Synaptogeneze je proces tvorby synapse mezi neurony v nervovém systému . Synaptogeneze probíhá po celý život zdravého člověka a rychlá tvorba synapsí je pozorována v raných fázích vývoje mozku [1] . Synaptogeneze je zvláště důležitá v kritickém období individuálního vývoje (ve vývojové biologii období, kdy je nervový systém obzvláště citlivý na exogenní podněty), kdy dochází k intenzivnímu toku synaptického prořezávání kvůli konkurenci neuronů a jejich synapsí o neuronální růstové faktory.. Synapse, které se neúčastní nebo se podílejí slabě na zpracování informací, stejně jako nevyužívané nebo nedostatečně využívané procesy neuronů, nedostanou patřičný vývoj a budou v budoucnu odstraněny [2] .
Nervosvalové spojení (NJC) je ze všech typů synapsí nejlépe prozkoumané, jedná se o jednoduchou a dostupnou strukturu pro manipulaci a pozorování. Tato synapse samotná se skládá ze tří buněk: motorického neuronu , myocytu a Schwannovy buňky (neurolemocytu). V normálně fungující synapsi způsobí signál z motorického neuronu depolarizaci membrány myocytů, ke které dochází prostřednictvím neurotransmiteru acetylcholinu . Acetylcholin je uvolňován axonem motorického neuronu do synaptické štěrbiny, kde dosahuje cholinergní receptory na sarkolemě , membráně myocytů. Vazba acetylcholinu na receptory vede k otevření iontových kanálů , depolarizaci membrány a následné kaskádě chemických reakcí, které mají za následek svalovou kontrakci. Venku je synapse zapouzdřena a izolována myelinovou pochvou Schwannovy buňky [3] . Dalším důležitým prvkem centrálního a periferního nervového systému jsou astrocyty . Ačkoli se zpočátku věřilo, že jejich funkce je pouze strukturální, dnes je známo, že hrají důležitou roli ve funkční plasticitě synapsí [4] .
Během vývoje každý ze tří výše uvedených typů buněk pochází z různých oblastí vyvíjejícího se embrya . Jednotlivé myoblasty se vyvíjejí z mezodermu a spojují se do polyenergetického (mnohojaderného) svalového vlákna. Během nebo krátce po vytvoření vlákna začnou motorické neurony neurální trubice vytvářet své první kontakty s vláknem. Schwannovy buňky vycházejí z neurální lišty a putují spolu s axony na místo určení. Po dosažení svalového vlákna tvoří volný, nemyelinizovaný obal axonů inervujících svaly. Pohyb axonů (a tím i Schwannových buněk) je řízen růstovým kuželem, filamentózní projekcí axonu, která se aktivně zaměřuje na neurotrofiny uvolňované svalovým vláknem.
Studium vzorců tvorby a distribuce neuromuskulárních synapsí ukazuje, že významná část spojení je lokalizována ve středu svalového vlákna. I když se může zdát, že axony zpočátku cílí na tento lokus, několik faktorů naznačuje opak. Zřejmě po počátečním kontaktu s axonem mladé vlákno dále symetricky roste od místa inervace. V kombinaci se skutečností, že vysoká hustota cholinergních receptorů je výsledkem kontaktu s axonem, a nikoli jeho příčinou, mohou být vzorce tvorby svalového vlákna spojeny jak s individuálním myopatickým růstem, tak s axonální inervací vlákna.
Přenos signálu podél primárního kontaktu mezi motorickým neuronem a svalovým vláknem začíná téměř okamžitě, ale přenášený impuls je velmi slabý. Existují důkazy, že Schwannovy buňky mohou pomocí malých signálních molekul zesilovat impulsy zvýšením intenzity spontánního uvolňování neurotransmiterů [5] . Zhruba po týdnu projde motorický neuron a svalové vlákno procesem diferenciace, který dokončí tvorbu plně funkční synapse. Inervace původního axonu je kritická, protože axony, které ji následují, mají vysoký sklon k vytváření kontaktů s již zavedenou stabilizovanou synapsí.
