Войти
Синаптогенеза является формирование синапсов между нейронами в нервной системе. Несмотря на то, что происходит в течение здорового человека продолжительности жизни, взрыв формирования синапса происходит во время раннего развития мозга, известное как буйный синаптогенезе. Синаптогенез особенно важен в критический период человека, в течение которого происходит определенная степень синаптического сокращения из-за конкуренции нейронов и синапсов за факторы роста нервных клеток. Процессы, которые не используются или заблокированы в критический период, не смогут нормально развиваться в дальнейшем в жизни.
Нервно - мышечное соединение (НМС) является наиболее хорошо охарактеризованным синапсом в том, что он обеспечивает простой и доступную структуру, которая позволяет легко манипулировать и наблюдение. Сам синапс состоит из трех клеток: мотонейрона, миофибры и шванновской клетки. В нормально функционирующем синапсе сигнал вызывает деполяризацию мотонейрона путем высвобождения нейромедиатора ацетилхолина (ACh). Ацетилхолин проходит через синаптическую щель, где достигает рецепторов ацетилхолина (AChR) на плазматической мембране миофибры, сарколемме. Когда AChR открывают ионные каналы, мембрана деполяризуется, вызывая сокращение мышц. Весь синапс покрыт миелиновой оболочкой, обеспечиваемой клеткой Шванна, чтобы изолировать и инкапсулировать соединение. Другой важной частью нервно-мышечной системы и центральной нервной системы являются астроциты. Хотя первоначально считалось, что они функционируют только как поддержка нейронов, они играют важную роль в функциональной пластичности синапсов.
Во время развития каждый из трех типов клеток зародышевого листка возникает из разных регионов растущего эмбриона. Отдельные миобласты берут начало в мезодерме и сливаются, образуя многоядерную мышечную трубку. Во время или вскоре после образования мышечной трубки мотонейроны нервной трубки образуют предварительные контакты с мышечной трубкой. Шванновские клетки возникают из нервного гребня и направляются аксонами к месту назначения. Достигнув его, они образуют рыхлое немиелинизированное покрытие над иннервирующими аксонами. Движение аксонов (а затем и шванновских клеток) управляется конусом роста, нитевидной проекцией аксона, которая активно ищет нейротрофины, выделяемые мышечной трубкой.
Специфический паттерн развития синапсов в нервно-мышечном соединении показывает, что большинство мышц иннервируются в их средних точках. Хотя может показаться, что аксоны специально нацелены на среднюю точку миотрубки, несколько факторов показывают, что это неверное утверждение. Похоже, что после первоначального аксонального контакта новообразованная мышечная трубка продолжает расти симметрично от этой точки иннервации. В сочетании с тем фактом, что плотность AChR является результатом контакта аксонов, а не причиной, структурные паттерны мышечных волокон могут быть связаны как с миотатическим ростом, так и с иннервацией аксонов.
Предварительный контакт, образованный между мотонейроном и мышечной трубкой, почти сразу вызывает синаптическую передачу, но производимый сигнал очень слаб. Есть свидетельства того, что шванновские клетки могут облегчить эти предварительные сигналы, увеличивая количество спонтанного высвобождения нейромедиаторов через сигналы малых молекул. Примерно через неделю полностью функциональный синапс формируется после нескольких типов дифференцировки как в постсинаптических мышечных клетках, так и в пресинаптических мотонейронах. Этот первичный аксон имеет решающее значение, потому что новые аксоны, которые следуют за ним, имеют высокую склонность к формированию контактов с хорошо установленными синапсами.
Наиболее заметное различие в миотрубке после контакта с мотонейроном - это повышенная концентрация AChR в плазматической мембране миотрубки в синапсе. Это увеличенное количество AChR позволяет более эффективно передавать синаптические сигналы, что, в свою очередь, приводит к более развитому синапсу. Плотность AChR составляетgt; 10 000 / мкм 2 и приблизительно 10 / мкм 2 по краю. Такая высокая концентрация AChR в синапсе достигается за счет кластеризации AChR, активации транскрипции гена AChR в постсинаптических ядрах и подавления гена AChR в несинаптических ядрах. Сигналы, которые инициируют постсинаптическую дифференцировку, могут быть нейротрансмиттерами, высвобождаемыми непосредственно из аксона в мышечную трубку, или они могут возникать в результате изменений, активируемых во внеклеточном матриксе синаптической щели.
