Хотя молекулярные характеристики каналов механотрансдукции у млекопитающих остаются загадочными, вызываеме прикосновениями токи были изучены в культивируемых DRG нейронах (McCarter et al., 1999). В субнаборах DRG нейронов эти токи обнаруживали различную ионную избирательность, это указывает на то, что они переносятся дискретными изоформами ионных каналов (Drew et al., 2002; Hu and Lewin, 2006; Rugiero et al., 2010). Подобно тактильным рецепторам
, культивируемые DRG нейроны обнаруживают разные профили адаптации (Rugiero et al., 2010). В отличие от волосковых клеток, адаптация в культивируемых DRG нейронах не зависит от Ca
. Итак. эти исследования указывают на то, что механотрансдукция в клетках млекопитающих обеспечивается с помощью разных молекулярных механизмов. В недавнем исследовании был идентифицирован новый класс ионных каналов, семейство piezo, которое необходимо для вызываемых прикосновениями токов в культивируемых DRG нейронах (Coste et al., 2010). Как эти вызываемые касаниями реакции
это важный, нерешенный вопрос.
Сигнальные пути, стоящие ниже трансдукции, управляют чувствительностью к прикосновениям путем изменения возбудимости мембраны (Fig. 3; Foulkes and Wood, 2008). Мутации потери функции в
SCN9A, который кодирует NaV1.7, специфичный для болевых рецепторов активируемый эл. напряжением Na
+ канал, вызывают драматическую потерю чувствительности к болевым стимулам у людей и мышей (Nassar et al., 2004; Cox et al., 2006). Напротив. мутации с избыточной функцией в этом гене ведут сверхчувствительности к боли. Повышенная чувствительность к прикосновениям наблюдалась у мышей, лишенных K
+ каналов с двумя порами, которые обеспечивают мембранные потенциалы покоя (Noel et al., 2009). Родственные с двумя порами K
+ каналы, как предполагают, являются молекулярными мишенями для sanshool, соединения, обнаруженного у
Schezuan peppercorns, которое активирует тактильные рецепторы и индуцирует ощущения покалывания у людей (Lennertz et al., 2010). Хотя предприняты активные усилия на идентификации механотрансдукционных каналов у млекопитающих, эти исследования подчеркивают возможность того. что др. сенсорные молекулы могут быть мишенями для терапевтических вмешательств.
Handling stress with cytoskeletal support
Подобно волосковым клеткам большинство тактильных рецепторов обладают явными цитоскелетными специализациями. У беспозвоночных эти специализации базируются на микротрубочках. Модифицированные реснички служат в качестве сенсорных дендритов в Drosophila типа I механосенсорных нейронах, также как и у C. elegans nose-touch и специфичные для самцов нейроны (Goodman, 2006; Kernan, 2007). Т.о., сенсорные дефекты, возникают в результате мутаций в генах, которые нарушают генез ресничек, транспорта внутри ресничек или локализацию белков ресничек (Perkins et al., 1986; Kernan, 2007; Bae et al., 2008). Хотя у C. elegans body-touch рецепторные нейроны лишены сенсорных ресничек, их механочувствительные отростки заполнены в высшей степени поперечно связанными, 15-protofilament микротрубочками (Fig. 4; Chalfie and Thomson, 1979, 1982).
Анализ двух mec генов демонстрирует, что эти уникальные структуры существенны для касанием вызываемого поведения. Mec-12 и mec-7 кодируют α- и β-tubulins? которые формируют 15-protofilament микротрубочки (Savage et al., 1989; Fukushige et al., 1999). Эти гены экспрессируются на высоком уровне в тактильных рецепторных нейронах, это согласуется с наблюдением, что 15-protofilament микротрубочки являются эксклюзивными для этих клеток (Chalfie and Sulston, 1981; Chalfie and Thomson, 1982; Hamelin et al., 1992; Fukushige et al., 1999). Многие mec-7 и mec-12 мутантные аллели вызывают замещение 15-protofilament микротрубочек типичными микротрубочками (Chalfie and Thomson, 1982). Мутации в этих двух генах также вызывают нечувствительность к касаниям у червей (Chalfie and Sulston, 1981; Chalfie and Au, 1989). Базируясь на этих генетических доказательствах, ранние модели предполагали, что соединение между MEC-4 комплексом, цитоскелетом и внеклеточным матриксом необходимо для механотрансдукции (Gu et al., 1996).