Nejnápadnější změnou svalového vlákna, ke které dochází po kontaktu s motorickým neuronem, je zvýšená koncentrace cholinergních receptorů na plazmatické membráně v místě kontaktu mezi neuronem a myocytem. Toto zvýšení počtu receptorů umožňuje efektivnější přenos synaptických signálů, což následně vede k vytvoření rozvinutější synapse. Hustota receptoru je >10 000/um2 ve středu a přibližně 10/um2 na periferii. Takto vysoké koncentrace cholinergních receptorů v synapsi je dosaženo jejich shlukováním, upregulací exprese odpovídajících genů v jádrech postsynaptických buněk a downregulací exprese těchto genů v jádrech presynaptických buněk. Signály, které iniciují postsynaptickou diferenciaci, mohou být neurotransmitery uvolňované přímo z axonu do svalového vlákna, nebo se mohou vyskytovat externě a vstupují do synaptické štěrbiny zvenčí [6] .
ShlukováníShlukování na postsynaptické membráně nastává z velké části díky proteoglykanu Agrin, který je vylučován axonem motorického neuronu a podporuje multimerizaci receptoru. Agrin se váže na receptorovou svalově specifickou kinázu (MuSK) na postsynaptické membráně a to následně vede k následné aktivaci cytoplazmatického proteinu Rapsyn. Právě rapsin obsahuje domény, které mu umožňují shlukovat mnoho cholinergních receptorů na membráně: svalové buňky myší mutantních pro tento protein nebyly schopny tvořit shluky cholinergních receptorů.
Transkripce specifická pro synapseZvýšené koncentrace cholinergních receptorů se dosahuje nejen manipulací s již existujícími synaptickými složkami. Axon je pomocí signalizace schopen regulovat genovou expresi v jádře svalové buňky na úrovni transkripce . To vše se také děje za účelem zvýšení intenzity lokálního shlukování receptorů na membráně. Na signalizaci se podílejí zejména dvě molekuly: protein z rodiny kalcitoninů (peptid příbuzný genu pro kalcitonin) a člen rodiny proteinů neuregulinů (takto pojmenován pro jejich roli v regulaci neuronálních molekulárních procesů). Tyto dva proteiny způsobují kaskádu chemických reakcí zahrnujících různé kinázy , což nakonec vede k aktivaci transkripce genů cholinergních receptorů [7] .
Extrasynaptická represeNově vzniklé synapse jsou schopny generovat elektrické signály, které ovlivňují okolní extrasynaptické buňky tak, že výrazně snižují expresi genů cholinergních receptorů. Přesnosti impulsu vyslaného axonem na postsynaptickou membránu je dosaženo právě současným snížením koncentrace receptorů mimo synapsi a zvýšením jejich počtu uvnitř ní. Protože synapse začíná přijímat vstup téměř okamžitě po vytvoření neuromuskulárního spojení, axon rychle vytváří akční potenciál a uvolňuje acetylcholin. Depolarizace způsobená vazbou acetylcholinu na jeho receptory iniciuje svalovou kontrakci a zároveň inhibici transkripce receptorových genů v buňkách svalových vláken v okolí synapse. Je třeba poznamenat, že účinek působí na dálku a receptory sedící přímo na postsynaptické membráně nejsou potlačeny.
Ačkoli mechanismy řídící presynaptickou diferenciaci nejsou známy, změny, ke kterým dochází ve vyvíjejícím se axonálním zakončení, jsou poměrně dobře charakterizovány. Zvyšuje se objem a plocha synaptického kontaktu, objem vezikul, koncentrace vezikul v aktivní zóně synapse a také polarizace presynaptické membrány. Předpokládá se, že tyto změny jsou zprostředkovány neurotrofinem a různými molekulami buněčné adheze uvolněnými myocytem; to zdůrazňuje důležitost spojení mezi motorickým neuronem a svalovým vláknem v procesu synaptogeneze. Předpokládá se, že klíčovými momenty pre- a postsynaptické diferenciace jsou změna genové exprese a redistribuce základních složek synapse. To je také podporováno zvýšenou expresí genů vezikulárních proteinů krátce po vytvoření synapse a také jejich alokalizací v axonálním zakončení.
