Дофамин, мощный мозговой химикат и нейротрансмиттер, является ключевым регулятором многих важных функций, таких как внимание, получение удовольствия и вознаграждения, а также координация движений. Мозг жестко регулирует выработку, высвобождение, инактивацию и сигнализацию дофамина посредством множества генов, идентичность и связь которых с человеческими заболеваниями продолжают расширяться.

Расстройства мозга, связанные с измененной дофаминергической сигнализацией, включают расстройство, вызванное употреблением психоактивных веществ , синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), аутизм, биполярное расстройство, шизофрению и болезнь Паркинсона. Сложность человеческого мозга и его расстройств, связанных с дофамином, побудили многих исследователей искать информацию у более простых организмов, гены которых поразительно похожи на гены человека, и где возможности для генетического понимания болезней могут быть реализованы более эффективно и недорого.

С помощью крошечного прозрачного червя Caenorhabditis elegans исследователи из Флоридского Атлантического университета выявили новых участников дофаминовой сигнализации, воспользовавшись мощной платформой, созданной в рамках проекта «Миллион мутаций» (MMP) для быстрой идентификации мутантных генов на основе их функционального воздействия.

Ключевым ресурсом MMP является коллекция из 2007 штаммов червей, имеющих химически индуцированные генные мутации . Геномы каждого штамма были полностью секвенированы, информация заархивирована и доступна через Интернет, и все штаммы доступны для использования в исследованиях. В общей сложности коллекция или «библиотека» MMP содержит более 800 000 уникальных генетических изменений.

В среднем каждый ген в геноме червя имеет около восьми различных мутаций, которые изменяют вырабатываемый белок, что дает множество возможностей связать нарушение работы гена с изменениями в физиологии и поведении.

«Мы обратились к C. elegans, чтобы более эффективно прояснить генетические, молекулярные и клеточные основы нейронной сигнализации, чем мы могли бы сделать с помощью моделей грызунов», — сказал Рэнди Д. Блейкли, доктор философии, старший автор, исполнительный директор Института мозга Стайлза-Николсона FAU, заслуженный профессор нейронауки имени Дэвида Дж. С. Николсона и профессор биомедицинских наук в Медицинском колледже Шмидта FAU.

«Оказывается, белки, участвующие в регуляции дофамина у C. elegans, в значительной степени сохранились на протяжении всей эволюции, что позволяет предположить, что уроки, полученные на примере более простого организма с гораздо более простым «мозгом», могут дать подсказки относительно расстройств, связанных с дофамином, или о том, как лучше их лечить».

Почти 20 лет назад группа Блейкли выявила существенное изменение поведения у червей при изменении сигналов дофамина, которое получило название «паралич, вызванный плаванием» (Swip).

«Мы обнаружили, что неспособность сдерживать действие дофамина приводит к тому, что черви замирают через несколько минут после помещения их в воду, тогда как нормальные черви будут метаться в течение 60 минут и более», — сказал Блейкли.

Чтобы найти новые гены, вовлеченные в сигнализацию дофамина, Осама Рефаи, доктор философии, первый автор и бывший научный сотрудник; Питер Родригес-младший, соавтор и аспирант; и Зайна Гичи, соавтор и научный сотрудник, все в лаборатории Блейкли, протестировали 300 строк в библиотеке MMP, чтобы найти червей, которые демонстрировали поведение Swip. Они использовали блокатор сигнализации дофамина, чтобы проверить, могут ли черви возобновить плавание, тем самым подтвердив, что избыточная сигнализация дофамина была причиной их Swip.

С этого момента, когда мутации этого штамма уже были сопоставлены с конкретными генами, группа могла очень быстро идентифицировать ген, изменение которого вызвало паралич.

Результаты этих усилий, опубликованные в журнале Journal of Neurochemistry , включали новые мутации в гене червя, кодирующем транспортер дофамина (dat-1), который функционирует для удаления дофамина из синапсов после высвобождения и который ранее использовался для идентификации фенотипа Swip.

«Хотя обнаружение мутаций в гене dat-1, о котором мы уже знали, не достигло нашей цели, это открытие дало нам уверенность в том, что наш скрининг сработал так, как задумано, и что нас могут ждать открытия в мутировавшем геноме других наших линий Swip», — сказал Блейкли.

Действительно, дальнейший скрининг Swip выявил удивительный ген, мутация которого привела к образованию Swip у червей и людей, что приводит к редкому генетическому заболеванию, известному как синдром Барде-Бидля (BBS). Мутации в BBS возникают в нескольких белках, которые вместе функционируют как более крупный белковый комплекс, называемый BBSome. В соответствии с более крупным белковым комплексом в работе, команда Блейкли обнаружила, что мутации во всех гомологах BBSome червей привели к образованию Swip.

Известно, что комплекс белков BBSome играет решающую роль в транспорте белков и липидов внутри клетки, и в частности в крошечных волоскообразных расширениях, которыми обладают многие клетки, называемых первичными ресничками. Дофаминовые нейроны червя обладают первичными ресничками, которые позволяют червю осязать окружающий мир.

За последние несколько лет ученые обнаружили, что многие, если не все нейроны в мозге млекопитающих обладают первичными ресничками, которые также могут регулировать клеточную сигнализацию. По словам Блейкли, белки BBSome работают над тем, чтобы эти выступы несли надлежащее количество и виды каналов и рецепторов, которые будут определять возможности клеточной сигнализации.

«Наши результаты показывают, что потеря BBS-1 в дофаминовых нейронах червей приводит к избыточной сигнализации нейротрансмиттера, который, как известно, подавляет двигательные нейроны, контролирующие движение. Один из механизмов, который мы рассматриваем, включает роль BBS-1 и других белков BBSome в сопровождении белка, кодируемого dat-1, на поверхность клетки для поддержания низкого уровня внеклеточного дофамина и, таким образом, не допуская полного прекращения движения», — сказал Блейкли.

«Действительно, в более раннем скрининге мы идентифицировали другой ген, мутация которого действует именно таким образом, и обнаружили, что сверхэкспрессия этого гена у нашего мутанта BBS-1 восстановила полноценное плавательное поведение».

В предыдущих исследованиях Блейкли и его команда использовали химический мутагенез для мутации геномов червей, чтобы найти мутантов Swip. Хотя в этих усилиях группе потребовалось шесть месяцев или больше, чтобы найти настоящую «иголку в стоге сена», охоту за одним изменением основания ДНК среди миллионов, составляющих геном червя.

«По сравнению с нашими предыдущими попытками скрининга подход на основе ММП позволил нам значительно ускорить работу. Вместо того чтобы картировать и секвенировать для выявления мутаций в штамме, мы могли бы просто просмотреть известные мутации в этой линии, а затем сузить круг генов-виновников, напрямую и почти немедленно протестировав конкретных кандидатов», — сказал Блейкли.

Используя библиотеку MMP, исследователи смогли провести скрининг более 23 000 мутаций отдельных нуклеотидов в 300 штаммах MMP и номинировать гены-кандидаты в течение нескольких дней после идентификации линии, демонстрирующей дофамин-зависимый Swip. Первоначальные усилия исследователей по поведенческому скринингу охватили около 15% библиотеки MMP и привели к идентификации 10 штаммов, девять из которых сейчас находятся в очереди на идентификацию новых генов.

«Учитывая существенное медицинское воздействие измененной сигнализации дофамина при множественных нейроповеденческих расстройствах, дальнейшие исследования того, как белки BBSome регулируют транспортер дофамина, могут привести к появлению новых стратегий лечения», — сказал Блейкли.