Роль ламинина в LTP подтверждается данными, указывающими, что интегрины, являющиеся основными ламининовыми рецепторами, могут участвовать в LTP. Множество β1-integrin-subunit-containing integrins экспрессируются во взрослом гиппокампе и аппликация пептидов, блокирующих взаимодействие между интегринами и их ECM лигандами, нарушает стабилизацию LTP. Инъекции змеиных токсинов (disintegrins), преимущественно подавляющих связывание лигандов с β1- или β3-содержащими интегринами, эффективно блокировали стабилизацию LTP. Введение блокирующих антител к α3 интегринам способствовало депотенцированию. Следовательно, можно предположить, что взаимодействие между α3 β1 интегриновыми рецепторами и ламининами важны для стабилизации LTP.
Интегрины также являются рецепторами для ECM гликопротеина, называемого reelin (Reln). Эта молекула получила свое название после обнаружения спонтанно возникшей мутации у мышей
reeler, характеризующихся нарушениями миграции нейронов во время эмбрионального развития. Reln молекула была идентифицирована как продукт гена
reeler. У мышей одной из исходных линий наблюдали тяжелые двигательные нарушения, характерные для
reeler мутантов.
fos содержащий ген был позже идентифицирован как
reeler локус. Оказалось, что Reln является и молекулой распознавания ECM, и два поверхностно-клеточных рецептора рассматриваются в качестве молекул распознавания – липопротеиновый рецептор с очень низкой плотностью (very-low-density lipoprotein receptor – VLDLR) и аполипопротеиновый E рецептор 2 (apolipoprotein E receptor 2 – ApoER2). Мыши, дефицитные по этим рецепторам, имели
reeler фенотип. Таким же образом мутанты, дефицитные по цитоплазматическому адаптерному белку disabled 1 (Dab1), который опосредует передачу сигнала через VLDLR и ApoER2, имели такой же фенотип. Это свидетельствует о связи Reln и Dab1 сигнальных путей (Tissir, F. & Goffinet, A. M. Reelin and brain development. Nature Rev. Neurosci. 4, 496-505.2003).
Reeler мыши имеют нормальное LTP в одних и аномальное LTP в других слоях гиппокампа. Аппликация Reln на гиппокампальные срезы мышей дикого типа продуцировало значительное увеличение в LTP. Умеренное снижение краткосрочного потенцирования наблюдали у VLDLR-дефицитных мышей, но LTP было почти идентично наблюдаемому у мышей дикого типа. И, напротив, у ApoER2 мутантов было сильное нарушение LTP. Применение рецептор-ассоциированного белка (receptor-associated protein – RAP) – специфического, с широким диапазоном действия ингибитора лигандного связывания со всеми LDL членами рецепторного семейства, почти полностью блокировало LTP. Важно отметить, что на срезах, полученных от VLDRL-дефицитных и ApoER2-дефицитных мышей, LTP-enhancing effect Reln устранялся.
Когда мыши были тестированы по contextual fear conditioning обучающей модели, зависящей от гиппокампа, то и VLDLR-, и ApoER2-дефицитные мыши имели серьезные нарушения поведения. Оказалось, что каждый LDL рецептор играет особую роль в гиппокампальной синаптической пластичности и формировании ассоциативной памяти, передавая сигнал нижестоящему Reln (РИС.2). Механизмы этого пока не ясны. Интересно, что связывание Reln c VLDLR или ApoER2 может стимулировать тирозин киназную активность и индуцировать Dab1 фосфорилирование тирозина. Это может вести к активации не-рецепторных тирозин киназ Scr семейства, которые могут стимулировать NMDA рецепторную активность, тем самым усиливая потоки Ca2+ и LTP. ApoER2 также связывается своим цитоплазматическим «хвостом» с членами jun N-terminal kinase interacting protein (JIP) семейства белков-скаффолдов и, следовательно, может косвенно взаимодействовать с microtubule-associated molecular motor kinesin и влиять на внутриклеточные механизмы транспорта.
Кроме таких влияний, нельзя исключить и возможность того, что нарушения синаптической пластичности у мутантов, дефицитных по компонентам Reln сигнализации, могут иметь прямое отношение к аномалиям развития. Например, Reln важен для позиционирования интернейронов гиппокампа, поэтому он может модулировать LTP через регуляцию GABA-опосредованного ингибирования.
