Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Nikolls_-_Ot_neyrona_k_mozgu

.pdf
Скачиваний:
28
Добавлен:
13.03.2016
Размер:
16.96 Mб
Скачать

Глава 23. Развитие нервной системы

553

robo отталкивает конусы роста комиссуральных интернейронов. Потеря аттракции к TAG-1— NrCAM контакту и приобретение коротко-дистантного отталкивающего взаимодействия slitrobo предупреждают возможное повторное пересечение аксоном средней линии.

Slit и нетрин-1 также диффундируют из базальной пластинки для отталкивания конусов роста мотонейронов. Такие отталкивающие взаимодействия направляют аксоны мотонейронов прочь от спинного мозга в направлении периферии (рис.23.24D)117, 118).

Семейство хеморепеллентов, семафорины

Другими белками, которые играют роль хеморепеллентов, являются семафорины, большое семейство секреторных и трансмембран-

Рис. 23.26АВ. Семафорины и нейропилин обеспечивают хемоаттракцию и хемоотталкивание на близких и дальних дистанциях. (А) Домен sema (полоски) характеризует все шесть классов семафоринов которые включают секреторные (II и III) и связанные с мембраной (I, IV-VI) формы. Внеклеточные регионы также содержат домены, напоминающие иммуноглобулины (кружочки), повторы тромбосподина I типа (овалы), и домены, богатые щелочными аминокислотами (полоски). Цитоплазматические домены короткие и имеют большую вариабельность. (В) Нейропилин — рецептор семафорина. Во внеклеточном регионе домены a1 и а2 (также называемые CUB последовательностями) схожи с доменами комплементарных факторов С1а и C1s, протеином костного морфогенеза 1 и несколькими металлопротеиназами. Домены b1 и b2 повторяют домены факторов свертывания V и VIII. С область содержит МАМ домен, последовательности которого обнаружены в тирозинфосфатазе Ми, А5/нейропилине и метал лоэндопептидазе меприне. Короткий цитоплазматический конец остается высококонсервативным от вида к виду.

Fig. 23.26AB. Semaphores and Neuropilin mediate shortand long-range chemoattraction and chemorepulsion. (A)

The sema domain (bars) characterizes all six classes of semaphores, which include secreted (II and III) and membrane-bound (I, IV-VI) forms. Extracellular regions also contain immunogtobulin-like domains (diamonds), thrombospondin type I repeats (ovals), and domains rich in basic amino acids (bars). Cytoplasmic domains are short and highly variable. (B) Neuropilin is a semaphorin receptor. In the extracellular region, domains al and aZ (also called CUB motifs) are similar to domains in complement factors Cla and Cls, bone morphogenetic protein 1, and several metalloproteinases. The Ы and bZ domains resemble domains in coagulation factors V and VIII. The с region contains the MAM domain, a motif found in the tyrosine phophatase Mu, A5/neuropilin, and Meprin, a metalloendopeptidase. The short cytoplasmic tail is highly conserved across species.

554

Раздел IV. Развитие нервной системы

Рис. 23.26CD. (С и D) Семафорим III (Sema3A) — хемореппелент дальней дистанции для сенсорных аксонов. Спинальный ганглий эмбриона крысы (слева на каждой панели) культивировали в течение 48 часов рядом с агрегатами COS клеток. Белыми кружками показаны контуры ганглия. Для того чтобы вызывать рост сенсорных волокон малого диаметра в среду был добавлен ФРН. (С) Контрольные COS клетки. Аксоны растут в виде венчика. (D) COS клетки, секретирующие рекомбинантный Sema3A. Sema3A отталкивает аксоны.

Fig. 23.26CD. (С and D) Semaphorin III (Sema3A) is a long-range chemorepellent for sensory axons. Embryonic rat dorsal root ganglia (left in each panel) were cultured for 48 h adjacent to aggregates of COS cells. White dots outline the ganglion. NGF was included in the culture medium to elicit outgrowth of smalldiameter sensory fibers. (C) Control COS cells. Axons grow out in a radial fashion. (D) COS cells secreting recombinant Sema3A. Sema3A repels axons. (After Messersmith et al., 1995; micrographs kindly provided by M. Tessier-Lavigne.)

ных белков (рис. 23.26А)119). Первоначально они были идентифицированы как факторы, управляющие ростом аксона у кузнечиков, и были признаны хеморепеллентами. Затем был обнаружен и выделен в чистом виде гомолог этого белка у позвоночных, коллапсин- 1, который, как было показано, приводит к ретракции конусов роста в культуре клеток. Он также способен управлять на длинных дистанциях ростом аксона, вызывая его отклонения120). Нейропилины являются высококонсервативным семейством рецепторов к семафоринам (рис. 23.26В)121).

