Вчені розгадали таємницю моноамінів

Дослідники виявили нову роль біогенних моноамінів, таких як дофамін і серотонін, у репродуктивному розвитку плоских черв’яків планарії, припускаючи, що ці нейромедіатори також служать важливими сигнальними молекулами поза функціями мозку в різних видів.

Біогенні моноаміни, такі як дофамін і серотонін, добре відомі своїми функціями в мозку як регулятори настрою, навчання та пам’яті, реакції на стрес і реакції організму на боротьбу або втечу.

Але ці нейромедіатори існували в природі задовго до того, як мозок з’явився на еволюційному дереві. Вони також поширені в рослинах, бактеріях та одноклітинних організмах, але їхні функції там набагато менш зрозумілі.

Вчені з Дослідницького інституту Моргріджа додали ще одне завдання для моноамінів. Вони відіграють важливу роль у репродуктивних органах плоских черв’яків планарії та, здається, мають вирішальне значення для розвитку як жіночих, так і чоловічих статевих клітин (клітин, які виробляють яйця та сперму).

У випуску журналу Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) від 25 червня 2024 року команда регенеративної біології в Моргріджі продемонструвала, що такі передавачі є не лише сигналами, що надходять від мозку планарії. Вони також сильно локалізовані всередині соматичних гонадних клітин, які регулюють розвиток зародкових клітин.

Відкриття та методи дослідження

«Ми в захваті від цього, тому що це демонструє нову парадигму передачі сигналів від ніші до зародкової клітини», — каже дослідник Мелані Іссігоніс, провідний автор дослідження.

Це дивовижне відкриття почалося в окремому дослідженні, опублікованому у 2022 році колишнім аспірантом Умайром Ханом і дослідником Morgridge Філом Ньюмарком, також дослідником Медичного інституту Говарда Хьюза. Вони мали намір охарактеризувати транскриптоми яєчників і сім’яників планарій (які є гермафродитами) і створили довгий список генів зі збагаченою експресією в яєчниках. Одним із найпопулярніших результатів стала декарбоксилаза ароматичних L-амінокислот (AADC), еволюційно законсервований фермент, важливий для виробництва моноамінів.

Здивовані, вони припустили, що зразки були забруднені навколишньою тканиною мозку, але подальші дослідження підтвердили це відкриття. Потім Хан пригнічував експресію гена aadc, щоб вивчити його роль у розвитку репродуктивної системи.

«Коли він знищив цей фермент у планарій, які розмножуються статевим шляхом, фенотип був приголомшливим», — каже Іссігоніс. «Яєчники зникли. Насправді вся жіноча репродуктивна система була повністю видалена».

Іссігоніс каже, що в яєчках відбувалося навпаки. У звичайних яєчках, якщо розрізати їх, як кавун, стовбурові клітини будуть виявлені по периферії, як шкірка, але утворюється лише невелика кількість. «Коли Umair збив aadc, яєчка були повністю заповнені стовбуровими клітинами зародкової лінії», — каже вона. «Сперма не вироблялася; по суті, яєчка були наповнені пухлинами зародкових клітин».

Утворення та вплив моноамінів

Подальше дослідження Іссігоніса прагнуло відповісти на два запитання: який моноамін виробляє AADC і звідки він походить? Вони шукали відповідь, проводячи секвенування одноклітинної РНК соматичних клітин у «ніші», яка оточує та підтримує статеві клітини.

У клітинах соматичної ніші вони виявили збагачену експресію aadc та іншого гена, nrps , який кодує нерибосомну пептидсинтетазу (NRPS). Це було вражаюче, тому що, на відміну від aadc , nrps експресується лише в репродуктивній системі, а не в нейронах.

Потім, коли вони знищили nrps у статевих планарій, вони виявили ідентичний фенотип, який спостерігався при пригніченні aadc : повний розпад жіночої системи та різке накопичення чоловічих статевих клітин.

Це було важливою підказкою того, що AADC і NRPS працюють разом. Подальший мас-спектрометричний аналіз, проведений Rui Chen і Jim Collins, колегами з UT Southwestern, запропонував докази того, що ці два ферменти створювали β-аланілтриптаміни (BATT), що складається з β-аланіну, кон’югованого з моноаміном триптаміном. Лабораторія Коллінза виявила, що в шистосомах (паразитичних двоюрідних братах планарій) самці виробляють BATT, щоб ініціювати виробництво яєць у самок.

Комплекс отримав прізвисько «BATT Signal» на честь мансардного вікна у формі кажана, яке використовувалося для виклику Бетмена в дії в серії коміксів. Чітко блимає сигнал і у планарій. Команда виявила, що BATT дуже поширений, коли планарії досягають статевої зрілості та мають зрілі репродуктивні органи.

«Ми подумали, вау, сексуальні тварини роблять багато BATT», — каже вона. «І фактично, коли ми збили або nrps , або aadc , BATT зник. Це підказувало нам, що ми на правильному шляху».

Це дослідження та дослідження лабораторії Коллінза на шистосомах виявили, що кон’югати β-аланіл-моноаміну можуть діяти як важливі сигнали. Оскільки ферменти NRPS існують у всьому тваринному світі, це свідчить про те, що нові кон’югати моноамінів можуть також діяти як сигнальні молекули в інших тварин. Наступні кроки полягають у тому, щоб зрозуміти, як функціонують ці нові сигнали.