HB-GAM and N-syndecan
Другой ECM-ассоциированной молекулой, обеспечивающей связь между развитием и синаптической пластичностью, является HB-GAM (heparin-binding growth-associated molecule). Эта молекула участвует в регуляции роста аксонов, направления движения аксонов и синаптогенеза
in vitro.[Обзор: Rauvala, H. & Peng, H. B. HB-GAM (heparin-binding growth-associated molecule) and heparin-type glycans in the development and plasticity of neuron-target contacts. Prog. Neurobiol. 52, 127-144.1997]. Во взрослом гиппокампе аппликация HB-GAM подавляет NMDA рецептор-зависимое LTP, но не влияет на L-тип voltage-dependent calcium channel (VDCC)-зависимое LTP, которое было индуцировано tetraethylammonium (блокатором К+ каналов). Это указывает, что действие HB-GAM ограничивается NMDA-рецептор-зависимым LTP. У HB-GAM дефицитных мышей наблюдали более низкий порог индукции LTP, который восстанавливался до уровня порога мышей дикого типа при аппликации HB-GAM. Этим находкам соответствуют наблюдения, что LTP ослабляется у трансгенных мышей со сверхэкспрессией HB-GAM. Изменения в LTP, наблюдаемые
in vitro, коррелировали с изменениями поведения животных. Например, мыши со сверхэкспрессией HB-GAM обучаются быстрее в водном лабиринте и имеют более низкий уровень страха в ELEVATED PLUS-MAZE по сравнению с мышами дикого типа, а HB-GAM-дефицитные мыши обучались хуже в водном лабиринте и характеризовались повышенным чувством страха в приподнятом плюс-лабиринте.
HB-GAM связывается с HSPG syndecan 3 (Synd3 известный также как
N-syndecan). Изучена роль этой молекулы в LTP. Инъекции гепарина или удаление гепаран сульфата подавляло LTP, что свидетельствует о зависимости LTP от эндогенного гепаран сульфата. Более того, Synd3 идентифицирован как один из основных HSPGs, которые экспрессируются пирамидными нейронами гиппокампа, а введение очищенного Synd3 подавляет LTP. C другой стороны, у мышей с отсутствием Synd3 повышен уровень CA1 LTP и они не реагируют на HB-GAM. Тестирование поведения Synd3-дефицитных мышей показало нарушения обучения, зависимого от гиппокампа. Это свидетельствует о том, что Synd3 работает как рецептор для HB-GAM и, следовательно, влияет на синаптическую пластичность и зависимую от гиппокампа память. Взаимодействие Synd3 с внутриклеточными цитоскелет-регуляторными молекулами cortactin и Fyn kinase важно для образования отростков аксонов. Такое взаимодействие усиливается после индукции LTP. Кроме того, cortactin является Shank binding protein, обеспечивающим связь между postsynaptic density и актиновым цитоскелетом. Следовательно, cortactin можно рассматривать как кандидат для mediating signalling downstream of Synd3.
Narp and clustering of AMPA receptors
Кроме кластеризации нейротрансмиттерных рецепторов через внутриклеточные постсинаптические скаффолды, описан механизм, включающий агрегацию AMPA рецепторов через непрямое взаимодействие с ECM молекулой – продуктом immediate early gene
Narp (neuronal activity-regulated pentraxin). Narp является секреторным белком, который избирательно концентрируется около возбудительных синапсов на дендритных стволах (shafts) культивируемых spinal и aspinal интернейронах гиппокампа, но этот белок отсутствует около возбудительных синапсов на дендритных шипиках (spines)
in vitro и
in vivo. В Narp-трансфицированных клетках белок взаимодействует сам с собой, формируя крупные поверхностные кластеры, которые коаггрегируют AMPA рецепторные субъединицы. Narp молекулы собираются кластерами и ко-иммунопреципитируют с AMPA рецепторными субъединицами GluR 1-3, но не с AMPA рецепторными субъединицей GluR4, NMDA рецепторными субъединицами NR1 и NR2A или kainate рецепторной субъединицей GluR6. Экспрессия доминантно-негативных (dominant-negative) Narp мутантных белков, предотвращающих их накопление вблизи синапсов, ведет к заметному снижению способности трансфицированных клеток к индукции GluR1 кластеров. Тогда как экзогенные аппликации Narp на культивируемые гиппокампальные нейроны вызывают образование кластеров АMPA рецепторов. Удивительно, что это также ведет к кластеризации NMDA рецепторов в интернейронах, но не в пирамидных клетках. Наиболее простой интерпретацией таких наблюдений является существование интернейрон-специфического ко-рецептора для Narp. Из-за того, что Narp непрямо аггрегирует NMDA рецепторы, возможно, что он способствует кластеризации NMDA рецепторов в нейронах гиппокампа непрямым способом через цитоскелетные скаффолды, содержащие синаптические AMPA рецепторы (РИС.3). Так как экспрессия Narp up-регулируется после индукции LTP, то вероятно, что отложение Narp в ECM будет критическим для экспрессии LTP в возбудительных синапсах на интернейронах.
