Сімейство хеморепеллентов семафоріни

СІМЕЙСТВО ХЕМОРЕПЕЛЛЕНТОВ, СЕМАФОРІНИ

Сімейство хеморепеллентов, семафоріни

Іншими білками, які грають роль хеморепеллентов, є семафоріни, велике сімейство секреторних і трансмембранних білків (рис. 1А). Спочатку вони були ідентифіковані як фактори, що управляють зростанням аксона у коників, і були визнані хеморепеллентамі. Потім був виявлений і виділений в чистому вигляді гомолог цього білка у хребетних, коллапсін-1, який, як було показано, призводить до ретракції конусів росту в культурі клітин. Він також здатний управляти на довгих дистанціях зростанням аксона, викликаючи його відхилення. Нейропіліни є висококонсервативний сімейством рецепторів до семафорінам (рис. 1В).

Модуляція відповідей на хеморепелленти і хемоаттрактанти

На шляху передачі сигналів, які забезпечують відповіді клітини на хемоаттрактанти і хеморепелленти, можна впливати за допомогою кальцій-залежних протеїнкіназ і протеїнкіназ, що залежать від концентрації циклічних нуклеотидів. Наприклад, в культурі спінальних нейронів Xenopus активація шляху циклічних нуклеотидів більш сприятлива для сигналів атракції; інгібування цих шляхів призводить до відштовхуванню конуса росту. Таким чином, джерело нетріна-1 притягує конус росту культивованих спінальних нейронів Xenopus. Однак при додаванні інгібітора протеїнкінази А конуси росту повертали геть від джерела нетріна. З іншого боку, конуси росту Xenopus в нормальних умовах направляються геть від джерела коллапсіна-1; ці відразливі ефекти стають привертають після активації сигнальних шляхів, пов'язаних з цГМФ. У середовищі з низьким вмістом кальцію зникають всі типи відповідей (як привертають, так і відразливі), а швидкість росту зростає.

Іннервація клітини-мішені

Механізми управління конусів росту, описані досі, направляють аксон до його кінцевої мети. Однак проблема того, як кожен аксон підходить до своїй клітці-мішені, залишається відкритою. Шлях, по якому гангліозних клітини сітківки іннервують свої клітини-мішені в області передніх горбів покришки, є прикладом того, які сигнали забезпечують досягнення правильного патерну іннервації. Під час розвитку аксони гангліозних клітин задньої або скроневої (temporal) частини сітківки направляються для іннервації в передню частину тектума, а клітини передньої (nasal) частини сітківки направляються для іннервації задньої частини тектума (рис. 2).

В елегантній серії експериментів Бонхоеффер з колегами продемонстрували, що аксони визначає території своєї іннервації допомогою відштовхують взаємодій, які запобігають вторгнення аксонів скроневої зони в область задньої частини тектума. Гангліозних клітини скроневій сітківки були поміщені в культуру, де поряд з ними було поверхні, покриті мембранами, виділеними або з передньої, або із задньої області тектума. У цих умовах аксони відштовхувалися мембранами із задньої частини тектума і росли переважно в напрямку мембран своїх природних мішеней, мембран передньої частини тектума. Цікаво, що аксони сітківки, не маючи подібного вибору, швидко зростають у напрямку будь-якого субстрату, як з передньої, так і із задньої частини тектума.

Молекули, відповідальні за такі відразливі взаємодії, належать до сімейства рецепторів, пов'язаних з тирозинкіназ (відомих як Eph кінази), а також їх лігандів (званих ефрінамі, ephrines). Ефрін-А2 і ефрін-5 експресуються в тектуме під час утворення ретінотектальних зв'язків, і їх концентрація поступово збільшується в напрямку спереду назад. Рецептор до Eph-АЗ експресується на аксонах клітин сітківки відповідно назотемпоралиюму градієнту. При укладанні в ліпідні бульбашки і додаванні в середу, що омиває аксони клітин скроневої частини сітківки, ефріни А2 і А5 викликають відділення конусів росту від субстратів та їх ретракція. Ефріни і сімейство Eph рецепторів, пов'язаних з тирозинкіназ, діють у всіх частинах розвивається нервової системи, впливаючи на знаходження шляху аксонів, міграцію клітин, утворення зв'язків між ними, в основному демонструючи подібний відштовхуючий механізм.

