Extraszinaptikus proteinek szerepe a szinaptikus átvitelben Szakdolgozat biológia alapszak, biológus szakirány
készítette:
GYÖRFFY BALÁZS ANDRÁS
témavezető:
DR. KÉKESI ADRIENNA KATALIN, egyetemi docens Élettani és Neurobiológiai Tanszék
EÖTVÖS LORÁND TUDOMÁNYEGYETEM TERMÉSZETTUDOMÁNYI KAR BIOLÓGIAI INTÉZET
Budapest, 2010.
Tartalomjegyzék Rövidítésjegyzék ........................................................................................................................ 3 Bevezetés.................................................................................................................................... 4 1. Sejtadhéziós molekulák.......................................................................................................... 7 1.1. N-CAM típusú fehérjék................................................................................................... 7 1.1.1. Az L1/CHL1 molekulák közvetítette szignalizációs útvonal................................... 8 1.1.2. Az N-CAM fehérje indukálta intracelluláris folyamatok....................................... 11 1.2. Egyéb sejtadhéziós molekulák ...................................................................................... 12 1.2.1. Integrin fehérjék ..................................................................................................... 12 1.2.2. Dystroglycan molekulák ........................................................................................ 13 2. Extraszinaptikus receptorok ................................................................................................. 13 2.1. Az AMPA-receptorok transzlokációja .......................................................................... 15 2.2. A receptorok alegység-összetételében megnyilvánuló különbségek ............................ 17 2.3. A periszinaptius receptorok intracelluláris és a periszinaptikus membránban való transzportja a glicin receptorán bemutatva................................................................... 18 2.4. Kainát receptorok funkciói............................................................................................ 20 3. A szinapszisból kijutó neurotranszmitterek hatása .............................................................. 21 4. Az extracelluláris mátrix elemei .......................................................................................... 24 4.1. A neuronok környezetébe szekretált molekulák ........................................................... 24 4.2. Egyéb proteoglikánok ................................................................................................... 26 Következtetés, modell .............................................................................................................. 28 Összefoglalás............................................................................................................................ 30 Summary .................................................................................................................................. 31 Hivatkozások............................................................................................................................ 32 Köszönetnyilvánítás ................................................................................................................. 34
2
Rövidítésjegyzék Az egyes molekulák hivatalos elnevezései:
ABP: AMPA receptor-binding protein AMPA receptor: α-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4-isoxazole-propionate receptor CHL1: neural cell adhesion molecule L1-like protein CREB: Cyclic AMP-responsive element-binding protein EAAT1: excitatory amino acid transporter 1 ERK: extracellular signal-regulated kinase FAK: focal adhesion kinase FARP2: FERM, RhoGEF and pleckstrin domain-containing protein 2 FGF-receptor: fibroblast growth factor receptor GABA receptor: γ-aminobutyric acid receptor GEF: guanine nucleotide exchange factor GlyR: glycine receptor GRIP: glutamate receptor-interacting protein L1 (L1-CAM): neural cell adhesion molecule L1 MAGUK: membrane-associated guanylate kinase MAPKK/MEK: mitogen-activated protein kinase kinase MGLUR: metabotropic glutamate receptor MHC: myosin heavy chain N-cadherin: neural cadherin N-CAM: neural cell adhesion molecule NMDA receptor: N-methyl-D-aspartate NrCAM: neuronal cell adhesion molecule PAK1: hivatalos név: serine/threonine-protein kinase PAK 1; alternatív elnevezés: p-21 activated kinase 1 PDZ domén: a PSD-95 a DlgA és a zo-1 fehérjék kezdőbetűiből képzett betűszó PI 3-kináz: phosphatidylinositol 3-kinase PICK1: hivatalos név: PRKCA-binding protein; alternatív elnevezés: protein kinase C-alphabinding protein
3
PSD-95: hivatalos név: disks large homolog 4; alternatív elnevezés: postsynaptic density protein 95 Rac1 GTP-áz: Rac1: Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1; GTP: guanosine triphosphate Raf: RAF proto-oncogene serine/threonine-protein kinase RGD: az arginin (R), glicin (G) és az aszparaginsav (D) aminosavak egybetűs kódjai alapján képzett betűszó Rnd1: Rho-related GTP-binding protein Rho6 R-Ras: Ras-related protein SAP102: hivatalos név: disks large homolog 3; alternatív elnevezés: synapse-associated protein 102 Src: proto-oncogene tyrosine-protein kinase Src SynCAM: synaptic cell adhesion molecule TAG-1/axonin-1: hivatalos név: contactin-2; alternatív elnevezések: axonal glycoprotein TAG-1, transient axonal glycoprotein 1 VAV2 GEF: guanine nucleotide exchange factor VAV2
Bevezetés A dolgozat célja az extraszinaptikus helyzetű fehérjék, molekuláris struktúrák jelentőségének, a szinaptikus átvitelben való szerepének a megmutatása, az újabb kutatások fényében. Ezek az eredmények a neuronok molekuláris komponenseinek még pontosabb megismeréséhez és az idegsejtek működésének megértéséhez segíthetnek hozzá. Az intenzív kutatómunka következtében szükséges lehet a neuronok közötti kapcsolatok új modelljének a megalkotása. Különösen nagy hangsúlyt fektettek az utóbbi időben a szinapszisok és a periszinaptikus régiók fehérjekészletének meghatározására. A molekuláris biológián belül nemrégiben megjelent új tudományterület, a proteomika foglalkozik egy vizsgálati objektum fehérjéinek kimutatásával, azok struktúrájának és funkciójának meghatározásával, valamint a köztük lévő kapcsolatok, hálózatok megismerésével. A szakdolgozatban terjedelmi okok miatt nem térhettem ki a plasztikus szinaptikus struktúra létrehozásában részt vevő szinaptikus, extraszinaptikus és intracelluláris komponensek egészére. Ezért néhány, a neuronok élettani folyamatait nagymértékben befolyásoló
extraszinaptikus
protein
(pl.:
sejtadhéziós
molekulák,
extraszinaptikus 4
receptorok) funkciójának, szerepének leírásán keresztül szeretném bemutatni az egymással kapcsolódó idegsejtek hálózatának mai, korszerű modelljét. Ugyanakkor több esetben szükség van még a molekuláris kapcsolatok felderítésére, és a napjainkban is tartó ez irányú kutatások akár a neuronok közti szinapszisokról, és egyéb sejtes kölcsönhatásokról alkotott mai szemléletünket is átalakíthatják a jövőben. A két idegsejt (pre- és posztszinaptikus neuron) között létrejött, jellemző strukturális és funkcionális tulajdonságokkal bíró kapcsolatokat szinapszisoknak nevezzük. Ez a specifikus kölcsönhatás a két résztvevő sejt közötti ingerülettovábbítást, információ-átadást teszi lehetővé. A dolgozat a neuronok közötti kémiai szinapszisokat körülvevő és befolyásoló extraszinaptikus molekuláris komponenseken keresztül megvalósuló folyamatokat tárgyalja, ugyanakkor más típusú szinaptikus kapcsolatok is léteznek. Egy-egy idegsejt szinapszist hozhat létre akár izom-, vagy mirigysejtekkel, míg a kémiai szinapszisoktól lényegesen eltérnek az úgynevezett elektromos és immunszinapszisok. A szinapszisok tulajdonképpen a soksejtű élőlények ideg- illetve immunsejtjei közötti kommunikáció rendkívül speciális csatornái, de rajtuk kívül működnek az idegsejtek között más kommunikációs csatornák is. Az intercelluláris kommunikációnak több fajtája is létezik, amelyek csoportosítása több szempont szerint lehetséges. Megkülönböztethetünk direkt és indirekt kommunikációt. A direkt kapcsolat a két sejt között kialakuló gap junction-ökön keresztül valósul meg. Ebben a struktúrában a sejtek plazmamemránjai rendkívül közel kerülnek egymáshoz az átnyúló connexin fehérjéken keresztül. A keletkező pórusokon a kisebb méretű molekulák és ionok átjutnak, valamint bizonyos izom- és idegsejtek között elektromos
szinapszisként
funkcionálnak
ezek
a
rés-kapcsolódások.
Az
indirekt
kommunikáció mindig valamilyen szignálként szereplő kémiai anyag közvetítésével valósul meg.
A
kémiai
szempontból
rendkívül
változatos
jelmolekulák
kibocsátására
a
legkülönbözőbb sejtek képesek. A szignál terjedése több csatornán keresztül lehetséges. Endokrin jeltovábbítás esetén a hormonoknak nevezett jelmolekulákat mirigy-, vagy idegsejtek bocsátják a véráramba, és ezen a szerteágazó csatornán keresztül a szignál széles körben kifejtheti hatását. A parakrin jelátvitelben a szövetközti tér tölti be a csatorna szerepét, és a kibocsátó sejthez közeli, szomszédos sejtek képesek a jelmolekulákat receptoraikkal felfogni. Ennek a kommunikációs típusnak egy szélsőséges eseteként is értelmezhető az autokrin jeltovábbítás. Ebben az esetben a jeladó sejt funkcionál egyben a jelfogó célsejtként is. Végül az indirekt kommunikációs típusok közé sorolható még a neurokrin jelátvitel, ami a szinapszisokon keresztül valósul meg. A neurokrin kommunikáció során egy jeladó funkcióval bíró idegsejt neurotranszmittereknek nevezett szignálmolekulákat bocsát ki a 5
rendkívül szűk, mindössze 20-40 nm-es szinaptikus résbe. Ezen a csatornán áthaladva a neurotranszmitterek eljutnak a posztszinaptikus sejt felszínéhez, és a plazmamembránon lévő receptorfehérjékhez kötődhetnek. A posztszinaptikus sejtben a receptor-ligandum kapcsolódás intracelluláris változások sorozatát váltja ki. A két kapcsolódó neuron intracelluláris komponenseit, és plazmamembránjaik fehérjeösszetételét tekintve is különbözik. A preszinaptikus neuron szinapszisban résztvevő régiója (amelyet többnyire az idegsejt axonjának végződése képez) intracellulárisan, a sejttest felől anterográd transzporttal érkező szinaptikus vezikulumokat tartalmaz. A vezikulumok a dokkolás során a preszinaptikus végződés membránjához kapcsolódnak különböző fehérjék közvetítésével, majd az ingerület hatására exocitózissal bocsátják ki a szinaptikus résbe tartalmukat.