Другая интересная связь между AMPA рецепторами и ECM протеогликанами была обнаружена после того как было показано, что гепарин увеличивает the open probability AMPA рецепторов. Вероятно, что члены HSPG семейства взаимодействуют непосредственно с AMPA рецепторами. Напрашивается вопрос, может ли Narp влиять на активность AMPA рецепторов посредством прямого связывания и могут ли гепран сульфаты стимулировать агрегацию AMPA рецепторов?
Tenascin-C and the L-type Ca2+ channel
ECM гликопротеин tenascin-C (TN-C) имеет двойственные функциональные свойства – как субстрат он усиливает рост аксонов, а как препятствие, он подавляет нейритогенез (аксоногенез). Такие контрастные функции TN-C, вероятно, обусловлены разными молекулярными доменами, действующими по-разному в определенных ситуациях, в зависимости от «прошлого» реагирующих нейронов. Такую двойственность функций TN-С следует всегда иметь в виду при интерпретации синаптической пластичности.
Связь между TN-C экспрессией и синаптической пластичностью впервые была обнаружена, когда выяснилось, что TN-C является upregulated в гиппокампе как на уровне mPHK, так и на уровне белка в течение часа после стимулирования синаптической активности. У TN-C-дефицитных мутантов стимулирование коллатералей Шаффера ведет к редукции CA1 LTP. Nifedipine – антогонист L-type VDCCs не влиял на LTP у TN-C дефицитных мышей, но снижал LTP у мышей дикого типа до значений, наблюдаемых у мутантов, что указывает на связь между VDCCs и NT-C в регуляции синаптической пластичности. Более того, химическая индукция VDCCs-зависимого LTP в области CA1 гиппокампа при аппликациях tetraethylammonium (блокатора К+ каналов) приводила к нарушениям LTP у TN-C дефицитных мышей. Так как NMDA–рецептор опосредованная реакция и три формы L-type VDCCs-независимого LTP нормальны у TN-C дефицитных мышей, то все эти данные указывают на специфическую роль TN-C в L-type VDCCs-опосредованной сигнализации.
Параллельно авторы нашли, что TN-C-дефицитные мыши также как и мыши дикого типа, которым в гиппокамп вводили фрагмент, включающий TN-C fibronectin-подобные повторы 6-8, имели нарушения восстановления памяти при предъявлении им задачи step-down пассивного избегания. Эти находки коррелируют с электрофизиологическими экспериментами, в которых было обнаружено значительное снижение LTP в области CA1 гиппокампа после введения фрагмента. Фрагмент связывался с телами пирамидных клеток и способствовал или препятствовал активности роста гиппокампальных аксонов
in vitro когда был uniform субстратом или барьером соответственно. В качестве контроля использовали TN-C фрагмент, содержащий fibronectin-подобные повторы 3-5. В этом случае не было обнаружено каких-либо различий паттерна связывания в области СА1, он не препятствовал росту аксонов и не оказывал никакого влияния на LTP, обучение и память. Это не только поддерживает гипотезу о том, что TN-C действительно участвует в синаптической пластичности, но и то, что особые домены влияют на эти функции.
