial for breast cancer. [124] Preclinical studies showed beneficial effects of gamma-secretase inhibitors in endometriosis, [125] a disease characterised by increased expression of notch pathway constituents. [126] [127]

It is possible to engineer synthetic Notch receptors by replacing the extracellular receptor and intracellular transcriptional domains with other domains of choice. This allows researchers to select which ligands are detected, and which genes are upregulated in response. Using this technology, cells can report or change their behavior in response to contact with user-specified signals, facilitating new avenues of both basic and applied research into cell-cell signaling. [128] Notably, this system allows multiple synthetic pathways to be engineered into a cell in parallel. [129] [130]


What is a Neural Pathway? (com fotos)

A neural pathway connects regions within the brain to one another or conveys information from the peripheral nervous system to the brain. Two major classes of neural pathways relay sensation to the brain or carry signals for movement to the body from it. They both consist of long, insulated nerve fibers that communicate electrically or by a chemical neurotransmitter. Spinal reflex pathways are local pathways that provide quick responses to sudden stimuli without feedback from the brain.

The long nerve axons that comprise a neural pathway are called white matter because of their insulating substance, myelin. This insulation improves electrical conduction speed over the distances axons cover in the body. In the brain, local connections can occur between unmyelinated neuronal cell bodies, called gray matter. Some neural pathways are actually distinct fibers that serve different functions, as with the corpus callosum, which connects many regions of the right and left hemispheres of the brain.

Some reflex pathways operate without the brain. In the knee-jerk reflex, a sensory neuron coming from the knee synapses with a motor neuron in the spinal cord, which causes a muscle to contract in one leg and the same muscle to relax in the opposite leg. The process happens more swiftly than it would if mediated by the brain. More complex neural pathways are not truly reflexive, but instead receive feedback from the higher regions of the brain, like the cerebral cortex. This slows down the rate that signals travel through them.

A sensory neural pathway relays sensation from the body to the brain, while motor pathways carry instructions from the brain to the muscles that control voluntary movement. One motor neural pathway is the corticospinal or pyramidal tract. Running from the motor region of the cortex to the spinal cord, the pyramidal tract then crosses into two separate pathways that each control movement on one-half of the body. The corticobulbar tract moderates voluntary movement of the facial muscles, and runs from the cortex to the brain stem nuclei that control the cranial nerves of the face. The arcuate fasciculus pathway connects the neurons that process speech recognition with those needed to imitate sounds vocally.

Within the brain, some pathways work through a specific chemical messenger, called a neurotransmitter. For instance, dopamine is used in many pathways to effect motivation, reward, and fine-motor control, among many other functions. Dopamine is the neurotransmitter of the mesocortical neural pathway that modulates reward behavior from the midbrain to the frontal lobes of the cerebral cortex. Since the dopamine-based nigrostriatal pathway assists fine motions, it is frequently diseased in movement disorders such as Parkinson's disease.


The Embryo Project Encyclopedia

The hedgehog signaling pathway is a mechanism that directs the development of embryonic cells in animals, from invertebrates to vertebrates. The hedgehog signaling pathway is a system of genes and gene products, mostly proteins, that convert one kind of signal into another, called transduction. In 1980, Christiane Nüsslein-Volhard and Eric F. Wieschaus, at the European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg, Germany, identified several fruit fly (Drosophila melanogaster) genes. They found that when those genes were changed or mutated, the mutated genes disrupted the normal development of fruit fly larvae. The researchers called one of the genes hedgehog (abbreviated hh) Nüsslein-Volhard, Wieschaus, and Edward B. Lewis, at the California Institute of Technology in Pasadena, California, shared the 1995 Nobel Prize for Physiology or Medicine for their research on how genes control early embryonic development in fruit flies. The hedgehog signaling pathway is conserved across many animal taxa, or phyla, from Drosófila para os humanos. The hedgehog signaling pathway controls several key components of embryonic development, stem-cell maintenance, and it influences the development of some cancers.