A
posztszinaptikus
sejtek
a
neurotranszmitterek
megkötésére
képes
membránreceptorokat hordoznak a felszínükön. Intracelluláris helyzetben a membrán fehérjéivel kapcsolatban álló citoszkeletális régió, a posztszinaptikus denzitás található, amely a jelátvitelben játszik szerepet. A szinapszis nem rigid struktúra, változására a különböző receptorfehérjék és sejtadhéziós molekulák mozgása, internalizációja, és sejtfelszíni megjelenése jellemző. Az extraszinaptikus proteinek laterális diffúzióval megvalósuló mozgásukkal befolyásolhatják a szinaptikus hatékonyságot, a szinapszis erősségét. A dolgozatban magával a szinaptikus molekuláris jelátvivő mechanizmussal nem foglalkozom, hanem a szinapszisokba szorosan nem beletartozó, de funkciójukat befolyásoló molekuláris komponensek rendkívül sokrétű szerepének bemutatását végzem el. Ezen elemek közé extraszinaptikus sejtadhéziós proteinek, periszinaptikus receptorok és az extracelluláris mátrix molekulái sorolhatók. Ezenkívül a témához szorosan nem kapcsolódó, a gliasejtek felszínén lokalizált molekulák szinaptikus átvitelre gyakorolt hatásainak megértése is elengedhetetlen a neuronális folyamatok korszerű modelljének megalkotásához. A sejtek közti szinapszisokon keresztül zajló kommunikációban rendkívül nagy befolyásoló tényezőnek bizonyult - az újabb vizsgálatok értelmében – az extraszinaptikus környezet. Az egymásra kölcsönösen ható szinaptikus és extraszinaptikus régió közül ez utóbbi szerepének tárgyalását végzem el.
6
1. Sejtadhéziós molekulák A szinapszisok kialakításában nagy jelentősége van a pre- és posztszinaptikus neuronon elhelyezkedő több különböző sejtadhéziós molekulának. Az adhéziós molekulák rendkívül sok - és egymástól nagymértékben eltérő - tagból álló csoportjának öt nagyobb típusa különíthető el: az immunglobulin szuperfamíliába tartozók, az integrinek, a cadherinek, a szelektinek és a limfocita homing receptorok. A sejtadhéziós molekulákat a partner adhéziós molekulák alapján két csoportra oszthatjuk. Az azonos típusú adhéziós molekulák kapcsolata homofil (például a cadherinek közti kapcsolat), míg az eltérő típusú molekulák közti interakció heterofil típusú (például az integrin és a mátrix egy fehérje molekulája közötti kölcsönhatás során). E molekulák közül a neuronok közötti, és az idegsejt-mátrix kapcsolatok létrehozásában több cadherin (N-cadherin), immunglobulin típusú fehérjék (például: SynCAM, NCAM), valamint integrinek játszanak szerepet.
1.1. N-CAM típusú fehérjék A neuronális sejtadhéziós molekulák (N-CAM proteinek) több sejttípusra is jellemző fehérjék, amelyek jelenlétét a neuronokon és gliasejteken kívül vázizom sejteken és az immunrendszer részét
képező
NK-sejteken
is
kimutatták.
Az idegrendszerben
a
szinaptogenezisben játszanak fontos szerepet, valamint hatással vannak a szinaptikus plaszticitásra, és így a tanulás folyamatára is. Az N-CAM fehérjék az immunglobulin proteincsaládba tartozó molekulák. A csoportba tartozó fehérjék közül az N-CAM, az L1, és a CHL1 sejtadhéziós molekulák a leginkább ismertek. Az L1-CAM fehérjék közé négy különböző, ám szerkezetileg nagyfokú hasonlóságot mutató molekula tartozik: az L1, a CHL1 („close homolog of L1”, tehát az L1 proteinnel homológ fehérje), az NrCAM, és a Neurofascin. Ezekre a proteinekre általánosságban jellemző a kiterjedt extracelluláris domén, valamint a csoport tagjai közt meglévő
konzervatív
intracelluláris
szakasz.
Az
N-CAM
transzmembrán
protein
extracelluláris régiója egy öt immunglobulin-szerű (Ig) doménből, valamint két fibronectin III-as típusú szakaszból álló részletből épül fel. Az L1-CAM csoport tagjai 6 darab Ig-típusú, és 4-5 fibronectin III-as, a sejt felszínén lévő doménnel bírnak (Schmid és Maness, 2008)(1).
7
A központi idegrendszerben jelen lévő CAM fehérjék úgynevezett homofil, és heterofil kapcsolatokon keresztül - tehát, azonos típusú, valamint különböző ligandumokkal létesített kölcsönhatás során - töltik be rendkívül sokrétű funkcióikat. Az összetett extracelluláris domén-struktúrával bíró L1-CAM fehérjék homofil kölcsönhatása nemcsak a sejt-sejt kapcsolódást teszik lehetővé, hanem a neuritek növekedését is indukálhatják. A vizsgálatok szerint az L1-CAM proteinek homofil interakciójához egy bizonyos Ig-2 domén szükséges. Az L1-CAM típusú fehérjék ugyanakkor a sejt környezetének sok egyéb tagjával képesek heterofil kölcsönhatást biztosítani, mint például az N-CAM, TAG-1/axonin-1 ligandumok, valamint különböző proteoglikánok (Zhao és Siu, 1995)(2). A sejtadhéziós fehérjék intracelluláris szakaszai különböző sejten belüli molekuláris változásokat indukálnak. A citoszkeletális komponensekre gyakorolt hatásuk teszi lehetővé a neuronális sejtmigráció folyamatát, az axonok, és dendritek növekedését, fejlődését, és a környező idegsejtekkel való szinaptikus kapcsolatok képzését. Az N-CAM fehérjék intracelluláris
szakasza
spektrin
proteineken
keresztül
áll
kapcsolatban
a
sejt
plazmamembránja alatt elhelyezkedő aktin filamentumok citoszkeletális hálózatával. Az L1típusú adhéziós fehérjék a spektrin-adaptor, ankyrin molekulával valósítják meg mindezt.
1.1.1. Az L1/CHL1 molekulák közvetítette szignalizációs útvonal
Az újabb feltételezések szerint ezek a neuronális sejtadhéziós molekulák koreceptorokként is funkcionálnak bizonyos növekedési faktorok, integrinek és egyéb, az extracelluláris mátrix tagjait képező molekulák számára. Vizsgálták az L1 sejtadhéziós protein β1-integrinnel kialakított kölcsönhatását az idegsejtek migrációjának, és a neuritek növekedésének folyamatában (Schmid és Maness, 2008)(1). Ezen kapcsolat létrejöttében az L1 fehérje RGD-kötő szekvenciája játszik szerepet. Az RGD az arginin, a glicin és az aszparaginsav aminosavak egybetűs kódjaiból származó rövidítés. Az L1-β1 fehérjék közötti kis affinitású kölcsönhatás egy közös intracelluláris jelátviteli folyamatot indít el. Az L1/CHL1 (és N-CAM) által indukált szignáltranszdukciót az 1. ábra mutatja be. Az L1 (CHL1) sejtadhéziós fehérje ligandumának megkötése után a c-Src tirozin kináz, a PI 3kináz, a Vav2 GEF (VAV2 guanin nukleotid kicserélő faktor), a Rac1 GTP-áz, a PAK1 protein (a p21 fehérje aktiválta kináz), majd a MEK (más néven MAPKK), és végül az ERK fehérje aktiválódik. A szignáltranszdukciós folyamat a nukleáris DNS-ről való transzkripciót eredményezi (Schmid és Maness, 2008)(1).
8
1. ábra (Schmid és Maness, 2008)
Az L1 fehérjecsaládba tartozó adhéziós molekulák a spektrinnel asszociált aktin filamentumokkal az úgynevezett ankyrin adaptor fehérjén keresztül állnak kapcsolatban. A spektrin/ankyrin komplex citoszkeletális hálózattal alkotott együttesének sok esetben nélkülözhetetlen
szerepe
van.