Модуляция ответов на хеморепелленты и хемоаттрактанты

На пути передачи сигналов, которые обеспечивают ответы клетки на хемоаттрактанты и хеморепелленты, можно влиять при помощи кальций-зависимых протеинкиназ и протеинкиназ, зависящих от концентрации циклических нуклеотидов. Например, в культуре спинальных нейронов Xenopus активация пути циклических нуклеотидов более благоприятна для сигналов аттракции; ингибирование этих путей приводит к отталкиванию конуса роста122). Таким образом, источник нетрина-1 притягивает конус роста культивированных спинальных нейронов Xenopus. Однако при добавлении ингибитора протеинкиназы А конусы роста поворачивали прочь от источника нетрина123· 124). С другой стороны, конусы роста Xenopus в нормальных условиях направляются прочь от источника коллапсина-1; эти отталкивающие эффекты становятся привлекающими после активации сигнальных путей, связанных с цГМФ125). В среде с низким содержанием кальция исчезают все типы ответов (как привлекающие, так и отталкивающие), а скорость роста возрастает.

§6. Иннервация клетки-мишени

Механизмы управления конусов роста, описанные до сих пор, направляют аксон к его конечной цели. Однако проблема того, как каждый аксон подходит к своей клеткемишени, остается открытой. Путь, по которому ганглиозные клетки сетчатки иннервируют свои клетки-мишени в области передних бугров покрышки, является примером того, какие сигналы обеспечивают достижение правильного паттерна иннервации. Во время развития аксоны ганглиозных клеток задней или височной (temporal) части сетчатки направляются для иннервации в переднюю часть тектума,

Глава 23. Развитие нервной системы

555

Рис.

 

23.27.

 

Роль

 

 

 

 

отталкивающих

 

 

 

 

 

 

 

взаимодействий

 

 

в

 

 

 

 

иннервации

 

 

оптической

 

 

 

 

области

 

четверохолмия

 

 

 

 

(тектума) цыпленка. (А)

 

 

 

 

Ганглиозные

 

клетки

в

 

 

 

 

назальной

 

 

 

области

 

 

 

 

сетчатки посылают сигналы

 

 

 

 

к нейронам задней области

 

 

 

 

четверохолмия;

 

 

 

 

 

 

 

ганглиозные

 

 

 

клетки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

темпоральной сетчатки — к

 

 

 

 

передней

 

 

области.

 

 

 

 

Существует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

назотемпоральный

 

 

 

 

 

 

градиент Eph A3 рецептора

 

 

 

 

тирозинкиназы

 

 

в

 

 

 

 

ганглиозных

 

 

 

клетках

 

 

 

 

сетчатки

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

рострокаудальные

 

 

 

 

 

 

градиенты

лигандов

Eph

 

 

 

 

рецептора, эфрина А2 и

 

 

 

 

эфрина-А5

 

в

 

области

 

 

 

 

четверохолмия.

 

Аксоны

 

 

 

 

 

 

 

 

клеток

височного

ганглия

 

 

 

 

избегают

проникать

в

 

 

 

 

область

 

 

 

 

заднего

 

 

 

 

четверохолмия

 

из-за

 

 

 

 

репульсивных

 

 

 

 

 

 

 

 

взаимодействий

 

 

с

 

 

 

 

рецепторами

Eph

и

их

 

 

 

 

лигандами. (В) В культуре

 

 

 

 

клеток

аксоны

нейронов

 

 

 

 

назальной сетчатки

растут

 

 

 

 

одинаково

 

хорошо

на

 

 

 

 

пластинках,

 

 

покрытых

 

 

 

 

мембранами,

выделенными

 

 

 

 

из

передней

и

задней

 

 

 

 

области

 

четверохолмия.

 

 

 

 

(С)

Аксоны

нейронов

 

 

 

 

темпоральной

сетчатки

 

 

 

 

предпочитают расти только

 

 

 

 

на мембранах из передней

 

 

 

 

области

 

четверохолмия.

 

 

 

 

(D)

Аксоны

темпоральной

 

 

 

 

сетчатки

растут

одинаково

 

 

 

 

хорошо

как

на

интактных

 

 

 

 

мембранах

из

передней

 

 

 

 

области,

 

так

 

и

на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

денатурированных

 

 

 

(A) Ganglion cells in the nasal retina innervate neurons in

the posterior tectum;

 

мембранах задней области,

 

ganglion cells in the temporal retina innervate neurons in the anterior tectum.There is a

что

говорит

о

том,

что

 

nasotemporal gradient of the Eph A3 receptor tyrosine kinase in retinal ganglion cells

обычно они отталкиваются

 

and anteroposterior gradients of the Eph receptor ligands ephrin-A2 and ephrin-A5 in

чувствительными

 

к

 

the tectum. Axons of temporal ganglion cells are prevented from entering the posterior

нагреванию

компонентами

 

tectum by the repulsive interaction of Eph receptors and ligands. (B) In cell culture,

мембран из задней области

 

axons from neurons in the nasal retina grow equally well on lanes coated with

тектума.

