Синаптическая передача в нейромышечных соединениях гарантируется высокой плотностью ацетилхолиновых рецепторов (AChR) на постсинаптических мембранах. AChR экспрессия регулируется в пространстве и во времени в ходе развития. Синтез AChR осуществляется во взрослых нейромышечных соединениях. Регуляторные элементы AChR генов могут управлять экспрессией репортерных генов в нейромышечных соединениях. Синаптической экспрессии AChR способствует нейрегулин. Нейрегулин является трофическим фактором, высвобождаемым двигательными нейронами, который необходим для регуляции синтеза AChR в нейромышечных соединениях. Нейрегулин способствует синтезу AChR как на уровне белка, так и мРНК.
Отдельные мышцы возникают из сегментно ранжированных сомитов и обычно иннервируются аксонами двигательных нейронов, чьи тела располагаются на соответствующем уровне спинного мозга. Помимо времени и близости молекулярное распознавание также играет роль в формировнаии нейромышечных соединений. Если мышцы трансплантируются с другого аксиального уровня, то они селективно реиннервируются аксонами из их исходного положения. В мышцах, иннервируемых одиночным периферичесим нервом из аксонов от разных спинальных сегментов, выявляются четкие топографические карты. Причем в некоторых случаях такие топографические карты очерчиваются за счет внутримышечных процессов, связанных с элиминацией несоответствующих сегменту синапсов. Эти карты частично восстанавливаются во время реиннервации. Все это указывает на то, что двигательные аксоны и некоторые внутримышечные структуры обладают комплементарными сигналами, которые варьируют вдоль рострокаудальной оси и формирование синапсов получает преимущества для позиционно-соответствующих партнеров.
Установлено, что нейриты из рострального (шейного) и каудального (поясничного) отделов спинного мозга имеют определенные предпочтения для роста. В большинстве примеров ростральные нейриты растут избирательно на мембранах мышц передних конечностей или отдельных торакальных мышц, если им предоставляется выбор между
этими мышцами и мышцами задних конечностей. Каудальные нейриты обнаруживают избирательность к мембранам мышц задних конечностей или ламинину. По-видимому, мембраны двигательных аксонов и мышечных трубок обладают комплементарными метками, которые варьируют в ростро-каудальном направлении (Wand et al., 1999).
Два типа EphA киназ, EphA3 и EphA4, селективно экспрессируются в субнаборах двигательных нейронов. Один из лигандов для этих рецептров эфрин А5 экспрессируется на более высоком уровне ростральными мышцами, чем каудальными. Оба эфринА2 и эфринА5 ингибируют рост двигательных аксонов и ингибирование это позицион-зависимо, каудальные двигательные нейроны испытывают более сильное ингибирование, чем ростральные нейроны. Эфрины вряд ли могут объяснить все в нейро-мышечных предпочтениях, так как эти лианды не распределяются в виде рострокаудального градиента.
| ORIGINAL RESEARCH PAPER
Lin, W. et al. Distinct roles of nerve and muscle in postsynaptic differentiation of the neuromuscular synapse. Nature 410, 1057-1064 (2001) [Abstract] | Article | PubMed | FURTHER READING Burden, S. J. The formation of neuromuscular synapses. Genes Dev. 12, 133-148 (1998) | PubMed | Sanes, J. R. & Lichtman, J. W. Development of the vertebrate neuromuscular junction. Annu. Rev. Neurosci. 22, 389-442 (1999) | PubMed | |
Изучали роль афферентных нервов в формировании neuromuscular junction (NMJ). Идентификация аргина в качестве продуцируемого нервами белка, который вызывает кластрирование acetylcholine receptors (AChRs) в мышцах, указывает на то, что вступление афферентных нервов является критическим для начала синаптогенеза. Затем жр. молекулы, которые действуют ниже аргина, идентифицированы, так что теперь становится ясно, как происходит постсинаптическая специализация в собираемых NMJ. Но основной вопрос остается нерешенным: начинается постсинаптическая дифференцировке до или после подхода нерва? Могут ли кластеры AChRs образоваться в отсутствие нерва и нервом продуцируемого аргина?
