Посещений:
СПЕЦИФИКАЦИЯ СИНАПСОВ



Роль нейральных GPI-закрепленных белков

Neural Glycosylphosphatidylinositol-Anchored Proteins in Synaptic Specification
Ji Won Um. Jaewon Ko
Trends in Cell Biol. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tcb.2017.06.007

Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored proteins are a specialized class of lipid-associated neuronal membrane proteins that perform diverse functions in the dynamic control of axon guidance, synaptic adhesion, cytoskeletal remodeling, and localized signal transduction, particularly at lipid raft domains. Recent studies have demonstrated that a subset of GPI-anchored proteins act as critical regulators of synapse development by modulating specific synaptic adhesion pathways via direct interactions with key synapse-organizing proteins. Additional studies have revealed that alteration of these regulatory mechanisms may underlie various brain disorders. In this review, we highlight the emerging role of GPI-anchored proteins as key synapse organizers that aid in shaping the properties of various types of synapses and circuits in mammals.



Figure 1 Diverse Neural Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-Anchored Proteins Regulate Key Functions in the Nervous System: GPI Code of Synapse Development. (A) The domain structures of the neural GPI-anchored proteins reviewed here are displayed as attached to cellular membranes (not precisely scaled). Individual GPI-anchored proteins bind to sets of indicated protein species, as denoted by the broken black lines, and their proposed functions are shown below as linked by broken orange, blue, or green lines. Although the precise functions of these proteins remain to be determined, it is likely that they are crucial for modulating various aspects of synapse and circuit development. The relevant domains are also illustrated (B). Abbreviations: CNTNs, contactins; FNIII, fibronectin type III repeat; GDNF, glial cell line-derived neurotrophic factor; GFRa;1, GDNF receptor alpha1; GPCs, glypicans; IgLONs, immunoglobulin-like cell adhesion molecules; LRR, leucine-rich repeat; LRRTM, leucine-rich repeat transmembrane protein; MDGAs, MAM domain-containing glycosylphosphatidylinositol anchor proteins; NCAM120, neural cell adhesion molecule 120 kDa; NGL, netrin-G ligand; NgRs, Nogoreceptors; NTR, netrin-like domain; PrPC, cellular prion protein; SEMA7A, semaphorin-7A.



Negative Regulation of Synapse Development by MAM Domain-Containing Glycosylphosphatidylinositol (GPI) Anchor Proteins (MDGAs), Nogo Receptors (NgRs), and T-Cadherin. Roles of neural GPI-anchored proteins [MDGAs (A), NgRs (B), and T-cadherin (C)] in the negative regulation of excitatory and inhibitory synapse development. (A) Postsynaptic MDGA1 directly cis-interacts with neuroligin-2 at inhibitory synaptic sites, whereas postsynaptic MDGA2 directly cis-interacts with neuroligin-1 at excitatory synaptic sites. Direct interactions of MDGAs with neuroligins disrupt neurexin-neuroligin synaptic adhesion pathways, suppressing both excitatory and inhibitory synapse development. The role of presynaptic MDGAs remains unclear. (B) Postsynaptic NgRs (NgR1, NgR2, and NgR3) interact with Nogo-66 (also known as Nogo-A), LINGO-1, and P75NTR/TROY, inhibiting axonal growth and suppressing excitatory synapse development. (C) Postsynaptic T-cadherin (also known as cadherin-13) exhibits homophilic interactions with presynaptic T-cadherin, specifically suppressing inhibitory synapse development. However, precisely how T-cadherin exerts signal cascades for negative synapse regulation at inhibitory synaptic sites remains to be determined. Notably, T-cadherin is expressed in various types of GABAergic interneuron [16.

Природные закрепленные на GPI белки выполняют важные роли в разных аспектах развития ЦНС, включая наведение аксонов, образование синапсов, трансмиссию и их пластичность. Эти белки обогащают липидные платформы (rafts) посредством гетерогенных механизмов, действующих, чтобы контролировать активацию различных белков синаптических мембран и компонентов внутриклеточной передачи сигналов.
GPI-закрепленные белки взаимодействуют с разными ко-рецепторами, которые координируют определенные внеклеточные и внутриклеточные механизмы, связанные с путями синаптической адгезии.
Нейральные GPI-закрепленные белки и их ко-рецепторы вовлечены в разные нарушения головного мозга.

Significance of GPI-Anchored Proteins


Белки плазматической мембраны выполняют критические роли в большинстве клеток эукариот, обеспечивая цельность биологической мембраны, представленной липидным бислоем. Эти белки запускаются с помощью индуцирующих факторов во внеклеточном пространстве и приводят к разным сигнальным исходам [1]. Многие трансмембранные белки нейронов проходят через бислой один или несколько раз с разными вторичными структурами на внутриклеточной стороне, тогда как др. крупные мембранные белки полностью обращены во внеклеточное пространство и ковалентно прикреплены к липидному бислою [2]. Эти последние белки интимно связаны с большим классом amphipathic липидов, которые закреплены на поверхности клеточной мембраны посредством пост-трансляционных модификаций липидов [3]. GPI-закрепленные белки (see Glossary) обладают уникальными мотивами ассоциации белков, обнаруживаемыми в большинстве эукариотических филетических групп [2]. Сотни GPI-закрепленных белков идентифицированы в разных биологических контекстах и многие расположены в специализированных микродоменах плазматической мембраны, известных как липидные плотики [4] (Box 1), предоставляющие структурные и сигнальные платформы для локального контроля разнообразных функций нейронов [5, 6].

