Информация

Концентрация на калций в активирани дендритни шипове?

Концентрация на калций в активирани дендритни шипове?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Какви са типичните нива на калций, достигани в единични постсинаптични шипове след активиране на NMDA рецептори от EPSP или обратно размножаващ се шип? Изглежда, че всички се позовават на този документ за Neuron (Sabatini et al. 2002), който съобщава за експериментални оценки за около 1 uM след единична синаптична стимулация в CA1 невронни шипове. Въпреки това, повечето изчислителни документи за LTP (дори и биофизично подробни модели) работят с много по-ниски стойности за Ca2+ преходни процеси, които изглежда нямат конкретна експериментална подкрепа. Опитвам се да събера реалистичен модел за сигнализиране на калций в гръбначния стълб на хипокампа и наистина бих го оценил, ако някой може да посочи други подходящи експериментални документи, които предоставят оценки за преходни процеси на калций в гръбначния стълб.


По-ранен източник за оценка на ${[Ca]_{i}}^{+2}$ в шипове идва от хипокампални резени на P13-P19 плъхове (Majewska et al. 2000). Покойният ${[Ca]_{i}}^{+2}$ в тази статия беше ~80 nM и потенциалът за действие с обратно разпространение (AP) предизвика отговор до ~250 nM (промяна от ~170 nM) . Те включват $F_{min}$ и $F_{max}$, минималния и максималния флуоресцентен сигнал от единичен AP, като параметри в уравнението, което използваха за оценка на ${[Ca]_{i}}^{+2 }$. Този документ може да е мястото, където споменатите от вас модели са получили номерата си.

Останалите ${[Ca]_{i}}^{+2}$, оценени в Sabatini et al. (2002), където също са използвали резени от хипокампал на плъх от P14-P20, съвпадения, открити в Majewska et al. тъй като беше ~70 nM. За оценката на предизвиканата промяна в ${[Ca]_{i}}^{+2}$ след единичен AP те са използвали максималното увеличение на флуоресценцията от поредици от потенциали на действие при 62,5 Hz и 83,3 Hz като параметър в техните уравнението за оценка, като се приеме, че калциевият индикатор е напълно наситен при тези честоти на стимулация. Тяхната оценка за промяната в ${[Ca]_{i}}^{+2}$ за AP беше около 530 nM. След това те разсъждават, че буферните свойства на самия калциев индикатор могат да намалят промяната в ${[Ca]_{i}}^{+2}$. Така те заредиха няколко различни калциеви индикатора с различен афинитет и в различни концентрации, за да манипулират $kappa_b$, буферния капацитет, на калциевия индикатор. Те наблюдават много силна линейна връзка между $kappa _b$ и промяната в ${[Ca]_{i}}^{+2}$. Чрез екстраполиране от линейно съвпадение върху тези данни, те стигнаха до заключението, че в случай, когато няма калциев индикатор в клетката - т.е. когато $kappa _b = 0$- промяната в ${[Ca]_{i}}^{+2}$ за AP би била приблизително 1 $mu$M.

Така че разликата между тези проучвания е, че в Majewska et al. те са използвали максималната наблюдавана флуоресценция на калциевия индикатор в своите данни след единични АР, докато в Sabatini et al. те се опитаха да наситят калциевия индикатор с високочестотни влакове от AP. Освен това, в Sabatini et al. те се опитаха да отчетат буферния капацитет на самия калциев индикатор, като по този начин стигнаха до по-безпристрастна оценка.

Успокояващо, по-късната работа от лабораторията Yuste (същата лаборатория като в проучването Majewska et al.) може да повтори резултатите от Sabatini et al. когато са използвали подобна методология (Cornelisse et al. 2007). Тяхната оценка за $Delta{[Ca]_{i}}^{+2}$ за единичен AP също беше ~1 $mu$M.


Ролята на дендритната плътност на гръбначния стълб при невропсихиатрични и обучителни разстройства

Първоначално снимка от MethoxyRoxy в Wikimedia Commons. Без промени. CC лиценз BY-SA 2.5.

От Неха Мадугала, Когнитивна наука, „21

Бележка на автора: През последното тримесечие взех невробиология (NPB100) с Карън Зито, професор в UC Davis. Интересувах се от нейните изследвания върху дендритните шипове и връзката им с моята лична област на интерес в изследванията относно езиковите и когнитивните недостатъци, присъстващи в различни популации, като например хора с шизофрения. Изглежда има корелационна връзка между генерирането и количеството на дендритните шипове и наличието на различни неврологични заболявания. Като се има предвид динамичната природа на дендритните шипове, настоящите изследвания изучават тяхната точна роля и потенциала за манипулиране на тези шипове, за да повлияят на ученето и паметта.