Nezralé synapse vykazují mnohonásobnou inervaci kvůli vysokému sklonu nových axonů vázat se na již existující synapse. Jak oni dozrávají, synapse se oddělí a, nakonec, jen jeden axon zůstane u vchodu; k tomu dochází v procesu zvaném eliminace synapse. Navíc invaginací postsynaptická strana zvětšuje povrchovou plochu přijímající neurotransmiter. V raných fázích ontogeneze tvoří Schwannovy buňky volné, nemyelinizační pouzdro pokrývající skupinu synapsí, ale jak rostou a vyvíjejí se, hranice kompetence jednoho neurolemocytu se zužují na jednu synapsi.
Eliminace synapseEliminace synapse, jako jeden z mechanismů synaptického prořezávání, implikuje proces, který přímo závisí na aktivitě konkurenčních axonů. V případě konkrétní synapse, pokud je frekvence vstupních impulsů dostatečná k vytvoření akčního potenciálu, pak to vyvolá expresi genů pro protein synaptotropin v jádře postsynaptického myocytu a tyto proteiny tuto synapsi udrží. Vzniká mechanismus pozitivní zpětné vazby, který je nepřístupný pro méně žádané synapse, které jsou proto odsouzeny k eliminaci. Bylo také navrženo, že kromě synaptotropinů uvolňovaných na aktivních synapsích depolarizace jejich postsynaptické membrány způsobuje uvolňování synaptotoxinů inhibujících axony na neaktivních synapsích.
Pozoruhodným aspektem synaptogeneze je skutečnost, že motorické neurony jsou schopny rozlišovat mezi rychlými a pomalými svalovými vlákny; Rychlá svalová vlákna jsou inervována "rychlými" motorickými neurony a pomalá svalová vlákna jsou inervována "pomalými" motorickými neurony. Existují dvě hypotetické cesty, kterými axony motorických neuronů dosahují této specifičnosti; tyto dráhy se od sebe liší v klíčovém momentu - míře selektivity, ve které na sebe interaguje axon a jím inervované svalové vlákno, míře zpracování vstupních dat z myocytu axonem. První hypotéza naznačuje, že axony volí „rychlou“ nebo „pomalou“ dráhu v závislosti na signálních látkách, které se liší v rychlých a pomalých svalových vláknech. Navíc je pozorována selektivita i v raných stádiích, kdy jsou axony orientovány ve vztahu ke svalovým vláknům tak, že konkrétní axon inervuje konkrétní svalovou buňku. Druhou hypotézou je, že pohyb axonu a jeho spojení s konkrétním myocytem zajišťuje extracelulární matrix, která axon koupe, tedy nikoli konečný cíl axonu, ale jeho osud určuje prostředí. Konečně se může stát, že vytvoření neuromuskulárního spojení není předem dáno a svalová vlákna získávají své rychlé nebo pomalé vlastnosti později, v závislosti na charakteristikách inervujícího axonu. Pokud ano, pak jsou „rychlé“ motorické neurony schopny přeměnit jakékoli svalové vlákno na rychlé. Existuje mnoho důkazů ve prospěch všech popsaných možností, což vede k tendenci přemýšlet o jejich kombinaci v procesu vytváření synapse.
Data získaná ve studiích neuromuskulárních synapsí lze extrapolovat na procesy synaptogeneze v CNS, i když studie posledně jmenovaných jsou mnohem novější. Tyto dva typy spojení mají mnoho společného. Oba typy synapsí mají konzervovanou základní strukturu: presynaptické nervové zakončení, synaptická štěrbina a přijímající postsynaptická buňka. Oba typy synapsí obsahují vysokou koncentraci vezikul v aktivním místě, shluky receptorů na přijímací membráně a nakonec jsou oba izolovány specializovanými gliovými buňkami. Procesy, které se v nich vyskytují, jsou také značně konzervativní. Jedná se o shlukování receptorů a lokalizované zvýšení intenzity syntézy proteinů v aktivních centrech a synaptické prořezávání eliminací neaktivních synapsí.