Box 1 Targeting of GPI-Anchored Proteins to Lipid Rafts




Недавние исследования были сфокусированы на субнаборе GPI-закрепленных белков, экспрессирующихся в ЦНС и ПНС (Figure 1). Напр., cellular prion protein (PrPC), известный причинный фактор прионовых болезней, необходим для разных нервных процессов [7], тогда как ephrin-A, semaphorin-7A (SEMA7A), netrin-Gs, glypicans (GPCs) и contactins (CNTNs) участвуют в росте и навигации аксонов [8, 9, 10]. Кроме того, GPCs и Nogo рецепторы (NgRs) ассоциированы с регенерацией поврежденных аксонов [11, 12]. Более того, NgRs, содержащие MAM домен GPI-закрепленные белки (MDGAs), и T-cadherin негативно регулируют образование, функцию и пластичность синапсов [13-17], тогда как SEMA7A, Netrin-Gs и GPCs позитивно регулируют развитие синапсов в кооперации с др. синаптическими адгезивными молекулами [10, 18-20]. Однако, поскольку GPI-закрепленные белки не пересекают мембрану нейронов, они часто необходимы др. трансмембранным белкам в том же самом нейроне, чтобы действовать в качестве функциональных ко-репрессоров. Более того, недавние успехи в технологии секвенирования выявили разнообразные гены, которые кодируют нейральные GPI-закрепленные белки при разных нарушениях головного мозга [21].


General Features of Neural GPI-Anchored Proteins


Выдающимся свойством ЦНС является очень высокой точности паттерн соединений между нейронами: специфическое расположение синапсов на клетке мишени, их характерная структура и функциональные свойства, позволяющие прохождение нервной информации внутри нейральных связей (circuit), делающие возможным развитие сложных нервных сетей [22]. Нейробиологи полагают, что разные уровни специфичности и разнообразия, участвующие в развитии синапсов и нервных связей, осуществляются посредством разнообразных белков клеточной поверхности, включая с помощью GPI закрепленные белки.
Среди идентифицированных GPI-закрепленных белков, immunoglobulin (Ig) домен-содержащие белки, такие как адгезивная молекула нервных клеток 120 (NCAM120), CNTNs и T-cadherin, как было установлено, выступают как распознающие белки, участвующие в фасцикуляции, росте и наведении аксонов в многочисленных эволюционных филетических образованиях (phyla) (Box 2). Эти белки осуществляют критические нейрологические функции путем осуществления гетерофильных и гомофильных событий адгезии и путём активации набора внутриклеточных сигнальных путей, возможно посредством сопутствующих механизмов эндоцитоза, использующих расщепление с помощью phosphatidylinositol-specific phospholipase C (PI-PLC). Кроме того, те же самые GPI-закрепленные белки могут выполнять разные роли на разных ст. развития. Учитывая эти находки, возникают два важных вопроса: (i) как осуществляются взаимодействия GPI-закрепленных белков с др. белками клеточной поверхности, внося вклад в формирование свойств синапсов и нервных связей (circuits); и (ii) как GPI-закрепленные белки участвуют в передаче сигналов, чтобы обеспечить оптимальные клеточные реакции, принимая во внимание отсутствие цитоплазматических доменов у этих белков?

Box 2 Neural Functions of GPI-Anchored Proteins in Invertebrates


В целом термин 'co-receptor' означает клеточное событие, при котором более одного рецептора участвует в обеспечении эффекта. Нейральные GPI-закрепленные белки прирожденно нуждаются в наборе структурно и функционально различающихся ко-рецепторах, поскольку они лишены цитоплазматических доменов для трансдукции внеклеточных сигналов [23]. И ко-рецептор и соотв. сигнальный рецептор соединяются с общим или разными лигандами, вследствие чего ко-рецептор действует, чтобы очистить или усилить сродство сигнального рецептора для презентации лиганду, частично посредством модификации интерфейса свзи или индукции реципрокных аллостерических эффектов. Напр., GPCs и NgRs соединяются с разными, структурно отличающимися трансмембранными и секретируемыми белками, чтобы сформировать специфические сигнальные комплексы, тогда как CNTNs, ephrin-A и из семейства glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) рецептор α1 (GFRα1) обычно ассоциируют с contactin-associated protein-like белками [Caspr; известен также как contactin-associated proteins (CNTNAP)], EphAs или GDNF, соотв. [23].
Кроме того, многие ко-рецепторы существуют в растворимой внеклеточной форме, создаваемой посредством потери эктодомена, которые обычно действуют, чтобы негативно регулировать функцию соотв. сигнальных рецепторов [24]. В недавнем исследовании сообщалось, что GPI-закрепленные белки с разными ко-рецепторными комплексами ассоциируют с разными сигнальными свойствами в синапсах, в зависимости от относительного уровня компонентов и их наномасштабного распределения в мембране (напр., липидных плотиках) (Box 1). Более того, ко-рецепторы оказывают разное влияние на связывание лигандов с сигнальными рецепторами, зависимым от концентрации лиганда способом [25]. Некоторые нейральные GPI-закрепленные белки используют хозяев ко-рецепторов, чтобы регулировать их субклеточное распределение как в устойчивом, так и активированном состоянии, эффективно контролируя локализацию передачи сигналов и модулирование специфических клеточных адгезивных путей посредством внеклеточных межбелковых взаимодействий [23].