Дендритните шипове са малки луковични издатини, които облицоват страните на дендритите върху неврон [12]. Дендритните шипове служат като основно място на синапси за възбуждащи неврони, които продължават разпространението на сигнала в мозъка. Сравнително малко се знае за точната цел и ролята на дендритните шипове, но към момента изглежда има връзка между концентрацията на дендритните шипове и наличието на различни нарушения, като разстройства от аутистичния спектър (ASD), шизофрения и болест на Алцхаймер. Учените предполагат, че дендритните шипове са ключов играч в патогенезата на различни невропсихиатрични разстройства [8]. Трябва да се отбележи, че се наблюдават и други морфологични промени, когато се сравняват индивиди със споменатите невропсихични разстройства с невротипични индивиди. Въпреки това, всички тези нарушения споделят общата нишка на анормалната плътност на дендритния гръбнак.

Основните нарушения, изследвани във връзка с плътността на дендритния гръбначен стълб, са разстройство от аутистичния спектър (ASD), шизофрения и болест на Алцхаймер. Настоящите проучвания показват, че тези нарушения водят до броя на дендритните шипове, които се отклоняват от това, което се наблюдава при невротипичен индивид. Трябва да се отбележи, че има общ спад в дендритните шипове с възрастта на индивида. Въпреки това интелектуалните увреждания и невропсихиатричните разстройства изглежда променят тази плътност с по-екстремна скорост. Графиката показва общата тенденция на дендритната плътност на гръбначния стълб за различни заболявания, но тези тенденции могат леко да варират при индивиди със същото заболяване.

I. Роля на дендритните шипове

Дендритните шипове са издатини, открити върху определени видове неврони в целия мозък, като например в малкия мозък и мозъчната кора. Те са идентифицирани за първи път от Ramon y Cajal, който ги класифицира като „тръни или къси шипове“, разположени неравномерно по протежение на дендрита [6].

Цялата човешка мозъчна кора се състои от 10 14 дендритни шипове. Един дендрит може да съдържа няколко стотин шипове [12]. Има обща по-голяма плътност на дендритните шипове върху периферните дендрити в сравнение с проксималните дендрити и клетъчното тяло [3]. Основната им роля е да подпомагат образуването на синапси върху дендритите.

Дендритните шипове попадат в две категории: постоянни и преходни шипове. Постоянните шипове се считат за „паметни“ шипове, докато преходните шипове се считат за „учещи“ шипове. Преходните шипове се категоризират като шипове, които съществуват четири дни или по-малко, а персистиращите шипове като шипове, които съществуват в продължение на осем дни или повече [5].

Плътната концентрация на шипове върху дендритите е от решаващо значение за фундаменталната природа на дендритите. При възбуждаща синаптична цепнатина освобождаването на невротрансмитера при възбуждащите рецептори на постсинаптичната клетка води до възбуждащ постсинаптичен потенциал (EPSP), който кара клетката да изстреля потенциал за действие. Потенциалът за действие е когато сигналът се предава от един неврон към друг неврон. За да може невронът да разпространи потенциал за действие, трябва да има натрупване на положителен заряд в синапсите, достигайки определен праг ( Фигура 2 ). Клетката трябва да достигне определено ниво на деполяризация – разлика в заряда през мембраната на неврона, което прави вътрешността по-положителна. Единичен EPSP може да не доведе до достатъчно деполяризация, за да се достигне този праг на потенциала на действие. В резултат на това наличието на множество дендритни шипове върху дендрита позволява да се образуват множество синапси и да се сумират множество EPSP. Със сумирането на различни EPSP върху дендритите на невроните, клетката може да достигне прага на потенциала на действие. По-голямата плътност на дендритните шипове по протежение на постсинаптичната клетка позволява да се образуват повече синаптични връзки, увеличавайки шанса за възникване на потенциал за действие.

Фигура 2. Потенциал за действие (EPSP)

  1. Невротрансмитерът се освобождава от пресинаптичната клетка в синаптичната цепнатина.
  2. За EPSP ще се освободи възбуждащ невротрансмитер, който ще се свърже с рецепторите на постсинаптичната клетка.
  3. Свързването на тези възбуждащи невротрансмитери ще доведе до отваряне на натриеви канали, което позволява на натрия да слиза надолу по своя електрически и химичен градиент – деполяризира клетката.
  4. EPSP ще бъдат сумирани в хълма на аксона и ще задействат потенциал за действие.
  5. Този потенциал на действие ще накара изстрелващата клетка да освободи невротрансмитер в своя терминал на аксона, като допълнително ще предаде електрическия сигнал към други неврони.

Дендритите първоначално се образуват без шипове. С напредването на развитието плазмената мембрана на дендрита образува издатини, наречени филоподии. След това тези филоподии образуват синапси с аксони и в крайна сметка преминават от филоподия към дендритни шипове [6].