Přes výše uvedené podobnosti existuje mezi těmito dvěma sloučeninami zásadní rozdíl. Protože myocyt již nepůsobí jako postsynaptická buňka, jsou aktivní receptory a jejich neurotransmitery zásadně odlišné. Ještě důležitější je, že neurony v CNS jsou inervovány mnoha dalšími neurony současně a musí být schopny integrovat a zpracovat velké množství vstupu, když jsou svalová vlákna inervována jediným neuronem a kontrahují se v reakci na jediný impuls. V kombinaci s plasticitou, která je vlastní neuronovým spojením, má neuronová síť v CNS obrovský potenciál pro složitost.
Homologem acetylcholinu a jeho receptorů v CNS jsou glutamátové a N-methyl-D-aspartátové receptory (NMDA). Ukázalo se, že aktivace NMDA receptorů spouští kaskádu chemických reakcí vedoucích k tvorbě a stabilizaci synapse . Zvýšená úroveň aktivity NMDA receptoru během vývoje synapse umožňuje zvýšený příliv vápníku, který působí jako sekundární signál. Kromě toho transkripční faktory aktivují geny primární odpovědi (GRP), které hrají důležitou roli v takových procesech, jako je například dlouhodobá potenciace. [8] Funkce NMDA receptorů je také spojena s estrogenovými receptory v hippocampu. Experimenty prováděné s estradiolem ukazují, že expozice estrogenu významně zvyšuje hustotu synapse a koncentraci proteinu. [9]
Přenos nervového vzruchu při synaptogenezi závisí nejen na aktivitě jednotlivé synapse, ale také na prostředí obklopujícím tuto synapsi. Například neurotrofický faktor odvozený z mozku (BDNF) je produkován mozkem a reguluje několik funkcí ve vyvíjející se synapsi, včetně zvýšeného uvolňování neurotransmiterů, zvýšené koncentrace vezikul a biosyntézy cholesterolu. Cholesterol je důležitou strukturální složkou lipidové dvojvrstvy, která působí jako místo pro různé signalizační interakce. Mutanty BDNF vykazují významné defekty v růstu neuronů a tvorbě synapsí. [10] Kromě neurotrofinů hrají důležitou roli v synaptogenezi také molekuly buněčné adheze. V mnoha ohledech závisí synaptogeneze na správné lokální vazbě jedné adhezní molekuly na druhou. Bylo ukázáno, že defekty v genech kódujících neuroliginové proteiny , jednu z nejdůležitějších buněčných adhezních molekul, které hrají roli v procesu stabilizace synapse, jsou spojeny s některými případy autismu a mentální retardace. [11] A konečně, mnoho z těchto signálních procesů může být regulováno matricovými metaloproteinázami (MMP).
MorfologieVysoce dynamická místa, která přijímají více příchozích impulsů současně, jsou dendritické trny . Tato morfologická dynamika je způsobena specifickou regulací aktinového cytoskeletu, který zase umožňuje regulaci tvorby synapsí. [12] Morfologicky lze dendritické trny rozdělit do tří hlavních typů: filopodia, štíhlé trny a houbovité trny. Filopodia iniciují kontakt s axony jiných neuronů. Filopodia nově vzniklých neuronů mají tendenci vytvářet kontakty s axony inervujícími mnohočetné synapse, zatímco filopodie starších neuronů se vážou převážně s axony inervujícími jednu synapsi. Některé typy ostnů jsou díky vysoké dynamice schopny přecházet do jiných, například filopodia se snadno přeměňují na hřibovité ostny, což jsou primární místa glutamátových receptorů. [13]
Ekologické obohacení je termín pro stimulaci vyvíjejícího se mozku fyzickým a sociálním prostředím. Ekologické obohacení vede k tomu, že se výrazně zvyšuje účinnost procesů synaptogeneze. Krysy pěstované v médiu s takovým účinkem tedy vykazují nárůst počtu synapsí o 25 % ve srovnání s kontrolou. [14] [15] Tento efekt je pozorován, ať už k podnětovému prostředí dochází bezprostředně po narození, [16] krátce po odstavení, [17] nebo v dospělosti. [18] Nejen pro pyramidální neurony, ale také pro hvězdicové neurony způsobuje obohacení prostředí výbuch synaptogeneze. [19]
V rodině proteinů Wnt existuje několik embryonálních morfogenů (látky, které určují morfogenezi tkání), které přispívají k časné tvorbě struktur ve vyvíjejícím se embryu. Nedávné důkazy ukazují příspěvek morfogenů této rodiny k synaptogenezi a plasticitě , přičemž rodina přispívá k synaptogenezi jak CNS synapsí, tak neuromuskulárních synapsí.
