A posztszinapszis és a PSD (posztszinaptikus denzitás), valamint a szinaptikus plaszticitásban játszott szerepük
A posztszinapszis • szimmetrikus (Gray II): variábilis, nagy vezikulák; ált. gátló • aszimmetrikus (Gray I): PSD; kis, kerek vezikulák; ált. serkentő
A posztszinapszis • szinapszis kialakulás • szinapszis stabilizálás • szinaptikus erősség szabályozása (plaszticitás)
Glu-erg serkentő
serkentő és gátló szinapszisoknál egyaránt!
GABA / Gly-erg gátló
A dendrittüske ~0.5 µm
gomba (mushroom) tüske ~0.1 µm
~0.5 µm
vékony (filamentous) tüske zömök (stubby) tüske
elágazó tüske
PSD
A dendrittüske • PSD: posztszinaptikus denzitás • spine apparatus / tüske készülék: SER ciszternák • aktin citoszkeleton • vezikulák, mitokondrium
A dendrittüske • serkentő szinapszisok – funkció? - dendritfelszín növelése (Cajal) - konnektivitás növelése: ált. 1 axon sok dendrit 1-1 tüskéjére ad szinapszist - kompartmentalizáció: lokális elektromos és Ca2+ szignálok szűrése -> beérkező serkentő jelek integrálása [nyak: nagy elektromos ellenállás, ill. diffúziós bottleneck?] 1-5 NMDAR aktiválás/spine -> ~6000 Ca2+ influx ~1 fL-be = ~10 µM [Ca2+] ; ~ 1 µM [Ca2+]free
- bemenettől függő plaszticitás: pl. fej-nyak arány változása
A szinaptikus plaszticitás long term potentiation 100 Hz
long term depression 1 Hz
A serkentő posztszinapszis felépítése • adhéziós rendszerek • citoszkeleton (aktin), állvány fehérjék • membrán és organellum transzport • receptorok, ioncsatornák szabályozása
• + extracelluláris mátrix (Ras GTPáz)
• + proteolízis
szerepe
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása
• aktivitás-függő: axonális és dendritikus szignálok • ECM szignálok: attraktív / repellens - „unmasking”, proteolízis
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – adhéziós (szignál) komplexek neurexin / neuroligin • Ca-függő transz-szinaptikus adhézió • izoforma és splice-variáns függő szerep a szinaptogenezisben • PDZ kötő domén: PDZ/állvány fehérjékhez való rögzülés, receptor clustering
neuroligin (poszt)
neurexin (pre)
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – adhéziós (szignál) komplexek neurexin / neuroligin
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – adhéziós (szignál) komplexek EphB / ephrin B • Eph (A, B): ephrin receptor; receptor tirozin kinázok • ephrin (A, B) : membrán-kötött ligand; proteolízis is! • kétirányú signaling • EphB2: posztszinapszis; ephrin B: pre/posztszinapszis • PDZ domén fehérjékhez köt • cisz / transz hatás, clustering • NMDAR, AMPAR lokalizáció (extra/intracell. hatás)
Rho, PAK -> aktin
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – adhéziós (szignál) komplexek Ig-szupercsalád • PDZ kötő domén, Ig-like ektodomén • SynCAM (synaptic CAM), NGL2 (netrin G2 ligand) • NCAM (neural CAM): poliszializáció aktivitás-függő – struktúrális változások előkészítése? cadherinek • Ca-függő, homofil kötés • α, β catenin, Rho -> aktin • pre- és posztszinaptikus hatás, receptor clustering
Adhéziós szignálok és a szinaptikus plaszticitás
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – állvány fehérjék
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – állvány fehérjék • multidomén fehérjék, változatos fehérje-fehérje interakció - PDZ domén / PDZ target fehérjék • gyakori multimerizáció • receptorok kihorgonyzása, szállítása
Mei, Weng: Neuregulin 1 in neural development, synaptic plasticity and schizophrenia
MAGUK család
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – állvány fehérjék
ProSAP/Shank: „master scaffolding” platform = PSD
A szinaptikus plaszticitás és az aktin polimerizáció
aktin polimerizáció
aktin depolimerizáció
A szinaptikus plaszticitás és az aktin polimerizáció
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – membrán mikrodomének, organellumok periszinaptikus membrán
szinaptikus membrán recycling endoszóma
endocitotikus zóna
spine apparatus („tüske készülék”)
extraszinaptikus membrán
Golgi
Membrán mikrodomének és a szinaptikus plaszticitás
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – receptorok eloszlása és mozgása • szinaptikus/extraszinaptikus receptor arány aktivitás-függő módon változik
GluR1 (AMPAR) trajektória
• GluR1: extraszinaptikusan nagyobb laterális mobilitás
fixált szinaptikus extraszinaptikus
• a szinaptikus területre belépő receptorok „csapdába esnek” az aktív állapot alatt GluR1 (AMPAR) eloszlás posztszinapszis
