Membrane traffic in myelinating oligodendrocytes Microsc. Res. and Techn. 2001. V.52. No 6. P. 656-671 | |
Перенос через мембраны в миэлинизирующихся олигодендроцитахМиэлинизирование происходит в течение относитеьно короткого промежутка времени и олигодендроциты должны иметь уже адаптированные механизмы мембранной сортировки и транспорта, чтобы обеспечить столь высокую скорость синтеза миэлина и поддержать уникальную организацию миэлиновых мембран путем сбалансированного синтеза и обмена миэлина. Миэлин синтезируется в виде расширений плазменных мембран и сохраняет характерный биохимический состав в течение взрослой жизни. Миэлиновые мембраны подразделяются на отдельные субдомены с неравным распределением белка (Рис. 1). Компактный миэлин составляет основную массу слоя и в основном отвечает за его свойство физического обособления (insulation). Он богат гликосфинголипидным галактоцереброзидом и сульфатидом и основным белком миэлина proteolipid-protein (PLP), его изоформой DM20, и миэлиновым основным белком. Некомпактные области миэлина, которые включают abaxonal петли, periaxonal петли, цитоплазматические incisures, и paranodal петли, содержат белки, такие как 2'3'-cyclic nucleotide 3'-phosphodiesterase (CNP), myelin-associated glycoprotein (MAG), myelin-oligodemdrocite glycoprotein (MOG) и конексин-32 (Сх32). Специфичный для олигодендроцитов белок /claudin-11 (OSP: oligodendrocyte specific protein) является сущесьвенным компонентом наборов плотных соединений, которые маркируют край между компактным и некомпактным миэлином и м. служить как диффузионный барьер между этими субдоменами миэлина. Второй соединительный комплекс связывает паранодальные и аксональные мембраны (axoglial соединение); в этом специфическом месте концентрируется одигодедроглиальная изоформа молекулы клеточной адгезии neurofascin (NF155). Для создания такой компартментализованой мембранной системы олигодендроциты должны обладать аппаратоммембранноготраффика, скоординированным синтезом белков и липидов и специфическолй сортировкой и транспортом компонентов миэлина. Так как миэлинизация происходит в течние 2-й и 3-й недели постнатального развития (у грызунов). Образование миэлиновых мембран вокруг компетентных к миэлинизации аксонов нуждается в точном таргетинге и слиянии пузырьков доноских мембран, точно там, где добавляется новая миэлиновая мембрана к растущей оболочке. Цитоскелет также играет ключевую роль в пространственном инструктаже образования миэлина
Разбалансировка этих процессов ведет к дис- или демиэлинизации и болезням. В обзоре подробно рассматривается процесс переноса миэлина, рассматриваются различные пути транспорта структурных белков для миэлина и экспрессия SNARE белков в дифференцирующихся олигодендроцитах.
|
.
CONCEPTS OF MYELIN MEMBRANE TRAFFIC
Общий мехнизм мембранного трафика включает молекулярные механизмы экзоцитоза и эндоцитоза. Его концепции схематически представлены на рис. 2.
Directed transport
Миэлиновые мембраны имеют иной биохимический состав по сравнению с плазматическими мембранами тел глиальных клеток. По-видимому, происходит домен-специфическтй транспорт в поляризованных клетках. Миэлиновые компонентны должны быть сначала рассортированы в trans-Golgi-network (TGN), упакованы в "myelin transport containers" и направлены в миэлиновый компартмент с помощью молекул-переносчиков, включая rab-GTPases и SNAREs. Дальнейшая сегрегация субдоменов миэлина может обеспечиваться несколькими альтернативными маршрутами транспорта миэлина или м. возникать позднее в результате реорганизации миэлиновых мембран.
Transcytosis
Все компоненты мембран олигодендроцитов следуют одним общим секреторным путем в плазматические мемьраны ('bulk flow'), а локальные расширения миэлиновых мембран образуются с помощью эндоцитического поступления, сортировки и рециклинга миэлиновых компонентов в клеточный отросток и роста миэлиновой оболочки (рисю 2В). Это м.б. путем элонгации миэлин-подобных мембран локальным обменом и ремоделированием мембран в специфическом клеточном сайте и путем регуляции скорости элонгации. Эта концепция подтверждается тем, что PLP в основном следуют в эндосомальный компартмент в культивируемых олигодендроцитах и что эндосомальные Rab-GTPasas являются предоминирующими Rab в миэлинизирующихся олигоднедроцитах.