GPI-Anchored Proteins as Critical Synapse Regulators


Positive Factors


GFRα1 концентрируется как в пресинаптическом, так и постсинаптическом компартментах нейронов гиппокампа, в то время как GDNF запускает гомолфильную адгезию GFRα1 [26] (Figure 1). Интересно, что пресинаптическая дифференцировка, вызываемая комплексом GDNF-GFRα1 не зависит от канонического для передачи сигналов GDNF рецептора Ret и лишь частично зависит от ассоциированной с GFRα1 передачи сигналов NCAM с участием тирозин киназ Fyn и FAK [27]. Напротив, рост дендритов, сложность и постсинаптическая дифференцировка в культивируемых нейронах гиппокампа базируется на передаче сигналов NCAM [28]. Ret также необходим для привлечения двигательных аксонов посредством ephrin-A обратной передаче сигналов и передаче сигналов GFRα1, указывая, что мультифункциональные комплексы обеспечивают наведение и навигацию аксонов путем образования иерархических сетей, передающих сигналы GPI-рецепторов с использованием совпадающей детекции лиганда [29].
Семейство CNTN представлено 6 членами (CNTN1-6), которые стимулируют или ингибируют рост аксонов [8]. CNTNs обнаруживают перекрывающиеся и самостоятельные паттерны экспрессии и разные партнеры по связыванию [8], и способствуют ламинарной специфичности, миелинизации аксонов и образованию синапсов посредством гетерофильных взаимодействий. Большинство связывающих белков, которые играют важные роли в развитии синапсов, - это члены семейства CNTNAP. CNTN1 соединяется с CNTNAP1 и с CNTNAP2 [30], тогда как CNTN2 соединяется только с CNTNAP2 [31], а CNTN5 соединяется только с CNTNAP4 [8]. Интересно, что CNTNAP1 и CNTNAP2 необходимы для созревания возбуждающих синапсов, ветвления дендритов и доставки AMPA рецепторов [32, 33, 34]. Напротив, пресинаптический CNTNAP4 является критическим для GABAergic и dopaminergic синаптической трансмиссии с участием parvalbumin-позитивных basket нейронов [35]. Однако, механизм, лежащий в основе вклада этих взаимодействий ы синаптические процессы, остается неясным.
Netrin-G1 и netrin-G2 действуют как пресинаптические рецепторы для netrin-G1 ligand (NGL-1) и NGL-2, соотв., способствуя тем самым росту таламокортикальных аксонов и формированию возбуждающих синапсов [36]. Эти белки распределяются по аксонам внутри разных путей и предопределяют lamina-специфические сегменты дендритов посредством транс-нейрональных взаимодействий с NGL-1 и NGL-2, соотв. [36]. Более того, netrin-G1/NGL-1 и netrin-G2/NGL-2 взаимодействия по-разному контролируют синаптическую пластичность и специфицируют развитие возбуждающих синапсов в дискретных нейральных циркуитах гиппокампа посредством ретроградных сигнальных путей [18]. Более того, нокаутные netrin-G1 (KO) и netrin-G2 KO мыши обнаруживают рассеянную экспрессию каждого родственного рецептора в разных субклеточных компартментах, а также разные поведенческие фенотипы [37]. Эти находки указывают на то, что netrin-Gs делают разнообразным поведение позвоночных посредством дифференциальной регуляции синаптических свойств с помощью NGL белков внутри самостоятельных нервных связей (circuits) в гиппокампе. Пресинаптический netrin-G1 также регулирует образование возбуждающих синапсов путем индукции цис-взаимодействий постсинаптических NGL-1 с пресинаптическими leukocyte antigen-related protein tyrosine phosphatases (LAR-RPTPs), действующими как функциональные ко-рецепторы, соединяющиеся непосредственно с NGL-3 [19], подтверждая, что пресинаптические netrin-Gs обеспечивают развитие возбуждающих синапсов посредством множественных механизмов.
GPCs млекопитающих (в частности, GPC-4 и GPC-6) первоначально были идентифицированы как секретируемые факторы из астроцитов, которые способствуют формированию возбуждающих синапсов путем индукции образования кластеров AMPA рецепторов [38]. В пресинаптических нейронах GPCs обнаруживают транс-синаптические взаимодействия с leucine-rich repeat transmembrane 3 и 4 (LRRTM3 и 4), которые организуют развитие возбуждающих синапсов в гранулярных нейронах зубчатой извилины (dentate gyrus) [39, 40]. Пресинаптический GPC-4 далее ассоциирует с LAR-RPTPs в цис-конфигурации, чтобы скоординировать активность внутри GPC-4/LRRTM4 пути синаптической адгезии [10], подтверждая, что пресинаптические LAR-RPTPs являются функциональными ко-рецепторами для постсинаптических LRRTM4 в регуляции развития возбуждающих синапсов в circuits гиппокампа.
SEMA7A способствует росту аксонов посредством интегринов и путей передачи сигналов MAPK [41]. Однако, подобно SEMA5B, SEMA7A также действует как ретроградный сигнал для элиминации избыточных climbing fibers (CFs) к синапсам нейронов Purkinje в развивающемся мозжечке мышей [42]. Потеря функционального SEMA7A в нейронах Purkinje и его двух рецепторов (plexin-C1 и integrin-β1) в CFs нарушает элиминацию CF синапсов. Дополнительные исследования показали, что эффекты SEMA7A связаны с metabotropic glutamate receptor 1 [42]. Напротив, потеря SEMA3A в нейронах Purkinje и его рецептора (plexin-A4) в CFs ускоряют элиминацию CF синапсов [42]. В недавнем исследовании сообщалось, что SEMA7A супрессирует пролиферацию нейральных предшественников и дифференцировку dentate gyrus в гиппокампе взрослых посредством Plexin-C1 [43]. Интересно, что на последующих стадиях нейрогенеза у взрослых, взаимодействия между SEMA7A и integrin-β1, но не с plexin-C1, необходимы для роста дендритов, развития шипов и функциональной интеграции возбуждающих стимулов в гранулярных клетках, возникших у взрослых [43].
Семейство Ig-like cell adhesion molecule (IgLON) представлено 5 членами (OPCML, neurotrimin, LSAMP, Negr1 и IgLON5) , регулирующими рост нейритов, образование синапсов и миелинизацию аксонов [44]. Хотя IgLONs обладают типичными биохимическими и клеточными свойствами, которые общие среди иммуноглобулиновый домен содержащих GPI-закрепленных белков, и связаны с разными болезнями, их точные синаптические функции пока систематически не были изучены. Интересно, что контролируемый во времени транскардиальный perfusion cross-linking анализ показал, что IgLONs образуют физический комплекс с PrPC [45], подтверждая, что IgLONs участвуют в путях synaptotoxic передачи сигналов, ассоциированных с PrPC.