A
mielinhüvellyel
burkolt
axonok
feszültségfüggő
ioncsatornáinak vizsgálata során arra mutattak rá, hogy ezen fehérjék lokalizálásában kiemelt funkcióval bír a fent említett molekuláris komplex. A citoszkeletonnal kapcsolatban álló spektrin és ankyrin fehérjék hozzájárulnak a transzmembrán helyzetű ioncsatornák helyének stabilizálásában, a laterális irányú mozgásuk gátlásában, és a membrán integritásának megőrzésében (Susuki és Rasband, 2008)(3). A transzmembrán L1 fehérjék citoszkeletális elemekkel való kapcsolata reverzibilis, és a fent említett molekuláris kaszkád ezt a kölcsönhatást befolyásolni tudja. A szignalizációs útvonal utolsó citoplazmatikus komponense, a szerin/treonin protein kinázok közé tartozó ERK, aktiválódása után képessé válik az L1 fehérje intracelluláris doménjének egy kritikus
9
pontján (az FIGQY motívumon) történő foszforiláció indukálására. Az ERK indirekt módon vesz részt a folyamatban, a foszforilációt közvetlenül katalizáló fehérje még nem ismert. Az L1-CAM protein ezen a területén - egy tirozin oldalláncon – bekövetkező foszforilációja az ankyrin molekulától, és így az aktin filamentumtól való disszociációját eredményezi. A folyamat
a
ligandumkötést
követően,
az
egyes
receptorok
szintjén
megvalósuló
(4)
visszacsatolási mechanizmushoz szükséges (Whittard és mtsai, 2006) . A fentiekben részletezett mechanizmus alapján egyfajta magyarázatot kaphatunk az idegsejtek migrációjakor és a neuritek növekedésekor megfigyelt jelenségekre. Az idegsejtek nyúlványai
ekkor dinamikusan
váltakozva kapcsolódnak
az
extracelluláris
mátrix
komponenseihez, és a szomszédos sejtekhez, vagy megszüntetik kölcsönhatásukat a környező elemekkel. A folyamatban résztvevő sejtadhéziós molekulák (ez esetben az L1-CAM fehérjék), a sejtet körülvevő mátrixban lévő, vagy egy másik neuron felszínén található ligandumuk megkötése után, az intracelluláris doménjükön keresztül aktiválják azt a molekuláris kaszkádot, amely végső soron az L1 fehérje ankyrin molekulától való elszakadásához vezethet. Az L1 fehérje FIGQY motívumon való foszforilációja az aktin filamentumoktól való disszociációt, míg defoszforilációja az újabb kapcsolódást eredményezi. A modell értelmében, az egyelőre még ismeretlen kináz foszforilációs aktivitása, és a ciklikus foszforiláció/defoszforiláció folyamata teszi lehetővé a neuron megfelelő sejtrégiójának a környező neuronokhoz való kapcsolódását, és azoktól való elválását. Az idegsejtek felszínén található sejtadhéziós molekulák közötti kölcsönhatás egyik érdekes példája az L1/CHL1 és a neuropilin-1 molekulák közt létrejövő interakció. A már ismertetett L1-típusú adhéziós proteinek ko-receptorokként szolgálnak egy bizonyos extracellulárisan szekretált fehérje, a semaphorin3A (sema3A) számára, amelynek megkötésére az L1-CAM molekulák közelében elhelyezkedő neuropilin-1 proteinek képesek. A
semaphorin
fehérjék
elsődleges
funkciója,
hogy
megakadályozzák
a
fejlődő
idegrendszerben a növekvő axonok helytelen kapcsolódását a környező sejtekhez, extracelluláris elemekhez. Az L1-CAM fehérje az egyik Ig-doménjén keresztül egy, a plazmamembránban lévő integrin adhéziós molekulával is kapcsolatban áll. A neuropilin-1 szubsztrátjának megkötését követő szignáltranszdukciós változásokat a 2. ábra mutatja be. Az L1-CAM, és közvetve az integrin molekulákkal kapcsolatban lévő neuropilin-1 fehérje egy újabb transzmembrán fehérjével, a citoplazmatikus szignalizációt mediáló plexinA ko-receptorral is kölcsönhatásban van. A neuropilin-1 fehérje rendkívül kis méretű citoplazmatikus régiója nem tartalmaz az intracelluláris szignalizációhoz szükséges motívumot, szerepe inkább a transzmembrán receptorokból álló komplex létrehozásában van. 10
A sema3A ligandum kötése után a GEF-ként funkcionáló FARP2 fehérje aktiválódik a plexinA-n keresztül. A FARP2 molekula ezután a Rac1 proteint aktiválja, amely az Rnd1 fehérje plexinA-hoz való kötődését váltja ki. Ez a folyamat vezet előbb az R-Ras, majd ezen keresztül az integrin fehérje gátlásához. A leírt mechanizmus az adott sejtfelszín eltávolodását váltja ki a környező elemektől, és így a növekvő axon megtapadásának gátlását okozza (Schmid és Maness, 2008)(1), (Goshima és mtsai, 2000)(5).
2. ábra (Schmid és Maness, 2008)
1.1.2. Az N-CAM fehérje indukálta intracelluláris folyamatok
Az N-CAM sejtadhéziós fehérjék hasonló módon vesznek részt a neuronok felszínén megvalósuló adhéziós folyamatokban, mint a rokon L1-CAM típusú fehérjék. Az extracelluláris régióban történő ligandumkötést követően azonban egy kissé eltérő szignalizációs útvonal aktiválódik. A molekuláris kaszkád első tagja ez esetben a tirozin kináz szerepet betöltő Fyn molekula. Ez a fehérje ezután aktiválja az úgynevezett fokális adhéziós kinázt (FAK), amit azután a Ras, a Raf, és a MEK fehérje aktivációja követ. Ezen a ponton az előzőleg már említett L1-CAM jelátviteli útvonallal közös úton folytatódik tovább a kaszkád,
11
és előbb az ERK, majd a transzkripciós faktorként funkcionáló CREB fehérjék aktiválódnak. A FAK fehérjék különböző hatást gyakorolhatnak a sejtre, a neuronokban azonban leginkább a dendritek és axonok növekedését gátolják. A FAK adaptor fehérjék a legkülönbözőbb molekulákkal képesek kölcsönhatásba lépni, többek között növekedési faktorok receptoraival, PI 3-kinázokkal, az Src fehérjével, az Rho GTP-ázok regulátoraival, és citoszkeletális elemekkel. Így fontos megjegyezni, hogy a FAK proteinek aktiválása több, eltérő szignalizációs útvonal eredménye is lehet (Rico és mtsai, 2004)(6). A sejtfelszíni receptorok interakciójában bizonyos esetekben szerepe lehet a lipid raftoknak is. A kutatások során megvizsgálták az N-CAM fehérje három különböző izoformájának, az N-CAM 120-nak, N-CAM 140-nek, és N-CAM 180-nak az előfordulását a membránban, valamint ezek kölcsönhatását az FGF-receptorral. A kutatók azt találták, hogy az N-CAM 140 raftok megszüntetése a FAK, valamint az ERK fehérjék aktivációját gátolja, és megakadályozza a neuritek növekedését. Ehhez hasonlóan, a neurit-növekedés blokkolását okozta egy bizonyos FGF-receptor inhibitor komponens használata. Ezek alapján a lipid raftokban jelenlévő, különböző típusú N-CAM, és FGF-receptorok közötti szoros kapcsolatot feltételezhetünk (Niethammer és mtsai, 2002)(7). A lipid raftok szerepére az NrCAM sejtadhéziós molekulák esetében is rámutattak. A raftok felbontásához használt metil-β-ciklodextrin (MBCD) kezelést követően az NrCAM molekulák F-actin polimerrel való kapcsolatának felbomlását figyelték meg. Az MBCDkezelés hatással volt az NrCAM fehérje ligandum-kötésére is. A lipid raftok roncsolásával lecsökkent az aggregálódó NrCAM proteinek száma, és sokkal kisebb mértékben voltak képesek ligandumuk, az úgynevezett TAG-1 gyöngyök megkötésére (Falk és mtsai, 2004)(8).
1.2. Egyéb sejtadhéziós molekulák
1.2.1. Integrin fehérjék
Az integrinek minden bizonnyal fontos funkcióval rendelkeznek az extracelluláris mátrix és a sejtek közötti kapcsolatok biztosításában. Az integrin fehérjék családjába legalább 21 különböző heterodimer protein tartozik, amelyek egy α-, valamint egy β-alegységből épülnek fel. A kimutatott nyolcféle β-alegység nemkovalens kapcsolat kialakítására képes a 12 féle α-alegység tagjaival. A kilencféle, β1-alegységgel rendelkező integrin fehérje
12
mindegyike megtalálható az idegszövetben. Példaként említhető az α8β1 szerkezettel jellemezhető fehérje, amely jelenlétét kimutatták a növekvő axonokon, és feltételezik az axonok és az extracelluláris mátrix közötti kapcsolat kialakításában való szerepét (Venstrom és Reichardt, 1993)(9).
1.2.2. Dystroglycan molekulák
A dystroglycan fehérjék izomrostokban betöltött szerepe jól ismert, ugyanakkor más szövetekben, és így az idegszövetben is kimutatták expressziójukat. Komplexet képeznek az izomrostokban
intracellulárisan
elhelyezkedő
dystrophin
fehérjével,
valamint
az
extracelluláris mátrix komponenseivel (a fehérje laminin receptorként funkcionál). Amennyiben a dystroglycan fehérjén keresztül megvalósuló kapcsolat nem jön létre, úgy izomdisztrófia, és az izomszövet nekrózisa következhet be. A fehérjének rendkívül fontos szerepe lehet a központi idegrendszerben is, mivel a Duchenne-féle izomdisztrófiában szenvedő páciensek egy részénél mentális betegségek is megjelentek (Venstrom és Reichardt, 1993)(9).
2. Extraszinaptikus receptorok A
szinapszisban
résztvevő
sejtek
plazmamembránján
elhelyezkedő,
neurotranszmittereket érzékelő receptorok a legnagyobb sűrűségben a szinaptikus rést kialakító felszíneken helyezkednek el. Helyzetük nem állandó, a szinaptikus és extraszinaptikus régiók közötti folyamatos mozgásuk mutatható ki. A szinapszis területén lokalizált receptorok speciális állványzat fehérjék segítségével, a posztszinaptikus denzitáson (PSD) keresztül kapcsolódnak az intracelluláris sejtvázhoz, és ezek az elemek mintegy „kihorgonyozzák” a receptorokat a megfelelő pozícióban. A PSD komponensei a szinapszisok plaszticitását eredményezve csak átmenetileg kötik a sejt felszínére kerülő fehérjéket. Ez a dinamikusan változó struktúra modulálja a kibocsátott neurotranszmitterek megkötésére képes receptorok számát, sűrűségét, elhelyezkedését. A jelenséget leginkább az NMDA, AMPA, GABA és a glicin receptorait vizsgálva figyelték meg, de minden bizonnyal ezek a folyamatok több más szinaptikus receptor esetén megvalósulnak. Az egyes receptorok eltérő mértékben képesek a posztszinaptikus struktúrákhoz való stabil kötődésre, így például az
13
NMDA-receptorok kisebb, míg az AMPA-receptorok intenzívebb mozgást mutatnak a szinaptikus és periszinaptikus régiók között (Sheng, 2001)(10). A receptorok a transzlokáció során a szintézisük intracelluláris helyéről exocitózissal a periszinaptikus plazmamembránba épülnek be, így extracelluláris doménjük képes a környezetben megtalálható specifikus ligandumok megkötésére. Megfelelő intracelluláris hatások következtében a receptorok laterális irányban mozogva a membránban a szinaptikus rés területére juthatnak. Ezzel lehetővé válik a szinaptikus vezikulumokból felszabaduló neurotranszmitterek hatékonyabb megkötése. Bizonyos esetekben megfigyelhető a szintetizált receptorok közvetlen transzlokációja a szinaptikus rés régiójába, az extraszinaptikus területeken való megjelenés nélkül is. A receptorok eltávolítása klatrin-mediált endocitózissal történik, majd bekövetkezhet a fehérjék intracelluláris degradációja (Lévi és Triller, 2006)(11). A receptorok transzlokációját a sematikus 3. ábra mutatja.