Следует заметить, что фрагмент, содержащий fibronectin-подобные повторы 6-8 связывается с фибронектином, который экспрессируется в гиппокампе взрослых животных. Фрагмент может работать, конкурируя с эндогенным TN-C, разрушая the targeting of TN-C to the ECM scaffold через фибронектин. Так как fibronectin-подобные повторы 3-5 относятся к доменам, которые связываются с интегринами, то, маловероятно, что интегрины опосредуют ввлияние TN-C на синаптическую пластичность. Однако так как TN-C и структурно-родственный tenascin-R (TN-R) поражают активность Na + каналов, связываясь с этими каналами, и поскольку эти каналы имеют общие структурные свойства с L-type VDCC, то авторы предполагают, что TN-C влияет на LTP и обучение и память посредством регуляции активности Ca2+ каналов.
Tenascin-R and GABA-mediated transmission
В ЦНС TN-R больше всего находится в перехватах Ранвье и в периневральных сетях. Распределение ECM молекул, ассоциированных с периневральными сетями, изменено у TN-R-дефицитных мышей (Рис.1b). У этих же мышей нарушено CA1 LTP. Однако не ясно, какое отношение имеет этот дефицит к аномальному расположению периневральных сетей. TN-R является одним из основных носителей необычного углевода HNK-1 (human natural killer), который был впервые обнаружен в природных клетках-киллерах человека. Этот углевод содержит 3' sulphated glucuronic acid. Интересно, что мыши, дефицитные по glucuronyltransferase и HNK-1 sulphotransferase, которые являются последними ферментами в синтезе HNK-1 углевода, имели примерно такое же снижение CA1 LTP, что и TN-R-дефицитные мыши. И у glucuronyltransferase-, и у HNK-1 sulphotransferase-дефицитных мышей найдены нарушения в выполнении задач в водном лабиринте.
Снижение LTP у TN-R- и HNK-1 sulphotransferase-дефицитных мышей сопровождалось увеличением basal excitatory synaptic transmission в синапсах, сформированных на пирамидных нейронах поля CA1 гиппокампа. Предполагается, что этот феномен может указывать на то, как молекула ECM может регулировать ингибиторную трансмиссию, которая, в свою очередь, может модулировать синаптическую пластичность возбудительных синапсов через метапластические процессы. Patch clamp запись TN-R мутантов показала сдвиг в порогах для индукции LTP или LTD (неопублик. данные), который обычно рассматривают как отражение метапластических процессов. TN-R и его ассоциированный углевод HNK-1 «украшают» перисоматические интернейроны (perisomatic interneurons) и амплитуды унитарных перисоматических тормозных постсинаптических потоков (perisomatic inhibitory postsynaptic currents) были меньше у TN-R мутантов и у контрольных мышей, обработанных HNK-1 антителами. Эти данные коррелируют с результатами количественного электронно-микроскопического анализа TN-R мутантных мышей, который показал сильное снижение плотности и аномальную архитектуру симметричных перисоматических синапсов в области СА1 гиппокампа. Изменения плотности и пространственного окружения синаптических везикул в синаптических терминалях (наблюдаемые при электронной микроскопии) также доказывают снижение тормозной синаптической активности у TN-R мутантов.
Анализ перисоматического торможения у HNK-1-дефицитных мышей еще не выполнен, однако HNK-1 антитела вызывают сильное снижение в перисоматических тормозных потоках (perisomatic inhibitory currents) после аппликации HNK-1 антител на срезы гиппокампа. Антогонисты GABA (B) рецепторов и GIRKs (G-protein-Coupled Inwardly Rectifying K+ channels) устраняют эффекты HNK-1 антител на перисоматическое торможение. Это говорит о том, что активация GIRKs через GABA(B) рецепторы участвует в углеводных функциях HNK-1. Интересно, что синтетический HNK-1 или его пептидомиметик подавляют GABA(B) рецептор-активированные GIRK потоки, но не сами GIRKs. Т.к. HNK-1 и его пептидомиметик связываются с GABA(B) рецепторами, значит HNK-1 антитела ослабляют конститутивный блок GABA(B) рецепторов, вызванный эндогенным HNK-1 углеводом в перисоматических синапсах (РИС.4).