AChR подвергается мультимеризации в постсинаптической мембране во многом благодаря сигнальной молекуле Agrin. Аксон мотонейрона высвобождает агрин, протеогликан, который инициирует каскад, который в конечном итоге приводит к ассоциации AChR. Агрин связывается с рецептором мышечно-специфической киназы ( MuSK ) в постсинаптической мембране, и это, в свою очередь, приводит к последующей активации цитоплазматического белка Rapsyn. Рапсин содержит домены, которые обеспечивают ассоциацию и мультимеризацию AChR, и он непосредственно отвечает за кластеризацию AChR в постсинаптической мембране: мутантные мыши с дефицитом рапсина не могут образовывать кластеры AChR.
Повышенная концентрация AChR возникает не просто из-за перестройки ранее существовавших синаптических компонентов. Аксон также обеспечивает сигналы, которые регулируют экспрессию генов в миоядрах непосредственно под синапсом. Эта передача сигналов обеспечивает локальную активацию транскрипции генов AChR и последующее увеличение локальной концентрации AChR. Две сигнальные молекулы, высвобождаемые аксоном, - это пептид, связанный с геном кальцитонина ( CGRP ), и нейрегулин, которые запускают серию киназ, которые в конечном итоге приводят к транскрипционной активации генов AChR.
Репрессия гена AChR в несинаптических ядрах является зависимым от активности процессом, включающим электрический сигнал, генерируемый вновь образованным синапсом. Снижение концентрации AChR во внесинаптической мембране в дополнение к повышенной концентрации в постсинаптической мембране помогает гарантировать точность сигналов, посылаемых аксоном, путем локализации AChR в синапсе. Поскольку синапс начинает получать входные данные почти сразу после того, как мотонейрон входит в контакт с мышечной трубкой, аксон быстро генерирует потенциал действия и высвобождает ACh. Деполяризация, вызванная AChR, вызывает сокращение мышц и одновременно запускает репрессию транскрипции гена AChR через всю мышечную мембрану. Обратите внимание, что это влияет на транскрипцию генов на расстоянии: рецепторы, встроенные в постсинаптическую мембрану, не подвержены репрессии.
Хотя механизмы, регулирующие пресинаптическую дифференцировку, неизвестны, изменения, проявляющиеся на развивающемся конце аксона, хорошо охарактеризованы. Пресинаптический аксон показывает увеличение синаптического объема и площади, увеличение синаптических пузырьков, кластеризацию пузырьков в активной зоне и поляризацию пресинаптической мембраны. Считается, что эти изменения опосредуются высвобождением нейротрофина и молекулы клеточной адгезии из мышечных клеток, что подчеркивает важность связи между мотонейроном и мышечной трубкой во время синаптогенеза. Как и постсинаптическая дифференцировка, пресинаптическая дифференцировка, как полагают, происходит из-за комбинации изменений в экспрессии генов и перераспределения ранее существовавших синаптических компонентов. Доказательства этого можно увидеть в активации генов, экспрессирующих везикулярные белки вскоре после образования синапсов, а также в их локализации на синаптическом конце.
Незрелые синапсы многократно иннервируются при рождении из-за высокой склонности новых аксонов к иннервации уже существующих синапсов. По мере созревания синапса синапсы разделяются, и в конечном итоге все входные данные аксонов, за исключением одного ретракта, возникают в процессе, называемом устранением синапса. Кроме того, постсинаптическая концевая пластинка становится глубже и создает складки за счет инвагинации, чтобы увеличить площадь поверхности, доступную для приема нейротрансмиттеров. При рождении шванновские клетки образуют рыхлую немиелинизированную оболочку над группами синапсов, но по мере созревания синапса шванновские клетки становятся выделенными для одного синапса и образуют миелинизированный колпачок по всему нервно-мышечному соединению.
Процесс сокращения синапсов, известный как устранение синапсов, предположительно является зависимым от активности процессом, который включает конкуренцию между аксонами. Гипотетически, синапс, достаточно сильный, чтобы производить потенциал действия, будет запускать миоядра прямо напротив аксона, чтобы высвободить синаптотрофины, которые будут укреплять и поддерживать устойчивые синапсы. Это усиление синапсов не распространяется на более слабые синапсы, тем самым истощая их. Также было высказано предположение, что помимо синаптотрофинов, высвобождаемых в синапс, проявляющих сильную активность, деполяризация постсинаптической мембраны вызывает высвобождение синаптотоксинов, которые отталкивают более слабые аксоны.