Regulated Exocytosis
Можно предположить, что сигналы, индуцированные аксон-глиальным взаимодействием, вызывают высвобождение специфических пре-сформированных пузырьков в глиальном отростке, это ведет к локальному расширению мембраны на аксоне и оборачиванию вокруг аксона (Рис. 2С). Эта концепция не очень отличается от модели, предполагающей предсортировку и направленный транспорт миэлиновых компонентов. Мнение о сигнал-зависимом экзоцитозе подтверждается избирательной миэлинизацией аксонов (не дендритов или отростков астроцитов) и физической взаимозависимостью аксона и миэлиновых слоев.
Myelin Rafts
Сортировка и перенос в апикальные мембраны в эпителиальных клетках связаны с ассоциацией мембранных белков с мембранными доменами, богатыми гликосфинголипидами-холестеролом, называемыми плотиками (rafts). Слои миэлина богаты двумя сфинголипидами (галактоцереброзидом и сульфатидом) а также холестеролом. Согласно модели плотиков (Рис. 2D) специфические липид-протеиновые взаимодействия ведут к сборке миэлиновых компонентов в аппарате Гольджи. Небольшие полубобранные миэлиновые единицы затем транспортируются в плазматическую мембрану и одиночные миэлиновые мостики сливаются с с большими миэлиновыми доменами ("myelin percolation"). Это процеживание миэлиновых мостиков должно происходить в направлении аксона. Это должно обеспечиваться локальным взаимодействием с цитоплазматическими адапторными молекулами и цитоскелетом. Контакт с аксоном должен предопределять место отложения миэлиновых мостиков.
Т.обр., рассмотренные концепции не являются взаимоисключающими.
SORTING AND TRANSPORT OF MYELIN PROTEINS AND LIPIDSОсновные миэлиновые белки MBP( Myelin Basic Protein) и PLP/DM20 (ProteoLipid Protein) составляют 80% от общего миэлинового белка
MBP-Trafficking
Показано, что МВР включается в миэлин боле быстро, чем в PLP. Установлено, что МВР мРНК связана с полисомами, она использует сигналами-опосредованный транспорт на периферию клетки, где белок локлально включается в миэлиновый слой. МВР белки существуют в виде спайсинг-изоформ( 14, 17, 18ю4 и 21.5 кДа у грызунов), которые имеют разные субклеточные локализации в зависимости от присутсвия или отсутствия экзона 2, кодирующего пептид. 14- и 18.5 кДа изопептиды (экзон 2 -) предоминируют в компактном миэлине и ассоциируют преимущественно с клеточной мембраной. 17- и 21.5-кДа МВР изоформы (экзон 2 +) распределяются диффузно по всей цтоплазме и даже накаплиыаются в ядре. Перенос МВР мНК имеет некоторые преимущества,т.к. предупреждает взаимодействие высокощелочных белков с внутриклеточными мембранами. Локальный синтез м.б. важным идля стохиометрической сборки МВР с другими компонентами. Транспортируется в дистальный отросток олигодендроцита и мРНК myelin-associated ologodendrocytic basic protein (MOBP), carbonic anhydrase II, tau и amyloid precursor protein (APP).
PLP/DM20-Trafficking
PLP белок с 4 трансмембранными доменами и с маленькой изоформой (DM20), результатом альтернативного сплайсинга. Кинетика их включения в миэлин согласуется с транспортом через секреторный путь. Подтвержден их синтез на связанных с мембранами полисомах, включение в мембраны УК, дальнейший процессинг в аппарате Гольджи и везикулярный транспорт в миэлиновые мебраны. Экспрессия DM20 предшествует PLP и покрывает все клеточные мембраны, тогда как PLP направляется исключительно в миэлиновые промежуточные узелки (internodes). N-терминальные 13 аминокислот PLP,по-видимому, достаточны для направления цитоплазматического белка к миэлиновой мембране. Известная у мышей изоформа somal-restricted PLP с 12 дополнительными аминокислотами на N- конце, остается в теле клетки.
В развивающихся олигодендроцитах PLP/DM20 в основном локализуется в околоядерном Гольджи и плазматической мембране. Период полу-жизни PLP/DM20 в ER очень короткий. В дифференцирующихся олигодендроцитах PLP/DM20 ассоциирован с большим компартментом на клеточной периферии. PLP/DM20, по-видимому, отбирается для эндоцитического пути, но это происходит в отсуствие нейронов.
