Синаптическая стабилизация - Synaptic stabilization
На этой странице описан процесс стабилизации синапсов, опосредованный молекулами клеточной адгезии. Для просмотра статей по теме посетите страницы на Синаптогенез, Синаптическая пластичность, Молекула клеточной адгезии, Развитие нервной системы.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/aa/Synaptic_stabilization_by_cell_adhesion_molecules.svg/220px-Synaptic_stabilization_by_cell_adhesion_molecules.svg.png)
Синаптическая стабилизация имеет решающее значение для нервной системы развивающегося и взрослого человека и считается результатом поздней фазы долгосрочное потенцирование (ДП). Механизм предполагает усиление и поддержание активного синапсы за счет повышенной экспрессии элементов цитоскелета и внеклеточного матрикса и постсинаптических каркасные белки, при обрезке менее активных. Например, молекулы клеточной адгезии (CAM) играют большую роль в поддержании и стабилизации синапсов. Джеральд Эдельман открыли CAM и изучили их функции во время разработки, которые показали, что CAM необходимы для миграция клеток и формирование всей нервной системы.[1][2] В нервной системе взрослого человека САМ играют важную роль в синаптическая пластичность относящийся к учусь и объем памяти.[3]
Типы CAM
SynCAMs
Молекулы адгезии синаптических клеток (CAM) играют решающую роль в поиске пути аксонов и установлении синапсов между нейронами во время развитие нервной системы и являются неотъемлемыми членами многих синаптических процессов, включая правильное выравнивание пре- и постсинаптических пути передачи сигналов, везикулярная рециркуляция в отношении эндоцитоз и экзоцитоз, интеграция постсинаптических рецепторов и прикрепление к цитоскелет для обеспечения стабильности синаптических компонентов [4]
SynCAM (также известные как Cadm или нектиноподобные молекулы) представляют собой особый тип синаптических CAM, обнаруженных в позвоночные что способствует росту и стабилизации возбуждающих (не тормозных) синапсов. SynCAM локализованы в основном в мозг как в пре-, так и в постсинаптических сайтах, и их структуры состоят из внутриклеточных FERM и PDZ-связывающих доменов, одного трансмембранного домена и трех внеклеточных Ig-домены. Во время развития нервной системы SynCAM, такие как SynCAM1, действуют как «контактные датчики» аксонов. шишки быстро накапливается при образовании аксо-дендритных связей и помогает формировать стабильную адгезия сложный.[5]
synCAM1 вместе с нейролигин являются двумя CAM, которых, как известно, достаточно для инициирования образования пресинаптических окончаний, поскольку добавление synCAM1 к среде совместно культивируемых нейрональных и ненейрональных клеток приводит к образованию пресинаптических окончаний. Гомофильное связывание двух молекул synCAM1 на филоподиях конуса роста аксонов и дендритного шипа позволяет установить начальный контакт между пре- и постсинаптическими клетками.[6]
synCAM принадлежат к Надсемейство Ig белков. Цитозольные PDZ-домены synCAM, встроенные в постсинаптическую мембрану, взаимодействуют с постсинаптическим каркасным белком. PSD-95 который помогает закрепить комплекс на нижележащем цитоскелете.[7]
Кадгерин-катенин
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/dc/Localization_of_cadherin-catenin.jpg/220px-Localization_of_cadherin-catenin.jpg)
Кадгерины кальций-зависимые, гомофильные молекулы клеточной адгезии которые образуют комплексы с цитозольными партнерами, известные как катенины.[8] Компоненты этого комплекса связываются с рядом различных каркасных белков, фосфотаз, киназ и рецепторов.[9] Классические кадгерины имеют пять внеклеточных повторяющихся структур, которые связывают кальций, единственный трансмембранный домен и внутриклеточный хвост с дистальным цитозольным доменом, который связывает катенин-партнер.[9][10] Недавние исследования показали, что комплекс кадгерин-катенин участвует в ряде различных процессов центральной нервной системы, таких как синаптическая стабилизация и пластичность.[8][9][10]
Многие кадгерины в Центральная нервная система демонстрируют отчетливые пространственные и временные паттерны экспрессии.[9] Например, N-кадгерин широко экспрессируется в развивающемся синапсе и позже остается около зрелой активной зоны, подразумевая, что этот комплекс может быть хорошо приспособлен для обеспечения связи между структурными изменениями и синаптической стабильностью.[9] Фактически, локальные изменения синаптической активности влияют на экспрессию кадгерин-катенин комплексы.[9] Повышение активности на определенном позвоночник приводит к димеризации N-кадгерина, который затем расщепляется, что приводит к репрессии CBP /CREB транскрипция.[9] Это подавление имеет множество последствий, связанных с развитием и пластичностью.
