Tato stránka popisuje proces stabilizace synapse zprostředkovaný molekulami buněčné adheze. Chcete-li zobrazit související články, navštivte následující stránky: Synaptická plasticita , molekuly buněčné adheze .
Stabilizace synapse je kritickým procesem ve vyvíjejícím se i dospělém nervovém systému, který je výsledkem pozdní fáze dlouhodobé potenciace . Mechanismy tohoto procesu zahrnují posílení a udržení aktivních synapsí (prostřednictvím zvýšení exprese prvků cytoskeletu a extracelulární matrix a také postsynaptických strukturních proteinů zprostředkovávajících signální dráhy) a eliminaci neaktivních. Buněčné adhezní molekuly (MCA) hrají důležitou roli při stabilizaci a udržování struktury synapse . Gerald Edelman objevil MCA a studiem jejich funkcí ukázal, že tyto molekuly jsou nezbytné zejména pro proces buněčné migrace a obecně pro tvorbu nervového systému.[1] [2] Ve zralém nervovém systému je synaptická plasticita týkající se učení a paměti do značné míry závislá na fungování molekul buněčné adheze. [3]
Synaptické buněčné adhezní molekuly hrají klíčovou roli v pohybu axonu během jeho růstu a vytváření synaptických spojení mezi neurony. Jsou integrálními účastníky mnoha synaptických procesů, jako je správná regulace pre- a postsynaptických signálních transdukčních drah , cirkulace vezikul uvnitř synapse, integrace postsynaptických receptorů a instalace cytoskeletálních prvků , které zajišťují stabilitu synapse. jako systém. [čtyři]
Synaptické MCA (také známé jako molekuly podobné nektinu) jsou speciálním typem synaptických adhezních molekul nalezených u obratlovců , které podporují růst a stabilizaci excitačních (ale ne inhibičních) synapsí. Synaptické MCA jsou lokalizovány hlavně v mozku v pre- a postsynaptických místech synapse; jejich struktura zahrnuje intracelulární proteinové domény FERM (doména zprostředkující asociaci membránově zabudovaného proteinu s cytoskeletálními prvky) a PDZ (důležitá ~80 aminokyselinová doména přítomná ve většině signálních molekul, které se účastní procesů buněčné adheze, a , as a FERM, který podporuje vazbu proteinů na cytoskelet), jednu transmembránovou doménu a tři extracelulární imunoglobulární domény. Během neurovývoje působí synaptické MCA, jako je SynCAM1, jako kontaktní senzory pro axonální růstový kužel při tvorbě axon-dendritických synapsí a stabilního adhezního komplexu . [5]
Spolu s neuroliginy jsou synaptické MCA typy buněčných adhezních molekul, které jsou dostatečné k zahájení tvorby presynaptických zakončení, což se ukázalo, když byly tyto molekuly přidány do média společně kultivovaných neuronových a neneuronálních buněk, kde iniciovaly tvorbu. presynaptických terminálů. Vazba dvou monofyletických MCA, jedné na růstový kužel axonu a druhé na dendritické páteři, vede k navázání počátečního kontaktu mezi pre- a postsynaptickými neurony. [6]
Synaptické mAb patří do rodiny imunoglobulinových proteinů uložených v postsynaptické membráně a interagujících s postsynaptickým skeletovým proteinem PSD-95, který pomáhá vázat komplex na základní cytoskelet. [7]
Kadheriny jsou na vápníku závislé monofyletické buněčné adhezní molekuly, které tvoří komplexy se svými intracelulárními partnery, kateniny . [8] Složky tohoto komplexu se vážou na různé skafoldové proteiny, fosfatázy, kinázy a receptory. Klasické kadheriny mají pět extracelulárních repetitivních vazebných míst pro vápník, jednu transmembránovou doménu a intracelulární konec s distální doménou vázající katenin zasahující do cytosolu. [9] [10] Nedávná práce ukázala roli kadherin-kateninového komplexu v různých procesech centrálního nervového systému, jako je synaptická stabilizace a synaptická plasticita .
Mnoho kadherinů v CNS vykazuje různé prostorové a časové vzorce exprese. Například N-cadherin je široce exprimován ve vyvíjejících se synapsích a později zůstává ve zralé aktivní zóně synapse, což implikuje účinnost tohoto komplexu jako mediátoru reagujícího na změny uvnitř synapse a tak dále. regulující jeho stabilitu. Lokální změny v synaptické aktivitě skutečně ovlivňují expresi komplexů kadherin-catenin. Zvýšení aktivity v konkrétní dendritické páteři vede k dimerizaci N-cadherinu, který je následně štěpen, což vede k inhibici působení buněčných transkripčních faktorů. Tato inhibice má významný vliv na synaptickou plasticitu.