V cerebelárních synapsích rodina Wnt indukuje zrání pre- a postsynaptických zakončení. Tato oblast mozku obsahuje tři hlavní typy neuronů: Purkyňovy buňky , granulární buňky a buňky mechových vláken. V Purkyňových buňkách stimuluje Wnt-3 růst jak dendritů, tak axonů. [20] [21] Granulované buňky exprimují Wnt-7a, který indukuje růst a větvení axonů v buňkách mechových vláken. Retrográdní sekrece Wnt-7a směrovaná do mechových vláken způsobuje zvýšení růstového kužele axonu zvýšením počtu mikrotubulů . Retrográdní signalizace Wnt-7a navíc způsobuje akumulaci synaptických vezikul a presynaptických proteinů v aktivní zóně synapse. Bnt-5A plní podobnou funkci v postsynaptických granulových buňkách; Signalizace Wnt-5 stimuluje sestavení receptorů na membráně, stejně jako shlukování skeletového proteinu PSD-95 na membráně.
V hippocampu proteiny rodiny Wnt v kombinaci s buněčnou elektrickou aktivitou také podporují tvorbu synapsí. Wnt7b je exprimován v maturujících dendritech, navíc se ve vyvíjejících se synapsích zvyšuje exprese receptorů z rodiny Frizzled (Fz), specifických pro proteiny Wnt. Glutamátové NMDA receptory jsou aktivovány v reakci na expresi proteinů typu Wnt-2. Dlouhodobá potenciace v důsledku aktivace NMDA receptoru a následné exprese Wnt vede ke shlukování receptorů typu Fz-5 na membráně postsynaptických buněk. Signalizace typu Wnt-7a a Wnt-2 navíc po takto zprostředkované dlouhodobé potenciaci zvyšují intenzitu procesu dendritického větvení a také regulují synaptickou plasticitu. Blokování exprese proteinů rodiny Wnt přirozeně vede k inhibici těchto procesů. [22]
Podobné mechanismy zprostředkované rodinou Wnt v CNS jsou dobře pozorovány v neuromuskulárních spojeních. U Drosophila vedou mutace v receptoru Wnt-5 v neuromuskulárních synapsích ke snížení počtu a hustoty aktivních center. Hlavním neurotransmiterem v tomto systému je glutamát. Proteiny rodiny Wnt jsou nezbytné pro správnou lokalizaci glutamátergních receptorů na postsynaptické membráně myocytů. Mutace v proteinech této rodiny vedou ke snížení intenzity depolarizační vlny po přenosu impulsu z axonu do svalového vlákna.
U obratlovců v neuromuskulárních synapsích exprese proteinu Wnt-11r podporuje shlukování cholinergních receptorů na postsynaptické membráně svalových buněk. Protein Wnt-3 je exprimován svalovými vlákny a secernován retrográdně do motorických neuronů. V motorických neuronech Wnt-3 pracuje v tandemu s Agrinem na stimulaci expanze růstového kužele, větvení axonálních terminálů a shlukování synaptických vezikul.