Negative Factors


MDGA1 и MDGA2 регулируют радиальную миграцию кортикальн6ых нейронов поверхностного слоя [17], хотя MDGA1 участвует также в пролиферации и агрегации базальных предшественников внутри субвентрикулярной зоны [46]. Однако, недавнее исследование [17] показало, что MDGA1 непосредственно взаимодействует с neuroligin-2, чтобы негативно регулировать neuroligin-2-обусловленное развитие ингибирующих синапсов, возможно путем разрушения путей синаптической адгезии neuroligin-2/neurexin [47, 48]. Напротив, MDGA2 соединяется с neuroligin-1 и neuroligin-2, негативно регулируя развитие возбуждающих синапсов [49] (Figure 2). Однако, пространственно ограничивающие эксперименты по снабжению ферментами, идентифицировали протеомы возбуждающих и ингибирующих синаптических щелей в живых нейронах, указывая. что рекомбинантные MDGA2 белки располагаются в основном в ингибирующих синапсах и действуют специфически, чтобы рекрутировать neuroligin-2-обеспечиваемые пресинаптические нейротрансмиттеры [50]. Недавно исследователи изучали кристаллическую структуру комплекса neuroligin-2/MDGA1 в попытке выявить атомные механизмы, лежащие в основе негативной модуляции MDGA1 для neurexin-neuroligin транс-синаптической адгезии [51, 52]. Интересно, что MDGA1 ассоциирует с neuroligin-2, но не с neuroligin-1,in vivo, несмотря на консервацию ключевых остатков на интерфейсе связывания [51]. Эти находки подтверждают существование специфического механизма, который ограничивает взаимодействие MDGA1 с neuroligin-2. Т.о., будущие исследования с использованием Mdga1-KO и Mdga2-KO мышей смогут внести ясность в конфликтные находки и определить расположение эндогенных MDGA белков in vivo.
Анализ базирующейся на RNAi потери функции первоначально выявил, что T-cadherin (известен также как cadherin-13) необходим для развития возбуждающих и ингибирующих синапсов в культивируемых нейронах гиппокампа [53]. Однако, более недавнее исследование продемонстрировало, что T-cadherin главным образом экспрессируется в parvalbumin- и somatostatin-позитивных интернейронах зрелого гиппокама и что устранение T-cadherin облегчает развитие ингибирующих синапсов и влияет на некоторые поведенческие домены [16](Figure 2). Хотя точный механизм, с помощью которого T-cadherin контролирует дестабилизацию синапсов ешё предстоит определить, вполне возможно, что T-cadherin модулирует организацию активновго цитоскелета в местах ингибирующих синапсов посредством гетрофильных взаимодействий с др. синаптическими белками, такими как GABAA, рецептор α1 субъединицы, интегрины или рецепторные тирозин киназы [54, 55].
Первоначально идентифицированные как рецепторы для Nogo-66 (ингибитора роста аксонов) [56], NgR1 формируют мультимерные рецепторные комплексы с разными ко-рецепторами, такими как p75 neutrophin рецепторами, myelin-associated glycoprotein (MAG), LINGO-1, TROY и AMIGO3, которые действуют как отталкивающие сигнальные платформы для ограничения регенерации аксонов [57]. NgR1 ассоциируют также с др. мембранными белками нейронов, такими как tetraspanin-3 и G-protein-coupled receptor 50 (GRP50), чтобы обеспечить активацию RhoA и выросты нейритов [58, 59]. Важна роль NgR1 в качестве дестабилизатора синапсов [60]. NgR1 также взаимодействуют с .tlrfvb семейства fibroblast growth factor (FGF), чтобы регулировать активность, зависимую от силы возбуждающих синапсов и морфологии дендритов в нейронах гиппокампа [61]. Более того, NgR1 и др. члены семейства NgR ограничивают развитие зависимых от активности дендритных шипов и рост посредством передачи сигналов TROY и RhoA в синапсах гиппокампа [13] (Figure 2). Сходным образом, NgR1 и Nogo-A негативно регулируют структуру и трансмиссию синапсов мозжечка [62]. В согласии с этими наблюдениями динамика дендритных синапсов и варикохные расширения аксонов в поверхностных слоях коры головного мозга усиливаются у NgR1-KO мышей [14]. Эти данные подтверждают, что стабильность анатомии взрослых синапсов зависит от передачи сигналов NgR1 и Nogo-66. Однако, точные механизмы, с помощью которых NgRs соединяются со специфическими внеклеточными лигандами, чтобы негативно регулировать развитие возбуждающих синапсов, ещё предстоит установить.
