Аппарат позвоночника - Spine apparatus

В аппарат позвоночника (SA) - это специализированная форма эндоплазматический ретикулум (ER), который встречается в субпопуляции дендритные шипы в центре нейроны. Это было обнаружено Эдвард Джордж Грей в 1959 г., когда он применил электронная микроскопия фиксировать корковый ткань.[1] SA состоит из ряда уложенных друг на друга дисков, которые соединены друг с другом и с дендритной системой ER-канальцев.[2] Актин-связывающий белок синаптоподин (который первоначально был описан в подоциты почки) является важным компонентом СА.[3] Мыши, у которых отсутствует ген синаптоподина, не образуют позвоночный аппарат.[4] Считается, что SA играет роль в синаптической пластичности, обучении и памяти, но точная функция аппарата позвоночника все еще остается загадкой.

Морфология

Аппарат позвоночника состоит из перепончатых мешочков (дисков) и канальцев, окруженных тонким нитчатым материалом, и в основном встречается в больших грибовидных дендритные шипы. Тонкий нитевидный материал - это цитоскелет сеть, в основном f-актин, который отвечает за поддержание и изменение формы позвоночника. Аппарат позвоночника соединяется с гладкой поверхностью. эндоплазматический ретикулум из дендрит.[5] Состоит из непрерывных параллельных уплощенных цистерны, аппарат позвоночника имеет большую площадь поверхности, которая важна для его функции.

Аппарат позвоночника занимает большую часть объема ножки позвоночника, что может увеличивать продольное сопротивление между позвоночником и дендритом.[6] Следовательно, позвоночный аппарат может оказывать прямое влияние на мембранный потенциал плазматической мембраны позвоночника, когда синапс активен. Подключение к гладкая эндоплазматическая сеть предполагает потенциальный путь передачи белков и липидов между позвоночником и дендритами. Аппарат позвоночника также может служить резервуаром для ионы кальция.[7]

Функция

Локальный синтез и торговля белка

Некоторое время функция позвоночного аппарата считалась загадкой. Однако недавние данные свидетельствуют о том, что позвоночный аппарат может выполнять несколько различных функций. После выяснения структуры аппарата позвоночника Спейсек и Харрис отметили продолжение гладкой эндоплазматической сети в позвоночный аппарат, где она затем принимает пластинчатую структуру.[8] Это наблюдение указывает на то, что SA может играть роль в везикулярном транспорте, хотя конкретный механизм еще не ясен.

Кроме того, Pierce et al. предположили, что аппарат позвоночника может быть вовлечен в посттрансляционный процессинг белка, аналогичный тому, который наблюдается в аппарат Гольджи, и участвуют в посттрансляционном процессинге субъединиц GluR1 и GluR2, которые локально транслируются в дентритных шипах, Рецепторы AMPA.[9] Также было показано, что позвоночный аппарат участвует в посттрансляционной обработке и пространственной доставке Рецепторы NMDA, которые также действуют как рецепторы глутамата и играют важную роль в контроле синаптическая пластичность. Учитывая, что исследования иммуноокрашивания выявили NMDAR и AMPAR в аппарате позвоночника, было высказано предположение, что аппарат позвоночника может иметь решающее значение для локализации AMPAR и NMDAR для синапсы при формировании ДП.[10]

Появление молекулярные маркеры для сателлитных секреторных путей предоставляет дополнительные доказательства того, что аппарат позвоночника играет роль в локальной транслокации и процессинге интегральных мембранных белков. Более конкретно, маркер сайта транслокации белка (Sec61α) и маркеры цистерн Гольджи (гигантин и α-маннозидаза II) наблюдались в аппарате позвоночника.[10]

Сигнализация кальция

фигура 2. Поглощение и высвобождение кальция аппаратом позвоночника[11]

Синаптическая активность запускает Ca2+ приток в дендритные шипы через Рецепторы NMDA и потенциал-зависимые кальциевые каналы. Бесплатный Ca2+ ионы быстро удаляются из цитоплазмы через Обменники Na + / Ca2 + в плазматической мембране и в сарко / эндоплазматическом ретикулуме Ca2+ АТФазы (SERCA насосы), которые опосредуют Ca2+ принять в гладкая эндоплазматическая сеть (sER).[12] Аппарат позвоночника, как часть sER, имеет большую площадь поверхности и, как полагают, действует как эффективный кальциевый буфер внутри позвоночника (Рисунок 2).