Является ли действие HNK-1 пресинаптическим или постсинаптическим? Инфузия ионов Cs+, блокирующих К+ каналы в постсинаптические пирамидные нейроны CA1 гиппокампа уменьшало эффекты HNK-1 антител на перисоматические тормозные потоки. Значит, HNK-1 регулирует активацию постсинаптических K+ каналов. Однако такая активация влияет на пресинаптическое GABA высвобождение. Т.к. повышение концентрации внеклеточного К+ мимикрировало и перекрывало эффекты HNK-1 антител на тормозные потоки, то вполне правдоподобно, что выход K+ из постсинаптических клеток индуцирует изменения в возбудительном и/или пресинаптическом механизме (РИС.4). Измерения концентрации K+ вблизи перисоматических синапсов и дальнейший анализ сигнальных событий downstream of K+ нужны для выяснения того, как HNK-1 углевод влияет на перисоматическон торможение.
Функциональная связь между HNK-1 углеводом и TN-R как его носителя обнаружена в экспериментах, где HNK-1 антитела наносили на срезы гиппокампа мышей, дефицитных по распознаванию молекул, несущих HNK-1 углевод. Антогонистический эффект HNK-1 антител на тормозные потоки устранялся у TN-R мутантных мышей, но не у NCAM-дефицитных мышей. Это означает, что TN-R является предпочтительным носителем HNK-1 углевода, который модулирует перисоматическое торможение. Недостаток числа перисоматических контактов, наблюдаемый у TN-R мутантов свидетельствует о том, что более высокая активность постсинаптических GABA(B) рецепторов может вести нарушению формирования или дестабилизации тормозных синапсов.
Chondroitin sulphate proteoglycans
CSPGs действуют как молекулярные «барьеры» в местах, которые формируют границы для роста аксонов
in vivo. In vitro CSPGs подавляют рост отростков нейритов (аксонов) в «барьерной» ситуации, но способствует их появлению на uniform substrate. Эти свойства напоминают свойства тенасцинов (tenascins), с которыми связываются CSPGs. Вероятно, CSPGs действуют как барьеры в ЦНС взрослых организмов после травмы. Например, если повреждение спинного мозга обработать chondroitinase ABC, специфически удаляющей хондроитин сульфаты, увеличивается невральная регенерация. Обнаружено также, что воздействие сhondroitinase ABC пролонгирует синаптическую пластичность в зрительной системе.
CSPGs являются и важными компонентами периневральных сетей, где они окружают перисоматические синапсы и, таким образом, стабилизируют их или препятствуют формированию новых синапсов. В этом отношении CSPGs сходны с TN-C и TN-К. Инфузия chondroitinase ABC в мозг взрослых контрольных животных не приводила к аномалиям плотности перисоматических синапсов. Однако удаление хондроитин сульфатов снижало как LTP, так и LTD в СА1 гиппокампа. Отмечается, что LTP исчезало у мышей, дефицитных по CSPGs brevican и после инъекций anti-brevican антител. Brevican мутанты имели нормальные спонтанные тормозные постсинаптические потоки, нормальное пространственное обучение, но измененную пространственную память. Механизмы, лежащие в основе участия brevican в синаптической пластичности не ясны, вероятно, что они включают взаимодействие brevican с HNK-1 углеводом.
У мышей, дефицитных по другому CSPGs – neurocan, никакого недостатка в раннем LTP не наблюдали. Однако neurocan-дефицитные мыши имели нарушения в позднем LTP, регистрируемом через 2-5 часов после множественной тетанизации (tetanization) колатералей Шаффера. Поэтому разные CSPGs вовлекаются на разных стадиях LTP посредством еще не установленных механизмов.
Perspectives
Как было сказано, несколько молекул, регулирующих раннее развитие и синаптогенез, влияют на LTP, обучение и память у взрослых животных (ТАБЛ.1). Из 7 молекул, изученных к настоящему времени, 6 стимулируют СА1 LTP и только HB-GAM подавляют его. Интересно то, что LTP, измеренное через 1 час после индукции, обычно было частично ингибировано после обработки ECM молекулы или ее рецептора. Исключение составляли brevican-дефицитные мутанты, у которых наблюдали полное блокирование LTP. Частичное снижение в LTP может отражать либо доминирующее ингибирование одного из механизмов, лежащих в основе LTP, либо частичное ингибирование нескольких отличных друг от друга механизмов. Изменения в LTP обычно не ассоциировались с изменениями основной возбудительной трансмиссии (basal excitatory transmission). Исключение составляли TN-R- и HNK-1 sulphotransferase-дефицитные мыши, показавшие усиление возбудительной трансмиссии. Краткосрочное потенцирование обычно не изменялось после обработки ECM молекул, за исключением увеличения вновь возникших контактов краткосрочного потенцирования после аппликации Reln.