Недавние физиологические и структурные данные показали. что эта модель д. быть пересмотрена (Fig. 4). Важно. что трансдукционные токи ослабляются. но не исчезают при mec-7 и mec-12 мутациях. Эти данные демонстрируют, что 15-protofilament микротрубочки, хотя и необходимы для вызываемого касанием поведения, не нужны для активации трансдукционных каналов (O’Hagan et al., 2005; Bounoutas et al., 2009). Более того, функциональные MEC-4 комплексы вряд ли соединяются с микротрубочками, поскольку плотности точек MEC-4 и juxtamembrane микротрубочек не коррелируют и эти структуры не колокализуются на плазматической мембране (Emtage et al., 2004; Cueva et al., 2007). Вместо этого пучки микротрубочек соединены с плазматической мембраной в месте, оличном от MEC-4 точек. Одним из кандидатов на эти связи является Echinoderm microtubule-associated protein-like protein-1 (ELP-1), который экспрессируется в клетках, которые прилипают к кутикуле, включая body-touch рецепторные нейроны, nose-touch нейроны и специфичные для самцов нейроны (Hueston et al., 2008). Так, разрушение elp-1 нарушает тактильную чувствительность.
Все эти находки указывают на то, что цитоскелет влияетт на чувствительность к силовому воздействию без непосредственного прикрепления его к MEC-4 комплексу. Альтернативная модель постулирует, что MEC-4 комплекс являются каналом, активируемым растяжением, и что пучки микротрубочек косвенно участвуют в пропускной способности за счет изменения мембранных сил во время активации или адаптации канала (Cueva et al., 2007; Bounoutas et al., 2009).
Вместе со структурной ролью в восприятии силы, микротрубочки дикого типа необходимы для собственно для доставки белков механотрансдукции. Сильные мутации потери функции в mec-7 и mec-12 нарушают общий уровень белков и распределение точек MEC-4 (Emtage et al., 2004; Bounoutas et al., 2009). Хотя трансдукционные каналы д. проникать в плазматическую мембрану, чтобы активировать нейроны, иммуноэлектронная микроскопия указывает на то, что примерно половина MEC-4 комплексов связана с внутриклеточными микротрубочкаи в отсутствии связанных с мембраной пузырьков (Cueva et al., 2007). Это интригующее наблюдение указывает на то, что мембранные белки могут доставляться вдоль микротрубочек посредством транспорта без пузырьков в тактильные рецепторные нейроны.
По сравнению с волосковыми клетками и тактильными рецепторами C. elegans , мало известно о роли цитоскелета в рецепции прикосновений у позвоночных. Одно исследование культивируемых DRG нейронов показало, что cytochalasin B, который ингибирует полимеризацию актина, ослабляет механочувствительные токи (Drew et al., 2002). Осуществляется ли этот эффект посредством альтераций кортикального цитоскелета или базирующихся на микрофиламентах специализаций, неясно. Фактически цитоскелетные специализации ещё не описаны в соматосенсорных афферентных волокнах млекопитающих.
Напротив, клетки Merkel обладают заметными микроворсинками, которые связаны с покрывающими их эпидермальными клетками с помощью электрон-плотных филамент (Toyoshima et al., 1998). Интересно, что эти отростки богаты espin, актин-связывающим белком, обнаруженным в стереоцилиях волосковых клеток и др. сенсорными микроворсинками (Sekerkova et al., 2004). Исходя из их структурного сходства со стереоцилиями, микроволоски Merkel клеток, ка полагают, являются местами механотрансдукции (Iggo and Findlater, 1984); однако, функциональное подтверждение данной модели отсутствует.
Grasping the role of the matrix
Сили, проявляющиеся между клетками метазоа и ВКМ играют фундаментальную роль в развитии и функции сложных тканей (rev. Ingber, 2006). Разные ткани экспрессируют многочисленные компоненты ВКМ и их рецепторы, в большинстве естественно интегрины. Способность клетки отвечать соответственно на окружение своего локального матрикса существенно для клеточной миграции, дифференцировки и жизнеспособности (rev. Legate et al., 2009).