3. ábra (Lévi és Triller, 2006), 1: a receptor intracelluláris transzportja a szintézis helyéről; 2: a receptor megjelenése a szinaptikus résben; 3: a receptor kihelyezése a periszinaptikus területre; 4: laterális mozgás a periszinaptikus régióban; 5: a receptor endocitózisa; 6: a receptor lebontása; scaffold=állványzat fehérjék csoportja
14
2.1. Az AMPA-receptorok transzlokációja Az extraszinaptikus receptorok felismerése elektrofiziológiai módszerekkel végzett vizsgálatok eredménye volt. A későbbiekben a fagyasztva törés és immuncitokémiai eljárások használatával lehetővé vált az idegsejtek plazmamembránján elhelyezkedő receptorok számának és lokalizációjának pontos detektálása. Egy vizsgálat során ezen technikák kombinálásával sikerült megbecsülni a kísérleti állat (fiatal patkány) kisagyából származó posztszinaptikus helyzetű Purkinje-sejtek membránján lokalizált AMPA receptorok számát. Az AMPA-receptorok a glutaminsav neurotranszmitter megkötésére képes ionotróp transzmembrán receptor molekulák. A vizsgálat során megfigyelt Purkinje-sejtek csak egyféle serkentő bemenetet kaptak a preszinaptikus sejtektől. A mérések által a szinaptikus rés területén lévő AMPA receptorok száma 910 ± 36 receptor/µm2-nek, míg az extraszinaptikus régiókban a jóval alacsonyabb 19 ± 2 receptor/µm2 értéknek adódott. A receptorok sűrűsége között tehát szignifikáns különbség volt kimutatható. Ennek ellenére a neuronok extraszinaptikus plazmamembránja jóval nagyobb receptor készlettel bír, mint a szinapszisokban szereplő területek, mivel az extraszinaptikus membrán teszi ki a sejtet határoló teljes felület 98 %-át (Tanaka és mtsai, 2005)(12). Kutatók vizsgálták a serkentő szinapszisokra jellemző plaszticitásért nagymértékben felelős AMPA-receptorok lateralis mozgásakor egyéb fehérjékkel létrejövő kölcsönhatásait. A hippocampalis neuronokon végzett megfigyelések során kimutatták, hogy a periszinaptikus AMPA-receptorok szinaptikus régióba jutása során kölcsönhatás alakul ki a receptorhoz asszociált stargazin fehérje, és a PSD-95 fehérje első két PDZ doménje között. A vizsgálatok alkalmával ezen komponensek mennyiségének változtatásával több esetet is modelleztek. Amennyiben a neuron posztszinaptikus régiójában megnövelték a PSD-95 fehérjék koncentrációját, úgy az AMPA-receptorok nagyobb mértékű toborzását figyelték meg a szinapszis területén. Ezzel szemben változatlan PSD-95 fehérjekészlet, és a stargazin fehérje koncentrációjának növelése esetén a kontrollnál jóval több extraszinaptikus AMPA-receptor jelent meg. Ekkor a receptorok szinapszisban való kihorgonyzása az intracelluláris molekuláris körülmények változása miatt nem valósulhatott meg. Az AMPA-receptorok toborzásában, a szinapszisban való lokalizálásában több, még nem teljesen ismert fehérjefehérje kölcsönhatás is szerepet játszik. Minden bizonnyal egyéb, a MAGUK fehérjék (membrane-associated guanylate kinase) közé tartozó molekula is szükséges a kapcsolat 15
kialakításához. Ezek közé tartozik például a SAP 102 protein is, amely funkcióját tekintve a PSD-95 fehérjéhez hasonló. Ehhez hasonlóan kimutathatóak AMPA-receptorok a plazmamembránban stargazint nem tartalmazó neuronokban, ami a hiányzó fehérjével azonos szerepű egyéb molekulák jelenlétét feltételezi. Az AMPA-receptorok szállításában résztvevő molekuláris mechanizmusok még ismeretlen folyamatairól több lehetséges modell is létezik. Egyesek a PSD-95 és a stargazin komplexének szerepét a receptorok extraszinaptikus területekről a szinapszisokba történő szállításában látják. Úgy vélik, hogy a periszinaptikus régiókból a posztszinaptikus membrán területére érkező receptorok disszociálnak a PSD-95/stargazin komplextől, és újabb fehérjékhez kötődnek, így megtartva posztszinaptikus lokalizáltságukat. Az újonnan létrejövő kapcsolatokban AMPA-receptorok kötésére képes GRIP, ABP, vagy PICK1 fehérjék szerepelhetnek. Ezt a modellt alátámasztják azok a megfigyelések, amelyek szerint az AMPAreceptorok GluR1 és GluR2 alegységeinek PDZ-kötő doménnel nem rendelkező változatai a szinapszisba szállítódnak ugyan, de tartósan nem képesek ott maradni, mivel a posztszinaptikus denzitás egyéb fehérjéihez nem képesek kötődni. Fluoreszcensen jelölt stargazin fehérjék vizsgálatakor viszont azt tapasztalták, hogy a szinapszisba jutó AMPAreceptorokkal való kölcsönhatásuk nem szűnik meg. A szállítás, és „kihorgonyzás” pontos mechanizmusa tehát még nem ismert (Schnell és mtsai, 2002)(13). A kutatások kimutatták, hogy a theta, vagy nagy frekvenciájú ingerléssel való stimulálás az AMPA receptorok átmeneti megjelenéséhez vezet a periszinaptikus régióban. Alacsony frekvenciájú ingerléssel, stimulálással elérhető a plazmamembránon lokalizált AMPA receptorok mobilizálása. Ez a jelenség annak a következménye, hogy a szinaptikus résben lokalizált receptorok a posztszinaptikus denzitással való kapcsolatuk következtében stabilabban helyezkednek el a sejt membránján, mint a periszinaptikus helyzetben lévő fehérjék, amelyek így transzlokációra képesek bizonyos intracelluláris változások eredményeként. Nagy jelentősége van a neuronokat körülvevő sejteknek is a szinaptikus átvitelben. A periszinaptikusan elhelyezkedő AMPA receptorok szignifikánsan kisebb mennyiségben képesek ligandumukat, a preszinaptikus sejt által kibocsátott glutaminsavat megkötni a szinapszist körülvevő gliasejtek jelenléte miatt. Abban az esetben viszont, ha a gliasejtek glutaminsav-transzporter fehérjéjét (Glutamate Aspartate Transporter, GLAST vagy Excitatory Amino Acid Transporter 1, EAAT1) gátolják, akkor a szinapszis területéről kijutó glutaminsav megkötése már lehetségessé válik (Yang és mtsai, 2008)(14).
16
2.2. A receptorok alegység-összetételében megnyilvánuló különbségek Néhány receptor esetében a kutatók különbségeket írtak le a receptorok szerkezetében. Patkány hippocampusából származó neuronok vizsgálata során eltéréséket találtak az extraszinaptikus és szinaptikus helyzetű NMDA receptorok alegységeinek szerkezetében. Az NMDA-receptorok rendkívül intenzíven kutatott ionotróp, glutaminsav neurotranszmitter megkötésére képes receptor fehérjék. A vizsgálatok során azt tapasztalták, hogy amíg az NR2A alegység megtalálható mindkét régió receptoraiban, addig az NR2B alegység csak extraszinaptikusan mutatható ki. Feltevések szerint a szinaptogenezis során – többek között – az NMDA receptorok gyors átalakulása is bekövetkezik (Tovar és Westbrook, 1999)(15). A kisagy szemcsesejteket tartalmazó rétegében a GABAA receptorok vizsgálata során szintén eltéréseket találtak a neuron plazmamembránjának különböző régióiban elhelyezkedő fehérjék alegység szerkezetében. A GABA receptorok a központi idegrendszer legfontosabb gátló neurotranszmitterének, a gamma-aminovajsavnak a megkötésére képesek. Két típusuk különíthető el: a ligandfüggő ioncsatornaként funkcionáló GABAA receptor, valamint a metabotróp, G-fehérjével kapcsolt GABAB receptorok. A GABAA receptorok öt alegységből épülnek fel, és ezen alegységeknek több izoformája is kimutatható. A fehérjében jelen lévő alegységtípusok jelentősen befolyásolják többek között a receptorok ligandumkötési affinitását, a csatorna nyitási valószínűségét. A vizsgálat során a felnőtt patkány kisagyi szemcsesejtjeinek felszínén lévő GABAA receptorok α1, α6, β2, β3, γ2 és δ alegységeit mutatták ki. Ezek a fehérje alegységek 4-6 különböző típusú GABAA receptor megjelenését tették lehetővé. Ezen szemcsesejtek a GABAerg szinaptikus kapcsolataikat kizárólag Golgisejtekkel valósítják meg. Az elvégzett immunarany-jelöléses lokalizálás során azt találták, hogy az α1, α6, β2, β3 és γ2 alegységek a szinaptikus és extraszinaptikus régiókban egyaránt jelen vannak, bár az extraszinaptikus területeken kisebb koncentrációban. Szintén ezzel a technikával mutatták ki azt is, hogy a δ-alegységek csak az extraszinaptikus receptorok felépítésében vesznek részt. A kísérletek tanúsága szerint a különböző alegység szerkezettel rendelkező, szinaptikus és extraszinaptikus helyzetű receptorokon keresztül a szemcsesejt eltérő típusú gátlása valósul meg. A δ-alegységgel rendelkező GABAA receptorok nagyobb affinitást mutatnak ligandumaikkal, a GABA neurotranszmitterekkel szemben. Ezen kívül képesek a neurotranszmitter tartós jelenléte esetén is aktiválódni, szemben a szinaptikus típusú GABAA receptorral. Ezzel lehetőség nyílik a posztszinaptikus neuron tartós, tonikus gátlására. A fázikus inhibíció a kutatások eredményei alapján a szinaptikus GABAA
17
receptorok közvetítésével valósul meg (Nusser és mtsai, 1998)(16). Mindezek alapján látható, hogy a szinaptikus résből a sejtek közötti extracelluláris térbe jutó GABA neurotranszmitterek megkötésére
specifikus
receptorok
szolgálnak,
amelyek
kinetikai
paramétereikben
szignifikánsan eltérnek a szinapszisban lévő típusoktól, és így eltérő befolyást gyakorolnak a posztszinaptikus sejtre.