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – receptorok eloszlása és mozgása • laterális diffúzió: - Ca2+ és foszforiláció-függő scaffold-interakció - endocitózis (EZ): megakadályozza a tüske elhagyását
A receptorok eloszlása és mozgása és a szinaptikus plaszticitás • receptor recycling: - felszíni / szinaptikus receptorok mennyiségének akár sec alatti szabályozása: főleg AMPAR
A szinaptikus struktúra kialakulása és fenntartása – proteolízis • alapvetően a ubiquitin-proteaszóma (UPS) rendszer szabályoz + extracelluláris proteázok
• pre- és posztszinaptikusan is
A gátló (szimmetrikus) posztszinapszis • CNS: főleg GABAAR és glicinR: hiperpolarizáció • eltérő szerkezet és összetétel, de hasonló funkciók: - adhézió-függő differenciáció: neuroligin2 - neurexin - posztszinaptikus fehérjeváz: gephyrin - aktivitás-függő receptor/vezikula recycling: radixin <-> HAP1
Ábrák
A dendrittüske
A dendrittüske ultrastruktúrája spine apparatus („tüske készülék”)
SER hálózat a dendritben
klatrin-mediált endocitózis
ECM proteolízis és a szinapszis kialakulása
Proteolytic unmasking of ECM-resident signalling functions. a | Unmasking of previously unrecognizable receptor-binding sites may result from conformational changes due to proteolytic cleavage within a domain of an extracellular matrix (ECM) molecule. Different molecular effects resulting from proteolytic cleavage of an ECM protein by matrix metalloproteinase 9 (MMP9) may lead to the exposure of a previously hidden, or ‘cryptic’, binding site for integrin receptors, such as an Arg–Gly–Asp (RGD)-containing binding site for a β1 integrin receptor. Integrin signalling increases the lateral mobility of NMDARs (N-methyl-d-aspartate receptors) through an unknown mechanism. Receptor diffusion between synaptic and extrasynaptic domains might be a mechanism for the regulation of synapse maturation and plasticity119,120. b | Unmasking of a cryptic ECM-resident signal may also result from the proteolytic separation of one or multiple domains from the parent ECM molecule. The neuronal serine protease neurotrypsin is stored in presynaptic terminals and secreted in an inactive form in association with presynaptic action potential (AP) firing. Its activation requires an NMDAR-dependent postsynaptic process. Activated neurotrypsin cleaves agrin and yields a carboxy-terminal 22-kDa fragment (agrin 22), which is essential for the formation of dendritic filopodia96. The domain structure of agrin is illustrated: a transmembrane segment that is present in transmembrane isoforms (shown in grey); cysteine-rich repeats that are similar to follistatin (shown in light blue); laminin epidermal growth factor (EGF)-like domains (shown in dark blue); serine/threonine-rich regions (shown in yellow); sperm protein, enterokinase and agrin domain (shown in orange); EGF-like domains (shown in green); and laminin globular domains (shown in pink). The neurotryps independent α- and β-cleavage sites are indicated together with the C-terminal 90-kDa and 22-kDa fragments (shown by black bars), which result from the cleavage of agrin.
A receptorok eloszlása és mozgása, valamint a szinaptikus plaszticitás Integrating Models for Receptor Trafficking and Diffusion during Synaptic Plasticity Induction of LTP by Ca2+ influx through NMDA receptors leads to activation (lightning bolt) of PKA and CaMKII, which in turn promotes the mobilization of recycling endosomes (RE) into spines, exocytosis from recycling endosomes, and appearance of AMPA receptors at the spine membrane. The number of available slots in the PSD increases through unknown mechanisms, which can be filled by increased levels of extrasynaptic AMPA receptors. Receptor diffusion inside synapses decreases due to stronger scaffold interactions and/or receptor confinement. The EZ may also contribute to LTP by maintaining local recycling of AMPA receptors and preventing their escape from the spine membrane. On the other hand, induction of LTD leads to activation of protein phosphatases (lightning bolt), including PP2B and PP1, triggering clathrin-, dynamin-, and Rab5-dependent endocytosis of AMPA receptors, likely at the spine EZ. Receptor downregulation occurs by trafficking through early (EE) and late endosomes (LE). Loss of synaptic slot positions through unknown mechanisms reduces AMPA receptor capacity and increases the diffusion of synaptic AMPA receptors. EZ, endocytic zone; P-GluR1, phosphorylated GluR1.