В случае дендритный позвоночник формирование и обрезка, была предложена и подтверждена гипотеза конкуренции.[11][12] Эта гипотеза предполагает, что относительные уровни комплексов кадгерин-катенин, которые распределяются между шипами в локальной области зависимым от активности образом, определяют судьбу отдельных шипов. То есть конкуренция между позвоночником за β-катенин определяет, будет ли позвоночник зрелым (увеличенное количество комплексов) или сокращенным (уменьшенное количество комплексов).[12] Это критический механизм во время уточнения кортикальных цепей, происходящих на протяжении всего развития.[11]
Нектин
Нектины представляют собой отдельную семью молекулы клеточной адгезии. Эти CAM участвуют в начальном контакте пресинаптический и постсинаптические нейрональные процессы во время образования синапсов. Есть только четыре хорошо охарактеризованных нектина. синапс, это нектин-1, 2, 3 и 4.[13] Все мембрана Связанные нектины имеют внеклеточную область с тремя петлями, подобными иммуноглобулину. Самая дальняя от мембраны петля называется петлей V-типа, а две более внутренние петли - петлями типа C2. Несколько нектинов на одной клеточной мембране будут связываться вместе в петле V-типа, образуя кластер белков нектина, процесс, называемый цис-кластеризация. Когда две клетки, обладающие отдельными цис-кластерами, входят в контакт, они образуют сильный комплекс, называемый транс-взаимодействие который обеспечивает адгезию и, в некоторых случаях, передачу сигналов между двумя клетками.[14]
Наиболее достоверные сведения о роли нектина в синаптической стабилизации получены из синапсов, образованных между моховое волокно терминалы и пирамидная ячейка дендриты в CA3 область гиппокампа.[15] Нектины, участвующие в образовании и стабилизации этого синапса, - это нектин-1 и нектин-3, которые выступают из плазматической мембраны постсинаптической клетки и пресинаптической клетки, соответственно, образуя гетерофильные внеклеточный контакты. Внутриклеточный домен всех нектинов напрямую связывается с белком, называемым L-Афадин. Л-Афадин - актин связывающий белок, который связывается с F-актином актина цитоскелет. Таким образом, нектины образуют гребневые связи в архитектуре актина клетки, позволяя синапсу развиваться в контролируемой и стабильной среде.[16]
По мере созревания синапсов в области CA3 нектины и кадгерины, которые тесно связаны друг с другом в синаптической стабилизации, смещаются на периферию активная зона и образуют соединение puncta adherens (PAJ). PAJ работает так же, как прилипает к стыкам в эпителиальный ткани. Смещение этих САМ и образование этого соединения дает возникающим синаптическим мембранам пространство для взаимодействия и созревания, разделяя при этом окружающую мембрану и обеспечивая фиксацию цитоскелета.[14]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/77/Neurexin-Neuroligin_interactions_at_the_synapse.jpg/220px-Neurexin-Neuroligin_interactions_at_the_synapse.jpg)
Нейрексин-нейролигин
Нейрексин -Нейролигин взаимодействия помогают установить транссинаптическую функциональную асимметрию, необходимую для стабилизации и поддержания надлежащего синаптическая передача.[17] Пресинаптический нейрексин и его партнер по постсинаптическому связыванию, нейролигин, представляют собой комплекс на ранних этапах нервного развития и оба, как известно, являются мощными индукторами синаптогенез.[18] Ненейронных клеток, которые искусственно экспрессируют нейрексин, достаточно для мобилизации постсинаптических специализаций в совместно культивируемых нейронах;[19] Клетки, экспрессирующие нейролигин, также способны индуцировать маркеры пресинаптической дифференцировки в соседних нейронах.[20][21] Однако, хотя оба они играют важную роль в синаптогенезе, эти молекула клеточной адгезии не нужны для образования нейронных связей в процессе развития.[22] Тройной нокаутирующая мышь мутанты нейрексинов или нейролигинов демонстрируют нормальное количество синапсов, но выражают эмбриональный летальный фенотип из-за нарушения нормальной синаптической передачи.[23] Следовательно, они не нужны для образования синапсов. как таковой но необходимы для созревания и интеграции синапсов в функциональные цепи, необходимые для выживания.