Перенос PLP/DM20 , по-видимому, независит от других миэлиновых маркеров, таких как MAG, MOG или МВР. Однако на уровне плазматических мебмран PLP/DM20 ко-локализуется с МВР и MOG. Лишь перенос в эндосомально, лизосомальный компартмент является уникальным для PLP. подтверждается предположение, что эндоцитотическая сортировка и трансцитоз м.б. алтернативным путем переноса компонентов миэлиновых мембран.
MAG-Trafficking
MAG является молекулой аксон-глиального взаимодействия, которая специфически локализуется на аксональной мембране. MAG обнаруживается в мультивезикулярных тельцах олигодендроцитов в спинном мозге крыс Очевидно имеет место ретроградный траффик эндоцитозированных MAG, чем антероградный траффик MAG в миэлин.
MAG существует в двух изоформах:small-MAG (S-MAG), large-MAG (L-MAG), последний имеет большой цитоплазматичекий внутриклеточный домен, экспрессируется рано в азвитии и ,по-видимому, участвует в передаче сигналов. S=-MAG активируется позднее и составляет основную изоформу зрелого миэлина. Цитоплазматический домен L-MAG содержит два тирозин интернализующих сигнала, которые могут объяснить избирательный эндоцитоз L-MAG. L-MAG первоначально обнаруживается в базилатеральных частях мембран, тогда как апикальная или базолатералное положение S-MAG предопределяется внешними факторами.
Cotransport of PLP and Myelin Lipids
Сульфатид и PLP обнаружены в субклеточной фракции, содержащей "pre-myelin" пузырьки. Установлено, что PLP ассоциирует с галактоцереброзидом и холестеролом в мембранном домене, который формируется в аппарате Гольджи и соответствует всем критериям гликосфинголипидных плотиков. Более того PLP м.б. химически связываться с холестеролом в живых клетках, демонстрируя близость обеих молекул в нативных мембранах олигодендроцитов. Таким образом, ассоциация PLP c миэлиновыми липидами, таким как галактоцереброзид и холестерол, в Гольжди м.б. критической для эффективной сортировки этого белка в миэлиновый компартмент.
Rafts in Sorting and Signalling
Участие липидных плотиков в генерации специализированных мембрановых доменов показано на нескольких типах клеток, включая эпителиальные, нейроны, мышечные, гематопоэтические клетки и олигодендроциты. Физической основой для образования плотиков является формирование "liquid-ordered' фазы при высоких температурах плавления и "liquid-disordered" фазы фосфолипидов. Подтверждена корреляция между детергент-резистентными мембранами м плотиками. ТХ100-резистентные мембранные домены, обогащенные галактоцереброзидом, сульфатидом и GPI-сцепленными адгезивными молекулами NCAM120 и F3, а также src-семейства киназами Fyn и Lyn, выделены из первичных олигодендроцитов и миэлина. Эти raft комплексы, по-видимому, функционально участвуют в аксон-глия распознавание и компартментализацию сигнального каскада, один из которых использует тирозин киназу Fyn в инициальной фазе миэлинизации. Белки некомпактного миэлина CNPase и MOG также удовлетворяют критериям ассоциации с плотиками и с ролью этих плотиков скорее в сигнальных процессах некомпактного миэлина, чем в траффике его компонентов,т.к. PLP не ассоциирует с этой фракцией. Однако PLP может участвовать в сборке "миэлиновых плотиков", которые управляют сортировкой и траффиком миэлинровых компонентов.
Myelin and Lymphocyte (MAL) белок, независимо охарактеризованный как MVP17, является компонентом гликосфинголипидных плотиков в миэлинизирующихся глиальных клетках. Этот белок с 4 трансмембранными доменами ведет себя подобно протеолипиду и локализуется преимущественно в компактном миэлине. В эпителиальных клетках MAL/MVP17 является детерминатом апикальной сортировки и транспорта. Избыточная экспрессия его увеличивает скорость высвобождения и расширяет апикальную поверхность, тогда как редукция MAL мРНК ведет нарушению сортировки и снижению скорости транспорта апикальных маркерных белков.
Expression of Viral Trafficking Reporters in Oligodendricytes
Эксперименты с сортировкой вирусов покзали, что сортировка в олигодендроцитах происходит в соответствии с классическими правилами поляризованных клеток и что новые миэлиновые мембраны м.б. экспортированы посредством пути базолатерального типа. Однако описанные выше ассоциации миэлиновых белков с липидами в плотиках уазывают на пути транспорта миэлина, сходные с апикальным путем эпителиальных клеток. Возможно миэлин поставляется обоими путями апикальным и базолатеральным.