2.3. A periszinaptius receptorok intracelluláris és a periszinaptikus membránban való transzportja a glicin receptorán bemutatva A receptorok periszinaptikus és szinaptikus területek közötti lateralis mozgásán kívül jelentős intracelluláris transzport is létezik. A membránon lévő receptorok internalizációja endocitózissal megy végbe. Ez a folyamat nem mutatható ki a posztszinaptikus denzitás régiójában (tehát a szinaptikus junkció területén), hanem ezt a szinaptikus receptorfehérjék perifériás irányba, az extraszinaptikus területek felé tartó mozgása előzi meg. Miután egy-egy fehérje bejutott
a sejtbe,
a körülményektől
függően
a lizoszómák
segítségével
degradálódhatnak, vagy ismét felhasználódhatnak, újból kijutva a plazmamembrán egy meghatározott pontjára. A vizsgálatok alanyául a glicin receptort (GlyR) kiválasztva, a kutatók leírták a posztszinaptikus sejtben zajló receptorfehérje-szintézis folyamatát. A GlyR-ok a központi idegrendszer gátló szinapszisaiban jelen lévő, a glicin neurotranszmittert kötő fehérjék. Általánosságban
elmondható,
hogy
a
létrejövő
neurotranszmitter-receptorok
plazmamembránon való elhelyezkedését a szintetizáló rendszer subcelluláris lokalizációja nagymértékben befolyásolja – bár a későbbiekben lehetőség van a receptor lateralis irányú transzlokálására a membránban. A vizsgálatok során a patkány gerincvelőjének mellső szarvában lévő neuronokban immuncitokémiai módszerekkel, fény- és elektronmikroszkópos technikát is felhasználva figyelték meg a posztszinaptikus sejtek fehérjeszintézisének folyamatát. A kutatók a GlyR α alegységét kódoló mRNS nukleinsavat mutatták ki az idegsejt dendritikus régiójában, és a posztszinaptikus területeken. Az mRNS molekulák sejten belüli lokalizációja szerepet játszik a transzlálódó fehérjék megjelenési helyének determinálásában. Az idegsejtek bizonyos, proximális helyzetű dendritjeiben mRNS nukleinsavmolekulák, valamint intracelluláris membránrendszerek (endoplazmatikus retikulum, Golgi-ciszternák), és riboszómák jelenlétét mutatták ki (Gardiol és mtsai, 1999)(17).
18
A legkorábbi vizsgálatok során a lokális fehérjeszintetizáló folyamatok bizonyítékául a
neuronok
dendritjében
megfigyelt
poliriboszómák
szolgáltak.
A
morfológiai
megfigyeléseken kívül később biokémiai módszerekkel is igazolták a szintetizáló rendszer jelenlétét a neuronok dendritjeiben, valamint kimutatták a fehérjék glikozilációjához szükséges enzimeket is ezen régiókban. Mindezek alapján azt feltételezik, hogy a neuronok sejttestjén kívül a dendritekben is képződnek transzmembrán proteinek, neurotranszmitterreceptorok. Azon riboszómák és iniciációs faktorok, amelyek nem állnak kapcsolatban a neuron ciszternáival minden bizonnyal a periszinaptikus proteinek keletkezésében játszanak szerepet, mivel a proteineket kódoló mRNS-eket ezekben a régiókban mutatták ki (Gardiol és mtsai, 1999)(17). A kutatások során megvizsgálták a patkány gerincvelőjéből származó neuronok dendritjeinek plazmamembránjában elhelyezkedő transzmembrán GlyR fehérjék diffúziós mozgását. A mérések során a fehérjék sebessége a membránban 1-2 µm/min értékű volt. Ezenkívül meghatározták az extraszinaptikus receptorok diffúziós koefficiensét is, amely 0,029 ± 0,005 µm2/sec-nak adódott. Ezen proteinek esetében a véletlenszerű Brownmozgások jelenlétét is ki tudták mutatni (Lévi és Triller, 2006)(11). Ez a szüntelenül folyó mozgás a közeg hőmérsékletének növelésével intenzívebbé válik. A membránt alkotó lipidmolekulák rotációs vagy „flip-flop” mozgása, valamint laterális irányú diffúziója mind befolyásolja a közeg állapotát és így a fehérjék Brown-mozgását. A gyors Brown-mozgásokat a glicinreceptorokon kívül több más receptorfehérje vizsgálata során is kimutatták, mint például a metabotróp glutaminsav-, NMDA-, és AMPA-receptorok esetében. A megfigyelések során a glicin receptorainak mozgása lelassult, majd (bizonyos időre) megszűnt, amikor a fluoreszcensen megjelölt gephyrin fehérjékkel kerültek kapcsolatba. A gephyrin a gátló szinapszisban résztvevő posztszinaptikus neuron szinapszishoz közeli régiójában mutatható ki, és a glicin- és GABA receptoraival van kölcsönhatásban. A fehérjék mozgását egyéb intracelluláris állványzat fehérjék, a citoszkeleton komponensei, és a plazmamembránban lévő transzmembrán proteinek is akadályozhatják. A glicin- és GABAreceptorok gephyrin fehérjével kialakított kölcsönhatásán kívül a metabotróp glutaminsav receptorok homer proteinnel, és az AMPA-receptorok PSD-95 fehérjével kialakított kapcsolatát mutatták ki. Ezen tényezők hatására a fehérjék váltakozva, hol gyors Brownmozgással, máskor pedig lassabban, gátat jelentő molekulákkal övezve haladnak a membránban (Lévi és Triller, 2006)(11).
19
2.4. Kainát receptorok funkciói A kainát receptorok a glutaminsav neurotranszmitterekre érzékeny ionotróp receptorok. Ezek a fehérjék az NMDA- és az AMPA-receptorok mellett az ionotróp glutaminsav
receptorok
harmadik
csoportját
képezik.
A
posztszinaptikus
sejt
plazmamembránján lokalizált receptorok a serkentő szinaptikus átvitelben játszanak szerepet, míg a preszinaptikus neuron felszínén lévő proteinek a gátló szinapszisokban zajló GABA neurotranszmitter-kibocsátást szabályozzák. A tetramer kainát receptorok öt különböző fehérje alegység, a GluR5, GluR6, GluR7, KA1 és KA2 közül felhasznált négy komponens megfelelő elrendezésben kialakított együtteséből épülnek fel (Eder és mtsai, 2003)(18). A kainát receptorok alegység-összetétele sejtenként eltérő jellemzőket mutat. A receptor fehérjék jelenlétét a legkorábbi kutatások során különböző hippocampalis sejtpopulációkon figyelték meg. A CA3 piramidális sejtek esetében azt találták, hogy a receptorokat a GluR6 alegységek építik fel, és ez befolyással van a receptor kötési affinitására. Az ettől eltérő alegység-szerkezettel rendelkező, a CA1 areából származó piramidális neuronok például a CA3-as típusú hippocampus sejteken lokalizált receptorokénál kisebb szenzitivitást mutatnak a ligandumuk irányában (Bureau és mtsai, 1999)(19). A posztszinaptikusan elhelyezkedő kainát receptorok, az újabb kutatások szerint részt vesznek a serkentő posztszinaptikus áram létrehozásában. A vizsgálatok során a kutatók azt tapasztalták, hogy a kainát receptorok aktiválásához a preszinaptikus sejt felől érkező ismétlődő szinaptikus ingerlés szükséges. Ezen kívül azt a megfigyelést tették, hogy a kainát receptorokon keresztül kialakuló serkentő posztszinaptikus áram más receptorokhoz viszonyítva kisebb amplitúdóval bír. Ezek az eredmények vetették fel annak a gondolatát, hogy a kainát receptorok esetlegesen az extraszinaptikus régiókban helyezkednek el, és a szinaptikus résből kijutó glutaminsav neurotranszmitterek megkötésére képesek. Egy kutatás során patkányok neokortikális 5. rétegbeli piramidális neuronjainak szomatodendritikus sejtfelszínén vizsgálták a kainát receptorok jellemzőit és eloszlását a membránon. A receptorok jelenlétét kimutatták mind a neuron sejttestén (soma), mind a dendrit nyúlványokon, és az eltérő elhelyezkedésű kainát receptorok tulajdonságaiban, funkciójukban nem találtak különbségeket. A disztálisan elhelyezkedő dendriteken a receptorokat nagyobb számban mutatták ki. Érdekes eredményként szolgált, hogy ezeken a területeken a szintén glutaminsav megkötésére képes AMPA-receptorok ugyancsak nagy mennyiségben fordultak elő (Eder és mtsai, 2003)(18).
20
A vizsgálatok során kimutatták, hogy az AMPA- és kainát receptorok közel azonos glutaminsav affinitással bírnak. A posztszinaptikus sejtet ért stimulus által kiváltott molekuláris változások pontosabb megértéséhez egy AMPA-receptorokat szelektíven gátló kémiai vegyületet (a GYKI 53655 kóddal ellátott anyagot) használtak fel. A neuronhoz ekkor hozzáadott glutaminsav neurotranszmitter képes volt a szinaptikus és extraszinaptikus régiókban lokalizált receptorokhoz egyaránt kötődni, és a stimulusra adott válasz alapján a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a kainát receptorok legnagyobb mennyiségben az extraszinaptikus területeken helyezkednek el (Eder és mtsai, 2003)(18). Az extraszinaptikus kainát receptorok neuronok közötti kommunikációban betöltött funkciójának egyre pontosabb leírásán, megértésén kívül fontos lehet még az ideg- és gliasejtek közti kapcsolatban játszott szerepük feltárása is. A gliasejtek közé tartozó corticalis és hippocampalis asztrociták képesek az intracelluláris Ca2+-koncentrációtól függő glutaminsav kibocsátásra. Az asztrocitákban a Ca2+ mennyiségének oszcillációja által kiváltott neurotranszmitter-exocitózis pedig hatással van a környező gliasejtekre, valamint a neuronokra is. Ebben az esetben nagy szerepe lehet az idegsejtek felszínén lokalizált extraszinaptikus glutaminsav-receptoroknak, és így többek közt a kainát receptoroknak is (Liu és mtsai, 2004)(20).