Помимо внеклеточного контакта друг с другом нейрексины и нейролигины также связываются внутриклеточно с обширной сетью адаптерные белки и строительные леса, которые в сочетании с актиновый цитоскелет, помочь локализовать необходимые компоненты синаптической передачи. Например, первый нейролигин (NLGN1 ) обнаружен был идентифицирован по его PDZ домен который привязан к PSD95, известный каркасный белок в глутаматергические синапсы это функционально связывает Рецепторы NMDA в правильную постсинаптическую локаль.[21][24] Аналогичным образом другая изоформа нейролигина (NLGN2 ) взаимодействует с гефирин, каркасный белок, специфичный для ГАМК-ергические синапсы, и отвечает за активацию белка синаптического адаптера коллибистин.[25] В случае нейрексинов их внутриклеточные связывающие взаимодействия столь же важны для рекрутирования необходимого механизма синаптической передачи в активной зоне. Подобно нейролигинам, нейрексины обладают PDZ-доменом, который ассоциируется с КАСКА (Кальций-кальмодулин-зависимая протеинкиназа ).[24] Помимо фосфорилирования себя и нейрексина, CASK способствует взаимодействию между нейрексинами и актинсвязывающими белками, обеспечивая тем самым прямую связь, с помощью которой нейрексин может модулировать динамику цитоскелета, что важно для синаптической стабильности и пластичности. Нейрексин также может связывать синаптотагмин, белок, встроенный в мембрану синаптических везикул, а также может способствовать ассоциации с потенциалзависимый кальциевый канал которые опосредуют поток ионов, необходимый для нейротрансмиттер экзоцитоз при синаптической стимуляции.[26][23] Таким образом, нейрексин и нейролигин координируют морфологические и функциональные аспекты синапса, что, в свою очередь, позволяет зарождающимся незрелым контактам стабилизироваться в полноценные функциональные платформы для нейротрансмиссии.
Эфрин-Эф сигнализация
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/27/Ephrin_Signaling.png/220px-Ephrin_Signaling.png)
Нетрадиционные молекулы адгезии, такие как эфрины, также помогают стабилизировать синаптические контакты. Рецепторы Eph и их мембраносвязанные лиганды, эфрины, участвуют во множестве клеточных процессов во время развития и созревания, включая управление аксоном, миграция нейронов, синаптогенез, и обрезка аксонов.[27][28] в гиппокамп, дендритный позвоночник морфология может регулироваться астроциты через двунаправленную передачу сигналов эфрин / EphA.[29] Астроциты и их отростки выражают эфрин А3, тогда как рецептор EphA4 обогащен нейронами гиппокампа. Это взаимодействие, опосредованное передачей сигналов эфрина A3 / EphA4, индуцирует рекрутирование и активацию циклин-зависимая киназа 5 (Cdk5), который затем фосфорилирует фактор обмена гуанина (ГЭФ), эфексин1.[30] Затем фосфорилированный эфексин 1 может активировать малую GTPase, RhoA, что приводит к последующей активации его эффектора, Ро-киназа (ROCK), что приводит к перестройке актиновых филаментов.[30] Посредством этого механизма астроцитарные процессы способны стабилизировать отдельные дендритные выступы, а также их созревание в шипы посредством передачи сигналов эфрина / EphA. Прямая передача сигналов, включающая активацию EphA4, приводит к стабилизации синаптических белков в нервномышечное соединение.[30] Как и при EphA4 / ephrinA3-опосредованном взаимодействии нейронов с глией, этот процесс регулирует динамику актинового цитоскелета путем активации ROCK через эфексин.[30]