Хотя эти столь отличные функции отражают специфичность функций молекул, возникает вопрос – как эти функции связаны с развитием? Показано, что heparin и HSPGs способствует преимущественно появлению аксонных отростков, а CSPGs и tenascins могут как способствовать, так и подавлять появление аксонных отростков. В плане синаптической активности стимулирование и ингибирование могут модифицировать синаптичекую активность. С одной стороны, отростки нейритов, число которых увеличивается благодаря благоприятному микроокружению, могут стимулировать образование новых синапсов. С другой стороны, возможно, что барьерные функции этих молекул необходимы для стабилизации. Формирование и стабилизацию синапсов легко наблюдать в режиме time-laps киносъемки (т.е. через определенные промежутки времени) в сочетании с доступными биохимическими и генетическими методами. Это дает возможность определить пространственно-временные морфологические и молекулярные события, лежащие в основе действия ECM молекул. В следующих разделах представлены вопросы, на которые еще предстоит ответить.
What forms of plasticity do ECM molecules regulate?
У большинства ECM –(молекуло)–дефицитных мышей LTP тестировали исключительно в области СА1 гиппокампа. Такие же исследования, но в области СА3 могли бы прояснить механизмы действия ECM молекул, так как различные внутриклеточные сигнальные каскады участвуют в СА1 и СА3 LTP. Точно также внутриклеточная регистрация и парные протоколы, которые позволяют точно контролировать деполяризацию постсинаптических клеток во время индукции синаптической пластичности и детерминации порогов в индукции LTP и LTD, еще не были применены для анализа возможных эффектов ECM молекул на индукцию синаптической пластичности. Например, если модификация ECM снижает степень деполяризации постсинаптического нейрона во время tetanic стимула, то LTP может быть снижено просто из-за того, что меньше открыты NMDA рецепторы. Использование внутриклеточных регистраций позволило бы провести анализ синаптической пластичности в возбудительных синапсах на постсинаптических интернейронах и зависимой от активности модуляции ингибиторных потоков – двух аспектов особенно интересных в отношении Narp, tenascins и CSPGs . Недавние исследования значения CSPGs и GABA-опосредованного торможения для установления OCULAR DOMINANCE в зрительной коре выявило значение этой формы experience-dependent developmental plasticity в качестве привлекательно модели in vivo, с помощью которой можно оценить вклад ECM молекул в синаптические функции.
Другой вопрос заключается в том, может ли ECM состав влиять на выход (spillover) нейротрансмиттеров и нейротрофических факторов, через регуляцию внеклеточного пространства, объема и tortuosity. В частности, область контакта на границе синаптической щели определяет их «неплотность» (или плотность), которая может, в свою очередь, влиять на соседние синапсы, которые были непрямо стимулированы во время индукции. Усилены ли «переговоры» между соседними синапсами у ECM-дефицитных мышей и ведет ли это к аномальным уровням синаптической пластичности, еще предстоит выяснить.
ECM molecules and Ca2+ influx
Теперь, когда оказалось, что несколько пар «ECM молекула-рецептор» участвуют в LTP, следовало бы исследовать несколько сигнальных каскадов. Особенно важно отличить, поражает ли молекула ECM NMDA- или VDСС-зависимые компоненты LTP, модифицирует ли потоки Са2+ тирозин киназная сигнальная система, переключаемая через ECM рецепторы, или поражаются ли какие-то другие нижестоящие механизмы. NMDA-рецептор-опосредованные реакции измеряли в СА1 синапсах. Было обнаружено, что они нормальны при условиях дефицита молекулярной экспрессии ECM. Следует отметить, однако, что в этой работе для оценки NMDA рецепторной функции в протоколе была использована слабая стимуляция. Обычно для индукции LTP проводят несколько сильных стимуляций и это оставляет открытой возможность того, что внутриклеточная сигнализация (возможно активированная через переключение ECM рецепторов) может модифицировать NMDA-рецептор-опосредованные потоки и, следовательно, нарушать индукцию LTP. Изображение Са2+ во время индукции LTP после модификации ECM может быть эффективным в решении этого вопроса.