PrPC был первоначально выделен как медь-связывающий белок в синаптических щелях, а позднее было установлено, что он располагается на синаптических мембранах (rev. [63]). PrPC, рецептор высокого сродства связывания для Aβ олигомеров в постсинаптических уплотнениях, ассоциирует с рядом клеточных процессов как в физиологическом, так и патологическом контекстах [64]. Интересно, что PrPC-взаимодействующие Aβ являются наиболее точными предсказателями поведенческих нарушений у многих мышей, моделирующих болезнь Алцгеймера (AD) и у пациентов с AD [65]. PrPC нуждается и в др. синаптических компонентах, таких как NMDA рецепторы, Fyn тирозин киназа и класса I metabotropic glutamate receptors (mGluR5), для Aβ олигомерами обеспечиваемой потери синапсов, характерного признака для ранней AD. Воздействие с помощью Aβ олигомера вызывает маргинальную всё же достоверную потерю дендритных шипов, хотя пертурбации с экспрессией PrPC ослабляют эти эффекты [66]. Соединение Aβ олигомеров с PrPC вызывает активацию Fyn киназы, которая далее фосфорилирует NMDA рецепторную субъединицу GluN2B, приводя к изменению экспрессии на поверхности, нарушению функции рецепторов, excitoxicity и к ретракции дендритных шипов [66]. В этих процессах mGluR5 действует как ко-рецептор для PrPC, вызывая excitotoxicity путем увеличения уровней внутриклеточного Ca2+ и трансляционного аппарата [67]. Интересно, что использование антагониста mGluR5 полностью устраняет потерю синапсов, наблюдаемую у AD модельных мышей, показывая, что предполагаемый путь Aβ-PrPC-mGluR5-Fyn может представлять собой эффективную терапевтическую мишень для AD [67]. Дополни тельное исследование продемонстрировало существование др. Aβ oligomer-зависимого сигнального каскада, зависимого от внутриклеточного высвобождения Ca2+ [68].

Circuit Functions


CNTNs экспрессируются последовательно во время развития мозжечка. Экспрессия CNTN2 начинается в параллельных волокнах, сопровождаемая экспрессией CNTN1 и CNTN6 в зрелых гранулярных нейронах, действуя, чтобы организовать образование синапсов между параллельными волокнами нейронов Пуркинье [69]. Напротив, CNTN5 экспрессируется субпопуляциями нейронов Purkinje и нейронов глубоких ядер мозжечка, хотя их роль в развитии циркуитов мозжечка предстоит исследовать. Дополнительные исследования показали, что CNTNs также важны для обонятельных луковиц, таламокортикальной и первичной соматосенсорной кортикальной систем [70, 71]. У Cntn4-KO мышей olfactory sensory neurons (OSNs), экспрессирующие данный обонятельный рецептор не конвергируют аксоны соотв. образом в топографически фиксированные гломерулы обонятельных луковиц, указывая, что CNTN4 является критическим для развития функциональных обонятельных карт [72]. Напротив, митральные клетки (но не OSNs) затрагиваются у Cntn2-KO мышей [70]. Отсутствие CNTN2 приводит к редукции количества митральных нейронов в молекулярном клеточном слое главных обонятельных луковиц, приводя к снижению конечного piriform кортекса и изменению обонятельного поведения [70]. Помимо его описанной роли в элиминации синапсов мозжечка, SEMA7A регулирует развитие таламокортикальных и локальных циркуитов в слое IV соматосенсорного barrel кортекса [73]. Важно, что SEMA7A располагается на шипах звездчатых нейронов и GABAergic промежуточных нейронов. Т.о., Sema7a-KO мыши обнаруживают аномальное созревание GABAergic нейронов, приводящее к дисбалансу возбуждающих и ингибирующих стимулов в этих circuits. NgR1 участвует также в зависимом от визуальных ощущений кортикальном circuitry, которое ограничивает пластичность зрительного доминирования критическим периодом, посредством microcircuits, parvalbumin-позитивных, промежуточными нейронами обеспечиваемых, снимающих ингибирование [74]. Однако, действует ли др. GPI-закрепленные белки сходным образом при формировании нейральных circuitry, и действительно ли идентифицированные circuit механизмы ассоциированы с когнитивным поведением, предстоит ещё определить.