Передача сигналов Ephrin B / EphB также участвует в синаптической стабилизации посредством различных механизмов. Эти молекулы содержат цитоплазматические хвосты, которые взаимодействуют с белками каркаса через свои ПДЗ домены для стабилизации вновь образованных синапсов ЦНС.[28] Например, Эфрин B3 взаимодействует с адаптерным белком, взаимодействующим с глутаматным рецептором, белком 1 (GRIP-1), чтобы регулировать развитие возбуждающих синапсов дендритного вала.[28] Этот процесс, который был идентифицирован в культурах нейронов гиппокампа, показал, что обратная передача сигналов Eph / ephrin B3 рекрутирует GRIP1 на мембрану постсинаптического вала.[31] Попав в ствол мембраны, GRIP1 помогает закрепить рецепторы глутамата ниже пресинаптического терминала. Этот процесс также включает фосфорилирование остатка серина около эфрина-B. карбоксильный конец (проксимально к PDZ-связывающему мотиву), что приводит к стабилизации AMPA рецепторы в синапсах.[27]
Другой механизм, обнаруженный в нейронах гиппокампа, показал, что передача сигналов EphB может способствовать созреванию шипов путем модуляции активности Rho GTPase, как это наблюдается с EphAs.[32] Однако, в отличие от EphAs, EphB2 рецептор взаимодействует с постсинаптическим Рецепторы N-метил-D-аспартата (NMDAR) для рекрутирования GEF Tiam1 в комплекс при связывании ephrinB.[32][30][33] Фосфорилирование Tiam1 происходит в ответ на активность NMDAR, что обеспечивает приток кальция, который активирует Tiam1. Этот механизм также приводит к модуляции актинового цитоскелета. В результате этой стабилизации было обнаружено, что как прямая передача сигналов EphB2, так и обратная передача сигналов эфрина-B3 индуцируют LTP через NMDAR.[34]
Рекомендации
- ^ Rutishauser U, Jessell TM (июль 1988 г.). «Молекулы клеточной адгезии в нервном развитии позвоночных». Физиологические обзоры. 68 (3): 819–57. Дои:10.1152 / физрев.1988.68.3.819. PMID 3293093.
- ^ "Биография Джеральда М. Эдельмана". Nobelprize.org. Получено 13 марта 2018.
- ^ Бенсон Д.Л., Шнапп Л.М., Шапиро Л., Хантли Г.В. (ноябрь 2000 г.). «Создание воспоминаний: молекулы клеточной адгезии в синаптической пластичности». Тенденции в клеточной биологии. 10 (11): 473–82. Дои:10.1016 / S0962-8924 (00) 01838-9. PMID 11050419.
- ^ Букало, Елена; Дитятьев, Александр (27 декабря 2012 г.). Развитие и заболевание динамики синаптической пластичности. Достижения экспериментальной медицины и биологии. 970. Вена: Шпрингер, Вена. С. 97–128. Дои:10.1007/978-3-7091-0932-8_5. ISBN 978-3-7091-0932-8. PMID 22351053.
- ^ Бидерер, Томас; Мисслер, Маркус; Зюдхоф, Томас. «Адгезия синаптических клеток». Перспективы Колд-Спрингс-Харбор в биологии. Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. Получено 12 марта 2018.
- ^ Уошборн, Филип; Дитятьев Александр; Шайффеле, Питер; Бидерер, Томас; Weiner, Joshua A .; Кристоферсон, Карен С .; Эль-Хусейни, Алаа (20 октября 2004 г.). «Молекулы клеточной адгезии в образовании синапсов». Журнал неврологии. 24 (42): 9244–9249. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.3339-04.2004. ЧВК 6730099. PMID 15496659.
- ^ Далва, Мэтью; Макклелланд, Эндрю; Кайзер, Мэтью (14 февраля 2007 г.). «Молекулы клеточной адгезии: сигнальные функции в синапсе». Природа. 8 (3): 206–220. Дои:10.1038 / номер 2075. ЧВК 4756920. PMID 17299456.