V případě vzniku dendritických trnů a jejich dalšího prořezávání byla navržena a potvrzena následující hypotéza. [11] [12] Tato hypotéza naznačuje, že to, jak jsou kadherin-kateninové komplexy distribuovány mezi trny (distribuce závisí na funkční aktivitě trnů), určuje osud každého jednotlivého dendritického trnu. To znamená, že intraspinální kompetice o β-catenin určuje, zda daná páteř dospěje nebo podstoupí negativní prořezávání. Jedná se o nejdůležitější mechanismus při „zpracování“ kortikálních sítí a vyskytuje se po celou dobu vývoje nervového systému.
Nektiny jsou samostatnou proteinovou rodinou buněčných adhezivních molekul. Tyto MCA se podílejí na zahájení kontaktu mezi presynaptickými a postsynaptickými procesy během tvorby synapse. V rámci synapse byly nalezeny a charakterizovány čtyři typy nektinů, Nektin-1, -2, -3 a -4. [13] Všechny nektiny vázané na membránu mají extracelulární oblast se třemi smyčkami podobnými imunoglobulinu. Distální smyčka se nazývá smyčka typu V a dvě proximální smyčky se nazývají smyčky typu C2. Několik nektinů v jedné membráně se na sebe váže ve smyčkách typu V a tvoří shluk nektinových proteinů; Proces se nazývá cis shlukování. Když se dvě buňky – každá s vlastním cis shlukem – dostanou do kontaktu, vytvoří silný komplex (trans shluk), který zajišťuje adhezi a v některých případech i signalizaci mezi těmito dvěma buňkami. [čtrnáct]
Spolehlivé informace o roli nektinů v synaptické stabilizaci byly získány studiem synapsí mezi tzv. Mossier vlákna a dendrity pyramidálních buněk v oblasti CA3 hippocampu . [15] Z výše uvedených typů nektinů se na tvorbě a stabilizaci synapsí podílejí Nectin-1 a Nectin-3, které jsou ukotveny v postsynaptické, respektive presynaptické membráně, kde spolu vytvářejí heterofilní extracelulární kontakty. Intracelulární doména všech nektinů se přímo váže na protein zvaný L-afadin. L-Afadin je protein vázající aktin , který interaguje s F-aktinem aktinového cytoskeletu . Nektiny tedy tvoří rigidní systém aktinového lešení, který umožňuje synapsi vyvíjet se v kontrolovaném a stabilním prostředí. [16]
V procesu dozrávání synapsí v oblasti CA3 hipokampu se nektiny a kadheriny, úzce spojené v procesech synaptické stabilizace, vytlačují na periferii aktivní zóny (místa uvolňování neurotransmiterů) a vytvářejí lokální místo adheze, tzv. Puncta Adherentia Junction (PAJ). Kontakty PAJ jsou velmi podobné těm adhezním kontaktům pozorovaným v epiteliálních tkáních . Vznik takového spojení poskytuje vznikajícím pre- a postsynaptickým membránám prostor pro interakci a v budoucnu spolehlivou fixaci na prvky cytoskeletu.
Interakce neurexin - neuroligin pomáhají vytvářet transsynaptickou funkční asymetrii potřebnou ke stabilizaci a udržení normálního přenosu signálu . [17] Presynaptický membránový protein neurexin a jeho vazebný partner, postsynaptický membránový protein neuroligin, tvoří komplex v raném stádiu vývoje nervového systému a je známo, že jsou silnými induktory synaptogeneze. [18] Neneuronální buňky, které uměle exprimují neurexin, jsou schopny vyvolat rozvoj postsynaptické specializace v kokultivovaných neuronových buňkách; [19] , presynaptická specializace v sousedních neuronech je stimulována buňkami exprimujícími neuroligin. [20] [21] Přes důležitou roli obou v procesech synaptogeneze však tyto mAb nejsou nezbytné pro tvorbu neuronových spojení během vývoje nervového systému. [22] Triple knockout myši s mutantním neurexinem a/nebo neuroliginem vykazovaly normální počet synapsí, ale synaptické signalizační procesy byly narušeny v důsledku exprese letálního fenotypu v embryonální fázi vývoje. [23] Neurexin a neuroligin tedy nejsou nutné pro tvorbu synapsí jako takové, ale jsou životně důležité pro zrání a integraci synapsí do celkového systému.