Ранее было показано, что нервные окончания всегда находятся в аппозиции к кластерам AChR. Lin et al. нашли, что существенная фракция кластеров является действительно 'aneural'; т.е. пресинаптические окончания им не противостоят. Используя разлиных мутантных мышей авт. установили, что AChR кластеры присутствуют и у agrin-дефицитных мышей, также как и у HB9 мутантных мышей, у которых phrenic нерв не способен развиваться. Напротив, кластеры полностью отсутствовали у мышей, у которых отсутстовали молекулы, известные как MuSK, протеин киназа, которая действует ниже аргина. Эти находки указывают на то, что инициальные ступени постсинаптической дифференцировки не нуждаются в аргине или афферентных нервах, но зависят от активации MuSK.
Хотя кластеры AChR и м. сформироваться в отсутствие аргина и афферентного нерва, два условия не являются в точности эквивалентынми. Lin et al. нашли, что AChR кластеры имеют тенденцию становиться со временем маленькими у agrin-дефицитных мышей, тогда как они увеличиваются в размерах у HB9 мутантов. Предполагается, что нервы не только продуцируют аргин для поддержания кластеров AChR, но и являются также источником неидентифицированных сигналов, которые диспергируют рецепторы, которые не стабилизированы аргином.
(Рис.1.) | The neuromuscular junction.
(Рис.2.) | Clustering of AChRs as the neuromuscular junction forms.
(Рис.3.) | Possible roles for neuregulin in postsynaptic differentiation.
(Рис.4.) | Genetic analysis of early events in AChR clustering.
(Рис.5.) | Maturation of the postsynaptic apparatus.
(Рис.6.) | Turnover of AChRs in active, inactive and mutant muscles.
По-видимому, существуют три ступени в формировании NMJ. Сначала, формируются кластеры в отсутствии нерва nerve/agrin-независимо, MuSK-зависимая ранняя фаза. Позднее, agrin способствует стабилизации этих постсинаптических специализаций и образованию новых кластеров, тогда как продуцируемый нервами сигнал диспергирует нестабильные AChR кластеры.
INDUCTION, ASSEMBLY, MATURATION AND MAINTENANCE OF A POSTSYNAPTIC APPARATUS
Joshua R. Sanes & Jeff W. Lichtman
Nature Reviews Neuroscience 2, 791 -805 (2001)
Nature Reviews Neuroscience 2, 791 -805 (2001)
(Рис.1.) | The neuromuscular junction.
(Рис.2.) | Clustering of AChRs as the neuromuscular junction forms.
(Рис.3.) | Possible roles for neuregulin in postsynaptic differentiation.
(Рис.4.) | Genetic analysis of early events in AChR clustering.
(Рис.5.) | Maturation of the postsynaptic apparatus.
(Рис.6.) | Turnover of AChRs in active, inactive and mutant muscles.
Постсинаптический аппарат нейромышечных соединений, подобно др. синапсам, содержит участки высокой плотности рецепторов нейротрансмиттеров, которые тесно ассоциированы с различными внеклеточными, трансмембранными и цитоплазматическими белками, которые выполняют адгезивную, структурную и сигнальную роль. Постсинаптический аппарат организуется с помощью сигналов от пресинаптических нервных окончаний. Он меняет свою форму, размер и молекулярную архитектуру когда созревает. Созрев, он м. сохраняться в течение всей жизни организма, но обладает способностью ремодулироваться в ответ на повреждающие импульсы.
Acetylcholine receptors (AChRs) вставлены во множественные точки мембран эмбриональных мышечных трубок. По мере развития NMJ плотность рецепторов под нервом увеличивается, а количество рецепторов вне синапсов становится очень небольшим. Некоторые механизмы объясняют этот феномен: некоторые AChRs перераспределяются в плоскости мембраны, метаболическая стабильность AChRs увеличивается после образования ими кластеров, мышечные ядра , ассоциированные с постсинаптическими мембранами становятся транскрипционно специализированными для экспрессии AChRs, а транскрипция AChR в несинаптических ядрах супрессируется. Эта реорганизация зависит от химических влияний со стороны моторных нервов.