Причината за създаването на дендритни шипове в момента не е известна. Има няколко потенциални хипотези. Първата хипотеза предполага, че наличието на дендритни шипове може да увеличи плътността на опаковане на синапсите, което позволява образуването на повече потенциални синапси. Втората хипотеза предполага, че тяхното присъствие може да помогне за предотвратяване на ексцитотоксичност, свръхвъзбуждане на възбудните рецептори (NMDA и AMPA рецептори), присъстващи върху дендритите. Тези рецептори обикновено се свързват с глутамат, типично възбуждащ невротрансмитер, освободен от пресинаптичната клетка. Това може да доведе до увреждане на неврона или, ако е по-тежко, невронална смърт. Тъй като дендритните шипове разделят заряда [3], тази характеристика помага да се предотврати превъзбуждането на дендрита над праговия потенциал за потенциал на действие. И накрая, друга хипотеза предполага, че големите вариации в морфологията на дендритния гръбнак предполагат, че тези различни форми играят роля в модулирането на това как постсинаптичните потенциали могат да бъдат обработени от дендрита въз основа на функцията на сигнала.

Създаването на тези дендритни шипове е бързо по време на ранното развитие, като бавно намалява, когато индивидът остарява. Този процес най-вече се заменя с подрязването на синапсите, образувани с дендритни шипове, когато индивидът е по-възрастен. Подрязването помага за подобряване на съотношението сигнал/шум на сигналите, изпращани в невронните вериги [3]. Съотношението сигнал/шум очертава съотношението на сигналите, изпратени от невроните, и сигналите, които действително се получават от постсинаптичните клетки. Той определя ефективността на предаването на сигнала. Експериментите показват, че наличието на глутамат и възбуждащи рецептори (като NMDA и AMPA) може да доведе до образуването на дендритни шипове в рамките на секунди [3]. Въвеждането на NMDA и AMPA води до разцепване на вътреклетъчна адхезионна молекула-5 (ICAM5) от хипокампални неврони. ICAM5 е „невронна адхезионна молекула, която регулира дендритното удължаване и съзряването на гръбначния стълб. [11]” Освен това, чрез комбинация от флуоресцентно багрило и конфокална или двуфотонна лазерна сканираща микроскопия, учените успяха да използват технология за изобразяване, за да станат свидетели, че гръбначните стълбове могат да претърпят малки промени в рамките на секунди и по-драстични промени в конформацията, дори да изчезват за минути до часа [12].

Морфологията на главата на гръбначния стълб, голяма луковична глава, свързана с много тънка шия, която се прикрепя към дендрита, подпомага ролята й на постсинаптична клетка. Тази форма позволява един синапс в дендритния гръбнак да бъде активиран и укрепен, без да се влияе на съседните синапси [12].

Формата на дендритния гръбнак е изключително динамична, което позволява на един гръбнак да променя леко своята морфология през целия си живот [5]. Въпреки това, изглежда, че дендритната морфология на гръбначния стълб приема преобладаваща форма, която се определя от мозъчната област на нейното местоположение. Например пресинаптичните неврони от таламуса придобиват формата на гъба, докато латералното ядро ​​на амигдалата има тънки шипове на своите дендрити [2]. Видът на неврона и мозъчната област, от които произлиза гръбначният стълб, изглежда корелира с наблюдаваната морфология.

Гръбначният стълб съдържа постсинаптична плътност, която се състои от невротрансмитерни рецептори, йонни канали, скелетни протеини и сигнални молекули [12]. В допълнение към това гръбначният стълб има гладък ендоплазмен ретикулум, който образува купчини, наречени гръбначен апарат. Освен това има полирибозоми, за които се предполага, че са мястото на локален протеинов синтез в тези шипове, и базиран на актин цитоскелет за структура [12]. Цитоскелетът, базиран на актин, компенсира липсата на микротубули и междинни филаменти, които играят решаваща роля в структурата и транспорта на повечето от нашите животински клетки. Освен това, тези шипове са способни да разделят калция, йонът, използван в невронните синапси, които сигнализират на пресинаптичната клетка да освободи своя невротрансмитер в синаптичната цепнатина [12]. Калцият играе решаваща роля в каскадите на втори пратеник, влияейки върху невронната пластичност [6]. Той също така играе роля в полимеризацията на актина, което позволява подвижната природа на морфологията на гръбначния стълб [6].

Има много различни форми за дендритни шипове. Често срещаните типове са „къбли“ (къси и дебели шипове без врат), „тънки“ (малка глава и тънък врат), „гъба“ (голяма глава със стегнат врат) и „разклонени“ (две глави, разклонени от същата шия) [12].

IV. Учене и памет

Дендритните шипове играят решаваща роля в паметта и ученето чрез възникване на дългосрочно потенциране (LTP), което се смята за клетъчно ниво на учене и памет. Смята се, че LTP предизвиква образуване на гръбначен стълб, което намеква за общата корелация, че ученето е свързано с образуването на дендритни шипове. Освен това се смята, че LTP е способен да промени незрелия и зрелия хипокампус, обикновено свързан с паметта [2]. За разлика от LTP, дългосрочната депресия (LTD) по същество работи обратно на LTP –, намалявайки плътността и размера на дендритния гръбнак [2].

