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一小组基因可能为蠕虫中不同类型的脑细胞提供独特的条形码

当谈到脑细胞时,一种尺寸并不能完全适合。神经元具有各种各样的形状,大小,并包含不同类型的大脑化学物质。但是他们是怎么做到的呢?《自然》杂志上的一项新研究表明,蠕虫中所有神经元的身份都与单个基因家族的独特成员有关,该家族控制着将DNA指令转换为蛋白质的过程,即基因表达。这项研究的结果可以为理解神经系统在包括人在内的许多其他动物中如何进化提供基础。这项研究是由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的国家神经疾病和中风研究所(NINDS)资助的。

“从蠕虫到人,所有动物的中枢神经系统都极为复杂且高度有序。许多神经元细胞类型的产生和多样性是由基因表达所驱动的,”项目负责人罗伯特·里德尔(Robert Riddle)博士说。在NINDS。“因此,考虑到我们在整个神经系统中看到的细胞多样性可能仅来自一组基因,这是令人惊讶和激动的。”

由纽约市哥伦比亚大学生物化学和分子生物物理学教授,研究生莫莉·B·赖利(Oolly B. Reilly)领导的研究人员奥利弗·霍伯特(Oliver Hobert)博士想知道线虫蠕虫的脑细胞是如何发挥其各种形状和功能的。对于这些实验,研究人员使用了一种基因工程蠕虫,其中各个神经元都用颜色编码。此外,绿色荧光蛋白的编码序列被插入同源盒基因中,同源盒基因是一组高度保守的基因,已知在发育中起着基本作用。通过检查发光的荧光标记的图案来确定同源盒基因的表达图案。

霍伯特博士的团队发现,在整个蠕虫神经系统中,每种神经元都包含一组独特的同源盒蛋白。换句话说,每个神经元的身份都可以追溯到打开或关闭的同源盒基因的特定组合。

同源异型盒基因最初是由于其在确保身体部位位于适当位置的作用而被发现的。自那时以来,已在所有动物物种以及植物和真菌中发现了这些基因。同源异型框基因包含有关转录因子的说明,转录因子是可以控制其他基因活性的蛋白质。

成年线虫的神经系统包含302个神经元,可分为118种。霍伯特博士的团队确定了70个同源异型盒基因参与了神经元类型的表征。此外,进一步的分析表明,同源盒编码可用于细分神经元的类别。例如,额外的分析不仅确定了细胞是运动神经元,而且还确定了它在腹侧神经索中的位置,蠕虫是脊髓的一种形式。

霍伯特博士说:“神经元的多样性可能是由区分大脑中单个细胞类型的基因家族驱动的,这种安排很简单,因为只有一个基因家族可以解释所有脑细胞类型。这个简单的“条形码”基因家族带来的复杂性表明,同源异型盒基因在神经系统进化中的潜在作用。”

未来的研究将调查是否也可以通过特定的蛋白质代码识别其他生物中的脑细胞。此外,研究人员还将研究更改代码对神经元身份和功能的影响。

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