Войти
Изображение флуоресцентно маркированного конуса роста, отходящего от аксона F-актин (красный) микротрубочки (зеленый). A конус роста представляет собой большое актин -поддерживаемое расширение развивающегося или регенерирующего нейрит ищет свою синаптическую цель. Их существование было первоначально предложено испанским гистологом Сантьяго Рамоном-и-Кахал на основании неподвижных изображений, которые он наблюдал под микроскопом. Он впервые описал конус роста, основанный на фиксированных клетках, как «концентрацию протоплазмы конической формы, наделенную амебоидными движениями» (Cajal, 1890). Конусы роста расположены на концах нейритов, либо дендритов, либо аксонов, нервной клетки. Сенсорные, моторные, интегративные и адаптивные функции растущих аксонов и дендритов содержатся в этой специализированной структуре.
Два флуоресцентно меченных конуса роста. Конус роста (зеленый) слева - это пример «филоподиального» конуса роста, а тот, что справа, - «ламеллиподиальный» конус роста. Как правило, ростовые конусы имеют обе структуры, но с разными размерами и количеством каждой. Морфологию ростового конуса можно легко описать, используя руку в качестве аналогии. Тонкие продолжения конуса роста представляют собой заостренные филоподии, известные как микрошипы. Филоподии подобны «пальцам» конуса роста; они содержат пучки актиновых филаментов (F-актин), которые придают им форму и опору. Филоподии - это доминирующие структуры в конусах роста, они выглядят как узкие цилиндрические выступы, которые могут выходить на несколько микрометров за край конуса роста. Филоподии связаны мембраной, которая содержит рецепторы, а молекулы клеточной адгезии, которые важны для роста аксонов и руководства.
Между филоподиями - очень похожими на перепонки рук - находятся " ламеллиподии ". Это плоские области плотной сети актина вместо связанного F-актина, как у филоподий. Они часто появляются рядом с передним краем конуса роста и располагаются между двумя филоподиями, придавая им вид «вуали». В конусах роста новые филоподии обычно появляются из этих межфилоподийных вуалей.
Конус роста описывается в терминах трех областей: периферического (P) домена, переходного (T) домена и центрального (C) домена. Периферийный домен - это тонкая область, окружающая внешний край конуса роста. Он состоит в основном из актинового цитоскелета и содержит ламеллиподии и филоподии, которые очень динамичны. Микротрубочки, однако, как известно, временно проникают в периферическую область посредством процесса, называемого динамической нестабильностью. Центральный домен расположен в центре ближайшего к аксону конуса роста. Эта область состоит в основном из цитоскелета на основе микротрубочек, обычно более толстая и содержит множество органелл и везикул различных размеров. Переходный домен - это область, расположенная в тонкой полосе между центральным и периферическим доменами.
Конусы роста являются молекулярно специализированными, с транскриптомами и протеомами, которые отличаются от таковых их тел родительских клеток. Существует много белков, связанных с цитоскелетом, которые выполняют множество функций внутри конуса роста, например, прикрепляют актин и микротрубочки друг к другу, к мембране и другим компонентам цитоскелета. Некоторые из этих компонентов включают молекулярные моторы, которые генерируют силу в конусе роста, и связанные с мембраной везикулы, которые транспортируются в конус роста и из него через микротрубочки. Некоторыми примерами белков, связанных с цитоскелетом, являются фасцин и филамины (связывание актина), талин (закрепление актина), миозин (транспорт везикул).) и mDia (связывание микротрубочек с актином).
Высокодинамичная природа конусов роста позволяет им реагировать на окружающую среду, быстро меняя направление и разветвляясь в ответ на различные стимулы. Существует три стадии роста аксона, которые называются: протрузия, нагрубание и консолидация. Во время протрузии происходит быстрое распространение филоподий и ламеллярных расширений вдоль переднего края конуса роста. Набухание происходит, когда филоподии перемещаются к боковым краям конуса роста, а микротрубочки проникают дальше в конус роста, принося везикулы и органеллы, такие как митохондрии и эндоплазматический ретикулум. Наконец, консолидация происходит, когда F-актин на шейке конуса роста деполимеризуется и филоподии втягиваются. Затем мембрана сжимается, образуя цилиндрический стержень аксона вокруг пучка микротрубочек. Одна форма ветвления аксонов также происходит посредством того же процесса, за исключением того, что конус роста «расщепляется» во время фазы нагрубания. Это приводит к бифуркации главного аксона. Дополнительную форму ветвления аксонов называют коллатеральным (или интерстициальным) ветвлением. Коллатеральное ветвление, в отличие от бифуркаций аксонов, включает образование новой ветви от установленного вала аксона и не зависит от конуса роста на кончике растущего аксона. В этом механизме аксон первоначально генерирует филоподий или ламеллиподий, которые после инвазии аксональными микротрубочками могут затем развиться дальше в ветвь, идущую перпендикулярно от вала аксона. Установленные коллатеральные ветви, такие как главный аксон, имеют конус роста и развиваются независимо от кончика главного аксона.
