Genen die invloed hebben op herinneren, vergeten en leren

Volgens een studie gepubliceerd in het nummer van 30 maart van het tijdschrift Cell, hebben biologen van de Universiteit van Utah ontdekt dat bepaalde genen en eiwitten die de groei en ontwikkeling van embryo's bevorderen, ook helpen bij het overbrengen van chemische signalen die mensen helpen bij het leren, vergeten, onthouden en misschien zelfs verslaafd raken.
Senior auteur van de studie, biologie professor Andres Villu Maricq zei:

"We ontdekten dat deze moleculen en signaalwegen [genaamd Wnt] niet stoppen na de ontwikkeling van het organisme, maar een nieuwe en verrassende rol spelen bij de volwassene. Ze worden teruggeroepen om de eigenschappen van het zenuwstelsel te veranderen als reactie op ervaring."

De onderzoekers voerden het onderzoek uit in C. elegans - de millimeter-lange rondworm of nematode. C. elegans worden veel gebruikt in onderzoek als een modelorganisme voor gewervelde dieren, waaronder mensen.
Omdat studies al hebben aangetoond dat andere Wnt-routes in wormen ook bij mensen werken, speculeren de onderzoekers dat Wnt-genen, de Wnt-eiwitten die ze genereren en de zogenaamde "Wnt-signalering", ook een rol spelen in het menselijke geheugen, leren en vergeten.
Maricq uitgelegd:

"Bijna zeker is wat we hebben ontdekt ook in ons brein aan de gang." Een menselijke nicotinereceptor die betrokken is bij verslaving, schizofrenie en sommige andere mentale stoornissen, is vergelijkbaar met een worm-zenuw-signaal "receptor" en volgens Maricq vertegenwoordigen enkele van de genen die in de studie zijn geïdentificeerd mogelijke nieuwe doelen voor de behandeling van schizofrenie en misschien verslaving."

Tijdens de ontwikkeling van het embryo is bekend dat Wnt-genen en hun eiwitten de ontwikkeling en distributie van organen in het lichaam "structureren". Bovendien zijn ze, wanneer ze gemuteerd zijn, verantwoordelijk voor ontwikkelingsstoornissen en verschillende soorten kanker.

De basis van leren en geheugen

Synapsen zijn de verbindingen tussen neuronen (zenuwcellen) die elektrische of chemische signalen doorlaten naar een andere cel. Leren en geheugen spelen een rol in hoe synapsen worden geproduceerd, vernietigd, versterkt of verzwakt. Receptoren (eiwitten) worden overgebracht naar of verwijderd uit de synapsen om de verbinding sterker of zwakker te maken.
De onderzoekers identificeerden een "Wnt-signaleringsroute" - een reeks genen en de eiwitten die ze produceren - die de transmissiesterkte van een zenuwsignaal van het ene neuron naar het andere reguleert. Dit maakt "plasticiteit" van synapsen mogelijk - een essentiële component in leren, herinneren en vergeten.
Maricq uitgelegd:

"Het volwassen zenuwstelsel is geen stilstaand weefsel, maar eerder dynamisch en plastisch, met de kracht van synapsen - gespecialiseerde neuron-tot-neuronverbindingen - veranderen met ervaring, leren en geheugen. Het is geen vast ding, zoals wanneer je gedaan met het maken van het hart, je bent klaar. "

Volgens Maricq leert een organisme en herinnert het zich wanneer receptoren de verbinding versterken; wanneer receptoren worden verwijderd en de verbinding wordt verzwakt, vergeet het organisme.
Synapsen worden versterkt of verzwakt wanneer een neuron een zenuwsignaal uitzendt en een chemische stof vrijmaakt die bekend staat als een neurotransmitter voor een ander neuron. Deze neurotransmitter reist door de verbinding tussen de twee cellen en hecht zich aan receptoren op het oppervlak van het tweede neuron.
Maricq zei:

"Je kunt denken aan receptoren zoals versterkers, zoals hoorapparaten.
Het volume van het ontvangen zenuwsignaal hangt af van het aantal receptoren dat wordt opgeslagen in een voorraadplaats net onder het oppervlak van de zenuwcel.
De Wnt-signalering geïdentificeerd in de nieuwe studie vertelt het depot om meer receptoren in de synaps te plaatsen - of niet. "