- ^ а б Bamji SX (июль 2005 г.). «Кадгерины: актин с цитоскелетом для образования синапсов». Нейрон. 47 (2): 175–8. Дои:10.1016 / j.neuron.2005.06.024. PMID 16039559.
- ^ а б c d е ж грамм Ариккат Дж., Райхардт Л.Ф. (сентябрь 2008 г.). «Кадгерины и катенины в синапсах: роли в синаптогенезе и синаптической пластичности». Тенденции в неврологии. 31 (9): 487–94. Дои:10.1016 / j.tins.2008.07.001. ЧВК 2623250. PMID 18684518.
- ^ а б Сеонг Э., Юань Л., Ариккат Дж. (Апрель 2015 г.). «Кадгерины и катенины в морфогенезе дендритов и синапсов». Адгезия и миграция клеток. 9 (3): 202–13. Дои:10.4161/19336918.2014.994919. ЧВК 4594442. PMID 25914083.
- ^ а б Уолли К. (октябрь 2015 г.). «Нейронное развитие: сложное соревнование за шипы». Обзоры природы. Неврология. 16 (10): 577. Дои:10.1038 / nrn4024. PMID 26307326.
- ^ а б Бянь В.Дж., Мяо В.Й., Хе С.Дж., Цю З., Ю X (август 2015 г.). «Скоординированная обрезка и созревание позвоночника, опосредованная конкуренцией между позвоночником для комплексов кадгерина / катенина». Клетка. 162 (4): 808–22. Дои:10.1016 / j.cell.2015.07.018. PMID 26255771.
- ^ Санес Д. (25 января 2011 г.). Развитие нервной системы (3-е изд.). Эльзевир. ISBN 978-0-08-092320-8.
- ^ а б Ирие К., Симидзу К., Сакисака Т., Икеда В., Такай Ю. (декабрь 2004 г.). «Роль и механизмы действия нектинов в клеточной адгезии». Семинары по клеточной биологии и биологии развития. 15 (6): 643–56. Дои:10.1016 / с1084-9521 (04) 00088-6. PMID 15561584.
- ^ Рикитаке Й, Мандай К., Такай Й (август 2012 г.). «Роль нектинов в различных типах межклеточной адгезии». Журнал клеточной науки. 125 (Пт 16): 3713–22. Дои:10.1242 / jcs.099572. PMID 23027581.
- ^ Такай Й, Симидзу К., Оцука Т. (октябрь 2003 г.). «Роль кадгеринов и нектинов в формировании межнейрональных синапсов». Текущее мнение в нейробиологии. 13 (5): 520–6. Дои:10.1016 / j.conb.2003.09.003. PMID 14630213.
- ^ Крейг А.М., Кан Й. (февраль 2007 г.). «Передача сигналов нейрексин-нейролигин в развитии синапсов». Текущее мнение в нейробиологии. 17 (1): 43–52. Дои:10.1016 / j.conb.2007.01.011. ЧВК 2820508. PMID 17275284.
- ^ Дин С., Дресбах Т. (январь 2006 г.). «Нейролигины и нейрексины: связывающие адгезию клеток, формирование синапсов и когнитивные функции». Тенденции в неврологии. 29 (1): 21–9. Дои:10.1016 / j.tins.2005.11.003. PMID 16337696.
- ^ Нам Ч.И., Чен Л. (апрель 2005 г.). «Постсинаптическая сборка, индуцированная взаимодействием нейрексин-нейролигин и нейротрансмиттером». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 102 (17): 6137–42. Bibcode:2005ПНАС..102.6137Н. Дои:10.1073 / pnas.0502038102. ЧВК 1087954. PMID 15837930.
- ^ Брэди С.Т., Сигель Г.Дж., Альберс Р.В., Прайс DL (2012). Базовая нейрохимия: принципы молекулярной, клеточной и медицинской нейробиологии (Восьмое изд.). Уолтем, Массачусетс. ISBN 978-0-12-374947-5. OCLC 754167839.