Synaptic Plasticity and Cognitive Behaviors


Исследования с использованием трансгенных и/или KO мышей показали важность GPI-закрепленных белков для синаптической пластичности и когнитивного поведе6ния, такого как формирование памяти. Синтетическим Aβ олигомером обусловленное подавление long-term potentiation (LTP) и облегчение независимой от рецептора NMDA long-term depression (LTD) в синапсах гиппокампа зависят от PrPC и mGluR5 комплексов [67, 75]. Однако, воздействие олигомеров Aβ нарушает LTP на срезах гиппокампа у PrP-KO мышей [76]. APP трансгенные мыши обладают сходным дефицитом в отсутствие PrPC [77]. Скорее всего, различия в концентрации олигомера Aβ или в сборке могут объяснить эти явно противоречивые данные [78]. Возможно, что только определенные Aβ формы олигомеров (e.g., protofibrillar aggregates) вызывают PrPC-зависимую токсичность синапсов (synaptotoxicity) [79]. На уровне поведения инъекция Aβ олигомеров нативным мышам вызывает нарушения обучения и памяти [80]. Делеция гена Prnp или периферическое применение гуманизированных anti-PrP антител снижают нарушения пространственного обучения и памяти у некоторых мышей, моделирующих AD [81]. Эти находки указывают на то, что прогрессирование болезни AD управляемой трансгеном с началом у взрослых зависит от PrPC, тогда как дефицит в ходе развития у J20 мышей не зависит от PrPC [80]. Кроме того, нарушения синаптической пластичности и памяти могут быть обусловлены прямыми взаимодействиями Aβ олигомеров с др. рецепторами, такими как EphB2 [82]. Кроме того, дифференциальная экспрессия, токсичных для синапсов Aβ олигомерных ансамблей наблюдается в разных возрастах у разных мышиных моделей AD [83].
Cntn1-KO мыши обладают атаксическим фенотипом, возникающим в результате функциональных дефектов мозжечка, таких как аномальное наведение гранулярных нейронов мозжечка и проекций дендритов от гранул и Гольджи клеток [84]. Более того, Cntn1-KO мыши также обнаруживают избирательные нарушения при paired-pulse помощи и зависимого от NMDA рецепторов LTD, но не LTP, в области CA1 гиппокампа [85]. Эти зависимые от CNTN1 процессы используют взаимодействия между CNTN1 и множественными ко-рецепторами (Caspr1 и RPTPβ), указывая, что эти специфические GPI-закрепленные синаптические адгезивные пути используются для регуляции синаптической пластичности специфических сайтов. Поразительно, мыши избыточно экспрессирующие CNTN1 обнаруживают увеличенный размер гиппокампа, одновременно сопровождаемый усилением нейрогенеза в гиппокампе взрослых [86]. Интересно, что такие мыши обнаруживают повышенный LTP в CA1 области гиппокампа, а также повышенную пространственную и объект распознающую память, особенно у взрослых [86, 87].
В соответствии с негативной ролью Nogo-66/NgRs в развитии синапсов и регенерации, а функциональная блокада Nogo-66 в NgR1 сигнальном пути приводит к избирательному повышению LTP, но не базовой синаптической трансмиссии или кратковременной пластичности, по-видимому, посредством усиленной анатомической стабильности и/или ограничения доставки синаптических рецепторов AMPA [88, 89]. Кроме того, NgR1 ограничивает критический период пластичности внутри определенных circuits, ассоциированных с доминированием одного из глаз и остротой зрения [90]. Вместе с NgR3, NgR1 ограничивает также регенерацию после повреждений путем взаимодействий с chondroitin sulfate протеогликанами [91]. Интересно, что мыши с избыточной экспрессией NgR1 обнаруживают нарушения формирования долговременной памяти и последовательного пространственного обучения [92]. Функциональная блокада Nogo-66 или NgR1 улучшает квалифицированную работу передних конечностей и тактильное обучение, по-видимому, за счет быстрых модуляций структурной пластичности дендритных шипов в соотв. областях коры головного мозга [88, 93]. Однако, двигательное поведение и распознающая память избирательно нарушены у NgR1-KO мышей [92]. Потеря функции NgR1 у взрослых приводит к мощной, зависимой от затухания элиминации условно-рефлекторной реакции страха в ответ на усиление анатомических изменений в процессах синаптического подавления в parvalbumin-позитивных промежуточных нейронах в amygdala [15]. Итак, эти наблюдения согласуются с повышенной экспрессией NgR1 и его ко-рецепторов, наблюдаемой у старых крыс с когнитивными нарушениями [94], и подтверждают, что подавление нейральной пластичности с помощью NgR1 используется критически при когнитивном снижении, связанном с нарушениями обучения и памяти. Подобно NgR1-KO мышам, NgR2-KO мыши обнаруживают аномальную структурную пластичность в регионах гиппокампа CA1 у взрослых и обладают пониженной реакцией страха, а также снижением тревожного и связанного с депрессией поведения [95]. Принимая во внимание дифференциальную регуляцию белков семейства NgR при зависимых от активности манипуляциях, NgR1 и NgR2 м. выполнять сходные и отличающиеся функции в ограничении структурной и функциональной пластичности. Последующие исследования безусловно выяснят временную динамику NgR-обеспечиваемой регуляции синапсов и circuits.
Дополни тельные исследования выявили др. роли GPI-закрепленных белков в формировании поведенческих навыков. CDH13-KO обладают измененными реакциями на кокаин, что, скорее всего, обусловлено уровнями дофамина в коре головного мозга [96, 97]. Нокаутные мыши, дефицитные по neurotrimin или LSAMP обнаруживают в основном неперекрывающиеся поведенческие фенотипы [98, 99]. Lsamp-KO мыши обнаруживают дефицит пространственной памяти и плозо поддерживают LTP, это ослабляется с помощью модуляций уровней кортикостерона [98], иногда как у NTM-KO мышей наблюдается дефицит эмоционального обучения, который не обнаруживается у Lsamp-KO мышей [99].