In the 1970s, Nüsslein-Volhard and Wieschaus studied mutations in genes that altered the head to tail (anterior-posterior) body plan of Drosófila larvas. The larval body plan of normal Drosófila is composed of segments. Nüsslein-Volhard and Wieschaus in their 1980 article identified several genetic mutations that disrupted the Drosófila larval body plan, including segment number, the pattern of the segments, and their orientations. The anterior portion of the bottom, or ventral, side of each segment is marked with a row of pointed cuticle projections, called denticles. The posterior portion is devoid of denticles, and is described as naked. Nüsslein-Volhard and Wieschaus found that several gene mutations caused the denticles on a larva to duplicate in number, resulting in loss of all or some of the naked portions of the larva's segments.

In one gene mutation, the denticles sticking out of the segment in all directions formed a pattern that resembled that of a hedgehog's spines, prompting Nüsslein-Volhard and Wieschaus to name the mutated gene hedgehog. They designated the hh gene as a segment polarity gene because the duplicated denticles were oriented in the reverse direction from the normal denticles, a phenomena described by researchers as having reverse polarity in each segment.

Into the early 1990s, most of the research about the hh gene concentrated on the hh gene in Drosófila. Researchers analyzed the fruit fly hh gene and manipulated cells within developing Drosófila embryos, or fragments of the embryos grown in lab cell cultures. Researchers determined that the hh gene encodes a novel signaling family of hh proteins that mediates interactions between cells and has long-range effects in developing Drosófila embriões. In 1985, Alfonso Martinez-Arias and Philip W. Ingham in the UK reported that for Drosófila larvae to develop normally, segment polarity genes had to be expressed precisely and with integration to genes that control the differentiation for each segment, called homeotic genes.

In 1992, three groups published descriptions of the complete DNA sequence of hh gene in Drosófila. The first included Jym Mohler and Kodela Vani at Barnard College in New York, New York. The second was Phillip A. Beachy's group at Johns Hopkins University School of Medicine in Baltimore, Maryland. The third was Thomas B. Kornberg's group at the University of California at San Francisco, in San Francisco, California. The analysis of the DNA sequence data of the Drosófila hh gene led to the discovery of similar genes, or homologs, of the Drosófila hh gene in vertebrates. The DNA analysis also revealed a high degree of conservation of the parts of the hedgehog signaling pathway among and between species. In December 1993, other research groups published descriptions of the complete DNA sequences of several homologs to the Drosófila hh gene in vertebrates.

Unlike flies, which have only one hh gene, researchers found that there are several hh genes in vertebrates, including upwards of five hh genes in zebrafish, and three hh genes in mammals. Ingham's group at the Molecular Embryology Laboratory in Oxford, UK, identified the hh gene family in zebrafish (Danio rerio) Clifford Tabin's group at Harvard Medical School in Boston, Massachusetts, isolated the vertebrate gene Sonic hedgehog (Shh), which is related to the Drosófila hh gene. The scientists isolated the gene from the area that genetically instructs the developing limb, or limb bud, called the zone of polarizing activity (ZPA) in chicks (Gallus gallus) Andrew P. McMahon's group at Harvard University in Cambridge, Massachusetts, identified three members of the hh gene family in mice (Mus musculus) They labeled those three genes as Shh, Desert hedgehog (Dhh), e Indian hedgehog (Ihh) By 2015, researchers had concluded that the protein sequence of the Dhh protein is the most closely related of the three gene products to the Drosófila hh protein. Ihh e Shh DNA sequences indicate that those genes are more closely related to each other than to the Dhh gene, and scientists said that those two genes resulted from a more recent evolutionary duplication.

Drosófila hh gene and vertebrate homologs function to provide cells with positional information in developing organisms. Drosófila embryos lacking hh genes die, revealing changes in their cuticle pattern, which suggests that Drosófila require the gene for survival. No Drosófila, in addition to its role in pattering embryonic segments, the hh gene expression is in parts of the insect larvae that become the adult legs and wings, called the imaginal discs. The imaginal discs are similar in developmental function to the limb buds in vertebrates.

The hedgehog signaling pathway participates in the development of many tissue and organs. M. Michael Cohen, Jr., at Dalhousie University in Halifax, Nova Scotia, titled his 2003 article "The Hedgehog Signaling Network," due to the complexity of the interactions between the many genes and secreted hh proteins. The hedgehog signaling network incorporates many genes and proteins to function correctly. The hedgehog signaling network influences the transcription of many different target genes that vary between tissues, cell types, and phylas.