Връзката между дендритните шипове и ученето е сравнително неизвестна. Изглежда има обща тенденция, която предполага, че създаването на тези шипове е свързано с ученето. Въпреки това, не е ясно дали ученето води до образуването на тези шипове или ако образуването на тези шипове води до учене. Общата идея зад тази хипотеза е, че дендритните шипове подпомагат образуването на синапси, позволявайки на мозъка да образува повече връзки. В резултат на това намаляването на тези дендритни шипове при невропсихиатрични разстройства, като шизофрения, може да потисне способността на индивида да учи. Това се наблюдава при различни когнитивни и езикови дефицити, наблюдавани при индивиди с шизофрения.

Паметта се свързва с укрепването и отслабването на връзките, дължащи се съответно на LTP и LTD. Промяната на тези шипове чрез LTP и LTD се нарича пластичност, зависима от активността [6]. Основните морфологични форми, свързани с паметта, са гъбеният гръбнак, голяма глава със стегнат врат и тънкият гръбнак, къс и дебел гръбнак без врат [6]. И двата бодли са относително големи, което води до по-стабилни и трайни връзки. Тези по-големи и по-тежки шипове, свързани с ученето, са резултат от LTP. За разлика от тях, преходните шипове (живеят четири дни или по-малко) обикновено са по-малки и по-незрели в морфология и функция, което води до по-временни и по-малко стабилни връзки.

LTP и LTD играят решаваща роля в модифицирането на дендритната морфология на гръбначния стълб. Невропсихиатричните разстройства могат да променят тези механизми, което води до необичайна плътност и размер на тези шипове.

I. Какво е шизофрения?

Шизофренията е психично разстройство, което води до нарушено мислене и поведение, халюцинации и заблуди [9]. Точната механика на шизофренията все още се изучава, тъй като изследователите се опитват да определят основните биологични причини зад това разстройство и начин да помогнат на тези хора. Текущото лечение е фокусирано върху намаляването и в някои случаи лечението на симптомите на това разстройство, но са необходими повече изследвания и разбиране за пълното лечение на това психично разстройство.

Точният източник на шизофренията изглежда се намира някъде между наличието на определени гени и въздействието върху околната среда. Изглежда, че има връзка между травматични или стресови житейски събития по време на юношеството на индивида с повишена чувствителност към развитие на шизофрения [1]. Докато изследванията все още се провеждат, някои проучвания сочат, че канабисът има роля в увеличаването на чувствителността към шизофрения или влошаването на симптомите, ако дадено лице вече има шизофрения [1]. Изглежда, че има някаква форма на генетична корелация, като се има предвид повишената вероятност от развитие на шизофрения, ако присъства в член на семейството. Този фактор изглежда е резултат от комбинация от гени, но все още не са идентифицирани гени. Изглежда, че има и химичен компонент, като се има предвид вариацията на химичния състав и плътността на невротипичните индивиди и индивидите с шизофрения. По-конкретно, изследователите са наблюдавали повишено количество допамин, открито при хора с шизофрения [1].

III. Връзка между дендритните шипове и шизофренията

Обща нишка сред повечето пациенти с шизофрения е увреждането на дендритната морфология на пирамидалния неврон (видна клетъчна форма, намираща се в мозъчната кора), което се среща в различни области на мозъчната кора [7]. Наблюдавано при следсмъртни изследвания на мозъчната тъкан, изглежда, че има намалена плътност на дендритните шипове в мозъка на индивиди с шизофрения. Тези открития са в съответствие с различни региони на мозъка, които са били изследвани, като фронталния и темпоралния неокортекс, първичната зрителна кора и субикулума в хипокампалната формация [7].От седем проучвания, наблюдаващи тази констатация, медианата на докладваното намаляване на плътността на гръбначния стълб е 23%, като общият диапазон на тези различни проучвания е спад от 6,5% до 66% [7].

Трябва да се отбележи, че са направени проучвания, за да се види дали намаляването на плътността на гръбначния стълб се дължи на употребата на антипсихотични лекарства. Въпреки това опитите върху животни и хора не показват значителна разлика в плътността на дендритния гръбнак на изследваните индивиди.

Предполага се, че този спад в плътността на дендритния гръбнак е резултат от неуспеха на мозъка на шизофренични индивиди да произвежда достатъчно дендритни шипове при раждането или ако има по-бърз спад на тези шипове по време на юношеството, където обикновено се наблюдава началото на шизофрения [7]. Източникът на този спад е неясен, но изглежда се дължи на дефицити в подрязването, поддръжката или просто на механизмите на основното образуване на тези дендритни шипове [7].

Има обаче противоречиви резултати. Например, Thompson et al. проведе проучване, което изглежда предполага, че намаляването на плътността на гръбначния стълб води до прогресивно намаляване на сивото вещество, което обикновено се наблюдава при хора с шизофрения. Thompson et al. проведе ан in vivo изследване на този феномен. Проучването използва ядрено-магнитен резонанс за дванадесет шизофренични индивида и дванадесет невротипични индивида, като се открива прогресивно намаляване на сивото вещество –, започващо от теменния лоб и разширяване до двигателни, темпорални и префронтални области [10]. Проучването предполага, че основната причина за това е намаляването на плътността на дендритния гръбначен стълб с прогресията на заболяването. Това проучване съвпада с споменатата по-горе хипотеза за намаляване на гръбначния стълб по време на юношеството.