Важность белков ВКМ для тактильной чувствительности лучше всего показана на тактильных рецепторных нейронах у C. elegans. Их механочувствительные нейриты проникают в электрон-плотный ВКМ и окружаются эпидермальными клетками, которые прикреплены к кутикуле с помощью периодических структур, подобных полудесмосомам (Emtage et al., 2004). В этих нейронах тактильная чувствительность неждается в специализированных компонента DRV? а такэе в передаче сигналов integrin (Calixto et al., 2010).
Три mec гена кодируют важные компоненты ВКМ (Fig. 4; Chalfie and Sulston, 1981; Du et al., 1996). Тактильные рецепторные нейроны экспрессируют MEC-1 и MEC-9, которые являются секретируемыми белками, содержащими множественные epidermal growth factor (EGF)–подобные домены и Kunitz-подобные повторы (Du et al., 1996; Emtage et al., 2004). Уникальный коллаген, кодируемый с помощью mec-5, продуцируется соседними эпидермальными клетками (Du et al., 1996). Интересно, что эти белки распределены в точках, которые перекрываются с MEC-4 комплексами (Emtage et al., 2004). Мутации в этих генах компонентов матрикса нарушают субклеточное распределение MEC-4 комплексов. Напротив, точечная локализация компонентов ВКМ не меняется mec-4 мутациями. Итак, эти данные указывают на то, что ВКМ собственно локализует трансдукционные каналы. Базируясь на неполной колокализации MEC-5 и MEC-4 комплексов на ультраструктрном уровне, Cueva et al. (2007) утверждают, что MEC-5 вряд ли действует как крепление воротной пружины (gating tether). Играют ли integrins или др. связывающие белки непосредственную роль в активации каналов трансдукции, предстоит определить.
У Drosophila type I сенсорные органы, соединения между механосенсорными дендритами и кутикулой существенны для трансдукции (Kernan, 2007). Как и у C. elegans, механосенсорные отростки окружены поддерживающими клетками, которые секретируют электрон-плотный ВКМ, наз. дендритными ножнами или шапочкой (Fig. 2 C). Один из компонентов этого матриксакодируется геном NompA (Chung et al., 2001). По поведению, NompA мутантны не чувствительны к прикосновению и глухи. Они также лишены реакций щетиночных механорецепторов (Kernan et al., 1994).
Три линии доказательств указывают на то, что NompA является структурным элементом дендритной шапочки (Chung et al., 2001). Во-первых, NompA мутанты имеют дезорганизованные дендритные шапочки и обособленные механосенсорные дендриты. Во-вторых, NompA включает крупный, секретируемый домен, который локализуется в шапочке. В-третьих, этот регион содержит zona pellucida домен, который обычно обнаруживается в белках ВКМ. Заслуживает внимания параллель, zona pellucida доменовые белки, наз. tectorins являются главными компонентами текториальной мембрfаы, которая существенна для механической стимуляции волосковых клеток улитки (Killick et al., 1995). Поскоьку прикрепление дендритов нарушено у мутантов NompA , то ясно, что NompA, подобно tectorins, играет ключевую структурную роль в механотрансдукции. Участвует ли он непосредственно в воротном механизме трансдукционного канала, неясно.
Хотя важность ВКМ для развития соматосенсорных нейронов у млекопитающих давно установлена, но возможная роль в сенсорной трансдукции только начинает проясняться. В DRG нейронах взаимодействия между специфическими интегринами и ВКМ способствуют вытягиванию нейритов во время развития и при регенерации, вызванной повреждением (Tomaselli et al., 1993; Andrews et al., 2009). Недавнее исследование выявило молекулярно отличающиеся внеклеточные контакты в тактильных рецепторах млекопитающих (Hu et al., 2010). В DRG нейронах
in vitro, Hu et al. (2010)наблюдали, что чувствительные к прикосновениям нейриты связаны с laminin субстратами посредством 100-nm белковых филамент. Это напоминает пионерское исследование, которое выявило чувствительность к Ca
2+ кончиковых связок волосковых клеток (Assad et al., 1991), был тестирован набор воздействий, чтобы определить те, которые разрушают 100-nm филаменты и устраняют механочувствительность в предполагаемых рецепторах лекких прикосновений. Эти филаменты оказались чувствительны к furin протеазам, но устойчивы к воздействиям, которые нарушали integrins, cadherins и glycosyl phosphatidylinositol-закрепленные белки. Этот уникальный профиль чувствительности показывает, что 100-nm крепления отличаются от интегринов, а также от базирующихся на cadherin кончиковых связках в волосковых клетках. Определение молекулярных характеристик этих соединительных белков и определение их роли в механотрансдукции будет следующей ствпенью.