В целом удлинение аксона является результатом процесса, известного как рост кончика. В этом процессе новый материал добавляется к конусу роста, в то время как остальная часть аксонального цитоскелета остается неподвижной. Это происходит посредством двух процессов: динамики цитоскелета и механического напряжения. Благодаря динамике цитоскелета микротрубочки полимеризуются в конус роста и доставляют жизненно важные компоненты. Механическое напряжение возникает, когда мембрана растягивается из-за генерирования силы молекулярными двигателями в конусе роста и сильной адгезии к субстрату вдоль аксона. В общем, быстрорастущие конусы роста имеют небольшие размеры и большую степень растяжения, в то время как медленно движущиеся или приостановленные конусы роста очень большие и имеют низкую степень растяжения.
Ростовые конусы непрерывно формируются за счет конструирования актиновых микрофиламентов и расширения плазматической мембраны посредством слияния везикул. Актиновые филаменты деполимеризуются и разбираются на проксимальном конце, позволяя свободным мономерам мигрировать к переднему краю (дистальному концу) актинового филамента, где они могут полимеризоваться и, таким образом, повторно прикрепляться. Актиновые филаменты также постоянно отводятся от переднего края с помощью миозин-моторного процесса, известного как ретроградный поток F-актина. Актиновые филаменты полимеризуются в периферической области и затем транспортируются обратно в переходную зону, где филаменты деполимеризуются; таким образом освобождая мономеры для повторения цикла. Это отличается от беговой дорожки с актином, поскольку движется весь белок. Если бы протеин был просто беговой дорожкой, мономеры деполимеризовались бы с одного конца и полимеризовались бы на другом, в то время как сам белок не двигался бы.
Ростовая способность аксонов заключается в микротрубочках, которые расположены сразу за актиновыми филаментами. Микротрубочки могут быстро полимеризоваться и, таким образом, «зондировать» богатую актином периферическую область конуса роста. Когда это происходит, полимеризующиеся концы микротрубочек входят в контакт с участками адгезии F-актина, где белки, связанные с кончиками микротрубочек, действуют как «лиганды». Ламинины базальной мембраны взаимодействуют с интегринами конуса роста, способствуя продвижению конуса роста. Кроме того, разрастание аксона также поддерживается за счет стабилизации проксимальных концов микротрубочек, которые обеспечивают структурную поддержку аксона.
Модель наведения аксонов, опосредованного конусом роста. Слева направо эта модель описывает, как цитоскелет реагирует и реорганизуется, чтобы расти в направлении положительного стимула (+), обнаруживаемого рецепторами в конусе роста или вдали от отрицательного стимула (-). Движение аксонов контролируется интеграция его сенсорной и моторной функции (описанной выше), которая осуществляется через вторичные посредники, такие как кальций и циклические нуклеотиды. Сенсорная функция аксонов зависит от сигналов внеклеточного матрикса, которые могут быть либо притягивающими, либо отталкивающими, помогая тем самым увести аксон от определенных путей и привлечь их к их надлежащим целям назначения. Привлекательные реплики подавляют ретроградный поток актиновых филаментов и способствуют их сборке, тогда как репульсивные реплики имеют прямо противоположный эффект. Белки, стабилизирующие актин, также задействованы и необходимы для продолжения выпячивания филоподий и ламеллиподий в присутствии сигналов притяжения, тогда как белки, дестабилизирующие актин, участвуют в присутствии сигналов отталкивания.
Аналогичный процесс происходит с микротрубочками. В присутствии привлекательного сигнала на одной стороне конуса роста, специфические микротрубочки нацелены на этой стороне стабилизирующими микротрубочками белками, что приводит к повороту конуса роста в направлении положительного стимула. С отталкивающими сигналами верно обратное: стабилизация микротрубочек предпочтительна на противоположной стороне конуса роста в качестве отрицательного стимула, в результате которого конус роста отворачивается от репеллента. Этот процесс в сочетании с процессами, связанными с актином, приводит к общему направленному росту аксона.
Рецепторы конуса роста обнаруживают присутствие молекул, направляющих аксоны, таких как нетрин, Slit, эфрины и семафорины. Недавно было показано, что детерминанты клеточной судьбы, такие как Wnt или Shh, также могут действовать как ориентиры. Один и тот же сигнал наведения может действовать как аттрактант или репеллент, в зависимости от контекста. Ярким примером этого является Нетрин-1, который сигнализирует о притяжении через рецептор DCC и отталкивании через рецептор Unc-5. Кроме того, было обнаружено, что эти же молекулы участвуют в управлении ростом сосудов. Направление аксонов направляет начальную проводку нервной системы, а также важно в регенерации аксонов после травмы.