Възможно е също така да има комбинация от двата фактора. Повечето проучвания са успели да наблюдават само следсмъртната мозъчна тъкан, създавайки объркване дали има спад в шиповете или просто шиповете не са произведени на първо място. Липсата на in vivo проучванията затрудняват намирането на конкретна тенденция в данните.

Докато изследванията все още продължават, настоящите доказателства изглежда предполагат, че дендритните шипове са решаващ аспект в ученето и паметта. Тяхната роля в тези ключови функции е отразена от отсъствието им при различни невропсихиатрични разстройства – като шизофрения, определени дефицити в обучението, присъстващи при някои индивиди с ASD, и дефицит на паметта, присъстващ при болестта на Алцхаймер. Тези дефицити изглежда се появяват по време на ранното създаване на невронни мрежи в мозъка в синапсите. По-нататъшни изследвания, разбиращи развитието на тези шипове и създаването на различни морфологични форми, могат да бъдат от решаващо значение при определянето на това как да се лекуват или лекуват тези недостатъци, присъстващи при невропсихиатрични и обучителни разстройства.


От форма към функция: разделяне на калций в дендритните шипове

Дендритните шипове разделят калция и това може да бъде тяхната основна функция. Ние правим преглед на експерименталната работа върху динамиката на калция в гръбначния стълб. Притокът на калций в шипове се медиира от калциеви канали и от NMDA и AMPA рецептори и е последван от бързо дифузионно уравновесяване в главата на гръбначния стълб. Кинетиката на разпад на калций се контролира чрез по-бавна дифузия през шията на гръбначния стълб и чрез гръбначни калциеви помпи. Освобождаването на калций се случва в шипове, въпреки че ролята му е спорна. И накрая, ендогенните калциеви буфери в бодлите остават неизвестни. По този начин бодлите са калциеви отделения поради тяхната морфология и локални механизми на приток и екструзия. Тези проучвания подчертават богатството и хетерогенността на пътищата, които регулират натрупването на калций в гръбначния стълб и тясната връзка между морфологията и функцията на гръбначния стълб.


Контрол на морфологичната и функционална пластичност на дендритния гръбначен стълб чрез малки GTPази

Структурната пластичност на възбуждащите синапси е жизненоважен компонент от развитието на невроните, синаптичната пластичност и поведението. Анормалното развитие или регулиране на възбуждащите синапси също е силно замесено в много неврологични, психиатрични и невродегенеративни разстройства. В предния мозък на бозайниците по-голямата част от възбуждащите синапси са разположени върху дендритни шипове, специализирани дендритни издатини, които са обогатени с актин. Изследванията през последните години започнаха да разкриват сложността, свързана с регулирането на дендритната структура на гръбначния стълб. Малкото семейство протеини GTPase се очертава като ключови регулатори на структурната пластичност, свързвайки извънклетъчните сигнали с модулацията на дендритните шипове, което потенциално е в основата на способността им да влияят върху познанието. Тук разглеждаме редица проучвания, които изследват как малките GTPases се активират и регулират в невроните и освен това как те могат да повлияят на динамиката на актина и по този начин на дендритната морфология на гръбначния стълб. Изясняването на този сигнален процес е от решаващо значение за по-нататъшното ни разбиране на основните механизми, чрез които информацията се кодира в невронни вериги, но може също така да даде представа за нови цели за разработването на ефективни терапии за лечение на когнитивна дисфункция, наблюдавана при редица неврологични разстройства.

1. Въведение

Мозъчната функция е възникнало свойство на връзките между невроните. Правилното окабеляване на мозъка по време на развитието е от решаващо значение за познанието и паметта [1–3], докато, обратно, анормалното окабеляване, дължащо се на неврологично разстройство, заболяване или мозъчно увреждане, води до дисфункция [4–6]. Разбирането как невронните схеми са в основата на съхранението и обработката на информация е основно предизвикателство, пред което е изправена съвременната невронаука [1, 3]. Въпреки че бяха направени скромни пробиви в дешифрирането на мозъчните кабели, много малко се знае за това как това окабеляване допринася за неговата функция. Основна пречка за напредъка е зашеметяващата сложност на невронните вериги в мозъците на бозайници, трилиони синапси засягат милиарди неврони. Един подход за управление на тази сложност е ограничаването на фокуса до синапси от един тип невротрансмитер. Глутаматергичните синапси са силно пластични, играят съществена роля в ученето, паметта, както и познанието и включват по-голямата част от връзките между пирамидалните неврони в предния мозък [7–9]. Определяща характеристика на тези синапси е, че те се срещат в специализирани постсинаптични отделения, известни като дендритни шипове (фигури 1(a)-1(c)). Тези богати на актин структури с микронен мащаб украсяват дендритната дъга и обикновено се състоят от гръбначен врат и гръбначна глава [10, 11]. Именно в главата на гръбначния стълб се намира богатата на протеини постсинаптична плътност (PSD) (Фигура 1(c)). Вградени в PSD са