 

 

 

 

 

 

 

membranes isolated from anterior or posterior tectum. (C) Axons from neurons in the

Fig. 23.27. The Role of

 

temporal retina prefer to grow on anterior membranes. (D) Axons from temporal retina

 

grow equally well on intact anterior membranes and denatured posterior membranes,

Repulsive

Interactions

in

 

indicating that normally they are repelled by heat-sensitive components of the posterior

Innervation

of

the

optic

 

membranes. (B and D from Walter, Henke-Fahle, and Bonhoeffer, 1987; С from Walter

tectum in the chick.

 

 

 

et al., 1987; micrographs kindly provided by f. Bonhoeffer.)

556

Раздел IV. Развитие нервной системы

а клетки передней (nasal) части сетчатки направляются для иннервации задней части тектума

(рис. 23.27).

В элегантной серии экспериментов Бонхоеффер с коллегами продемонстрировали, что аксоны определяют территории своей иннервации посредством отталкивающих взаимодействий, которые предотвращают вторжение аксонов височной зоны в область задней части тектума. Ганглиозные клетки височной сетчатки были помещены в культуру, где рядом с ними находились поверхности, покрытые мембранами, выделенными либо из передней, либо из задней области тектума. В этих условиях аксоны отталкивались мембранами из задней части тектума и росли преимущественно в направлении мембран своих естественных мишеней, мембран передней части тектума126· 127). Любопытно, что аксоны сетчатки, не имея подобного выбора, быстро растут в направлении любого субстрата, как из передней, так и из задней части тектума.

Молекулы, ответственные за такие отталкивающие взаимодействия, принадлежат к семейству рецепторов, связанных с тирозинкиназой (известных как Eph киназы), а также их лигандов (называемых эфринами, ephrines)128· 129). Эфрин-А2 и эфрин-5 экспрессируются в тектуме во время образования ретинотектальных связей, и их концентрация постепенно увеличивается в направлении спереди назад. Рецептор к Eph-АЗ экспрессируется на аксонах клеток сетчатки соответственно назотемпоралыюму градиенту. При заключении в липидные пузырьки и добавлении в среду, омывающую аксоны клеток височной части сетчатки, эфрины А2 и А5 вызывают отделение конусов роста от субстратов и их ретракцию130). Эфрины и семейство Eph рецепторов, связанных с тирозинкиназой, действуют во всех частях развивающейся нервной системы, влияя на нахождение пути аксоном, миграцию клеток, образование связей между ними, в основном демонстрируя сходный отталкивающий механизм131· 132).

Одного рострокаудального градиента недостаточно для того, чтобы аксоны клеток сетчатки правильно достигли своего окончательного месторасположения в тектуме92, 133). Более поздние изменения в рострокаудальных проекциях основываются как на определенно расположенных химических сигналах131), так и на механизмах, зависящих от активности нейронов135) (глава

25).

§ 7. Образование синапсов

Как только конус роста достигает своей мишени, он должен установить синаптический контакт, часто имеющий специфическое расположение на клетке-мишени. Анализ механизмов, благодаря которым формируются такие четкие связи в пределах ЦНС, является основной проблемой. Предпочтительным препаратом для изучения образования синаптических связей является нервно-мышечное соединение в скелетной мышце позвоночных.

Накопление рецепторов к ацетилхолину

Исследования Фишбаха, Кохена, Шанге, Салпетера, Штайнбаха, Пу, Кидокоро и других136· 137) показали, что на ранних периодах развития рецепторы АХ распределены диффузно вдоль поверхности неиннервированных мышечных волокон с плотностью около нескольких сотен рецепторов на квадратный миллиметр. По мере того как конус роста мотонейрона приближается к мышечному волокну, в клетке-мишени возникают деполяризующие потенциалы в ответ на выделение АХ из конуса роста (рис. 23.28)138'. После контакта частота спонтанного выделения квантов АХ быстро возрастает, как и величина синаптического потенциала, возникающего в ответ на стимуляцию аксона. Таким образом, в течение минут формируется функциональная сииаптическая связь.

На первом этапе синаптической специализации происходит накопление рецепторов АХ (AChRs) непосредственно под терминалью аксона137). Этот процесс начинается через несколько часов после первоначального контакта. Через день-два плотность рецепторов под терминалью составляет несколько тысяч на квадратный миллиметр. Примерно в то же самое время в областях синапсов начинает накапливаться ацетилхолинэстераза и становятся заметны пучки матрикса пластинки в области синаптической щели. Дальнейшая дифференцпровка нервно-мышечного соединения происходит постепенно, в течение нескольких последующих недель развития. У многих видов γ субъединица рецептора АХ заменяется на ε субъединицу, что приводит к формированию из эмбрионального рецептора рецептора взрослого типа (глава 3). Распределение рецепторов также меняется: концентрация под терминалью аксона постепенно увеличивается, достигая у взрослых уровня примерно 104

Глава 23. Развитие нервной системы

557

Рис. 23.28. Быстрое образование действующих синаптических связей между аксонами мотонейронов и мышечными клетками. (А, В) Фазово-контрастные фотографии растущих нервных отростков (N) и веретеновидных миоцитов (М) в нервно-мышечной культуре клеток Xenopus в начале (А) и в конце (В) электрической регистрации. (С, D) Wholecell patch-clamp миоцитов.