Некоторые молекулы, которые ответственны за постсинаптическую реорганизацию, идентифицированы. Предолжена модель, согласно которой нерв высвобождает белок, называемый agrin, который передает сигналы посредством muscle-specific tyrosine kinase , известной как MuSK. MuSK затем действует на эффекторный белок rapsyn, чтобы обеспечить кластрирование AChR.
Однако имеются и др. факторы, которые влияют на развитие NMJ. Neuregulin и его рецептор ErbB (тоже tyrosine kinase) также влияют на кластрирование AChR, однако взаимодействие этих белков с agrin-MuSK- rapsyn путем неясно.
Эмбриональные NMJs очень отличаются от взрослых NMJs. Соединения меняются из простых овальных бляшек в pretzel-подобный набор веточек, а соединительные мембраны меняются из плоских листков в инвагинирующие поверхности с gutters и складками. Более того, состав базальной ламины и цитиоскелетный аппарат менялись по мере созревания NMJ. Наконец, сдвиг в составе субъединиц AChR ведет к изменению их проницаемости для Ca2+ , а ион- лиганд-управляемые каналы сегрегируют в дискретные альтернативные домены. Механизмы, лежащие в основе каждой из таких трансформаций только начинают раскрываться.
Lrp4 is a retrograde signal for presynaptic differentiation at neuromuscular synapses
Двигательные аксоны воспринимают ретроградные сигналы от скелетных мышц, которые важны для дифференцировки и стабилизации окончаний двигательных нервов1. Идентификация этих ретроградных сигналов оказалась неуловимой, но их продукция мышцами зависит от рецепторной тирозин киназы, MuSK (muscle, skeletal receptor tyrosine-protein kinase) и Lrp4 (low-density lipoprotein receptor (LDLR)-related protein 4), члена семейства LDLR, который формирует комплекс с MuSK, связывает нейральный agrin и стимулирует активность MuSK киназы2-5. Здесь мы показали, что Lrp4 также действует как прямой производимый мышцами ретроградный сигнал для ранних ступеней пресинаптической дифференцировки. Мы продемонстриовали, что Lrp4 необходим, независимо от активации MuSK, для пресинаптической дифференцировки in vivo и мы показали, что Lrp4 соединяется с моторными аксонами и индуцирует образование кластеров синаптических пузырьков и белков активной зоны. Т.о., Lrp4 действует двунаправленно и координирует образование синапсов путем связывания agrin, активации MuSK и стимуляции постсинаптической дифференцировки и функционирования в свою очередь в качества продуцируемого мышцами ретоградного сигнала, который необходим и достаточен для пресинаптической дифференцировки.
Рисунки к статье
Lrp4 is a retrograde signal for presynaptic differentiation at neuromuscular synapses Norihiro Yumoto, Natalie Kim & Steven J. Burden
Nature 489,7416): 438–442 (20 September 2012) doi:10.1038/nature11348
Двигательные аксоны воспринимают ретроградные сигналы от скелетных мышц, которые важны для дифференцировки и стабилизации окончаний двигательных нервов1. Идентификация этих ретроградных сигналов оказалась неуловимой, но их продукция мышцами зависит от рецепторной тирозин киназы, MuSK (muscle, skeletal receptor tyrosine-protein kinase) и Lrp4 (low-density lipoprotein receptor (LDLR)-related protein 4), члена семейства LDLR, который формирует комплекс с MuSK, связывает нейральный agrin и стимулирует активность MuSK киназы2-5. Здесь мы показали, что Lrp4 также действует как прямой производимый мышцами ретроградный сигнал для ранних ступеней пресинаптической дифференцировки. Мы продемонстриовали, что Lrp4 необходим, независимо от активации MuSK, для пресинаптической дифференцировки in vivo и мы показали, что Lrp4 соединяется с моторными аксонами и индуцирует образование кластеров синаптических пузырьков и белков активной зоны. Т.о., Lrp4 действует двунаправленно и координирует образование синапсов путем связывания agrin, активации MuSK и стимуляции постсинаптической дифференцировки и функционирования в свою очередь в качества продуцируемого мышцами ретоградного сигнала, который необходим и достаточен для пресинаптической дифференцировки.
Nature 489,7416): 438–442 (20 September 2012) doi:10.1038/nature11348
Рисунки к статье