В отличие от многих нейронов, фоторецепторы высвобождают нейротрансмиттер постоянно, за исключением их стимуляции светом. Авторы описали некоторые характерные особенности колбочек, позволяющие их фоторецепторам поддерживать такое постоянное высвобождение трансмиттера.

Известно, что синапсы колбочек характеризуются множеством необычных признаков, включая структуры, названные «synaptic ribbons» (синаптическими лентами), которые связывают большое число синаптических пузырьков вблизи синаптической мембраны. Экзоцитоз в колбочках особенно чувствителен к уровням Ca2+, а эндоцитоз необычно быстрый и точный. Но ранее было достаточно трудно детально исследовать цикл экзо- и эндоцитоза синаптических пузырьков. Авторы разработали метод, с помощью которого маркерный краситель FM1-43 специфически доставлялся в синаптические терминали колбочек посредством мечения клеток интактной (а не рассеченной) сетчатки. Колбочки метились в темноте и затем сетчатку переносили в физиологический раствор, лишенный Ca2+ (чтобы предотвратить выход красителя во время экзоцитоза) и отмывали Advasep-7, который способствовал удалению красителя с поверхности мембран. Показано, что краситель присутствовал только в синаптических везикулах, поэтому данный метод был использован авторами для изучения цикличности синаптических пузырьков.

При мечении терминалей FM1-43 колбочки, в которых терминали были полностью заполнены красителем за 2 мин, показали, что эндоцитозные везикулы перемещаются по терминали очень быстро. Оказалось, что синаптические пузырьки оставались подвижными и быстро перераспределялись после короткого периода окрашивания в растворе с высоким уровнем Ca2+. Их мобильность была измерена с помощью FRAP (fluorescence recovery after photobleaching). Небольшую область в терминали колбочки короткое время сканировали с помощью лазера, чтобы обесцветить в этом участке FM1-43. Мобильность везикул можно было измерить путем прослеживания того, как быстро обесцвеченная область вновь заполнялась флуоресцентным красителем. Результаты показали, что в колбочках около 87 % синаптических пузырьков обладали способностью перемещаться между обесцвеченными и необесцвеченными областями и что восстановление стабильного состояния достигалось в течение 25 секунд. И, напротив, синаптические пузырьки в нейромышечном соединении были малоподвижны, даже после часа наблюдения.

Перемещения синаптических пузырьков колбочек не нарушалось изменениями в уровнях Ca2+ или циклического АМФ. Кроме того, коэффициент диффузии синаптических пузырьков в этом исследовании оказался сходным со скоростью диффузии инертных частиц такого же диаметра. Это указывает на то, что диффузия везикул может проходить свободно в пределах терминали. Каковы причины такой высокой подвижности синаптических пузырьков в колбочках по сравнению с другими нейронами? Авторы предполагают, что это может быть связано с недостатком мембрано-ассоциированного белка синапсина (synapsin) в фоторецепторах, который в норме «привязывает» синаптические пузырьки к цитоскелету.

Объединяются ли эндоцитозные синаптические пузырьки и преобразуются ли они во время рециклинга, как это происходит в других синапсах с высокой скоростью высвобождения нейротрансмиттера? Сравнивая последовательную нагрузку FM1-43 и сходного с ним красителя FM4-64, было установлено, что синаптические пузырьки, нагруженные тем или другим красителем, не смешивались. Хотя в других синапсах эндоцитоз мог вызывать восстановление мембраны после слияния отдельных везикул, оказалось, что такое явление не встречается в колбочках. На основании этих результатов авторы предложили модель рециклинга синаптических пузырьков в колбочках, согласно которой отдельные везикулы подвергаются эндоцитозу, рассеиваются по терминали и затем сталкиваются с синаптической ribbon (лентой) с которой и соединяются. После перемещения вдоль ленты и будучи готовыми для высвобождения пузырьки соединяются (dock) и подвергаются экзоцитозу в ответ на повышение уровня Ca2+.

Высокоподвижная популяция везикул в терминалях колбочек, резко контрастирующая с присутствием крупного, малоподвижного резервного пула в большинстве типов синапсов, может гарантировать, что синаптические ленты в колбочках всегда целиком загружены везикулами, давая возможность постоянному и «высокоскоростному» высвобождения нейротрансмиттера в темноте, что является характерной особенность фоторецепторов.

См. также: Kramer laboratory (Здесь можно найти ссылки на полные тексты статей авторов)