3. A szinapszisból kijutó neurotranszmitterek hatása A gyors serkentő szinapszisok bizonyos feltevések szerint „zárt” kommunikációt tesznek lehetővé a pre- és posztszinaptikus neuronok között. A kutatások alapján viszont az a modell tűnik helyesnek, amely szerint a preszinaptikus idegsejtből exocitózissal felszabaduló glutaminsav neurotranszmitter diffúzióval kijuthat a szinaptikus résből, és extraszinaptikus receptorokhoz kötődhet – akár egy szomszédos neuronon is. Ezt bizonyítja például az, hogy kimutathatóak metabotróp glutaminsav receptorok (mGluR1) a posztszinaptikus denzitástól, a szinaptikus réstől távolabb, tehát periszinaptikus helyzetben, valamint a preszinaptikus sejt plazmamembránján, a neurotranszmitterek exocitózisának helyéhez képest perifériásan (mGluR2) is. Mindkét receptorfehérje megtalálható a gliasejteken is. A preszinaptikus sejt axonterminális régiójának membránján lokalizált mGluR2 típusú protein gátló hatást fejt ki a neuron további glutaminsav kibocsátására. Ezt igazolja, hogy a receptorra szelektív antagonista képes megakadályozni ezen funkciójának betöltését. A jelenségből, a neurotranszmitter kibocsátás ezen az úton való szabályozásából következik, hogy a 21
glutaminsav diffúziója lehetséges a szinaptikus kommunikáció során. A metabotróp glutaminsav receptorokról szólva meg kell említeni, hogy szemben a gyors serkentő szinaptikus átvitelben szerepet játszó ionotróp glutaminsav receptorokkal, az mGluR fehérjék csoportjának tagjai leginkább moduláló funkcióval bírnak (Flor és mtsai, 2002)(21), (Rusakov és Kullmann, 1998)(22). A glia- és idegsejteken elhelyezkedő mGluR fehérjéket a 3. ábra mutatja be.
4. ábra (Flor és mtsai, 2002)
Mivel a glutaminsav kibocsátást követő diffúzió jelentős hatással van a szinaptikus transzmisszióra, és befolyásolja a környező sejteket is, ezért fontos megismerni ezt a jelenséget. A folyamat megfelelő modellezéséhez tisztában kell lenni az extracelluláris tér geometriai viszonyaival, a környező gliasejtek és neuronok nyúlványainak helyzetével, és természetesen a neurotranszmitter diffúziójának jellemzőivel, és a sejtfelszíni receptorokkal, transzporter fehérjékkel való interakcióinak tulajdonságaival. Az exocitózis helyétől távol elhelyezkedő glutaminsav transzporter fehérjék jelentősen befolyásolhatják a neurotranszmitter extraszinaptikus régiók felé történő terjedését. Ez a hatás a vizsgálatok során leginkább alacsony glutaminsav koncentrációnál volt érzékelhető. Abban az esetben, amikor a kibocsátott neurotranszmitter koncentrációja elegendően nagy volt ahhoz, hogy aktiválja a posztszinaptikus sejt AMPA és NMDA receptorait, a glutaminsav molekulák gyors „eltűnése” volt tapasztalható, a szabad receptorok nagy sebességgel való telítődése következtében.
22
A kutatások eredményei alapján szimulálhatóvá vált az exocitózissal kibocsátott egyetlen vezikula hatása az extraszinaptikus receptorokra. A modellben az extracelluláris mátrix tulajdonságait, és a neurotranszmitterre vonatkozó diffúziós koefficiens értékét is figyelembe vették. Egyetlen vezikula átmérőjét kb. 40 nm-nek tekintették, amelyből kb. 5000 glutaminsav molekula szabadulhat fel a szinaptikus résben. Ezen paraméterek alapján egyetlen vezikulában a neurotranszmitterek koncentrációja hozzávetőlegesen 250 mM, amely alatta van a hipotetikus maximum (kb. 320 mM) értékének. Az egyetlen vezikulából felszabaduló glutaminsav mennyiség elegendőnek bizonyult ahhoz, hogy megnyissa a szinaptikus rés központjától 200 nm-nél nem távolabbi, periszinaptikusan lokalizált NMDA receptorokat. Ebből az eredményből arra következtethetünk, hogy az NMDA receptorokkal megegyező glutaminsav affinitású, extraszinaptikus mGluR1 transzporter fehérjék is aktiválódnak egyetlen vezikula exocitózisa által. A nagyobb távolságban, szomszédos sejteken elhelyezkedő nagy affinitású receptorok ligandumkötése már nagymértékben függ a diffúziós koefficienstől (D). Amennyiben a glutaminsav neurotranszmittert a közegben D ≤ 0,1 µm2/msec érték jellemezte, abban az esetben a szinapszishoz legközelebb elhelyezkedő, szomszédos sejteken lokalizált NMDA receptorok jelentős hányada aktiválódott a ligandum hatására. Ebből az eredményből arra a következtetésre juthatunk, hogy egy neuronok között jelenlévő, átlagosnak tekinthető szinapszisból felszabaduló glutaminsav képes arra, hogy az extracelluláris mátrixon áthaladva megnyissa a szomszédos sejtek NMDA receptorait. Az AMPA receptorok esetében viszont – kisebb kötési affinitásuk következtében – sokkal kevésbé tapasztalták a csatornák megnyílását a ligandumaik felszabadulása után. A vizsgálatok tanúsága szerint az extraszinaptikus glutaminsav receptorok által ezen a diffúziós úton megvalósuló interszinaptikus „kommunikáció” 0,3 µm2/msec érték feletti diffúziós koefficiens esetén már nem jelentős. Ennek ellenére egymáshoz közelebb elhelyezkedő szinapszisok vizsgálatakor nagyobb diffúziós együttható mellett is számottevő a szomszédos sejten lévő receptorok aktivációja. Vizsgálták az egyetlen vezikulából felszabaduló neurotranszmitterek hatását más szinaptikus és extraszinaptikus helyzetű receptorokra is. Azonban a preszinaptikus helyzetű mGluR2, valamint a GABAerg szinapszisok posztszinaptikus membránján lokalizált kainát típusú fehérjék aktivációjának kutatásakor akadályt jelentett a receptorok és a neurotranszmitter kibocsátás helye közötti távolság nem elég pontos ismerete (Rusakov és Kullmann, 1998)(22). Fontos még megemlíteni, hogy a szinapszist kialakító sejtrégiók (mint például a dendrittüske) időben változó helyzete és struktúrája is befolyással bír a neurotranszmitterek
23
kijutására, diffúziójára és így az interszinaptikus kommunikációra, a szinaptikus hatékonyságra.
4. Az extracelluláris mátrix elemei Az extracelluláris mátrix fehérjéi rendkívül sokrétű funkcióval bíró komponensei az élő szervezetnek, így fontos szerepet töltenek be a központi idegrendszerben is. Ezek a molekulák befolyásolják az egyes neuronok, valamint az egymással kapcsolatban álló sejtek fejlődését, növekedését, differenciálódását. Az egyedfejlődés alatt szerepük van az idegsejtek axonjainak növekedési folyamataiban, a neuronális migrációban, a szinapszisok képzésében, valamint bizonyos régiókban a sérüléseket követő regenerációt is befolyásolják.
4.1. A neuronok környezetébe szekretált molekulák Az agrin proteoglikánok fontos funkciót töltenek be a szinaptogenezisben. Az egyedfejlődés során (illetve denervációt követően) a motoneuronok által kibocsátott agrin molekulák a neuromuszkuláris junkcióba jutnak, majd az acetilkolin receptorok aggregációját hozzák létre az izomrost felszínén. A molekulák expresszálását a központi idegrendszer több neuron típusában is kimutatták, és minden bizonnyal esszenciális szerepet töltenek be az idegsejtek közti szinaptogenezisben is. A laminin fehérjék az ontogenezis során a neuronok axonjainak növekedését segítik. Az idegsejtek felszínén jelenlévő β1-típusú integrinek sejtadhéziós molekulák, amelyek képesek az extracelluláris mátrixban található lamininokhoz kötődni a neuritek fejlődése, növekedése során. A β1-alegységgel több különböző α-alegység (α1, α2, α3, α6, α7) is létrehozhat a lamininokat ligandumukként felismerni képes integrineket. Ezen kívül egyéb molekulák is funkcionálhatnak laminin-receptorként, mint például a dystroglycan, a laktózkötő lektin, és egyéb proteoglikánok. A fibronectin extracelluláris glikoproteinek a neuronális migrációban és a neuritek növekedésében játszanak szerepet az egyedfejlődés, valamint a regeneráció során. A mátrixban lévő dimer struktúrájú fibronectin molekulák a sejtek felszínén lévő integrin fehérjékhez képesek kötődni.
24
A kollagén fehérjék csoportjába tartozó I-es és IV-es típusú kollagén proteinek fontos funkciót töltenek be az axonok növekedésében. A vizsgálatok során megfigyelték, hogy az α1β1 alegységszerkezetű integrinekkel bíró neuronok az I-es és IV-es típusú kollagén fehérjék jelenlétében képesek neuritek fejlesztésére. Egyéb sejtadhéziós molekulák, mint az α2β1, és az α3β1 szerkezetű integrinek szintén képesek a kollagén fehérjék megkötésére. A thrombospondin fehérjék az extracelluláris mátrixba szekretált molekulák, amelyek a sejteket körülvevő közeg egyéb komponenseivel, mint például a kollagénekkel, a fibronectinekkel, a fibrinogénekkel, a lamininokkal, valamint a plazminogén proteázokkal képesek kötődni. A thrombospondin molekulák egyaránt rendelkeznek a sejtadhézióban szereplő, valamint a mátrix komponenseivel kapcsolatot biztosító doménekkel. A thrombospondin proteinek expressziója a sejtek intenzív proliferációjával, és migrációjával jellemezhető szövetekben a legnagyobb mértékű, és egyaránt kimutatható a központi és a perifériás idegrendszerhez tartozó embrionális neuronokban. In vitro vizsgálatok rámutattak, hogy a neuronok sejtfelszínén lévő, αV és β1 alegységeket tartalmazó integrin sejtadhéziós molekulák a thrombospondin fehérjék receptoraiként funkcionálhatnak. Kimutatták, hogy a thrombospondin molekulák képesek a sejtek proliferációját és differenciációját szabályozó TGF-β (transforming growth factor-β) fehérjékkel biológiailag aktív komplexet képezni. A fehérje kötődésével képes befolyásolni a szabályozó szerepű növekedési faktor aktivitását. A tenascin fehérjék családjába három, egymással rokon extracelluláris protein tartozik: a tenascin, az MHC-tenascin, valamint a restrictin molekulák. Tenascin fehérjék találhatók a fejlődő perifériás és központi idegrendszeri területeken is, és minden bizonnyal szerepet játszanak a neuronok differenciációjának szabályozásában. Az idegsejtek növekedő nyúlványai képesek ezekhez az extracelluláris molekulákhoz kapcsolódni, feltételezhetően integrin fehérjék közreműködésével (Venstrom és Reichardt, 1993)(9), (Adams és Tucker, 2000)(23). Az extracelluláris molekulák típusait és azok szerkezetét mutatja be az 5. ábra.