Kromě jejich extracelulární vazby na sebe neurexiny a neuroliginy interagují intracelulárně s celou sítí adaptorových proteinů a struktur skafoldu, což v interakci s aktinovým cytoskeletem pomáhá správně lokalizovat složky nezbytné pro synaptický přenos. Například první objevený neuroligin (NLGN1), identifikovaný svou PDZ doménou spojenou s dobře známým skafoldovým proteinem PSD95 na glutamátergických synapsích , funkčně váže NMDA receptory na lokus na postsynaptické membráně. [24] Podobně další izoforma neuroliginu (NLGN2) interaguje s skeletovým proteinem gefyrinem, specifickým pro GABAergické synapse , a je zodpovědná za aktivaci adaptorového synaptického proteinu collibistinu. [25] Intracelulární interakce neurexinů jsou neméně důležité při realizaci nejdůležitějších mechanismů synaptického přenosu. Stejně jako neuroliginy mají neurexiny doménu PDZ spojenou s kalcium-kalmodulin-dependentní kinázou. Kromě toho, že je schopna fosforylovat sebe sama a neurexin, kalmodulin-dependentní kináza usnadňuje interakci mezi neurexiny a proteiny vázajícími aktin, čímž poskytuje přímé spojení, jehož prostřednictvím neurexiny modulují dynamiku cytoskeletu, což je v konečném důsledku důležité pro synaptickou plasticitu a stabilitu. Neurexin může také vázat synaptotagmin , protein uložený v membráně synaptických váčků; navíc podporuje vazbu na napěťově řízené vápníkové kanály, které zprostředkovávají iontový proud potřebný pro exocytózu neurotransmiterů . [26] Neurexin a neuroligin tedy koordinují morfologické a funkční aspekty synapse, což zase umožňuje vznikajícím, nezralým kontaktům stabilizovat se do plnohodnotných funkčních platforem pro neurotransmisi.
Nekonvenční adhezní molekuly, jako jsou efriny (rodina ligandových proteinů receptoru eph), také hrají roli při stabilizaci synaptických kontaktů. Receptory Eph a jejich efrinové ligandy se podílejí na mnoha různých buněčných procesech během vývoje a zrání organismu, včetně axonálního vedení , migrace neuronů, synaptogeneze a synaptického prořezávání. [27] [28] V hippocampu může být morfologie dendritické páteře regulována astrocyty prostřednictvím obousměrné signalizace ephrin/Eph. [29] Astrocyty a jejich procesy exprimují Ephrin-A3, zatímco hipokampální neurony jsou bohaté na receptory typu EphA4. Tato interakce, zprostředkovaná signalizací Ephrin-A3/EphA4, indukuje selekci a aktivaci cyklin-dependentní kinázy 5 (Cdk5), která následně fosforyluje ephexin (ephexin1), jeden z guaninových nukleotidových výměnných faktorů (GEF). [30] Fosforylovaný ephexin1 pak může aktivovat RhoA, malou GTPázu , což vede k následné aktivaci jejího efektoru, RhoA kinázy, což zase vede k redistribuci aktinových vláken. Prostřednictvím tohoto mechanismu jsou astrocytární procesy schopny stabilizovat jednotlivé dendritické větve a také dozrávání jejich trnů prostřednictvím ephrin/Eph signalizace. Je zajímavé, že přímá signalizace zahrnující aktivaci EphA4 vede ke stabilizaci synaptických proteinů na neuromuskulárních spojeních . Stejně jako v interakci neuron-gliální zprostředkovaná EphA4/Ephrin-A3 tento proces reguluje dynamiku aktinového cytoskeletu prostřednictvím aktivace RhoA kinázy prostřednictvím efexinu.
Signalizace Ephrin-B/EphB se také prostřednictvím různých mechanismů podílí na stabilizaci synapse. Tyto molekuly obsahují cytoplazmatické konce, které interagují s proteiny skeletu prostřednictvím jejich domén PDZ a stabilizují nově vytvořené synapse v CNS. Například ephrin-B3 interaguje s adaptorovým proteinem glutamátového receptoru (GRIP-1) za účelem regulace vývoje excitačních dendritických zakončení. Tento proces, poprvé studovaný v kultuře hipokampálních neuronů, ukázal, že reverzní signalizace Eph/ephrin-B3 vede k vazbě GRIP1 na membránu postsynaptického zakončení. [31] Jakmile je GRIP1 na postsynaptické membráně, pomáhá na ní ukotvit glutamátové receptory. Tento proces také zahrnuje fosforylaci serinového zbytku poblíž karboxylového konce efrinu-B (proximálně k PDZ-vazebnému motivu), což vede ke stabilizaci receptorů typu AMPA v synapsích.
Další mechanismus nalezený v hipokampálních neuronech ukázal, že signalizace EphB může podporovat zrání dendritických trnů regulací aktivity GTPázy Rho typu, jak bylo pozorováno u EphAs. [32] Ale na rozdíl od EphAs se ukázalo, že receptory EphB2 interagují s postsynaptickými receptory NMDAR a pod vlivem efrinu-B se vážou na komplex Tiam1, jeden z faktorů obratu guaninových nukleotidů. [33] Fosforylace Tiam1 nastává v reakci na aktivitu NMDAR receptorů, což ustupuje přílivu vápníku, který aktivuje Tiam1. Tento mechanismus může také vést k přestavbám v aktinovém cytoskeletu. Je zajímavé, že v důsledku této stabilizace vedou jak přímá signalizace EphB2, tak reverzní signalizace efrinu-B3 k dlouhodobému potenciačnímu účinku prostřednictvím receptorů NMDAR. [34]