Недавние исследования показали, что аппарат позвоночника также способен выделять Ca2+ через инозитол-трифосфатные рецепторы (IP3R)[11] или же рианодиновые рецепторы (RyRs).[10] Чувствительность к кальцию IP3R и RyR делает оба рецептора способными к регенерации. кальций-индуцированное высвобождение кальция (CICR). В дендритных стержнях и шипах нейронов гиппокампа присутствие RyR и IP3R было показано авторами иммуноокрашивание.[13] Ca2+ высвобождение запускается высвобождением глутамата, активируя группу I метаботропные рецепторы глутамата (mGluRs). Каскад нисходящей сигнализации приводит к повышенному IP3 уровни внутри позвоночника (Рисунок 2), которые запускают Ca2+ выпускать события только в тех корешках, которые содержат sER.[11]

Пластичность

Считается, что способность позвоночного аппарата высвобождать кальций в цитозоль способствует развитию синаптическая пластичность. Впервые это было показано в эксперименте с использованием синаптоподин (SP) -дефицитные мыши, у которых в дендритных шипах не обнаружен позвоночный аппарат.[8] Эти мыши с дефицитом SP показали снижение долгосрочное потенцирование (ДП). Кроме того, LTP1 (краткосрочная пластичность, которая требует посттрансляционных модификаций белка, но не зависит от синтеза белка), LTP2 (медленно снижающаяся пластичность, которая зависит от синтеза белка, но не требует модификаций транскрипции генов) и LTP3 (длительная LTP зависимые от трансляции и транскрипции) были уменьшены в результате отсутствия аппарата позвоночника.

Дальнейшие исследования показали, что измененная экспрессия и распределение RyR, IP3R и L-типа потенциал-зависимые кальциевые каналы (L-VDCC) могут уменьшать LTP1, LTP2 и LTP3.[10] Это наблюдение в сочетании с наблюдением, что SP-дефицитные мыши имеют снижение LTP, предполагает, что правильная экспрессия и распределение кальциевых каналов в аппарате позвоночника необходимы для контроля синаптической пластичности. Более того, позвоночный аппарат имеет решающее значение для поддержания уровня кальция в цитозоле, который играет центральную роль в формировании синаптической пластичности.

У мышей с дефицитом SP также наблюдались изменения в поведении, в том числе уменьшение горизонтального двигательная активность, снижение тревожности и снижение способности приобретать пространственную память, связанную с LTP3, как показано на лучевой лабиринт.[10] Снижение двигательной активности и снижение пространственного обучения предполагают роль аппарата позвоночника в индукции LTP мозжечка в дополнение к LTP гиппокампа. Точные механизмы этих недостатков до конца не изучены. Считается, что эти поведенческие модификации являются эпифеноменами отсутствия позвоночного аппарата и изменениями в механизмах контроля цитозольного кальция, обычно обеспечиваемыми позвоночником.

Синаптоподин, белок, связывающий актин и α-актинин-2 тесно связан с аппаратом позвоночника.[6] Хотя у зрелых мышей с дефицитом SP отсутствует аппарат позвоночника и наблюдается нарушение LTP, взаимосвязь между SP, позвоночником и пластичностью осложняется следующими тремя выводами: (1) Помимо того, что он связан с позвоночником, SP является также находится в цистернальной органелле, которая структурно похожа на позвоночный аппарат. (2) Аппарат позвоночника обычно находится в грибовидных отростках зрелых нейронов, но высокие уровни SP и экспрессии LTP были обнаружены у молодых крыс всего 15-дневного возраста. (3) В отличие от SP, в культивируемых нейронах не обнаружен позвоночный аппарат. Эти находки привели некоторых к заключению, что позвоночный аппарат участвует в пластичности только потому, что эта органелла связана с SP.

Прямые доказательства важной функции аппарата позвоночника при mGluR-зависимом длительная депрессия (LTD) была предоставлена ​​путем сравнения пластичности синапсов на шипах с позвоночным аппаратом или без него.[11] В этом исследовании только синапсы, связанные с sER, демонстрировали эту форму депрессии. Блокирование IP3-опосредованного Ca2+ высвобождение заблокированной синаптической депрессии, что указывает на причинную роль аппарата позвоночника в индукции mGluR-зависимой LTD.

Связь с болезнью

Последние данные свидетельствуют о том, что структурные изменения в аппарате позвоночника могут быть связаны с заболеваниями головного мозга.[6] Когда симптомы паркинсонизма были индуцированы у обезьян с помощью лечения MPTP наблюдались изменения морфологии, в том числе увеличение отношения объема позвоночного аппарата к объему позвоночника. Аномальная морфология аппарата позвоночника также отмечена в перитуморозных и отечный ткани человеческого мозга, и эти изменения в структуре могут привести к нарушению или изменению функции. Изменения морфологии аппарата позвоночника также наблюдались у крыс, подвергавшихся хроническому воздействию этиловый спирт.[14] Аппараты атрофированного позвоночника наблюдались у этих животных, а также у животных, находящихся под наркозом.