By the second decade of the twenty-first century, the description of the hedgehog signaling pathway consisted of at least two parts, which were the cells that produce hh protein, and the cells that respond to the hh proteins. A partir de hh genes in the DNA of it nucleus, a cell that produces the protein first transcribes the hh protein as a string of amino acids, called a precursor protein, and processes the protein in the cell's cytoplasm, a process that yields an active protein with two lipid molecules. The two lipid molecules are a cholesterol on the C-terminal end of the active protein, and the lipid palmitate on the N-terminal end of the active protein. The two lipid molecules are necessary for the hh protein to be transported and attached to the cell surface membrane, and to establish a gradient of the protein in the extra cellular space. The processed hh protein is transported to the cell surface where it attaches with the lipid molecules to the outside of the cell membrane. Another protein embedded in the membrane, called a trans-membrane protein, named Dispatched, releases the active hh protein, called the hh ligand, into the space between cells, called an extra cellular space, where multiple hh ligands form a concentration gradient.

Other cells respond to the hh proteins. Each one of those cells has a protein, called Patched (Ptch), that spans through the cell's membrane and functions as a receptor for the hh ligand by physically attaching to it. Without the hh ligand attached to it, Ptch normally inhibits another trans-membrane protein called Smoothened (Smo), which itself prevents specific genes from transcribing RNA. When the hh ligand binds to the Ptch protein, it activates the Smo protein. The Smo proteins interact with other molecules, which interact with others, in a process described as the hh signal cascading or transducing through the cell's cytoplasm and into the nucleus. Finally, molecules, connected in a chain or pathway of molecular interactions that was spurred by the hh ligand, attach to parts of the DNA in the nucleus, and they initiate specific genes to produce RNA and proteins, or they inhibit specific genes from doing so. Molecules that activate or inhibit other genes from producing RNA and proteins are called transcription factors. No Drosófila, many of those transcription factors are called Cubitus interrupts (Ci), while in vertebrates many are classed in the GLI family of proteins.

o hh gene was the focus of much research by developmental biologists in the three decades after its first description. Researchers identified molecules that underpin mechanisms and processes that the hedgehog pathway controls. In the first decades of the twenty-first century, researchers studied the mechanism of how hh proteins function in short-range and long-range signaling between cells. They found that hh proteins distribute in tissues in a steep gradient, with high concentrations near the producing cells and lower amounts farther away from the producing cells. The lipids at either end of the hh ligand have some affinity for hh protein receptors, but their main function is to move the hh ligand through the tissue and establish the gradient.

The notochord, a flexible rod-shaped structure in vertebrate embryos, defines the primary axis of those embryos. The notochord is located under the neural tube and it secretes the Shh protein, which forms the gradient. The gradient of Shh protein specifies several distinct neuronal cell fates, designated as V0, V1, V2, and V3 interneurons, and it specifies motor neurons in the neural tube, which is an embryo's precursor to the central nervous system. The cells of a specialized structure, called the Floor Plate, respond to the highest concentration of Shh protein secreted by the notochord, and they become glial cells, which are cells that support neurons of the nervous system. The Floor Plate glial cells begin to secrete Shh protein themselves. The remaining neural tube cells develop various neural fates, which are specified by different concentrations of Shh protein signaling. After the Floor Plate forms, the V3 interneurons, motor neurons, V2, and V1 interneurons respond to decreasing concentrations of Shh protein, with V0 interneurons responding to the lowest concentration of Shh protein.

There are similarities between the pattering of the neural tube in vertebrates and wing patterning of Drosófila. Mutations and improper development of this pathway lead to various embryonic defects and birth defects, especially those affecting the brain, head, and limbs. Too little hh protein signaling in Drosófila can kill embryos or lead to embryos with abnormal wings. In humans, malfunctions, mutations, and incorrect regulation of the hh signaling pathway are commonly associated with birth defects and cancers. Cancers such as basal cell carcinoma, which is a skin cancer, or medulloblastoma, which is a brain cancer in children, are potential consequences of mutations to the hh caminho.