-Метил-D-аспарагинова киселина (NMDA) и α-амино-3-хидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионова киселина (АМРА) тип глутаматни рецептори, които медиират възбуждащото синаптично предаване (Фигура 1(с)) [10, 12]. Дендритните шипове проявяват както преходен, така и траен живот, продължаващ от минути до години in vivo [7, 13]. В мозъка се наблюдават безброй дендритни морфологии на гръбначния стълб и схващането, че структурата на гръбначния стълб е силно свързана с важни синаптични свойства, се превърна в повтаряща се тема през последното десетилетие [14, 15]. Например, големите дендритни шипове вероятно имат големи PSD и правят силни връзки, докато малките дендритни шипове са показателни за слаби връзки и могат да бъдат силно пластични [16]. Съответно, по-големите шипове са склонни да се задържат за дълги периоди от време, докато по-малките, по-тънки шипове са по-преходни [15, 17]. Въпреки това, последните данни показват, че тези явления могат да бъдат различни между кората и хипокампуса, като шипове на CA1 хипокампалните неврони демонстрират по-бърз оборот в сравнение с тези, открити в кортикалните региони [18]. Въпреки това, много доклади показват, че дендритните шипове не са статични структури и могат бързо да се реорганизират в отговор на различни стимули, включително зависимо от опита учене [19–21], както и невромодулиращи и дори хормонални сигнали [22–25]. Едно от ключовите последици от този структурен динамизъм е способността да се вземат проби от околния невропил за инцидентни аксони [19, 26, 27].

Широко признато е, че дендритните шипове са неразделен компонент при формирането на вериги, но точният характер на техния принос все още е тема на проучване и дебат. Дендритните шипове показват широк спектър от структурна реорганизация, от образуване и елиминиране, до по-фини промени в размера и формата. Изчислено е, че тези структури съдържат над 1000 различни протеини [28], включително скелета, рецептори, адхезионни протеини, сигнални протеини, F-актин и цитоскелетни протеини (фигури 2 (а) и 2 (б)). Текущите теории постулират, че дендритните шипове осигуряват химически и електрически сигнализиращ домейн, който е частично дискретен от техния родителски дендрит, като по този начин повишава изчислителния капацитет на неврона [3] и че те са достатъчно обогатени с молекулярните компоненти, необходими за структурни и функционални модификации [29]. От решаващо значение е, че развитието, усъвършенстването и поддържането на теленцефалните невронни вериги са от съществено значение за сетивното възприятие, моторния контрол, познанието и паметта [1, 8, 30, 31]. Важно е, че по-доброто разбиране на динамиката на веригата може да осигури мост между явленията на пластичност, наблюдавани в синапса, и поведението на животните [8, 9, 18, 19]. Ето защо е от съществено значение да се изследват механизмите, които пренасочват мозъка и настоящият преглед е посветен на тази цел. През последното десетилетие беше постигнат огромен напредък в дисекцията на молекулярните механизми, които допринасят за структурната пластичност на дендритните шипове [10, 12, 32, 33]. Ключов молекулен детерминант за пластичността на дендритния гръбнак е актиновият цитоскелет и неговите регулатори. Тук правим преглед на скорошна работа, която започна да разкрива сложния начин, по който семейството от малки GTPases протеини, техните регулатори и ефектори модулират актиновия цитоскелет, за да контролират дендритната морфология на гръбначния стълб в подкрепа на синаптичната функция.

2. Актин: Ключова детерминанта на дендритната морфология на гръбначния стълб

Доказано е, че морфологичната гъвкавост на дендритните шипове се дължи на динамичен актинов цитоскелет [34, 35]. Шиповете са богати хранилища на нишковиден и мономерен актин и постигат както стабилност, така и динамика чрез процес на преобръщане, известен като бягаща пътека, при който мономерите едновременно се добавят към края на бодливите (в периферията на гръбначния стълб) и се отстраняват от заострения край на нишката (близо до сърцевината на гръбначния стълб) [36, 37]. Различни протеини показват контрол върху актиновия цитоскелет и много от тези протеини са мощни морфогени на гръбначния стълб и синаптични модулатори [23, 38–42].