Можно зарегистрировать спонтанные синаптические токи уже через Î минуту после контакта (С), которые увеличиваются на несколько порядков к 18-й

минуте (D).

Phase-contrast photographs of a growing neurite (N) and a spindle-shaped myocyte (M) Fig. 23.28. Rapid Formation in a Xenopus neuron-muscle cell culture at the beginning (A) and end (B) of electrical of Functional Synaptic recording. (C, D) Whole-cell patch clamp records from the myocyte. Spontaneous Connections between motor synaptic currents can be recorded within 1 min of contact (C) and have increased in axons and muscle cells. (A, strength several-fold by 18 min (D). (From Evers et al., 1989.)

B)

рецепторов на 1 мкм2, а плотность рецепторов вне синаптической зоны мышечных волокон уменьшается до уровня меньше чем 10 рецепторов на I мкм2. Метаболическая стабильность рецепторов АХ также меняется. До иннервации рецепторы мембраны имели период полужизни порядка 1 дня; рецепторы АХ в иннервированных волокнах удивительно стойкие, их период полужизни составляет около 10 дней. Изменения также происходят в терминали аксона, приводя в течение нескольких недель к образованию активных зон. Эти и многие другие исследования показывают, что образование синапса не является простым событием по принципу «все или ничего». Хотя функциональная синаптическая передача может устанавливаться довольно быстро, дифференцировка пре- и постсинаптических характерных свойств — более долгий процесс, идущий на протяжении нескольких недель развития, и он основан на обмене разнообразными молекулярными сигналами между нервной терминалью и мышечным волокном. Детальные морфологические и физиологические эксперименты показывают, что конусы роста соприкасаются с поверхностью мышечной клетки в произвольном месте, игнорируя сушествуюшие кластеры рецепторов АХ, и быстро приводят к формированию новых агрегатов рецепторов (рис. 23.29)139· 140).

Таким образом, терминали аксона должны высвобождать некий сигнал, который индуцирует накопление рецепторов АХ на мышечной клетке. Этот сигнал является специфическим для холинергических нейронов; при прорастании нехолинергических нейронов в мышечные клетки они не вызывают изменений в распределении рецепторов АХ. Однако сигналом к этому не является сам АХ; накопление рецепторов АХ под терминалями аксона происходит в культурах клеток в присутствии кураре и α-бунгаротоксина, которые блокируют взаимодействие АХ с его рецепторами. В экспериментах, изначально предназначенных для идентификации сигналов, контролирующих регенерацию нервно-мышечного соединения (глава 24), был идентифицирован белок, названный агрином, который высвобождался терминалями двигательного нерва и приводил к накоплению рецепторов АХ, холинэстеразы и других компонентов постсинаптического аппарата в синаптических областях141).

Вызванная агрином синаптическая дифференци ровна

Агрин существует в нескольких изоформах. которые возникают вследствие альтернативного сплайсинга одного гена142). Мотонейроны, мышечные клетки и шванновские клетки экспрессируют агрин, но только у

558

Раздел IV. Развитие нервной системы

Рис. 23.29. Аксоны вызывают агрегацию рецепторов ацетилхолина в областях контакта с мышечными клетками. Фазово контрастные (A. В) и флуоресцентные (С, D) микрофотографии нервномышечной культуры клеток Xenopus. Рецепторы ацетилхолина окрашены при

помощи родамин α- бунгаротоксина. (А, С) До и сразу после контакта на миоците имеются спонтанно образованные кластеры рецепторов АХ. (В, D) Через 24 ч спонтанно образовавшиеся области рецепторов АХ исчезли и образовались новые области непосредственно в области аксонального контакта.

Fig. 23.29. Axons Induce Aggregation of Acetylcholine Receptors at sites of contact with muscle cells. Phasecontrast (A, B) and fluorescence (C,

D) micrographs of a Xenopus neuronmuscle cell culture. Acetylcholine receptors are labeled with rhodamine

Q-bungarotoxin. (A,C) Before and immediately after contact there are spontaneous clusters of ACh receptors on the myocyte. (B, D) After 24 h, the spontaneous AChR patches have disappeared and new patches have been induced to form beneath the axon. (From Anderson and Cohen, 1977; micrographs kindly provided by M.Cohen.)

мотонейронов агрин находится в такой изоформе, которая способна вызывать постсинаптическую дифференцировку. Агрин является большой молекулой (heparan sulfate proteoglyсап), домены которой взаимодействуют с ламииином, белками, связывающими гепарин, α-дистрогликаном, гепарином и интегринами (рис. 23.30)143). Способность индуцировать образование постсинаптической специализации в основном зависит от С-концевого домена.