Se Shh activity is lost in mammals, it can lessen the number of cells in the forebrain and cause the forebrain to fail to develop into two hemispheres. Scientists call the disorder holoprosencephaly. In fetuses, severe cases holoprosencephaly causes brain and facial defects, and the death of the fetus. In mild cases, brain development is closer to normal and facial defects are restricted to specific areas, such as cyclopism or having only one eye. Other examples of birth defects that result from a mutation in hh signaling are Gorlin syndrome, which increases the risk of tumors, and Greig cephalopolysyndactyly syndrome, which affects head, face, and limb development. People with this disorder can have more digits than normal, webbed digits, a large forehead and head, learning disabilities, and seizures. Because the pathway can control cell proliferation, mutations or too much of the hh signaling in the pathway can lead to cancer.


Existence of new neuron repair pathway discovered

Other parts of your body -- such as skin and bone -- can be replaced by the body growing new cells, but when you injure your neurons, you can't just grow new ones instead, the existing cells have to repair themselves.

In the case of axon injury, the neuron is able to repair or sometimes even fully regenerate its axon. But neurons have two sides -- the axon (which sends signals to other cells) and the dendrite (which receives signals from other cells).

Melissa Rolls, an associate professor of biochemistry and molecular biology at Penn State and director of the Huck Institutes' Center for Cellular Dynamics, has done extensive comparisons of axons and dendrites -- culminating recently in a paper published in Relatórios de Célula.

“We know that the axon side can repair itself,” says Rolls, “and we know a bunch of the molecular players. But we really didn't know whether neurons have the same capacity to regenerate their dendrites, and so that's what we set out to find in this study.”

“Our lab uses a Drosófila model system, where the dendrites are very accessible to manipulation,” she says, “so we decided that we would start by removing all the dendrites from the neurons to see if they could regenerate. We didn't start with anything subtle, like taking off just a few dendrites. We said 'Let's just push the system to its maximum and see if this is even possible.' And we were surprised because we found that not only is it possible, it's actually much faster than axon regeneration: at least in the cells that we're using, axon regeneration takes a day or two to initiate, while dendrite regeneration typically initiates within four to six hours and it works really well. All the cells where we removed the dendrites grew new dendrites – none of them died so it's clear that these cells have a way to both detect dendrite injury and initiate regrowth of the injured part.”

Further inquiry

Having confirmed the neurons' ability to initiate dendrite regeneration, the researchers then set out to find the injury surveillance system used by the cells to detect dendrite injury.

“We wanted to know,” says Rolls, “whether these cells were using the same kind of injury surveillance system for both the axons and the dendrites. In the case of axon injury, there's a kinase -- a signaling molecule -- called DLK that is known to be used to initiate axon regeneration in everything from soil nematodes to Drosófila to mammals. We confirmed that in the cells we were studying, the DLK signaling molecule is required for axon regeneration, and then we did the same experiment to see whether DLK was required for dendrite regeneration -- and it turns out that it's not.”

Using a technique known as RNA interference (RNAi) to block the synthesis of the DLK kinase, and also by using Drosófila strains where the DLK gene is mutated, the researchers observed that the dendrites regrow normally without DLK. The researchers also used reporter strains to observe activity in the DLK pathway, and various loss-of-function approaches -- all of which showed DLK's involvement in axon regeneration, but never in dendrite regeneration.

“Since this paper came out,” says Rolls, “we've tested a bunch of other pathways that are known to be required for axon regeneration, and none of them are required for dendrite regeneration -- which is kind of cool, because it means that these cells have a way that we didn't even know about to respond to dendrite injury, and it means we essentially know nothing about that process. We don't know how they sense the injury, or what they have to do to regrow dendrites. And so that's something we're now trying to figure out.”

Rolls Lab

Rolls -- a faculty member of the Huck Institutes' graduate programs in cell and developmental biology, genetics, and neuroscience at Penn State – advises students from each program who also work in her lab and who performed the experiments for this study.

