Эрик Карл в своей любимой детской книге «Очень голодная гусеница» рассказывает нам о превращении прожорливой гусеницы в прекрасную бабочку. Однако для ученого эта книга - ящик вопросов Пандоры. Как гусеница узнает, когда перестать есть? Если бы он не съел так много, перешел бы он когда-нибудь в кокон?
Группа исследователей из Национального центра биологических наук в Бангалоре обнаружила набор нейронов, который определяет решение личинки окукливаться, особенно когда ей не хватает питательных веществ. Группа под руководством профессора Гаити Хасана исследовала этот вопрос у плодовых мушек, чтобы понять, как они интегрируют внутренние и экологические пищевые сигналы для принятия решений об окукливании.
Как и многие насекомые, плодовые мушки проходят определенные этапы развития. Личинки вылупляются из яиц и жадно питаются, пока не достигнут «критического веса». Достижение критического веса дает личинкам право на окукливание, даже если они впоследствии умирают от голода. Тем не менее, личинки должны понимать условия бедности питательными веществами и следить за тем, чтобы процессы развития не мешали на стадии куколки, критической фазе, когда личинка готовится превратиться во взрослую форму. Это исследование, недавно опубликованное в Journal of Neuroscience, определило нейронные и молекулярные переключатели, которые сигнализируют о развитии в условиях ограничения питательных веществ.
Предыдущая работа той же группы выявила набор нейронов в личиночном вентральном ганглии, который регулирует окукливание при диете с дефицитом белка. Вентральный ганглий мух аналогичен спинному мозгу позвоночных. Было обнаружено, что эти нейроны являются глутаматергическими по своей природе, то есть они производят и выделяют возбуждающий нейротрансмиттер, глутамат, для связи со своими соседями..
Однажды вечером Сиддхарт, один из ведущих авторов этой статьи, решил провести забавный эксперимент. Он активировал специфические глутаматергические нейроны вентрального ганглия и заметил, что эти животные преждевременно окукливаются, но умирают во взрослом состоянии. То, что началось как случайный эксперимент, стало трамплином для этого исследования.
Убежденный, что определенные глутаматергические нейроны вентральных ганглиев играют центральную роль в этом переключении развития, Сиддхарт решил проверить, могут ли эти нейроны ощущать потерю питательных веществ из окружающей среды. Имитируя лишение питательных веществ в чашке Петри, Сиддхарт обнаружил, что глутаматергические нейроны вентральных ганглиев на поздних личиночных стадиях демонстрируют характерные колебания кальция.«Кальциевые транзиенты», как их еще называют, являются типичным языком нейронной коммуникации. Однако эти переходные процессы кальция отсутствовали в нейронах личинок, взятых с более ранней стадии развития, что указывает на то, что такие ответы были специфичными для стадии.
Глутаматергические нейроны расположены глубоко внутри личиночной нейронной сети. Как же тогда они могли ощущать потерю питательных веществ во внешней пище? Авторы показывают, что это осуществляется холинергическими нейронами, классом нейронов, которые украшают стенку тела личинки и производят нейротрансмиттер ацетилхолин. В частности, холинергические нейроны ощущают потерю аминокислоты аргинина с помощью переносчика аминокислот под названием «Slimfast». Используя аргинин в качестве заменителя, холинергические нейроны передавали информацию о питании глутаматергическим нейронам, что приводило к кальциевым волнам. Что еще более усложняет ситуацию, эти глутаматергические нейроны не только имели рецепторы для приема холинергических входов, но также были обнаружены рецепторы, которые могли захватывать нейропептидные сигналы. Другие группы показали, что нейропептиды образуются в мозге и других органах при голодании. Таким образом, глутаматергические нейроны интегрируют информацию о питательных веществах из окружающей среды и внутренних тканей.
Какие молекулы генерируют эти переходные процессы кальция, спросил Шлеша, еще один ведущий автор этой статьи. Эксперименты по визуализации и секвенированию генов глутаматергических нейронов показали, что переходы кальция регулируются ионными каналами на плазматической мембране, а также каналами, расположенными во внутриклеточных компартментах клетки, такими как рецептор инозитол-трифосфата (IP3R) и сенсор кальция., СТИМ. На самом деле было обнаружено, что функция STIM регулирует экспрессию генов ионных каналов в глутаматергических нейронах, тем самым модулируя их коэффициент «возбудимости».
Наконец, авторы решили понять, как эти кальциевые волны в глутаматергических нейронах сигнализируют о решении окукливаться.
При дефиците белка в определенных глутаматергических нейронах генерируются переходные процессы кальция. Это служит сигналом к высвобождению инсулиноподобных нейропептидов из нейронов, расположенных выше в личиночном мозгу. Известно, что высвобождение инсулиноподобных пептидов подталкивает личинок к окукливанию», - объясняет профессор Гаити Хасан, руководитель группы.
Итак, в отсутствие еды голодная гусеница, возможно, все еще добралась до кокона - благодаря этой сети восприятия питательных веществ в ее мозгу.