Ведущая роль агрина в формировании нервно-мышечного соединения наиболее очевидна у мышей, у которых при помощи гомологичной рекомбинации выключена экспрессия гена агрина144· 145). При таком выключении гена мышечные волокна выглядят нормально и аксон растет в направлении развивающихся мышц, однако нервно-мышечные соединения не образуются. Подобный же фенотип наблюдается у мышей, у которых выключен синтез мышечно-специфического рецептора тирозинкиназы MuSK146). Это наводит на мысль, что MuSK формирует часть рецептора к агрину и что вызванное агрином аутофосфорилирование MuSK запускает внутриклеточный сигнальный каскад, который приводит к формированию необходимых компонентов в постсинапсе (рис. 23.31). Одним из наиболее важных компонентов является рапсин (rapsyn), белок, который, как считается, играет роль в передаче сигналов между рецепторами АХ, MuSK, α- и β- дистрогликанами и членами Src семейства цитоплазматических рецепторов тирозинкиназ147). Таким образом, в нервно-мышечном соединении мутантньгх мышей с дефицитом рапсина происходит накопление MuSK и выборочная экс-

Глава 23. Развитие нервной системы

559

Рис.

 

23.30. Агрин представляет собой гепаран-сульфат

 

 

протеогликана большой массы (400-600 кДа). Его домены

 

 

взаимодействуют с ламинином, гепаран сульфат протеогликанами

 

 

(HSPGs),

 

гепарином,

α-дистрогликаном,

интегрином,

 

 

гепаринсвязывающими белками и рецепторами агрина, которые

 

 

вызывают

агрегацию

рецепторов

АХ.

(А)

Электронная

 

 

микрофотография агрина после rotatory shadowing*). (В)

 

 

Схематическая диаграмма структурных и связывающихся доменов

 

 

агрина цыпленка. EG — домен, подобный эпидермальному фактору

 

 

роста; FS — домен, подобный фолиостатину; LE — домен, подобный

 

 

ламинину EGF; LG — домен, подобный ламинину G; SEA —

 

 

последовательность, обнаруженная в белках спермы морского ежа,

 

 

энтерокиназах и агрине; S/T — домены, богатые серином и/или

 

 

треонином. Также показаны области связывания. Глобулярные (1, 3-

 

 

5) и вытянутые (2) области молекулы можно увидеть в части А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 23.30. Agrin Is a

 

 

 

 

 

 

 

Large

 

Heparan

 

 

 

 

 

 

 

Sulfate

Proteoglycan

 

 

 

 

 

 

 

(400

to 600

kDa)

 

 

 

 

 

 

 

with

domains

 

that

 

 

 

 

 

 

 

interact

with

lamimn,

 

 

 

 

 

 

 

heparan

 

sulfate

 

 

 

 

 

 

 

proteoglycans

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(HSPGs), heparin, a-

 

 

 

 

 

 

 

dystroglycan,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

integrin,

 

heparin-

 

 

 

 

 

 

 

binding proteins, and

 

 

 

 

 

 

 

the

agrin

receptor

 

 

 

 

 

 

 

that

causes

 

AChR

 

 

 

 

 

 

 

aggregation.

 

 

(A)

 

 

 

 

 

 

 

Electron micrographs

 

 

 

 

 

 

 

of agrin

after

rotary

 

 

 

 

 

 

 

shadowing.

 

 

(B)

EG - epidermal growth factor-like domain; FS --follistatin-like domain;LE - laminin EGF-like domain;

Schematic

diagram

LG « laminin G-like domain; SEA « motif found in sea urchin sperm protein, enterokinase, and

of the structural

and

agrin; S/T = serine and/or threonine-rich domain. Binding regions are indicated, as are globular (1,

binding

domains

of

3-5) and extended (2) regions of the molecule that can be recognized in part A. (After Denzer et aL,

chick agrin.

 

 

 

1998; micrograph kindly provided by M. Rueg.)

прессия гена рецептора АХ в ядре, а также формируются некоторые характерные для синапса свойства, однако не происходит накопления рецепторов АХ.

Среди белков, которые накапливаются в ответ на изменения в синапсе под действием агрина, находится ARIA, член семейства белков нейрегулинов (neuregulin) и белки рецепторов нейрегулинов erbВ2, erbВЗ и erbВ4148). Активация erbВ рецепторов в мышце приводит к экспрессии синаптических субъединиц рецептора АХ.