Sensational epidermal cells
Хотя механические свойства эпидермиса являются ключевыми для передачи силовых воздействий от поверхности кожи к тактильным рецепторам, несколько линий доказательств указывают на то, что эпидермальные клетки играют не только структурную роль. Для C. elegans тактильных рецепторных нейронов структурное прикрепление к кутикуле не нужно для тактильной чувствительности, что демонстрируется чувствительностью к прикосновениям у him-4 мутантов, лишенных полудесмосомных соединений с кутикулой (Vogel and Hedgecock, 2001). Вместо этого эпидермис секретирует важные молекуля ВКМ, которые, как полагают, позиционируют комплексы трансдукционных каналов в сенсорных нейронах (Emtage et al., 2004).
Эпидермальные клетки млекопитающих идеально подходят для участия в передаче соматосенсорных сигналов (Lumpkin and Caterina, 2007). Эпидермис иннервируется сенсорными афферентными волокнами, которые преобразуют пагубные механические стимулы (Zylka et al., 2005; Cavanaugh et al., 2009) с помощью комплексов Merkel клетка-нейриты (Johnson, 2001). Кератиноциты, которые являются принципиальными клетками эпидермиса, Merkel клетки и ламеллы Pacinian телец экспрессируют нейротрансмиттеры, которые обладают потенциалом, чтобы настраивать тактильную чувствительность афферентных волокон (Halata et al., 2003; Lumpkin and Caterina, 2007; Pawson et al., 2009). Хотя кератиноциты и сенсорные афферентные волокна не образуют синапсов, их близость делает возможной быструю паракринную передачу сигналов.
Важно, что эпидермальные клетки млекопитающих экспрессируют сенсорные ионные каналы, участвующие в механотрансдукции, такие как TRPV4 и TRPA1 (Liedtke et al., 2000; Lee and Caterina, 2005; Kwan et al., 2009). Механически вызываемые свойства возбуждения рецепторов легких прикосновений, изменяюobtcz у TRPA1 нокаутных мышей, привели Kwan et al. (2009) к предположению, что TRPA1 влияет на тактильную чувствительность посредством модулирующей роли в кератиноцитах. Эта модель может быть протестирована с помощью ткане-специфических нокаутов.
В 1875, Merkel утверждал, что названные в его честь (eponymous) клетки действуют как тактильные рецепторы и несколько линий доказательств подтвердили это мнение (Merkel, 1875). Клетки Merkel образуют синаптические контакты с сенсорными нейронами, экспрессируют многочисленные пресинаптические белки и являются прирожденно чувствительными к силовым воздействиям in vitro (Haeberle et al., 2004, 2008; Lumpkin and Caterina, 2007; Boulais et al., 2009). Более того, клетки Merkel необходимы для вызываемых прикосновениями SAI реакций (Maricich et al., 2009). У Atoh1 нокаутных мышей клетки Merkel неспособны развиваться, но SAI сенсорные афферентные волокна всё ещё иннервируют свои собственные рецептивные поля. Электрофизиологический анализ этих мышей выявил полную потерю SAI реакций в отсутствие клеток Merkel (Maricich et al., 2009). Как и предполагалось, рецепторы легких прикосновений, которые иннервируют др. концевые органы, обнаруживают нормальную механочувствительность, демонстрируя, что Atoh1 избирательно необходим для тактильных реакций в комплексах Merkel клетка-нейрит. Эффекты постнатальной потери клеток Merkel менее ясны. Некоторые исследования сообщают, что потеря клеток Merkel нарушает SAI реакции (Ikeda et al., 1994; Senok et al., 1996), тогда как др. обнаружили незначительное влияние на реакции с медленной адаптацией (Mearow and Diamond, 1988; Mills and Diamond, 1995; Kinkelin et al., 1999). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить обусловлено ли это расхождение методологическими отличиями. Альтернативно, клетки Merkelмогут быть необходимы для собственно развития, а не для поддержания функциональными SAI афферентные волокна.