Строгият контрол на актиновия цитоскелет е от решаващо значение за правилната синаптична функция. Действително, бягането на актин контролира разпределението на протеините в постсинаптичната плътност, включително AMPA рецепторите, както е разкрито от работа, използваща възстановяване на флуоресценция след фотоизбелване [43]. По този начин, разбирането на сложните сигнални пътища, засягащи актиновите нишки, е от решаващо значение за разкриването на механизми, лежащи в основата на нормалното и патологичното синаптично предаване. За тази цел много изследователски усилия са фокусирани върху идентифицирането и характеризирането на регулаторните протеини на актина. Като се вземе предвид позиционирането на тези протеини в сигнални каскади спрямо извънклетъчното пространство и актиновия цитоскелет, те могат да бъдат организирани в йерархични функционални групи, включително протеини, свързващи актин, малки GTPази и малки GTPase регулатори и ефектори (Фигура 2(b)) [ 32, 44].

3. Малки GTPази: Морфологични сигнални центрове в дендритните шипове

Супер семейството малки GTPases е класифицирано в 5 подсемейства: семейства Ras, Rho, Rab, Sar1/ARF и Ran. Членовете на това суперсемейство регулират различни клетъчни функции и често се наричат ​​молекулярни превключватели, тъй като съществуват в двоични състояния „включено“ и „изключено“, когато са свързани съответно с GTP и GDP [45, 46]. Настоящият преглед ще бъде ограничен до членове на семействата Rho и Ras, тъй като тези протеини са най-пряко свързани с ремоделирането на актина. Освен това, Rho- и Ras-медиираните сигнални пътища показват значителна кръстосана комуникация, която има важни последици за морфологичната и функционална пластичност на гръбначния стълб. Докато нашето разбиране за малкия контрол на GTPase на актиновия цитоскелет е значително подобрено от работата в неневронни клетки, дендритният гръбнак представлява уникален микродомен, с различни функционални изисквания. Като такива ще се съсредоточим върху изследванията, проведени в дендритни шипове, освен ако не е отбелязано друго.

Обширната литература свързва подсемейството Rho с регулирането на структурата и динамиката на синаптичния актин [47]. Може би най-добре проучени сред тези членове на семейството са Rac1 и RhoA, които имат мощни и противоположни ефекти върху структурата на дендритните шипове [48]. Свръхекспресията на доминиращ отрицателен Rac1 води до намалена плътност на гръбначния стълб в срезове на хипокампа и дисоциирани култури [49, 50], докато свръхекспресията на конститутивно активна форма или RhoA води до загуба на гръбначния стълб [51]. Общоприето е, че активирането на Rac1 стимулира полимеризацията на F-актин и стабилизира дендритните шипове чрез активирането на низходящите ефектори р21-активирана киназа (PAK), LIM-киназа-I (LIMK-I) и актин-свързващия протеин кофилин [52, 53]. Обратно, активирането на RhoA стимулира полимеризацията на F-актин чрез неговата протеин киназа ROCK надолу по веригата, която от своя страна директно регулира фосфорилирането на LIMK-1 в неневронни и невронни клетки [54, 55]. Rho GTPases се активират бързо и локално в главите на гръбначния стълб след потенциращи стимули, както се разкрива от двуфотонно флуоресцентно изображение на FRET-базирани сонди [55]. Интересно е, че Cdc42, свързана с Rac Rho GTPase, и RhoA проявяват диференциална пространствена активност, отразяваща техния уникален принос към регулацията на морфологията на гръбначния стълб, блокадата на RhoA сигналната каскада инхибира първоначалния растеж на гръбначния стълб, докато инхибирането на пътя на Cdc42 предотвратява трайното разширяване на гръбначния стълб. Подсилването на значението на Rho GTPases в пластичността на предния мозък е скорошно проучване, демонстриращо активна Rac1-индуцирана пролиферация на гръбначния стълб в кортикални пирамидални неврони, както и повишена пластичност на зрителните вериги при монокулярно лишени животни [56, 57]. В съответствие с тази идея, нарушаването на сигнализирането по пътищата на Rho/Rac често се свързва с интелектуално увреждане (ID), състояние, характеризиращо се с аномалии в морфологията на дендритния гръбнак [58–60].