Гораздо меньше известно о дифференцировке пресинаптической нервной терминали. Эксперименты МакМахана показали, что молекулы, прочно связанные с синаптической базальной мембраной во взрослой мышце, могут вызывать формирование активных зон в регенерирующих аксонах141). Отсутствие пресинаптической специализации у мутантных мышей с дефицитом агрина и MuSK может говорить о том, что во время развития пресинаптическая дифференцировка управляется ретроградными сигналами с мышечных клеток в ответ на выделение агрина145). Одним из таких ретроградных сигналов, связанных с базальной пластинкой, является ламининβ2; он накапливается во время изменений в постсинапсе в ответ на агрин149), и у мутантных мышей, у которых имеется дефицит ламинина- β2, имеются явные аномалии пресинаптической дифференцировки150).

*) Rotary shadowing — техника, разработанная в 1983 году Бакуолтером и Розенбергом для электронного микроскопирования высокомолекулярных белков. — Прим перев.

560

 

 

 

 

 

 

 

Раздел IV. Развитие нервной системы

Рис.

 

 

 

23.31.

 

 

 

 

Взаимодействие

агрина

с

 

 

 

MuSK

 

 

 

запускает

 

 

 

дифференцировку

 

 

 

 

 

постсинаптических

 

 

 

 

 

образований

в

мышечной

 

 

 

клетке,

 

где

 

начинают

 

 

 

накапливаться

 

 

 

 

 

 

 

рецепторы

АХ,

рапсин

и

 

 

 

дистрогликаны Связывание

 

 

 

агрина

с

MuSK

требует

 

 

 

корецептора

 

 

 

 

 

 

 

неидентифицированного

 

 

 

 

типа (MASK) и приводит к

 

 

 

аутофосфорилированию

 

 

 

 

тирозина MuSK и активации

 

 

 

внутриклеточных

киназ Src

 

 

 

и Fyn.

 

Активированный

 

 

 

MuSK захватывает

рапсин

 

 

 

посредством

 

 

 

 

 

 

 

неидентифицированного

 

 

 

 

трансмембранного

белка,

 

 

 

RATL.

Рапсин,

в

свою

 

 

Fig. 23.31. Interaction of Agrin with MuSK triggers differentiation of postsynaptic

 

очередь,

 

 

захватывает

 

 

 

 

 

specializations in muscle cells at which ACh receptors, rapsyn, and dystroglycan

дистрогликан

и

рецепторы

 

accumulate. Binding of agrin to MuSK requires an unidentified coreceptor (MASC) and

АХ,

 

 

 

которые

 

results in tyrosine autophosphorylation of MuSK and activation of intracellular tyrosine

фосфорилируются

 

по

 

kinases Src and Fyn. Activated MuSK recruits rapsyn, via an unidentified

остаткам тирозина в β-

 

transmembrane protein, RAIL. Rapsyn, in turn, recruits ACh receptors, which become

субъединице.

 

 

Через

 

phosphorylated on tyrosine residues of the β subunit, and dystroglycan. Many

взаимодействие

 

 

с

 

additional postsynaptic components accumulate through interactions with dystroglycan

дистрогликаном происходит

 

(not shown).

накопление

 

большого

 

 

 

количества

 

 

 

 

 

 

 

 

дополнительных

 

 

 

 

 

 

синаптических

 

факторов

 

 

 

(не показано).

 

 

 

 

 

 

 

Образование синапсов в ЦНС

Что происходит во время формирования синапсов в ЦНС, где несколько пресинаптических клеток, которые выделяют ГАМК, глутамат, АХ и серотонин могут конвергировать на один постсинаптический нейрон? Приводит ли каждая из терминапей к накоплению определенных рецепторов, или терминали ищут уже существующие кластеры своих рецепторов, или постсинаптические зоны уже содержат смесь рецепторов для разных трансмиттеров? Исследования Банкера, Шенга, Крейга и их коллег на культуре нейронов гиппокампа показывают, что рецепторы к глутамату концентрируются под терминалями глутаматергических нейронов в области синаптических шипиков, а рецепторы ГАМК концентрируются под терминалями ГАМК-ергических аксонов в области стволов дендритов (рис. 23.32)151). Клетки, развивающиеся в культуре, спонтанно образуют кластеры рецепторов, однако эти кластеры игнорируются терминалями аксона. Вместо этого аксоны индуцируют образование de novo постсинаптической структуры белков цитоскелета, к которым затем присоединяются соответствующие рецепторы152).

В препарате сетчатки млекопитающих также возможно изумить локализацию рецепторов и образование синапсов. У взрослых животных GABAA, GABAC и рецепторы глицина локализуются на постсинаптической мембране в виде кластеров, расположенных в различных синаптических зонах153). Более того, отдельная ганглиозная клетка экспрессирует несколько изоформ α-субъединицы GABAA рецептора, которые обнаруживаются в различных образованных ею синапсах154). Таким образом, субъединицы рецепторов ГАМК и глицина селективно собираются в многомерные рецепторы, которые, в свою очередь, направляются в различные типы синапсов. Во время развития нейроны сетчатки сначала окрашиваются на рецепторы к глицину и ГАМК диффузно; когда начинается формирование морфологически идентифицируемых синапсов, рецепторы начинают образовывать агрегаты153· 155).