ECM molecules and signalling in endocytic zones
Данные указывают, что молекулы ECM накапливается больше на границах пре- и постсинаптических контпктов, ближе к поверхностной границе между нейронами и астроцитами и что они окружают перисоматические тормозные синапсы и в некоторых случаях дендритные шипики. Эти границы перекрываются с эндоцитарными (endocytic) и периактивными зонами, которые окружают активные зоны и могут быть важными сайтами инициации структурных синаптических модификаций. Пока неизвестно, как механизм эндоцитарных зон таргетирован, чтобы быть снаружи, но быть тесно связвнным с активными зонами пресинаптически и с постсинаптическими уплотнениями на постсинаптической стороне. Проводя параллель с Narp-индуцированной кластеризацией AMPA рецепторов, вполне возможно, что внеклеточные скаффолды, формируемые ECM молекулами около эндоцитарных зон, могут регулировать локализацию и функции кластеров поверхностно-клеточных рецепторов, которые могли бы, в свою очередь, аккумулировать трансмиттерные рецепторы и ионные каналы на периферии синапсов под scaffolding влиянием ассоциированных цитоскелетных белков. (РИС.5). Взаимодействие HNK-1 углеводных групп, переносимых TN-R с GABA(B) рецепторами, которые экспрессируются преимущественно внесинаптически, и дает возможность прямой регуляции метаболических рецепторов ECM молекулами. Важность ECM молекул распознавания (recognition molecules) для организации мембранного рециклинга в синапсах подчеркивалась в недавней работе, где было продемонстрировано, что связь trans-Golgi органелл с кластерами NCAM помогает захватывать эти органеллы во вновь появляющихся синапсах в течение минуты после образования первичного контакта. Прямая связь между ламинином и механизмом рециклинга везикул подразумевается, когда он встречается в синаптосомах (synaptosomes) в комплексе с SV2 – синаптическим везикулярным трансмембранным протеогликаном. SV2 связывается с высокой аффинностью с очищенным ламинином 1, указывая на то, что компонент синаптического пузырька действует как ламининовый рецептор на пресинаптическую плазменную мембрану. Эти данные дают возможность предполагать наличие связи между ламинин-зависимой регуляцией адгезии и числом свободных SV2 молекул, которые могут рециркулировать около синапсов.
ECM molecules and small GTPases
Недавние исследования показали, что небольшие GTPases Ras и Rap переключают NMDA рецепторную сигнализацию и, следовательно, управляют синаптическим высвобождением и удалением AMPA рецепторов во время LTP и LTD соответственно. Точно также зависимый от активности рост дендритной арборизации переключается через активацию NMDA рецепторов и требует снижения активности RhoA и увеличения активности Rac и Cdc42. Ca2+-зависимый экзоцитоз post-Golgi органелл может инсертировать новые мембранные «заплатки» в пре- и постисинаптические мембраны, и вместе с подавлением эндоцитоза это может обеспечить условия для распространения синаптических структур. Поэтому регуляция небольших GTPases Са2+ зависимым способом может быть важна для изучения рецепторного передвижения и структурного ремоделирования синапсов.
Так как передача сигналов через ECM рецепторы, которые активируются во время развития, в значительной степени опосредуется небольшими GTPases Ras семейства, перекрывание между механизмами, лежащими в основе синаптической пластичности и ранним развитием, вполне возможно. Авторы предполагают, что Са2+ зависимая секреция ECM компонентов может модулировать и/или инициировать образование новых сигнальных комплексов, которые управляют движениями филоподий дендритов в активированных синапсах, индуцируют реорганизацию филаментов актина, окружающих активные зоны, и/или перераспределяют нейротрансмиттерные рецепторы около постсинаптических сайтов. Недавно были визуализированы эффекты ECM молекул на синаптическую пластичность в культуре нейронов. Например, чтобы наблюдать перераспределение пре- и постсинаптических механизмов, может быть использована одна ECM молекула или вместе с деполяризированным реагентом, таким как К+ или глутамат в клетках, трансфицированных пре- и постсинаптическими белками, мечеными зеленым флуоресцентным красителем.