25
5. ábra (Venstrom és Reichardt, 1993)
4.2. Egyéb proteoglikánok Az idegrendszerben nagy mennyiségben kimutathatóak extracelluláris pozícióban különböző proteoglikánok. Ezen komponensek kifejezésére neuronok és gliasejtek egyaránt
26
képesek lehetnek. A glikoproteinek közé tartozó proteoglikánok szerkezetileg egy vagy több, kovalens kötéssel kapcsolt glükozaminoglikán láncokkal bíró fehérjéből állnak. A heparán szulfát proteoglikánok laminin fehérjékkel alkotott komplexeinek szerepe van a neuritek megfelelő növekedésében, terjedésében. Ebben a folyamatban egy másik heparán szulfát proteoglikán szerepét is kimutatták. A perlecan molekulának nevezett proteoglikán a bazális laminához asszociáltan helyezkedik el, és ezen proteoglikán kb. 400 kDa molekulatömegű fehérje-komponense rendkívül sok domént tartalmaz. Ezzel lehetőség nyílik több különböző extracelluláris molekulával, valamint sejtadhéziós fehérjével (pl. integrinekkel) kölcsönhatások kialakítására. A chondroitin szulfát proteoglikánok közé tartozó molekulák expresszióját is vizsgálták a központi idegrendszerben. A szinapszisok közelében aggrecan proteoglikánok jelenlétét mutatták ki. E molekulák expressziójának növekedése a korai posztnatális élet során jellemző, és minden bizonnyal szerepet játszanak a szinaptikus plaszticitásban. Az aggrecan extracelluláris molekulák interakcióba léphetnek egy másik nagy méretű (kb. 1000 kDa molekulatömegű) chondroitin szulfát proteoglikánnal, a versican molekulával. A versican proteoglikánokra specifikus antitestek használatakor a kutatók a mielinhüvellyel borított axonok
területén,
az
extracelluláris
mátrixban
mutatták
ki
az
antigén-antitest
kölcsönhatásokat. Feltételezhető, hogy ezek a molekulák szerepet játszanak a már kialakult szinapszisok stabilizálásában. Az aggrecan és versican proteoglikánok gátló hatást fejtenek ki a neuronális migráció és neuritnövekedés folyamataira. Az inhibíció során a proteoglikánok a neuronok felszíni receptoraihoz kötődve akadályozzák meg a migrációhoz szükséges interakciók kialakulását, vagy az extracelluláris mátrix fehérjéihez kapcsolódva gátolják a sejtfelszíni receptorokon keresztüli felismerést. A chondroitin szulfát proteoglikánok egy sajátos csoportját alkotják a neurocan molekulák, amelyek expresszióját csak az idegrendszerben mutatták ki. Az embrionális és felnőtt szervezetben egyaránt megjelenő proteoglikánok a fejlődő idegrendszerben megvalósuló neuronális migrációban, és a sejtek közti adhézióban töltik be funkciójukat. A kis méretű, leucin aminosavban gazdag, dermatan szulfát glükozaminoglikán láncot tartalmazó
proteoglikánok
közé tartozó decorin
molekulák
is megtalálhatóak
az
idegrendszerben. Ez a kis molekulasúlyú proteoglikán a TGF-β növekedési faktort kötve képes szabályozni az extracelluláris mátrix komponenseinek képződését, megakadályozva kóros felhalmozódását. A felsorolt periszinaptikus proteoglikánok szerepe kiemelten fontos a neuronális hálózatok fejlődése, és a szinaptikus plaszticitás során. Az extracelluláris mátrix ezen 27
komponensei ugyanis egy periszinaptikus gátat képeznek a szinaptikus rés körül. Ezzel biztosítható a szinapszisok „védelme”, stabilitásának megőrzése. Kimutatták, hogy a perineuronális proteoglikánok proteázokkal való degradációja a szinaptikus plaszticitás reaktivációját okozhatja, és ez a folyamat akár hozzájárulhat a sérült idegsejt-hálózatok helyreállításához, valamint új szinaptikus kapcsolatok létrejöttéhez is (Venstrom és Reichardt, 1993)(9), (Murakami és Ohtsuka, 2003)(24).
Következtetés, modell Az extraszinaptikus helyzetű molekulák szerepének tisztázása nélkülözhetetlen a neuronok közti kommunikációs csatornaként funkcionáló szinapszisok létrejöttének, az egyes szinapszisok erősségének változásának, a szinaptikus átvitel folyamatának a megértéséhez. Ezért egyre több vizsgálat irányul specifikusan a periszinaptikus receptorok, különböző sejtadhéziós molekulák és a sejteket körülvevő, extracelluláris komponensek funkciójának a felderítésére. A neuronok felszínén lévő sejtadhéziós molekulák a környező sejtekkel, és az extracelluláris mátrix elemeivel képesek kötődni. Ez a kölcsönhatás pedig intracelluláris molekuláris változásokat, jelátviteli útvonalakat aktivál. A sejtadhéziós fehérjék ligandumuk megkötése után befolyást gyakorolhatnak a citoszkeletális elemekre. A sejtváz struktúrájában bekövetkező változások végső soron a sejtek migrációjához, a fejlődő neuritek növekedéséhez járulnak hozzá. Sejtadhéziós molekulák kimutathatók a szinapszisban és extraszinaptikus helyzetben egyaránt. Az extraszinaptikusan lokalizált neuronális sejtadhéziós molekulák (NCAM típusú fehérjék) váltakozva hol kötődnek extracelluláris ligandumaikhoz, hol megszüntetik
a
kapcsolatukat
azokkal.
Az
ehhez
szükséges
intracelluláris
szignáltranszdukciós folyamatok az L1 (illetve CHL1), valamint az N-CAM proteinek esetében
már
nagyrészt
felderítettek.
A
neuronok
egymás
között
megvalósuló
kölcsönhatásában, a szinapszisok keletkezésében ezen dinamikus változások is szerepet játszanak, így hozzájárulnak a szinaptikus plaszticitás jelenségéhez. A neuronális hálózat fejlődése során, a neuronok nyúlványainak helyes kapcsolódásában is nélkülözhetetlen funkciót töltenek be az N-CAM típusú sejtadhéziós proteinek. A plazmamembránban sejtadhéziós transzmembrán fehérjékből álló molekuláris komplexek is kimutathatók. A komplexek receptor és koreceptor fehérjék együtteséből állnak, amelynek egyik komponense szignáltranszdukciós folyamatok aktiválására képes. Az L1/CHL1, a neuropilin-1, és a plexin28
A fehérjék komplexe a ligandumkötést követően olyan jelátviteli útvonalat indít el, amely egy újabb sejtadhéziós molekulára, az integrinre is kifejti hatását. Bizonyos esetekben a transzmembrán fehérjék közötti kölcsönhatásban a lipid raftok szerepére is rámutattak. Mindezek alapján azt mondhatjuk, hogy a sejtadhéziós molekulák sok esetben szoros kapcsolatban állnak egymással, befolyásolják egymás működését. A sejtek felszínén interakcióba kerülő fehérjék intracelluláris molekuláris folyamatok révén is kapcsolatba léphetnek egymással. A szignáltranszdukciós útvonalak bonyolult hálózatán keresztül jön létre a ligandum megkötésére adott válasz. Ezen jelátviteli folyamatok több esetben citoszkeletális változásokhoz vezetnek, és így indukálják a szinaptogenezis folyamatát, a későbbiekben pedig a szinapszisok erősségének modulálását. A neurotranszmitterek megkötésére képes receptorok között, a szinaptikus résben elhelyezkedő fehérjék mellet a periszinaptikus receptorok egyre nagyobb jelentőségét mutatták ki. A receptorok a legtöbb esetben szintézisük után a periszinaptikus membrán területére transzlokálódnak, míg máskor a fehérjék közvetlen megjelenése mutatható ki a szinapszitikus rés régiójában. A periszinaptikus és szinaptikus területek között a receptorok laterális mozgást végeznek. Ez a jelenség jelentős hatással bír a szinaptikus átvitelre, mivel ez a folyamat befolyásolni tudja a szinaptikus vezikulumokból felszabaduló neurotranszmitterek megkötésére képes receptorok számát a szinapszisban. A receptorok transzlokációját specifikus intracelluláris fehérjékhez való kapcsolódásuk teszi lehetővé. A szinapszis régiójában a plazmamembrán alatt lokalizált molekuláris struktúrák (az úgynevezett posztszinaptikus denzitás elemei) végzik a receptorok „kihorgonyzását”, és eltérő stabilitással kötik meg azokat. Ez a mechanizmus a plasztikusan változó szinapszis modelljét igazolja. A periszinaptikus receptorok eltérő struktúrával, alegység-szerkezettel bírhatnak, mint a szinapszisba lévő proteinek. A különböző szerkezetű fehérjék pedig több tulajdonságukban (például a ligandumok megkötésének affinitásban) eltérnek egymástól. Az extraszinaptikus régiókban a szinaptikus résben jellemző sűrűségnél ritkábban ugyan, de - a sejt periszinaptikus felszínének nagy területe miatt - szignifikáns mennyiségben jelen vannak neurotranszmitter-kötő receptorok. Ezekre a fehérjékre egyaránt hathatnak a szinaptikus résből kijutó, valamint a környező gliasejtek által kibocsátott szignálmolekulák, így jelentős változásokat indukálhatnak a neuronokban. Mivel a központi idegrendszerre ható gyógyszerek hatóanyagai a neuronok közötti extracelluláris térbe jutva képesek lehetnek a periszinaptikus receptorokhoz kötődni, így fontos, hogy megismerjük ezen fehérjék specifikus jellemzőit.
29
Az extracelluláris mátrixot rendkívül változatos molekuláris összetétel jellemzi. A jelenlévő fehérjéknek és különböző proteoglikánoknak szerepük van a neuronális migrációban, az axonok, és dendritek növekedésében, és a szinaptogenezisben egyaránt. A szinapszisokat körülvevő mátrix képes a szinaptikus struktúra stabilizálására, és befolyásolni tudja a szinaptikus plaszticitást.