Др. ключевой вопрос являются ли синапсы клеток Merkel возбуждающими или они высвобождают нейромодуляторы, которые настраивают чувствительность тактильных рецепторов афферентных волокон. Функциональные исследования, которые блокировали синаптическую передачу, привлели к конфликтующим моделям (Fagan and Cahusac, 2001; Halata et al., 2003; Cahusac et al., 2005; Cahusac and Senok, 2006; Cahusac and Mavulati, 2009). Неожиданно, иммуноокрашивание локализовало некоторые рецепторы нейротрансмиттеров на клетках Merkel скорее, чем на их SAI афферентных окончаниях (Beiras-Fernandez et al., 2004; Cahusac et al., 2005; Tachibana and Nawa, 2005; Tachibana et al., 2005). Эти находки указывают на то, нейротрансмиттеры могут действовать на сами клетки Merkel. Т.о., роль клеток Merkel в тактильной рецепции всё ещё предстоит определить.
What we do and don’t know
Прикосновение является сложным ощущением, охватывающим разные модельности, и мы только начинаем понимать намеки на клеточные принципы.
Во-первых, передача механосенсорных сигналов базируется на специализированных клеточных структурах. Среди видов беспозвоночных и позвоночных пагубные прикосновения преобразуются свободными нервными окончаниями. Напротив, рецепторы легких прикосновений обладают целым рядом морфологически сложных концевых органов. Это в основном базирующиеся на микротрубочках нейроны беспозвоночных. Выяснение роли цитоскелетных белков в тактильной чсувствительности позвоночных ждет дальнейших исследований.
Во-вторых, тканевая механика и несенсорные клетки придают форму реакции на механические стимулы. Недавние исследования предположили, что острота тактильной чувствительности у человека зависит отмеханических свойств кожи, таких как размер кончиков пальцев, жесткость эпидермиса и пространственного расположения гребней дактилоскопических узоров пальцев (Gerling and Thomas, 2008; Peters et al., 2009; Scheibert et al., 2009). Для большинства рецепторов легких прикосновений созданы дополнительные структуры, управляющие настройкой и чувствительностью. Эпидермальные клетки создают структурные крепления, секретируют специализированные компоненты ВКМ и могут влиять на вызываемые прикосновением реакции путем высвобождения нейроактивных компонентов. Отсается открытым вопрос, действительно ли клетки Merkel и кератиноциты преобразуют механические стимулы или они играют модулирующую роль.
В-третьих, возбуждающие ионные каналы являются центральными для тактильной рецепции. Все из механотрансдукционных каналов беспозвоночных, идентифицированные посредством беспристрастного генетического скрининга распадаются на семейства Deg/ENaC и TRP каналов. Понимание механизмов их открывания силовым воздействием нуждается в биофизической информации, такой как высокого разрешения белковые структуры. У позвоночных механосенсорные клетки выявляют картину, показывающую, что молекулярные детали трансдукции отличаются существенно. Интенсивные исследования Deg/ENaC и TRP каналов млекопитающих оказались неспособными продемонстрировать фундаментальную роль этих каналов в механотрансдукции кожи, хотя они модулируют тактильную чувствительность. Сдабые тактильные дефициты у нокаутных мышей могут отражать генетическую избыточность трансдукционных каналов, функциональное перекрывание тактильных рецепторных клеток, которые используют разные механизмы трансдукции или вовлечение новых ионных каналов, таких как семейство piezo. Чтобы сделать развличия между этими возможностями, необходима техника, используемая в учебниках по беспозвоночным, включая селективные маркеры для разных тактильных рецепторов, пригодные походы для записи трансдукционных токов, новаторские поведенческие подходы для тактильной дискриминации и беспристрастный молекулярный скрининг у млекопитающих и рыбок данио (Granato et al., 1996; Ribera and Nusslein-Volhard, 1998; Low et al., 2010).
Сайт создан в системе
uCoz