Dysfunction of GPI-Anchored Proteins in Brain Diseases


Учитывая важность вклада нейральных GPI-закрепленных белков на развитие возбуждающих и подавляющих синапсов, не является сюрпризом, что они участвуют в различных болезнях головного мозга, таких как прионовые болезни, AD, multiple sclerosis (MS), autism spectrum disorders (ASDs), шизофрения, биполярные расстройства, attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD) и эпилепсия [100] (Table 1).Однако, точные генетические дисфункции, которые вносят вклад в патогенез нарушений головного мозга, еще предстоит выяснить. Результаты исследований на животных с использованием KO и/или избыточной экспрессии нейральных GPI-закрепленных белков в целом подтверждают мнение, что эти белки формируют центральные молекулярные комплексы и пути с функциональными ко-рецепторами, изменения которых могут приводить к фенотипически отличающимся нарушениям головного мозга. Разнообразные анатомические, электрофизиологические и когнитивные нарушения обнаруживаются животных моделей, подтверждая, что эти фенотипы отражают endophenotypes, ассоциированные со специфическими нарушениями головного мозга. С момента открытия нормальных клеточных (PrPC) и scrapie изоформ (PrPSc) прионовых белков, патофизиологические механизмы, лежащие в основе болезни стали хорошо известны [101, 102]. Поэтому прионовые болезни не будут обсуждаться здесь детально.

. Table 1 Summary of Brain Diseases Associated with Dysfunctions of Neural GPI-Anchored Proteinsa

Neural GPI-anchored proteins | Brain diseases (human or mouse genetics) | Refs

PrPC AD [63, 66, 67, 68]
-"- Prion disease Not cited
NgR1 AD [109]
-"- MS [110]
CNTN1 MS [125]
CNTN2 MS [111]
CNTN3 ASD [126]
CNTN4 ASD [127]
CNTN5 ASD [128]
CNTN6 ASD [129]
GPC4 ASD [130]
GPC5 ASD [131]
GPC6 ASD [132]
MDGA1 Schizophrenia, bipolar disorder [133]
MDGA2 ASD [134]
T-cadherin ASD [135]
-"- ADHD [54]
Ephrin-A ASD [116]
Netrin-G1 ASD, Rett syndrome [118, 136, 137]
Netrin-G2 Schizophrenia, bipolar disorder [118, 137]
-"- TLE [122]
Neurotrimin ASD [138]
-"- ADHD [121]
Negr1 ADHD [139]
Lsamp Schizophrenia [124]
-"- Depression [123]
="= Panic disorder