Összefoglalás A szakdolgozatban a kémiai szinapszisok létrehozásában közvetlenül részt nem vevő, extraszinaptikus helyzetű fehérjék szerepének bemutatását végeztem el. E molekulák részt vesznek a neuronális kommunikáció csatornáinak, a szinapszisoknak a létrehozásában, és képesek a szinaptikus átvitelt, a szinapszisok erősségét is befolyásolni. Fontos szerepet játszanak
a
neuronális
hálózat
kialakításában,
a
képződő
szinapszisok
helyének
meghatározásában. A dolgozatban tárgyalt transzmembrán fehérjék jelfogó molekulákként funkcionálnak. A sejtadhéziós proteinek az extracelluláris tér komponenseivel, valamint az egyes neuronokat körülvevő
sejtek
sejtfelszíni
molekuláival
léphetnek
specifikusan
kapcsolatba.
A
ligandumkötést követően intracelluláris jelátviteli folyamatok aktiválódnak, amelyek hatásai nemcsak lokálisan nyilvánulnak meg, hanem az idegsejt egészét befolyásolhatják (például a neuronális migráció során). A sejtadhéziós molekulák egymással is interakcióba kerülhetnek a plazmamembránban
való
komplexképzések
alkalmával,
vagy
az
általuk
indukált
szignáltranszdukciós folyamatokon keresztül. A neurotranszmitterek megkötésére képes receptorok periszinaptikus helyzetben betöltött szerepének vizsgálata napjainkban került előtérbe. Kimutatták, hogy a szinaptikus rés területének molekuláris komponensei nem különíthetők el élesen a periszinaptikusan lokalizált elemektől. A két terület között intenzív transzportfolyamatok figyelhetők meg, amelyek jelentősen befolyásolják a szinapszisban zajló kommunikációt. Ezenkívül a periszinaptikus receptorok a szinapszisoktól távoli helyzetben is képesek jelfogó funkciójukat betölteni. E jelenség miatt nem szabad elhanyagolni az extracelluláris térbe jutó szignálmolekulák szerepét. A szinapszisokból kijutó neurotranszmitterek, valamint más sejtek által kibocsátott, vagy mesterségesen a neuronok környezetébe juttatott molekulák egyaránt aktiválhatják az extraszinaptikus receptorokat. Bizonyos receptorok szignifikánsan nagyobb számban vannak jelen a periszinaptikus régiókban, mint a szinapszisokban, amik ezen az úton 30
a neuronok és gliasetjek közötti kommunikációban vehetnek részt. Fontos megemlíteni, hogy a periszinaptikus receptorok vizsgálata során eltéréseket mutattak ki a szinapszisban lévő fehérjéktől a receptorok struktúrájában. A specifikusan az extraszinaptikus receptorokra ható gyógyszerek fejlesztésekor szükséges lehet ezen eltérések pontos felderítése. Az extracelluláris mátrix elemei a szinapszisokat körülvéve stabilizáló szereppel bírnak, a sejtadhéziós proteinekkel dinamikus kölcsönhatásban állhatnak, és befolyásolhatják a neurotranszmitterek terjedését az extracelluláris közegben.
Summary In the thesis I have exhibited the role of some extrasynaptic proteins, which do not participate directly in the synaptic structure. These molecules take part in the formation of the channels of the neural communication, namely the synapses and able to affect the synaptic transmission and the synaptic strength. They play an important role in the development of the neural network, and the determination of the places of the synapse formation. The transmembrane proteins discussed in the essay function as signal receivers. The cell adhesion proteins can contact specific to the components of the extracellular space as well as molecules located in the surface of cells which surround the neurons. After the ligand binding intracellular signaling cascades have triggered, and their effects evolve not only locally, but are present in the whole neuron (for example in the course of neuronal migration). The cell adhesion molecules can interact with each other when they form a complex at the plasma membrane or accross the signal transduction pathways induced by them. The study of the role of receptors which enable to bind neurotransmitters in persynaptic position
came to the front nowadays. Studies exhibited that the molecular
components of the region of the synaptic cleft could not be set apart sharply from the perisynaptically located elements. Intensive transport can be observed between these two places, which significantly affects the communication through the synapse. Furthermore, the perisynaptic recepetors can act as part of signal receiving far from the synapses. We should not neglect the role of the signaling molecules that have got into the extracellular space because of this phenomenon. The extrasynaptic receptors can be activated by neurotransmitters that have got out from the synapse, molecules have been emitted from other cells, or molecules have been allocated artificially. Some receptors are present in a significantly bigger number in the perisynaptic regions than the synapses, so in that way they 31
can be involved in the communication between neurons and glial cells. It is important to note, that in the course of studies of perisynaptic receptors differences have been exhibited from the proteins located in the synapse in the structure of the receptors. In the development of medicines that have specific affects on extrasynaptic receptors these differences should be necessary to investigate exactly. The components of the extracellular matrix surrounding the synapses have a role in stabilization, they can be in a dynamic interaction with cell adhesion proteins, and they can affect the propagation of neurotransmitters in the extracellular medium.
Hivatkozások (1) Schmid, R.S., P.F. Maness. 2008. L1 and NCAM adhesion molecules as signaling coreceptors in neuronal migration and process outgrowth. Curr. Opin. Neurobiol. 18:245-250. (2) Zhao, X., C.H. Siu. 1995. Colocalization of the homophilic binding site and the neuritogenic activity of the cell adhesion molecule L1 to its second Ig-like domain. J. Biol. Chem. 270:29413-29421. (3) Susuki, K., M.N. Rasband. 2008. Spectrin and ankyrin-based cytoskeletons at polarized domains in myelinated axons. Exp. Biol. Med. 233:394-400. (4) Whittard, J.D., T. Sakurai, M.R. Cassella, M. Gazdoiu, D.P. Felsenfeld. 2006. MAP kinase pathway–dependent phosphorylation of the L1-CAM ankyrin binding site regulates neuronal growth. Mol. Biol. Cell. 17:2696-2706. (5) Goshima, Y., Y. Sasaki, T. Nakayama, T. Ito, T. Kimura. 2000. Functions of semaphorins in axon guidance and neuronal regeneration. Jpn J Pharmacol. 82:273-279. (6) Rico, B., H.E. Beggs, D. Schahin-Reed, N. Kimes, A. Schmidt, L.F. Reichardt. 2004. Control of axonal branching and synapse formation by focal adhesion kinase. Nat. Neurosci. 7:1059-1069. (7) Niethammer, P., M. Delling, V. Sytnyk, A. Dityatev, K. Fukami, M. Schachner. 2002. Cosignaling of NCAM via lipid rafts and the FGF receptor is required for neuritogenesis. J. Cell. Biol. 157:521-532. (8) Falk, J., O. Thoumine, C. Dequidt, D. Choquet, C. Faivre-Sarrailh. 2004. NrCAM coupling to the cytoskeleton depends on multiple protein domains and partitioning into lipid rafts. Mol. Biol. Cell., 15:4695-4709.
32
(9) Venstrom, K.A., L.F. Reichardt. 1993. Extracellular matrix. 2: Role of extracellular matrix molecules and their receptors in the nervous system. FASEB J. 7:996-1003. (10) Sheng, M. 2001. Molecular organization of the postsynaptic specialization. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98:7058-7061. (11) Lévi, S., A. Triller. 2006. Neurotransmitter dynamics; The dynamic synapse: molecular methods in ionotropic receptor biology. Kittler, J.T., S.J. Moss. CRC Press. Boca Raton, FL, USA. ISBN: 0-8493-1891-2. 143-155. (12) Tanaka, J., M. Matsuzaki, E. Tarusawa, A. Momiyama, E. Molnar, H. Kasai, R. Shigemoto. 2005. Number and density of AMPA receptors in single synapses in immature cerebellum. J. Neurosci. 25:799-807. (13) Schnell, E., M. Sizemore, S. Karimzadegan, L. Chen, D.S. Bredt, R.A. Nicoll. 2002. Direct interactions between PSD-95 and stargazin control synaptic AMPA receptor number. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99:13902-13907. (14) Yang, Y., X.B. Wang, M. Frerking, Q. Zhou. 2008. Delivery of AMPA receptors to perisynaptic sites precedes the full expression of long-term potentiation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105:11388-11393. (15) Tovar, K.R., G.L. Westbrook. 1999. The incorporation of NMDA receptors with a distinct subunit composition at nascent hippocampal synapses in vitro. J. Neurosci. 19:41804188. (16) Nusser, Z. W. Sieghart, P. Somogyi. 1998. Segregation of different GABAA receptors to synaptic and extrasynaptic membranes of cerebellar granule cells. J. Neurosci. 18:1693-1703. (17) Gardiol, A., C. Racca, A. Triller. 1999. Dendritic and postsynaptic protein synthetic machinery. J. Neurosci. 19:168-179. (18) Eder, M., K. Becker, G. Rammes, A. Schierloh, S.C. Azad, W. Zieglgänsberger, H.U. Dodt. 2003. Distribution and properties of functional postsynaptic kainate receptors on neocortical layer V pyramidal neurons. J. Neurosci. 23:6660-6670. (19) Bureau, I., S. Bischoff, S.F. Heinemann, C. Mulle. 1999. Kainate receptor-mediated responses in the CA1 field of wild-type and GluR6-deficient mice. J. Neurosci. 19:653-663. (20) Liu, Q.S., Q. Xu., G. Arcuino, J. Kang, M. Nedergaard. 2004. Astrocyte-mediated activation of neuronal kainate receptors. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101:3172-3177. (21) Flor, P.J., G. Battaglia, F. Nicoletti, F. Gasparini, V. Bruno. 2002. Neuroprotective activity of metabotropic glutamate receptor ligands. Adv. Exp. Med. Biol. 513:197-223.
33
(22) Rusakov, D.A., D.M. Kullmann. 1998. Extrasynaptic glutamate diffusion in the hippocampus: ultrastructural constraints, uptake, and receptor activation. J. Neurosci. 18:3158-3170. (23) Adams, J.C., R.P. Tucker. 2000. The thrombospondin type 1 repeat (TSR) superfamily: diverse proteins with related roles in neuronal development. Dev. Dyn. 218:280-299. (24) Murakami T., A. Ohtsuka. 2003. Perisynaptic barrier of proteoglycans in the mature brain and spinal cord. Arch. Histol. Cytol. 66:195-207.
Köszönetnyilvánítás Köszönöm Dr. Kékesi Adrienna Katalin, Ph.D. és Dr. Juhász Gábor, Ph.D., D.Sc. szakmai segítségét a szakdolgozat témakörében való eligazodásban, és a javaslatokat a dolgozat tartalmi és formai szempontjaira vonatkozóan.
34
