Недостаток питательных веществ стимулирует развитие нейронов у личинок дрозофил

Развитие нервной системы, включая рост дендритов и аксонов, зависит от метаболических процессов. Однако о том, как определенные питательные вещества влияют на развитие нейронов, известно мало. Команда ученых из Высшей школы биологических исследований Киотского университета (Япония) проанализировала зависимость развития нейронов от доступности питательных веществ у личинок плодовых мушек. В качестве модели авторы использовали дендритное разветвление IV класса нейронов дрозофил C4da. Дендриты нейронов C4da воспринимают тепловые, механические и световые раздражители и транслируют информацию в центральную нервную систему личинок.

В серии экспериментов исследователи установили, что бедная дрожжами диета активизирует развитие соматосенсорных нейронов насекомых: дендриты IV класса начинают активно разрастаться. Авторы оценивали общую длину ветвей дендритов, число окончаний и площадь дендритов на каждой диете. При переводе личинок на диету с высоким содержанием дрожжей активного роста дендритов не наблюдается.

Дрожжи — один из основных ингредиентов лабораторных кормов для дрозофил. Они считаются в первую очередь важным источником аминокислот. Однако авторы обнаружили, что повышенное разветвление дендритов не связано с низкими концентрациями аминокислот, а коррелирует с одновременным дефицитом витаминов, ионов металлов и холестерина.

Системный дефицит стимулирует выработку сигнальных белков Wingless в мышечной ткани личинок, расположенной рядом с нейронами. Молекулы сигнального белка, образовавшегося в мышцах, воздействуют на рецепторы нейронов и активируют внутриклеточную киназу Akt, которая инициирует сложное ветвление дендритов нервных клеток и увеличение плотности окончаний ветвей отростков. Эпидермальный Wingless на рост дендритов не влиял.

Иммуноокрашивание показало, что уровень Akt в нейронах C4da был выше при низкодрожжевой диете, а сверхэкспрессия Wingless в мышцах увеличивала уровень Akt в нейронах личинок на высокодрожжевой диете. То, что Wingless необходим для активизации развития нейронов, дополнительно подтверждал тот факт, что у насекомых с мутацией гена Wingless снижалась степень усложнения дендритных разветвлений в нейронах C4da. Важно отметить, что добавление витаминов, ионов металлов и холестерина в бедный рацион личинок значительно подавляло регуляторный эффект Wingless. Кроме того, исследователи выяснили, что в мышечной ткани личинок продукцию белка Wingless регулирует не только дефицит питательных веществ, но и сигнальный путь JAK/STAT, участвующий в таких процессах, как иммунитет, деление и гибель клеток и образование опухолей (смотреть картинку).

Авторы отмечают, что избыточный рост дендритов нейронов, несмотря на бедную питательными веществами среду, противоречит здравому смыслу, но еще более интригует то, что эти нейроны становятся менее чувствительными к световым стимулам. Личинки дрозофилы предпочитают темные места. Ученые проанализировали выбор между темными и светлыми областями личинками, выращенными на разных диетах, и обнаружили, что личинки, питающиеся бедным дрожжами рационом, демонстрируют меньшее предпочтение темных мест по сравнению с личинками на высокодрожжевой диете. Диета с низким содержанием дрожжей притупляет реакцию нейронов на свет и снижает поведенческую реакцию избегания света, что помогает личинкам оптимизировать свои стратегии выживания в условиях среды с низким содержанием питательных веществ.

Таким образом, регуляция зависимого от питательных веществ развития нервных клеток — это часть эволюционного механизма, который помогает выработать компромисс между поиском питания и бегством от опасных условий внешней среды.

Нейроны миндалины заставляют мышей есть вредную, но вкусную еду