- ^ а б Мисслер М., Зюдхоф ТЦ, Бидерер Т. (апрель 2012 г.). «Адгезия синаптических клеток». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 4 (4): a005694. Дои:10.1101 / cshperspect.a005694. ЧВК 3312681. PMID 22278667.
- ^ Хорч М (2009). «Краткая история синапса - Гольджи против Рамона-и-Кахала». В Hortsch M, Umemori H (ред.). Липкий синапс. Спрингер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. С. 1–9. Дои:10.1007/978-0-387-92708-4_1. ISBN 978-0-387-92707-7.
- ^ а б Missler M, Zhang W, Rohlmann A, Kattenstroth G, Hammer RE, Gottmann K, Südhof TC (июнь 2003 г.). «Альфа-нейрексины соединяют каналы Ca2 + с экзоцитозом синаптических везикул». Природа. 423 (6943): 939–48. Bibcode:2003Натура.423..939М. Дои:10.1038 / природа01755. PMID 12827191.
- ^ а б Сквайр Л. Р. (2009). Энциклопедия неврологии. Амстердам: Academic Press. ISBN 978-0-08-096393-8. OCLC 503584095.
- ^ Чжан С., Атасой Д., Арас Д., Ян Х, Фучилло М.В., Робисон А.Дж., Ко Дж., Брюнгер А.Т., Зюдхоф ТЦ (май 2010 г.). «Нейрексины физически и функционально взаимодействуют с рецепторами ГАМК (А)». Нейрон. 66 (3): 403–16. Дои:10.1016 / j.neuron.2010.04.008. ЧВК 3243752. PMID 20471353.
- ^ Хата Ю., Давлетов Б., Петренко А.Г., Ян Р., Зюдхоф ТЦ (февраль 1993 г.). «Взаимодействие синаптотагмина с цитоплазматическими доменами нейрексинов». Нейрон. 10 (2): 307–15. Дои:10.1016 / 0896-6273 (93) 90320-Q. PMID 8439414.
- ^ а б Лизабет Э.М., Фаливелли Дж., Паскуале Э. Б. (сентябрь 2013 г.). «Передача сигналов рецептора Eph и эфрины». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 5 (9): a009159. Дои:10.1101 / cshperspect.a009159. ЧВК 3753714. PMID 24003208.
- ^ а б c Бьянки Л. (2018). Нейробиология развития. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Наука о гирляндах. С. 299–302. ISBN 9780815344827.
- ^ Болтон М.М., Эроглу С. (октябрь 2009 г.). «Посмотрите, кто плетет нейронную сеть: глиальный контроль образования синапсов». Текущее мнение в нейробиологии. 19 (5): 491–7. Дои:10.1016 / j.conb.2009.09.007. PMID 19879129.
- ^ а б c d е Рубинштейн Дж (май 2013 г.). Клеточная миграция и формирование нейронных связей: комплексная нейробиология развития. Сан-Диего, Калифорния: Elsevier Science & Technology. С. 659–669. ISBN 978-0-12-397266-8.
- ^ Flannery DB (сентябрь 1988 г.). «Нерасхождение при синдроме Дауна». Американский журнал медицинской генетики. 31 (1): 181–2. Дои:10.1002 / ajmg.1320310123. PMID 2975924.
- ^ а б Лернер AM (октябрь 1990 г.). «Вирусный миокардит как случайное открытие». Госпитальная практика. 25 (10): 81–4, 87–90. Дои:10.1016 / j.brainres.2006.11.033. ЧВК 2170431. PMID 2170431.
- ^ Арванитис Д., Дэви А. (февраль 2008 г.). «Eph / ephrin сигнализация: сети». Гены и развитие. 22 (4): 416–29. Дои:10.1101 / gad.1630408. ЧВК 2731651. PMID 18281458.
- ^ Лундгрен А., Тибблинг Л., Хенрикссон Н. Г. (март 2018 г.). «DC-определяемое смещение ритма нистагма во вращательных тестах». Practica Oto-Rhino-Laryngologica. 31 (1): 54–64. Дои:10.3892 / etm.2018.5702. PMID 5795627.