Maricq benadrukt dat het chemische Wnt-signaal in het onderzoek acetylcholine was en verschilt van het werkelijke zenuwsignaal dat door een chemisch neurotransmitter wordt uitgezonden.
Maricq zei:

"Het Wnt-signaal is een secundair signaal dat het volume van regelt
het neurotransmittersignaal. "

Zenuwsignaalvolumeregeling - Wormen zorgen voor inzicht

Het team identificeerde de "signaalroute" door verschillende genen in de wormen te verzwakken. Ze ontdekten dat één neuron een zenuwsignaalreceptor genaamd acetylcholine (ACR-16) naar een ander neuron overbrengt om het aantal receptoren op zijn oppervlak te verhogen, waardoor de sterkte van zenuwsignalen tussen de neuronen wordt verhoogd.
De onderzoekers ontdekten dat toen ze het gen dat het ACR-16-receptoreiwit produceert verzwakt, er niet genoeg receptoren waren, dus zenuwsignalen werden verstoord en de wormen "hadden een ongecoördineerde beweging", aldus Maricq. "Ze waren semi-verlamd."
Het team ontdekte varianten van andere genen die ook verzwakte ACR-16-receptoren veroorzaakten en de beweging van de wormen belemmerden. Zij vonden dat deze genen behoren tot de "Wnt-signaleringsroute" die een voldoende hoeveelheid receptoren op het celoppervlak plaatsen om signalen te ontvangen.
Naast ACR-16 produceerden genen in die route eiwitten genaamd CWN-2 - wat een Wnt-eiwit is - LIN-17, CAM-1 en DSH-1. Hoe het pad de sterkte van inkomende zenuwsignalen controleert:

• 1. CWN-2 wordt vrijgegeven door een neuron en hecht aan een receptoreiwit op de signaalontvangende cel. CWN-2 is een recent ontdekte combinatie van de LIN-17- en CAM-1-eiwitten.


• 2. Het LIN-17 / CAM-1-eiwit verzendt een signaal naar een eiwit dat 'slordig' (DSH-1) wordt genoemd.


• 3. "DSH-1 zendt op de een of andere manier het volumeregelsignaal dat meer ACR-16-receptoren verzendt vanuit depots in het tweede neuron naar het oppervlak van die cel, waardoor het volume van het ontvangen zenuwsignaal wordt verhoogd", aldus Maricq.

Het team markeerde de ACR-16-receptoren met een groen kwal-eiwit, zodat ze onder een microscoop te zien waren.De onderzoekers konden de groen-gemerkte receptoren onder de oppervlakken van zenuwcellen verzamelen, in plaats van naar de oppervlakte te gaan, wanneer een van de genen in de Wnt-signaleringsroute mutant was.

De onderzoekers registreerden ook elektrische stromen in de synapsen en ontdekten dat deze kleiner was wanneer een van de genen in de Wnt-signaalroute werd gemuteerd. Volgens het team verklaart deze bevinding waarom de mutante wormen gedeeltelijk verlamd waren.
De alpha-7 nicotinische acetylcholinereceptor is de menselijke en andere vertebratenversie van de ACR-16-receptor. Beide receptoren zijn qua functie en structuur vergelijkbaar in dieren van wormen tot muizen en mensen.
Maricq uitgelegd:

"De alpha-7-receptor is belangrijk bij schizofrenie en een aantal verschillende psychische stoornissen en kan een rol spelen bij verslaving, maar we begrijpen niet hoe deze is gereguleerd."

Er zijn momenteel veel psychiatrische medicijnen die de synapssterkte veranderen. Resultaten van het onderzoek geven aan dat verdere onderzoeken moeten worden uitgevoerd om te bepalen of dezelfde Wnt-signaleringsgenen in wormen ook alfa-7-receptorniveaus op menselijke hersencellen regelen. Als dit het geval is, kunnen er nieuwe medicijnen worden ontwikkeld om die genen te richten als een manier om mentale stoornissen, waaronder verslaving, te behandelen.
Maricq zei:

"Verslaving is als leren op een primitief niveau, verslaving betekent dat ergens in je brein synapsen te sterk zijn, dus je wilt meer."

Geschreven door Grace Rattue