Рекомендации

  1. ^ Грей, Э. (1959). «Электронная микроскопия синаптических контактов на дендритных шипах коры головного мозга». Природа. 183 (4675): 1592–3. Bibcode:1959Натура.183.1592Г. Дои:10.1038 / 1831592a0. PMID  13666826.
  2. ^ Куни; Hurlburt, JL; Селиг, Дания; Харрис, К.М.; Фиала, JC (2002). «Эндосомные компартменты обслуживают несколько дендритных шипов гиппокампа из широко распространенного, а не местного хранилища рециркулирующих мембран». Журнал неврологии. 22 (6): 2215–24. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.22-06-02215.2002. ЧВК  6758269. PMID  11896161.
  3. ^ Деллер; Мертен, Т; Roth, SU; Mundel, P; Фротчер, М (2000). «Актин-ассоциированный белок синаптоподин в формировании гиппокампа крысы: локализация в шейном отделе позвоночника и тесная связь с позвоночным аппаратом основных нейронов». Журнал сравнительной неврологии. 418 (2): 164–81. Дои:10.1002 / (SICI) 1096-9861 (20000306) 418: 2 <164 :: AID-CNE4> 3.0.CO; 2-0. PMID  10701442.
  4. ^ Томас Деллер (сентябрь 2003 г.). «Мыши с дефицитом синаптоподина лишены позвоночника и демонстрируют дефицит синаптической пластичности». Труды Национальной академии наук. 100 (18): 10494–10499. Bibcode:2003ПНАС..10010494Д. Дои:10.1073 / pnas.1832384100. ЧВК  193589. PMID  12928494.
  5. ^ Калабрезе, Барбара; Уилсон, Маргарет; Halpain, Шелли (2008). «Развитие и регуляция дендритных синапсов позвоночника». Физиология. 21: 38–47. Дои:10.1152 / Physiol.00042.2005. PMID  16443821.
  6. ^ а б c Kuwajima, M; Спейсек, Дж; Харрис, К. (2012). «За пределами количества и формы: изучение патологии дендритных шипов в контексте окружающего нейропиля с помощью серийной электронной микроскопии». Неврология. 251: 75–89. Дои:10.1016 / j.neuroscience.2012.04.061. ЧВК  3535574. PMID  22561733.
  7. ^ Деллер, Томас; Мундель, Питер; Фротчер, Майкл (2000). «Возможная роль синаптоподина в подвижности позвоночника путем связывания актина с позвоночником». Гиппокамп. 10 (5): 569–581. Дои:10.1002 / 1098-1063 (2000) 10: 5 <569 :: aid-hipo7> 3.3.co; 2-д..
  8. ^ а б Сегал, Менахем; Влахос, Андреас (2010). «Аппарат позвоночника, синаптоподин и дендритная пластичность». Нейробиолог. 16 (2): 125–131. Дои:10.1177/1073858409355829. PMID  20400711.
  9. ^ Борн, Дженнифер; Харрис, Кристен (2008). «Балансировка структуры и функции дентритических шипов гиппокампа». Анну Рев Neurosci. 31: 47–67. Дои:10.1146 / annurev.neuro.31.060407.125646. ЧВК  2561948. PMID  18284372.
  10. ^ а б c d е Едличка, Питер; Влахос, Андреас (2008). «Роль аппарата позвоночника в LTP и пространственном обучении». Поведенческие исследования мозга. 192 (1): 12–19. Дои:10.1016 / j.bbr.2008.02.033. PMID  18395274.
  11. ^ а б c d Холбро, Никлаус; Грундиц, Аса; Эртнер, Томас Г. (2009). «Дифференциальное распределение эндоплазматического ретикулума контролирует метаботропную передачу сигналов и пластичность в синапсах гиппокампа». Труды Национальной академии наук. 106 (35): 15055–15060. Bibcode:2009PNAS..10615055H. Дои:10.1073 / pnas.0905110106. ЧВК  2736455. PMID  19706463.
  12. ^ Sabatini, Bernardo L .; Oertner, Thomas G .; Свобода, Карел (2002). «Жизненный цикл ионов Са2 + в дендритных шипах». Нейрон. 33 (3): 439–452. Дои:10.1016 / s0896-6273 (02) 00573-1. PMID  11832230.
  13. ^ Sharp, AH; Макферсон, ПС; Доусон, TM; Аоки, C; Кэмпбелл, КП; Снайдер, SH (1993). «Дифференциальная иммуногистохимическая локализация инозитол-1,4, 5-трифосфатных и рианодин-чувствительных каналов высвобождения Са2 + в головном мозге крыс». Журнал неврологии. 13 (7): 3051–3063. Дои:10.1523 / jneurosci.13-07-03051.1993.
  14. ^ Фиала, Дж; Спейсек, Дж; Харрис, К. М. (2002). «Патология дендритного отдела позвоночника: причина или следствие неврологических расстройств?». Обзоры исследований мозга. 39 (1): 29–54. Дои:10.1016 / S0165-0173 (02) 00158-3. PMID  12086707.

внешняя ссылка