Замечательным аспектом синаптогенеза является тот факт, что мотонейроны способны различать быстрые и медленно сокращающиеся мышечные волокна; быстро сокращающиеся мышечные волокна иннервируются «быстрыми» мотонейронами, а медленно сокращающиеся мышечные волокна - «медленными» мотонейронами. Есть два предполагаемых пути, с помощью которых аксоны мотонейронов достигают этой специфичности: один, при котором аксоны активно распознают мышцы, которые они иннервируют, и принимают выборочные решения на основе входных сигналов, а другой требует более неопределенной иннервации мышечных волокон. На избирательных путях аксоны распознают тип волокна либо по факторам, либо по сигналам, выделяемым конкретно быстрыми или медленно сокращающимися мышечными волокнами. Кроме того, избирательность можно проследить до латерального положения, в котором аксоны заранее расположены, чтобы связать их с мышечным волокном, которое они в конечном итоге будут иннервировать. Предполагаемые неизбирательные пути указывают на то, что аксоны направляются к месту назначения матрицей, через которую они перемещаются. По сути, для аксона проложен путь, и сам аксон не участвует в процессе принятия решений. Наконец, аксоны могут неспецифически иннервировать мышечные волокна и заставлять мышцы приобретать характеристики аксона, который их иннервирует. На этом пути «быстрый» мотонейрон может преобразовать любое мышечное волокно в быстро сокращающееся мышечное волокно. Имеются доказательства как избирательных, так и неизбирательных путей в специфичности образования синапсов, что приводит к заключению, что этот процесс является комбинацией нескольких факторов.
Хотя изучение синаптогенеза в центральной нервной системе (ЦНС) намного позже, чем исследование НМС, есть многообещающие связать информацию, полученную в ННС, с синапсами в ЦНС. Между двумя типами нейронных связей существует много похожих структур и основных функций. На самом базовом уровне синапс ЦНС и НМС имеют нервный конец, который отделен от постсинаптической мембраны расщелиной, содержащей специализированный внеклеточный материал. Обе структуры обнаруживают локализованные везикулы в активных центрах, кластерные рецепторы на постсинаптической мембране и глиальные клетки, которые инкапсулируют всю синаптическую щель. Что касается синаптогенеза, оба синапса демонстрируют дифференциацию пре- и постсинаптических мембран после первоначального контакта между двумя клетками. Это включает в себя кластеризацию рецепторов, локализованное усиление синтеза белка в активных сайтах и сокращение нейронов посредством устранения синапсов.
Несмотря на это сходство в структуре, между двумя связями есть фундаментальное различие. Синапс ЦНС является строго нейрональным и не включает мышечные волокна: по этой причине ЦНС использует различные молекулы и рецепторы нейромедиаторов. Что еще более важно, нейроны в ЦНС часто получают несколько входных данных, которые необходимо обработать и интегрировать для успешной передачи информации. Мышечные волокна иннервируются одним входом и работают по принципу «все или ничего». В сочетании с пластичностью, характерной для нейронных связей ЦНС, легко увидеть, насколько усложняются цепи ЦНС.
Основным методом синаптической передачи сигналов в НМС является использование нейромедиатора ацетилхолина и его рецептора. Гомологом ЦНС является глутамат и его рецепторы, и особенно важным является рецептор N-метил-D-аспартата (NMDA). Было показано, что активация рецепторов NMDA инициирует синаптогенез за счет активации последующих продуктов. Повышенный уровень активности рецепторов NMDA во время развития позволяет увеличить приток кальция, который действует как вторичный сигнал. В конце концов, непосредственные ранние гены (IEG) активируются факторами транскрипции, и белки, необходимые для дифференцировки нейронов, транслируются. Функция рецептора NMDA связана с рецептором эстрогена в нейронах гиппокампа. Эксперименты, проведенные с эстрадиолом, показывают, что воздействие эстрогена значительно увеличивает синаптическую плотность и концентрацию белка.
Передача синаптических сигналов во время синаптогенеза не только зависит от активности, но также зависит от среды, в которой расположены нейроны. Например, нейротрофический фактор головного мозга (BDNF) вырабатывается мозгом и регулирует несколько функций в развивающемся синапсе, включая усиление высвобождения медиатора, повышенную концентрацию везикул и биосинтез холестерина. Холестерин необходим для синаптогенеза, потому что липидные рафты, которые он формирует, обеспечивают основу, на которой могут происходить многочисленные сигнальные взаимодействия. BDNF-нулевые мутанты обнаруживают значительные дефекты роста нейронов и образования синапсов. Помимо нейротрофинов, молекулы клеточной адгезии также важны для синаптогенеза. Часто связывание пресинаптических молекул клеточной адгезии с их постсинаптическими партнерами запускает специализации, которые способствуют синаптогенезу. Действительно, дефект в генах, кодирующих нейролигин, молекулу клеточной адгезии, обнаруженную в постсинаптической мембране, был связан со случаями аутизма и умственной отсталости. Наконец, многие из этих сигнальных процессов могут регулироваться матриксными металлопротеиназами (ММП), поскольку мишенями многих ММП являются эти специфические молекулы клеточной адгезии.