Abbreviations: GPI, glycosylphosphatidylinositol; Lsamp, limbic system-associated membrane protein; Negr1, neuronal growth regulator 1; NgR1, Nogo-66 receptor 1; TLE, temporal lobe epilepsy.
Накапливаются доказательства связи PrPC с AD [103]. PrPC был идентифицирован как рецептор для Аβ олигомеров и PrPC сигнальные пути выполняют важные роли в гомеостазе цинка в нейронах и в балансе холестерина в липидных плотиках. Отделение PrPC от липидных платформ в синаптических мембранах может привести к отсутствию связи с функциональными ко-рецепторами и разными лигандами, что сопровождается нарушениями метаболизма холестерина, защитой против связанного с возрастом нарушения гомеостаза цинка и функции нейронов [104, 105]. Более того, целенаправленное воздействие на липидные платформы PrPC и конформационное превращение в инфекционные изоформы регулируются с помощью GPC-1, который является также ко-рецептором низкого сродства к секретируемому эктодомену APP [106]. Т.о., на некоторые компоненты Aβ/PrPC сигнальных путей целенаправленно воздействовали и оценивали восстановление поврежденной памяти у разных трансгенных мышей, моделирующих AD, и у людей с AD [107, 108].
Nogo-66, NgR1, и их нижестоящие сигнальные компоненты также обнаруживают участие в AD посредством сложных механизмов, которые плохо изучены [109]. Демиелинизация NgR1-связывающих белков также сцеплена с прогрессирующим MS, указывая, что блокада этих молекулярных взаимодействий явяляет собой важную терапевтическую мишень [12, 110]. Хотя генетические доказательств еще предстоит найти, но, скорее всего, что LSAMP и родственные IgLONs участвуют в MS, поскольку в предыдущем исследовании было установлено, что LSAMP негативно регулирует миелинизацию [44]. Кроме того, CNTN2, как было установлено, является аутоантигеном, нацеленным с помощью T клеток и аутоантител при MS и ASDs [8, 111]. Интересно, что клинические доказательства строго подтверждают, что др. CNTNs (CNTN2-6) и их ко-рецепторы (особенно CNTNAP2) участвуют в ASDs [112, 113], а результаты, полученные с помощью животных моделей, целенаправленного воздействия CNTNs подтверждают возникновение молекулярных комплексов, использующих CNTNs/CNTNAPs в качестве мишеней при изучении нейробиологии ASD. Ясно, что дефекты сенсорного обучения, ассоциированного с мозжечком, и нарушения регуляции высвобождения oxytocin в гипоталамусе, постулируются как механизмы, лежащие в основе дефицитов социального поведения, наблюдаемых у Cntnap2-KO мышей [114, 115]. Т.о., будущие исследования д. использовать Cntn1- и Cntn2-KO мышей для изучения, действительно ли CNTNAP2 и ассоциированные CNTNs функционально связаны с поддержанием молекулярных комплексов, которые контролируют когнитивные домены, участвующие в социальном поведении. Субнабор CNTNs участвует также в редких нарушениях, таких как семейная форма летальной врожденной миопатии и 3p-делеционный синдром [8].
Др. нейральные GPI-закрепленные белки также участвуют в возникновении нейропсихиатрических болезней (Table 1). Многочисленные, базирующиеся на секвенировании генетические исследования подтвердили, что разные формы вариантов числа копий для GPC-4, GPC-5, GPC-6, MDGA2, T-cadherin, ephrin-A, netrin-G1 и neurotrimin часто сцеплены с ASDs [17, 116]. Принимая во внимание, что при этих болезнях определенные субнаборы этих белков непосредственно взаимодействуют с neurexins, neuroligins, LRRTMs, SEMA7A или EphA рецепторами, которые являются строгими причинными факторами для ASDs, эти уязвимые при ASD молекулярные комплексы могут лежать в основе поведенческих признаков, характерных для ASD, таких как дефицит социальных взаимодействий и повторяющиеся поведенческие реакции [117]. Эти симптоматические домены затрагиваются также у людей с шизофренией и биполярными расстройствами и идентичные гены или члены семейства генов часто одновременно сцеплены со множественными нарушениями головного мозга. Напр., NgR1, MDGA1 и netrin-G2 генетически сцеплены с шизофренией и биполярными расстройствами [17, 118-120], тогда как Negr1, neurotrimin и T-cadherin ассоциированы с ADHD [52, 121]. Более того, netrin-G2 ассоциирован с височной эпилепсией [122], тогда как LSAMP сцеплен с шизофренией, депрессией и паническими нарушениями [123, 124]. Учитывая гетерогенную природу этих нарушений головного мозга, трудно построить правдоподобную и реальную модель патогенеза. Будущие исследования д. сфокусироваться на выяснении точной роли центральных и периферических GPI-закрепленных белков.

Concluding Remarks


Remarkable progress has been made in elucidating the mechanisms by which various neural GPI-anchored proteins function in neurite outgrowth, axon guidance, and regeneration in the central and peripheral nervous systems. More recent studies have identified the roles of these proteins in modulating cis- and trans-interactions with other cell surface proteins, highlighting their contribution to synapse formation, function, plasticity, and behavior. Despite these advancements, the mechanisms by which these processes occur remain to be determined. Future studies should focus on how extracellular and intracellular components are physically and functionally coupled with single or multiple GPI-anchored proteins to reveal the precise roles of these molecular complexes in mediating specific synaptic signaling pathways. Studies involving genetic variants and transgenic model mice have also implicated neural GPI-anchored proteins in various neuropsychiatric and neurodegenerative disorders. Thus, high-resolution imaging studies may aid in elucidating the precise molecular and cellular mechanisms by which neural GPI-anchored proteins orchestrate extracellular and intracellular signals (see Outstanding Questions). Synergistic application of interdisciplinary experimental approaches (e.g., high-resolution structural imaging, electron microscopy, biophysics, bioinformatics, or single-cell genomics) is required to achieve these aims and to delineate additional functions of these proteins at synapses and circuits. Validation of the newly discovered mechanisms in mammals is also required (Box 2) to supplement our understanding of synapse and circuit assembly, and to provide a more robust framework for human investigation.