Li Chen

Li Chen, a PhD student in the Cell and Developmental Biology program, is studying the signaling mechanisms involved in axon regeneration and piloted several of the tools used by the Rolls Lab to distinguish axon and dendrite regeneration, including a reporter assay for the DLK pathway.

“Basically,” says Chen, “I pioneered an assay to tell us about the activation of proteins in the DLK pathway the reporter -- a fluorescent protein -- functions as a tool for us to know whether the proteins are activated or not after the axon is damaged, and my role was to test whether the reporter would work. Now that we've validated the reporter, we can do further assays to compare how cells are able to tell the difference between axon injury and dendrite injury.”

Michelle Stone

Michelle Stone, a PhD student in the Genetics program and the paper's first author, performed the study's initial, foundational experiments -- characterizing the process of dendrite regeneration, testing for molecular requirements of regeneration, and confirming the ability of neurons to regenerate in both adult and larval Drosófila.

“I did all the initial studies,” says Stone, “the first experiments of cutting all the dendrites off our neuron samples to see whether they would regenerate, and then quantitating how they regenerated. I also did experiments in live adult Drosófila, using a pulsed UV laser on a confocal microscope to cut off dendrites -- which was a little tricky, because it was hard to keep the adults from getting squashed on the slide -- but we were able to see that there was sprouting in those cells where the dendrites had been cut. Then I did the assays and other experiments showing that the DLK pathway was not involved in dendrite regeneration, whereas for axon regeneration it really is required.”

Rich Albertson

Rich Albertson, an MD/PhD student currently completing his doctoral work in the Neuroscience program, was responsible for quantifying the extent of dendrite injury required to initiate regeneration and determining the significance of the injury's proximity to the cell body. Now he is beginning the next phase of the project -- identifying the molecular players required for dendrite regeneration.

With the help of a seed grant from the Huck Institutes Core Facilities, Albertson is using the Microscopy and Cytometry Facility's laser-capture microdissection system to sample individual injured neurons from those neurons, Albertson extracts RNA samples for next-generation sequencing by the Genomics Core Facility.

“In my pilot experiments,” says Albertson, “I've been doing a proof of concept using qPCR to investigate effects, at the RNA transcript level, of axon injury. Once we've sequenced the samples, we can align those short reads with the genome and count the total number of reads -- which will tell us how many transcripts are present and whether their numbers are going up or down compared to an uninjured control. We'll do this with neurons that have their dendrites cut off, and we'll find genes that are being upregulated or downregulated, and we'll then feed those data into our functional studies and test them to find which candidates are required for dendrite regeneration.”

Collaborative advancement

The Rolls Lab has recently launched a new collaboration with a lab at UCLA to investigate the possibility of equivalent or similar dendrite regeneration processes existing in vertebrates -- with the hope of finding potential applications in several scenarios: stroke (which involves neuron damage in the central nervous system) and peripheral neuropathy (a loss of sensation in the periphery, often induced by diabetes or chemotherapy).

“We don't yet know in which, if either, of these scenarios dendrite regeneration will happen,” says Rolls, “but this is an issue that we really need to resolve. Now that we've found that Drosophila sensory endings don't use the DLK pathway to regenerate, we want to look in the vertebrate system and try to figure it out. In an era when we feel as though we've identified most of the basic biological processes, it's fascinating to find that there's something we don't know, that our hypotheses were all wrong, and that things are, in fact, wide open for exploration.”


Reconhecimentos

We thank Paul Datlinger, André Rendeiro, Christian Schmidl, and Thomas Krausgruber for sharing the TCR dataset Patricia Carey for HPC cluster maintenance at CeMM the Vienna Scientific Cluster for their HPC support Jörg Menche, Sylvia Knapp, Wilfried Ellmeier, Murat Tugrul, Lukas Folkman, Eugenia Iofinova, Stephan Reichl, Thomas Krausgruber, and Matthias Farlik for insightful discussions and various other members of the Bock lab and of CeMM for their help and advice.

Peer review information

Barbara Cheifet was the primary editor on this article and managed its editorial process and peer review in collaboration with the rest of the editorial team.

Review history

This manuscript was previously reviewed at another journal so review history is not available.