Особая структура, обнаруженная в ЦНС, которая допускает множественные входы, - это дендритный шип, высокодинамичный участок возбуждающих синапсов. Этот морфологический динамизм обусловлен специфической регуляцией актинового цитоскелета, который, в свою очередь, позволяет регулировать образование синапсов. Дендритные шипы имеют три основных морфологии: филоподии, тонкие шипы и грибовидные шипы. Филоподии играют роль в синаптогенезе через инициирование контакта с аксонами других нейронов. Филоподии новых нейронов имеют тенденцию ассоциироваться с множественными синапсами аксонов, тогда как филоподии зрелых нейронов имеют тенденцию к участкам, лишенным других партнеров. Динамизм шипов позволяет превращать филоподии в шипы грибов, которые являются первичными участками рецепторов глутамата и синаптической передачи.
У крыс, выращенных с обогащением окружающей среды, синапсов на 25% больше, чем у контрольной группы. Этот эффект проявляется независимо от того, ощущается ли более стимулирующая среда сразу после рождения, после отлучения от груди или во время взросления. Стимуляция влияет не только на синаптогенез пирамидных нейронов, но и на звездчатые.
Семейство ( Wnt ) включает несколько эмбриональных морфогенов, которые вносят вклад в формирование раннего паттерна в развивающемся эмбрионе. Недавно появились данные, показывающие, что семейство белков Wnt играет роль в более позднем развитии образования и пластичности синапсов. Вклад Wnt в синаптогенез подтвержден как в центральной нервной системе, так и в нервно-мышечном соединении.
Члены семейства Wnt вносят вклад в формирование синапсов в мозжечке, индуцируя формирование пресинаптических и постсинаптических терминалов. Эта область мозга содержит три основных типа нейрональных клеток - клетки Пуркинье, гранулярные клетки и клетки мшистых волокон. Экспрессия Wnt-3 способствует разрастанию нейритов клеток Пуркинье и образованию синапсов. Гранулярные клетки экспрессируют Wnt-7a, способствуя распространению и ветвлению аксонов в их синаптических партнерах, клетках мшистых волокон. Ретроградная секреция Wnt-7a клетками мшистых волокон вызывает увеличение конуса роста за счет распространения микротрубочек. Более того, ретроградная передача сигналов Wnt-7a рекрутирует синаптические пузырьки и пресинаптические белки в синаптическую активную зону. Wnt-5a выполняет аналогичную функцию на постсинаптических гранулярных клетках; этот Wnt стимулирует сборку рецепторов и кластеризацию каркасного белка PSD-95.
В гиппокампе Wnts в сочетании с электрической активностью клеток способствуют образованию синапсов. Wnt7b экспрессируется в созревающих дендритах, а экспрессия рецептора Wnt Frizzled (Fz) сильно увеличивается с образованием синапсов в гиппокампе. Активация рецептора глутамата NMDA увеличивает экспрессию Wnt2. Долгосрочная потенциация (ДП) за счет активации NMDA и последующей экспрессии Wnt приводит к локализации Fz-5 в постсинаптической активной зоне. Более того, передача сигналов Wnt7a и Wnt2 после LTP, опосредованного NMDA рецептором, ведет к усилению ветвления дендритов и регулирует индуцированную активностью синаптическую пластичность. Блокирование экспрессии Wnt в гиппокампе смягчает эти зависимые от активности эффекты за счет уменьшения ветвления дендритов и, следовательно, сложности синапсов.
Аналогичные механизмы действия Wnts в центральной нервной системе наблюдаются также в нервно-мышечном соединении (НМС). У дрозофилы мутации NMJ в рецепторе Wnt5 Derailed (drl) снижают количество и плотность синаптических активных зон. Главный нейротрансмиттер в этой системе - глутамат. Wnt необходим для локализации глутаматергических рецепторов на постсинаптических мышечных клетках. В результате мутации Wnt уменьшают вызванные токи в постсинаптической мышце.
В NMJ позвоночных экспрессия Wnt-11r в мотонейронах способствует кластеризации ацетилхолиновых рецепторов (AChR) в постсинаптической плотности мышечных клеток. Wnt-3 экспрессируется мышечными волокнами и ретроградно секретируется моторными нейронами. В мотонейронах Wnt-3 работает с агрином, способствуя увеличению конуса роста, ветвлению аксонов и кластеризации синаптических пузырьков.
