Когда растущий аксон проходит ключевой участок маршрута, нейрон одновременно переключает активность множества генов и меняет набор молекул на его конце. Исследование на мышах показало: навигацией длинного нервного волокна управляет не только его кончик, но и само тело клетки.

Аксон — это длинный отросток нейрона, который он протягивает к другим клеткам. Во время развития нервной системы некоторые аксоны преодолевают значительные расстояния и несколько раз меняют направление. Ошибка на одном из таких поворотов отправляет волокно совсем не туда, куда надо.

До недавнего времени исследователи сосредоточивались на конусе роста — подвижной структуре на конце аксона. Конус улавливает химические сигналы из окружения и реагирует на молекулярные ориентиры, которые привлекают или отталкивают растущее волокно. Новое исследование раскрыло дополнительный уровень управления: тело нейрона заранее меняет программу экспрессии генов, а результат позже проявляется на удалённом конце аксона.

Учёные изучали комиссуральные нейроны спинного мозга эмбриональных мышей. Эти нейроны удобны для наблюдения тем, что их аксоны растут прямо к средней линии спинного мозга, пересекают её, а затем резко меняют направление. До и после пересечения одному аксону нужно совершенно по-разному реагировать на окружающие сигналы.

Исследователи выделили такие нейроны на четырёх стадиях развития и применили секвенирование РНК на уровне отдельных клеток. Они отследили, какие гены активны в каждый момент. Анализ охватил более 12 тысяч нейронов и выявил масштабную перестройку экспрессии генов примерно тогда, когда аксоны пересекают среднюю линию.

Переключение затрагивало не один ген. Нейроны одновременно меняли активность целых групп генов, связанных с развитием аксона и его навигацией. В результате менялся состав белков на растущем волокне. После прохождения средней линии аксон начинал иначе воспринимать молекулярные сигналы и мог двигаться к следующей контрольной точке маршрута.

Показательный пример — молекула клеточной адгезии L1. В изученных нейронах L1 появляется на аксонах после пересечения средней линии, тогда как до этого практически не обнаруживается. Такая смена молекулярного оснащения позволяет одному волокну последовательно выполнять разные навигационные инструкции, не меняя саму клетку на каждом этапе.

Исследование также показало, что комиссуральные нейроны гораздо разнообразнее, чем казалось бы судя по общему маршруту их аксонов. Учёные выявили несколько молекулярно различающихся подтипов и не нашли простой связи между временем появления нейрона и тем, куда направляется его аксон. Полученные данные составляют подробную карту изменения генетической активности клеток во время формирования проводящих путей спинного мозга.

Авторы связывают результат с одной из главных проблем регенеративной неврологии. После повреждения спинного мозга или инсульта недостаточно просто заставить аксон снова расти: новое волокно должно найти правильную цель и встроиться в нужную нервную цепь. Современные экспериментальные методы уже способны стимулировать рост нервных отростков, но управление их маршрутом остаётся значительно более сложной задачей.

Открытый генетический переключатель пока не является способом лечения и не проверялся как метод восстановления нервной системы у людей. Исследователи предполагают, что понимание естественных программ развития в будущем поможет определить группы генов, которые нужно активировать при регенерации, чтобы растущий аксон не просто удлинялся, а двигался в нужном направлении. Похожую задачу учёные решают и с других направлений: ранее показано, что при повреждениях спинного мозга в восстановлении нервной ткани участвуют астроциты, находящиеся далеко от места травмы.