Peneliti Bonn mengklarifikasi bagaimana energi mengatur pengaturan spasial dan kuantitas molekul dalam sel saraf
Sel -sel saraf memiliki strategi yang luar biasa untuk menghemat energi dan masih melakukan tugas yang paling penting. Peneliti dari University Hospital Bonn (UKB) dan University of Bonn serta Pusat Medis Universitas Göttingen menemukan bahwa program konservasi energi neuron menentukan lokasi dan jumlah RNA messenger (mRNA) dan protein, dan berbeda tergantung pada panjangnya, umur panjang dan sifat lain dari molekul masing -masing. Karya tersebut sekarang telah diterbitkan dalam jurnal “Nature Communications”.
Kami memiliki semua yang berpengalaman untuk menghemat energi dalam beberapa tahun terakhir. Untuk melakukan ini, kita semua harus menemukan strategi untuk menghemat energi sambil tetap memenuhi kebutuhan kita yang paling penting. “Sel -sel saraf kami menghadapi dilema yang sama: mereka harus memasok sinapsis mereka, yaitu titik kontak mereka dengan neuron lain, tetapi juga mengatur sintesis protein mereka sedemikian rupa sehingga mereka tidak menghasilkan terlalu banyak atau terlalu sedikit protein. Di Waktu yang sama, mereka harus mengangkut protein dari jarak jauh ke sinapsis dan juga memperhatikan anggaran energi mereka. Ditanya tim peneliti yang dipimpin oleh penulis terkait Tatjana Tchumatchenko, pemimpin kelompok penelitian di Institute for Experimental Epilepologi dan penelitian kognisi di UKB dan anggota Area Penelitian Transdisiplin (TRA) “Kehidupan dan Kesehatan” dan “Pemodelan” di University of Bonn (TRA) .
Langkah-langkah penghematan energi menjelaskan distribusi protein
Meskipun ukurannya relatif kecil, otak mengkonsumsi sekitar 20 persen dari total energi tubuh. Seperti halnya semua sel, fungsi neuron tunduk pada kendala energi yang ketat, yang secara khusus diucapkan di otak karena kebutuhan energinya yang tinggi. Tim peneliti mampu menunjukkan bahwa sintesis dan degradasi semua molekul neuron mewakili pengeluaran energi seluler yang sangat tinggi dan karenanya membutuhkan langkah-langkah penghematan energi. Semua sel, termasuk neuron, membutuhkan protein untuk berfungsi dengan baik. Ini diproduksi melalui proses yang dikenal sebagai ekspresi gen, di mana informasi yang relevan disalin dari gen menjadi messenger RNA (mRNA). MRNA dewasa kemudian diterjemahkan ke dalam protein yang diperlukan. Berkat kemajuan dalam biokimia dan mikroskop, sekarang dimungkinkan untuk memetakan lokasi salinan mRNA individu dan protein yang sesuai dalam sel dan mengukur jumlah untuk ribuan spesies mRNA dan protein. Untuk pertama kalinya, ini memungkinkan para peneliti untuk mempelajari prinsip -prinsip organisasi yang kompleks yang mengontrol pola ekspresi gen spasial dan berlaku di semua jenis molekul.
Tim peneliti menggabungkan data eksperimental dari lebih dari sepuluh layar mRNA dan proteomik skala besar yang melibatkan puluhan ribu spesies molekuler. “Kami menemukan bahwa dorongan untuk menghemat energi menentukan mRNA dan jumlah protein dan lokasi, mempengaruhi setiap spesies molekul secara berbeda tergantung pada panjang, masa pakai dan sifat lainnya dari molekul,” jelas penulis First Cornelius Bergmann, kandidat PhD dari Universitas Bonn di Institut Eksperimental Epileptologi dan Penelitian Kognisi di UKB.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa biaya energik untuk sintesis, transportasi dan degradasi molekul, lokalisasi spasial mereka dan jumlah total terbatas pada solusi hemat energi. “Jika protein berumur pendek tertentu disintesis dalam tubuh sel, sebagian besar dari mereka tidak akan tiba hidup di sinapsis karena waktu perjalanan yang lama,” tambah Prof. Tchumatchenko. “Ini akan menjadi buang -buang energi pada protein yang tidak dapat memenuhi tugas mereka.” Perhitungan model dalam penelitian ini menunjukkan bahwa protein karenanya lebih disukai disintesis dalam ekstensi percabah yang bercabang dari sel saraf, yang disebut dendrit, jika kehilangan energi “dalam perjalanan” dari tubuh sel ke sinapsis lebih besar dari Energi yang dibutuhkan untuk mengangkut mRNA ke dalam dendrit.
Perspektif baru tentang studi ekspresi gen
Namun, temuan tim peneliti melampaui konservasi energi. “Hasil kami menjelaskan prinsip-prinsip organisasi ekspresi gen dalam sel yang bertindak di berbagai spesies molekuler dan melampaui mekanisme pengaturan individu,” kata rekan penulis Prof. Silvio Rizzoli, direktur Departemen Neuro dan Fisiologi Sensorik di Universitas Medical Center University Medical Göttingen, juru bicara Pusat Pencitraan Biostruktural Neurodegenerasi (BIN) dan anggota The Cluster of Excellence “Multiscale Bioimaging: Dari Mesin Molekuler ke Jaringan Sel Ekitable” (MBEXC).
Hasil yang paling mengejutkan bagi tim peneliti adalah bahwa sifat fisik protein, seperti panjang atau seumur hidup, dan bukan fungsi spesifik mereka, memiliki pengaruh yang kuat pada anggaran energi dan dengan demikian di lokasi sintesis mereka. Rekan penulis Kanaan Mousaei, kandidat doktor Universitas Bonn di Institute of Experimental Epileptology and Cognition Research di UKB, menekankan: “Model kami menawarkan perspektif baru untuk menghubungkan lusinan set data yang ada dari berbagai laboratorium.”