Одного рострокаудального градієнта недостатньо для того, щоб аксони клітин сітківки правильно досягли свого остаточного місця розташування в тектуме. Пізніші зміни в рострокаудальних проекціях грунтуються як на виразно розташованих хімічних сигналах, так і на механізмах, що залежать від активності нейронів

Освіта синапсів

Як тільки конус росту досягає своєї мішені, він повинен встановити синаптичний контакт, часто має специфічне розташування на клітині-мішені. Аналіз механізмів, завдяки яким формуються такі чіткі зв'язки в межах ЦНС, є основною проблемою. Кращим препаратом для вивчення утворення синаптичних зв'язків є нервово-м'язове з'єднання в скелетному м'язі хребетних.

Накопичення рецепторів до ацетилхоліну

Дослідження Фішбаха, Кохена, Шанг, Салпетера, Штайнбаха, Пу, Кідокоро та інших показали, що на ранніх періодах розвитку рецептори АХ розподілені дифузно уздовж поверхні неіннервірованних м'язових волокон з щільністю близько декількох сотень рецепторів на квадратний міліметр. У міру того як конус росту мотонейрона наближається до м'язевого волокна, в клітині-мішені виникають деполяризуючих потенціали у відповідь на виділення АХ з конуса росту (рис. 3.). Після контакту частота спонтанного виділення квантів АХ швидко зростає, як і величина синаптичного потенціалу, що виникає у відповідь на стимуляцію аксона. Таким чином, протягом хвилин формується функціональна сііаптіческая зв'язок.

На першому етапі синаптичної спеціалізації відбувається накопичення рецепторів АХ (AChRs) безпосередньо під терміналь аксона. Цей процес починається через кілька годин після першого контакту. Через день-два щільність рецепторів під терміналів становить кілька тисяч на квадратний міліметр. Приблизно в той же самий час в областях синапсів починає накопичуватися ацетилхолінестерази і стають помітні пучки матриксу платівки в області синаптичної щілини. Подальша діфференцпровка нервово-м'язового з'єднання відбувається поступово, протягом кількох наступних тижнів розвитку. У багатьох видів субодиниця рецептора АХ замінюється на субодиницю, що призводить до формування з ембріонального рецептора рецептора дорослого типу (розділ 3). Розподіл рецепторів також змінюється: концентрація під терміналь аксона поступово збільшується, досягаючи у дорослих рівня приблизно ¹⁰ Квітня рецепторів на 1 мкм ^2, а щільність рецепторів поза синаптичної зони м'язових волокон зменшується до рівня менше ніж 10 рецепторів на I мкм ^2. Метаболічна стабільність рецепторів АХ також змінюється. До іннервації рецептори мембрани мали період напівжиття порядку 1 дня; рецептори АХ в іннервіровани волокнах дивно стійкі, їх період напіввиведення становить близько 10 днів.

Зміни також відбуваються в терміналі аксона, приводячи протягом декількох тижнів до утворення активних зон. Ці та багато інших дослідження показують, що освіта синапсу не є простим подією за принципом «все або нічого». Хоча функціональна синаптична передача може встановлюватися досить швидко, диференціювання пре-і постсинаптичних характерних властивостей - більш довгий процес, що йде протягом декількох тижнів розвитку, і він заснований на обміні різноманітними молекулярними сигналами між нервової терміналів і м'язовим волокном. Детальні морфологічні і фізіологічні експерименти показують, що конуси росту стикаються з поверхнею м'язової клітини в довільному місці, ігноруючи сушествуюшіе кластери рецепторів АХ, і швидко призводять до формування нових агрегатів рецепторів (рис. 4.).

Таким чином, термінали аксона повинні вивільняти певний сигнал, який індукує накопичення рецепторів АХ на м'язовій клітці. Цей сигнал є специфічним для холінергічних нейронів; при проростанні нехолінергіческіх нейронів в м'язові клітини вони не викликають змін у розподілі рецепторів АХ. Однак сигналом до цього не є сам АХ; накопичення рецепторів АХ під терміналами аксона відбувається в культурах клітин у присутності кураре і бунгаротоксіна, які блокують взаємодію АХ ​​з його рецепторами. В експериментах, спочатку призначених для ідентифікації сигналів, контролюючих регенерацію нервово-м'язового з'єднання, був ідентифікований білок, названий Агрін, який вивільнявся терміналами рухового нерва і приводив до накопичення рецепторів АХ, холінестерази та інших компонентів постсинаптичного апарату в синаптичних областях.

Викликана Агрін синаптична диференціювання