VESICLE TRAFFICKING MACHINERY IN OLIGODENDROCYTES
SNARE Proteins
Прикрепление и слияние донорских пузырьков с мембранами-мишенями обеспечивается специфическими распознающими v(esicle)-SNAREs и t(arget)-SNAREs. Один v-SNARE белок (напр.,VAMP) дает ансамбль с двумя t-SNARE (напр., синтаксин и SNAP-25)образуя плотно упакованный пучек "core complex", приводя две оппозитные мембраны в тесный контакт и индуцируя слияние мембран. Дополнительные белки (такие как NSF и αSNAP) прикрепляются к core complex и регулируют отдельные ступени слияния. Образование SNARE-комплекса исследовано при нейросекреции с VAMP-2 (synaptobrevin), syntaxin-1, SNAP-25 ключевыми компонентами. В культуре олигодендроцитов выявлены VAMP-2, syntaxin-2, syntaxin-4 транскрипты. VAMP-2 и синтаксин-4 образуют v-/t-SNARE пару ("cognate" SNAREs), которая участвует в переносе GLUT-4 в адипоцитах и в базолатеральном транспорте в эпителиальных клетках. Другая пара VAMP7 и syntaxin-3 в глиальных клетках и олигодендроцитах. Эта cognate SNARE пара, участвующая в прямом апикальном транспорте в поляризованных клетках экспрессируется и в миэлинизирующихся олигодендроцитах.
SNAP-23, SNAP-29 найдены в культивируемой олигодендроглие. В головном мозге мышей обнаружен и SNAP-25, являющийся t-SNAP, экспрессирующимся только в ответ на аксоналный контакт и избирательно локализованный в миэлине как мембране-мишени. Он участвует в экзоцитозе.
Т.об., олигодендроциты экспрессируют целую батарею SNAREs, которые м.б. связаны с транспортом миэлин-ассоциированых мембран.
RAB-GTFases
Это большая подгруппа малых GTFases (около 40 членов) сверхсемейства Ras. Они участвуют в транспорте пузырьков. Они играют важную роль и в миэлинизации, прикрепляя пришедшие пузырьки к растущей миэлиновой мембране. В олигодендроцитах выявлена экспрессия Rab3a, -5a, и 8a. Экспрессия эндосомных Rabs4, 5, 11 и 18 предоминирует в глие, подтверждая тем самым, что рециклинг эндоцитных мембран является непрерывным процессом в олигодендроцитах и может участвовать в сборке миэлина.
MISTRAFFICKING AND DISEASE
Мутации гена PLP человека вызывают Pelizaeus-Merzbacher disease (PMD) или менее тяжелую spastic paraplegia type-2 (SPG-2) у человека, их моделью у мышей являются мутации jimpy (jp) и rumpshaker (rsh), соотв. Установлено, что мутантный белок не транспортируется на клеточную поверхность и стремится остаться в ER. Это связано с неправильным складыванием мутантного белка PLP в результате потери, увствительного к конформации О10 эпитопа. При этом некоторые мутантные DM20 (rsh-DM20) могут обнаруживаться на клеточной поверхности. Накопление PLP хотя и минимально, но может вызывать апоптоз олигодендроцитов. На патогенез возможно влияет также в связи скоплением PLP стрессовая реакция ER, т.к. хапероны и молекулы траффика пузырьков происходят в свободных от PLP ER.
Dismyelinating и demyelinating нарушения в ПНС (периферические нейропатии) также м.б. связаны с аномальным траффиком мутантных миэлиновых белков. Мутации гена peripheral myelin protein (PMP)-20, P0 и Сх32 лажат в основе Charcot-Marie-Tooth type 1A (CMT1A), CMT1B и СМТ-Х,соотв. Установлена неспособность РМР-20 достиграть поверхности Шванновских клеток. Он задерживается в ERR/Golgi. Сх32 мутация потери функции. Избыточная экспрессия адгезивного белка Р0 в Шванновских клетках ведет к гипомиэлинизации. Этот фенотип м.б. связан с включением Р0 не только в компактный миэлин, но и в abaxonal, periaxonal и mesaxonal мембраны. Это ингибирует дальнейший рост миэлиновой мембраны.
|