Trans-synaptic cross-talk through ECM
Во время потенцирования увеличивается число кластеров постсинаптических глутаматных рецепторов, содержащих субъединицу GluR1. Это сопровождается быстрым и долго-продолжающимся увеличением числа кластеров пресинаптического белка synaptophysin и числа сайтов, в которых ко-локализуются синаптофизин и GluR1. Это указывает на то, что пре- и постсинаптические изменения могут идти «нога-в-ногу». Т.к. рецепторы ECM молекул есть как на пре-, так и на постсинаптических мембранах, ECM молекулы являются источником для координации изменений в пресинаптическом и постсинаптическом механизмах. Акцентируется внимание, что эти компоненты могут происходить или из нейронов или из глии, чей вклад в синаптическую пластичность изучен плохо. Следует заметить, что α β 3 integrin необходим для превращения незрелых синаптических контактов в гиппокампе, экспрессирующих NR2B субъединицу NMDA рецепторов и имеющих высокую вероятность разъединения, в зрелые синапсы, в которых отсутствует NR2B и мала вероятность разъединения.
Транс-синаптическая передача сигналов, опосредованная прямым взаимодействием пре- и постсинаптических молекул распознавания, включая локализованные в синаптической щели, оказывается важна для синаптогенеза и координации пре- и постсинаптических изменений. Известный пример – это взаимодействие cadherin–cadherin, neuroligin–neurexin, synaptic cell adhesion molecule (synCAM)–synCAM, и ephrin–Eph receptor. Такими же «дуэтами» могут быть транссинаптическая сигнализация у границ синапсов через ансамбли молекул распознавания, связанные ECM компонентами (РИС.5). Примером такой организации является NCAM, экспрессирующийся пре- и постсинаптически и взаимодействующий с HSPGs, включая argin. Кроме того, NCAM –гепаран-сульфатный комплекс может быть субстратом для димеризации FGF (fibroblast growth factor) и его рецепторов, стимулируя FGF рецептор-опосредованноую передачу сигналов.
ECM remodelling as a framework for plasticity
Кроме LTP индуцированной up-регуляции экспрессии ECM молекул, синаптическая активность может переключать эндоцитоз и calpan-опосредованный протеолиз ECM рецепторов и способствовать высвобождению протеаз, переваривающих ECM молекулы около границ соединения нейрона с нейроном или нейрона с астроцитом. Кроме того, протеазы могут «терять» внеклеточные домены трансмембранных рецепторов распознавания, таких как NCAM, белков-предшественников амилоида и L1, и они могут быть инкорпорированы в ECM, модифицируя его свойства.
Секреция ECM лигандов и протеолиз-зависимое ремоделирование ECM, вероятно, играет инструктивную роль в синаптической пластичности посредством нескольких разных механизмов. Взаимодействие ECM лиганд-рецептор может усиливать внутриклеточные сигнальные события, участвующие в индукции синаптической пластичности или могут влиять на продвижения отростков нейронов и астроцитов, обеспечивая базу для изменений в клеточной морфологии. Например, протеолитическая деградация CSPG phosphacan тканевым плазминогенным активатором/плазмином (tissue plasminogen activator/plasmin) во время эпилептического припадка ведет к формированию рекуррентных коллатералей мшистых волокон в зубчатой фасции (dentate gyrus). Tissue plasminogen activator/plasmin также контролирует несколько форм LTP отчасти через протеолиз ламинина. Хотя другая протеаза – neuropsin участвует в LTP и синаптогенезе. Важно понимать, когда и где разные протеазы работают во время LTP и LTD и на какие ECM молекулы они действуют при ремоделировании.
Модифицированная внеклеточная среда также меняет условия для индукции синаптической пластичности во время последующих эпизодов синаптической активности. Например, через модулирование тормозной синаптической трансмиссии или перераспределение ионных каналов. Зависимое от активности ремоделирование ECM может вносить значительный вклад в регулирование динамического диапазона синаптических модификаций в ответ на синаптическую активность, и таким образом, формировать часть метапластического процесса.
Сайт создан в системе
uCoz 