Глава 23. Развитие нервной системы

561

Рис. 23.32. (См. цветную вклейку после с. 640.) Избирательное накопление постсинаптических рецепторов в синапсах между нейронами гипокампа крысы, выращенными в культуре. Флуоресцентные микрофотографии пирамидных клеток, которые получают два типа синаптических сигналов: возбуждающие синапсы, в которых трансмиттером служит глутамат, и тормозные синапсы, где трансмиттером является ГАМК. В первой колонке визуализованы постсинаптические рецепторы, во-второй — пресинаптические терминали, и в третьей эти рисунки объединены. (А) АМРА-рецепторы глутамата окрашены при помощи антител к GluR1 субъединице (GluR). Все синаптические терминали окрашены при помощи антител к синаптофизину (Syn). Рецепторы глутамата образуют кластеры непосредственно под субпопуляцией нервных терминалей (более светлые

регионы на объединенных рисунках). (В) ГАМКА рецепторы окрашены при помощи антител к β2/3 субъединицам (GABAAR). Нервные терминали, выделяющие ГАМК, окрашены при помощи антител к декарбоксилазе глутаминовой кислоты (GAD). Рецепторы ГАМКA образуют кластеры напротив ГАМК ергических терминалей (более светлые области на объединенных рисунках). (С) АМРА рецепторы глутамата окрашены при помощи антител к GluRl субъединице (GluR), нервные терминали, выделяющие ГАМК, окрашены при помощи антител к декарбоксилазе глутаминовой кислоты (GAD). Кластеры рецепторов глутамата не локализуются в области ГАМК ергических терминалей. Таким образом, рецепторы глутамата образуют кластеры избирательно под терминалями, секретирующими глутамат, а ГАМКA рецепторы образуют кластеры исключительно под терминалями, выделяющими ГАМК.

Fig. 23.32. Selective Accumulation of Postsynaptic Receptors at synapses between rat hippocampal neurons grown in cell culture. Fluorescence micrographs of pyramidal cells, which receive two types of synaptic input: excitatory synapses, at which glutamate is the transmitter, and inhibitory synapses, at which GABA is the transmitter. In the first column, postsynaptic receptors are visualized, in the second, presynaptic terminals, and in the third, the images are merged. (A) Glutamate АМРА receptors are labeled with antibodies to the GluRl subunit (GluR), all synaptic terminals are labeled with antibodies to synaptophysin (Syn). Glutamate receptors cluster beneath a subpopulation of nerve terminals (more light in merged images). (B) GABAft receptors are labeled with antibodies to the /32/3 subunit (GABAAR), nerve terminals releasing GABA are labeled with antibodies to glutamic acid decarboxylase (GAD). GABAA receptors cluster opposite GABAergic terminals (more light in merged images). (C) Glutamate АМРА receptors are labeled with antibodies to the GluRl subunit (GluR), nerve terminals releasing GABA are labeled with antibodies to glutamic acid decarboxylase (GAD). Glutamate receptor clusters do not colocalize with GABAergic nerve terminals. Thus, glutamate receptors cluster specifically beneath terminals releasing glutamate, and САВАД receptors cluster selectively beneath terminals releasing GABA. (Micrographs kindly provided by A. M. Craig.)

§ 8. Факторы роста и выживание нейронов

Фактор роста нерва (nerve growth factor)

Развивающиеся нейроны для своего выживания нуждаются в определенных белках, называемых факторами роста. Первым из факторов роста был идентифицирован фактор роста нерва (ФРН, NGF). В своих пионерских работах Леви-Монтальчини, Кохен с коллегами первыми показали, что ФРН стимулирует рост отростков сенсорных и симпатических нейронов. Позднее они показали, что ФРН необходим также для выживания нейронов. Блокирование действия ФРН у новорожденных мышат при помощи антител вело к гибели симпатических нейронов. При этом парасимпатическая система не поражалась, и спинномозговые ганглии были только немного меньше, чем в норме. В последующих экспериментах было показано, что на более ранней стадии развития ганглию также необходим ФРН для выживания и эти нейроны не выживали, если антитела вводились до рождения (путем иммунизации матери)156). У взрослых животных антитела к ФРН были гораздо менее эффективны в обоих популяциях клеток. Нуль-мутации ФРН и его высокоаффинного рецептора (что обсуждается ниже в этой главе) у трансгенных мышей также подтверждают, что симпатическим и сенсорным нейронам необходим ФРН для выживания157· 158). Таким образом, как симпатические, так и сенсорные нейроны имеют критический период своего развития, выживание в который зависит от наличия ФРН.

Захват и ретроградный транспорт ФРН

То, что от ФРН зависит выживание нейрона, говорит о том, что его действие происходит в теле клетки. Симпатические нейроны выращивают в специальных камерах, состоящих из трех отсеков (рис. 23.33). В центральном отсеке, куда помешаются нейроны, должен находиться ФРН, иначе нейроны гибнут159). Однако, как только отростки нейрона достигают боковых отсеков камеры, ФРН может быть удален из центрального отсека и клетки остаются живыми, при условии, что в боковых отсеках ФРН остается (рис. 23.33В). Это дает основания полагать, что трофические эффекты ФРН на развивающиеся нейроны могут

562

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел IV. Развитие нервной системы

Рис. 23.33. Фактор роста

 

 

 

нерва

 

и

выживание

 

 

 

веточек

аксонов

клеток

 

 

 

симпатических

 

ганглиев,

 

 

 

растущих

в

 

 

культуре

 

 

 

клеток. (А) Нейроны,

 

 

 

полученные

 

 

 

 

из

 

 

 

неонатального

 

 

 

 

 

 

 

 

симпатического

 

ганглия

 

 

 

и

помещенные

 

в

 

 

 

центральную

 

 

секцию,

 

 

 

посылают свои отростки

 

 

 

под

 

тефлоновым

 

 

 

разделителем

 

 

и

 

в

 

 

 

соседние

секции;

 

все

 

 

 

секции содержат ФРН. (В)

 

 

 

После

начального

роста

 

 

 

отростков

удаление

ФРН

 

 

 

 

 

из центральной

секции в

 

из левой секции вызывает дегенерацию нервных отростков в этой области,а те,

 

течение

20

 

дней

не

 

которые находились в секции, содержащей ФРН, остаются интактными (Из

приводит

ни

 

к

какому

 

Campenot, 1982.)

эффекту;

нейроны

в

 

 

 

центральной

 

 

секции

 

Fig. 23.33. Nerve Growth Factor and the Survival of Axon Branches from sympathetic

используют ФРН,

который

ganglion cells grown in cell culture. (A) Neurons dissociated from neonatal sympathetic

ретроградно

 

 

 

 

 

 

ganglia plated in the central compartment send neurites under a Teflon divider and into

транспортируется

из

их

 

the adjacent compartments; all compartments contain NGF. (B) After initial outgrowth

терминалей,

 

 

 

 

 

 

has occurred, removal of NGF from the central compartment for 20 days has no effect;

расположенных в боковых

neurons in the central compartment are maintained by NGF transported retrogradely

секциях.

(С)

 

После

 

from their terminals in the side compartments. (C) After initial outgrowth has occurred,

начального

 

 

 

роста

 

removal of NGF from the left compartment causes the neurites entering it to degenerate,

отростков удаление ФРН

while those in the compartment containing NGF remain. (After Campenot 1982.)

передаваться в виде ретроградного транспорта ФРН от нервных терминалей в тела клеток. Исследования, проведенные на взрослых животных с радиоактивно меченым ФРН, показали, что он активно захватывается в нервные терминали и активно транспортируется ретроградно в сому160). Взрослым нейронам ФРН не нужен для выживания, однако он регулирует, среди всего прочего, синтез адреналина, индуцируя образование двух ферментов, необходимых для его синтеза: тирозингидроксилазу и дофамин β-гидроксилазу161). При повреждении транспорта ФРН взрослого нейрона уровень этих ферментов падает.

Факторы роста семейства нейротрофинов

Наблюдения, описанные в предыдущем разделе, привели к анализу молекулярных механизмов действия факторов роста большим количеством исследовательских групп, включая группы Леви-Монтальчини, Шутера, Тоенена и Барде168). Они изучали такие вопросы, как свойства ФРН, рецепторов на мембране, которые связываются с ФРН, и последующие метаболические события. В слюнной железе ФРН присутствует в виде комплекса, состоящего из трех субъединиц: α, β и γ. Ответственной за выживание нейрона и его рост является β-субъединица; она состоит их двух одинаковых белковых цепей, каждая из которых содержит 118 аминокислот и 3 дисульфидных мостика.

Сенсорные нейроны не только иннервируют свои мишени на периферии, но также направляют свои аксоны в ЦНС. Естественным является вопрос: существуют ли факторы, подобные ФРН, в ЦНС? В самом деле, в экстракте из ЦНС был обнаружен протеин, названный мозговым нейротрофическим фактором (МНФ, brain-derived neurotrophic factor, BDNF), который способствует выживанию нейронов дорзального спинного ганглия (ДСГ) в культуре и спасает их от гибели, если вводится in vivo эмбрионам во время периодов естественной гибели нейронов169). Очистка и описание свойств МНФ выявили, что он имеет высокую степень гомологии с ФРН, показывая, что ФРН и МНФ являются членами одного семейства ростовых

факторов, которое было названо нейротрофинами. Молекулярногенетические эксперименты помогли выявить еще несколько нейротрофинов: NT-3, NT-4/5 и NT-6170). Все они состоят из

димеров небольших основных белков, соединенных друг с другом при помощи бисульфидных связей между остатками цистеина. Димеры выгля-

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]