Въпреки че повечето изследвания на невронната структура са фокусирани върху подсемейството Rho GTPase, е доказано, че други GTPaзи регулират дендритната морфология на гръбначния стълб. Установено е също, че членовете на подсемейството Ras на малки GTPases регулират структурата и динамиката на дендритния гръбнак [61]. Едно от първите проучвания, които свързват Ras със структурно ремоделиране на дендритни шипове, е от миши модел, където конститутивната активна форма на H-Ras е свръхекспресирана [62]. Тези мишки показват повишена невронна сложност, която е отразена в последващи проучвания, които също разкриват анормално образуване на гръбначния стълб и свързаност [63, 64]. В съответствие с ролята в медиирането на дендритната пластичност на гръбначния стълб, също е доказано, че Ras се активира едновременно с разширяването на гръбначния стълб, предизвикано от освобождаването на глутамат в хипокампалните неврони [65]. Интересно е, че пространствено-времевата динамика на активиране на Ras отново беше различна от тази на Rho GTPases, RhoA и Cdc42, засилвайки идеята, че както временното активиране, така и локализацията на тези молекули са от решаващо значение за определяне на тяхното въздействие върху клетъчната функция [55, 65 , 66]. Предишна работа в неневронни клетки също свързва Rap, член на подсемейството Ras, с цитоскелетната динамика [67]. При невроните, активирането на Rap1 от NMDA рецептори в култивирани кортикални неврони води до намаляване на размера на гръбначния стълб [41]. Друг мощен регулатор на малка активност на GTPase в невронната клетка е естрогенният хормон, 17β-естрадиол [68–70]. Интересно е, че когато зрелите кортикални неврони са остро изложени на 17β-естрадиол, бързо увеличаване на активния Rap1 се наблюдава едновременно с увеличаване на плътността на гръбначния стълб [25]. Критично, свръхекспресията на RapGAP, протеин, който инхибира Rap активирането, блокира ефекта на 17β-естрадиол върху плътността на гръбначния стълб [25]. Обратно, свръхекспресията на конститутивно активен Rap2 причинява загуба на плътност на дендритния гръбначен стълб и увеличаване на броя на филоподиоподобните издатини в културалните хипокампални неврони [71]. В съответствие с тези наблюдения инвитро, мишки, които експресират конститутивно активен Rap2, показват по-малко дендритни шипове и нарушено учене [72]. Взети заедно, тези данни показват, че GTPases от семейство Rho и Ras имат мощни регулаторни ефекти върху дендритните шипове, които могат да повлияят на когнитивната функция.

4. Малки GTPase регулатори

Самите GTPази са строго регулирани от два класа протеини: гуанинови нуклеотидни обменни фактори (GEFs), които улесняват свързването на GTP от GTPase и GTPase активиращи протеини (GAPs), които катализират хидролизата на GTP до GDP. Тези протеини предават различни сигнали от извънклетъчното пространство към GTPases и се различават по моделите на клетъчното им експресиране и вътреклетъчните разпределения. Всяка GTPase може да бъде регулирана от различни GEFs и GAPs, което позволява както сигнално разнообразие, така и пространствена специфичност. Чрез катализиране на обмена на свързания с GTPase GDP към GTP, GEFs служат за активиране на GTPases. Отговаряйки на извънклетъчни сигнали, включително невромодулатори и невронна активност, GEFs могат да постигнат двупосочен контрол върху морфологията на гръбначния стълб и синаптичната сила, като действат чрез своите целеви GTPази.

Тъй като RhoA се свързва със свиване и дестабилизиране на гръбначния стълб, GEFs, които активират тази GTPase, имат подобни ефекти върху дендритната морфология на гръбначния стълб. Например, доказано е, че GEF-H1 се колокализира с AMPA рецепторния комплекс и негативно регулира плътността и дължината на гръбначния стълб чрез RhoA сигнална каскада [73]. По същия начин, активирането на Eph рецептора А4 (EphA4) води до прибиране на дендритните шипове, ефект, който зависи от активирането на RhoA чрез неговия GEF, ефексин1 [74]. Друг GEF, участващ в дестабилизирането и свиването на шипове, е Epac2. Този мултидомейн Rap1 GEF се активира от cAMP и води до намалено съдържание на AMPA рецептор на гръбначния стълб, потиснато възбуждащо предаване и дестабилизация на гръбначния стълб, както е показано от изследвания на живо изображение. Обратно, инхибирането на Epac2 води до уголемяване и стабилизиране на гръбначния стълб [23]. Интересно, рядко de novo мутации на Epac2 Установено е, че генът е свързан с лица с разстройства от аутистичния спектър (ASD) [75]. Получените мутантни Epac2 протеини показват променени способности за активиране на Rap и когато се експресират в първични кортикални неврони, те водят до редица анормални дендритни морфологии на гръбначния стълб [23]. Анализ на Epac2 нокаут мишките допълнително разкриха дефицити в социалното и комуникативното поведение, докато паметта и поведението на наклона изглеждат незасегнати [76]. Интересно е, че тези мишки също показват намален дендритен оборот на гръбначния стълб in vivo, в съответствие с показаното по-рано инвитро [23, 76]. Въпреки това, не е ясно как промените в пластичността на дендритния гръбнак са свързани с промененото социално и комуникативно поведение. Съвсем наскоро, използвайки в утробата електропорация за експресиране на RNAi конструкция срещу Epac2 в подгрупа от кортикални неврони на слой 2/3, е разкрита роля на Epac2 в поддържането на базални, но не апикални дендрити [77]. Интересно е, че регулирането на образуването на базални дендрити от Epac2 изисква Ras сигнализиране, тъй като ASD-асоцииран мутантен Epac2 протеин, който има намалена способност да свързва активен Ras, също предизвиква дефицити в поддържането на базалните дендрити [77]. Това показва, че може да има ниво на кръстосани разговори между малки GTPase системи.В съответствие с това, наскоро беше показано, че поло-подобната киназа 2 (Plk2) регулира както Ras, така и Rap активността чрез директно влияние върху регулаторните протеини на активността на всяка малка GTPase в отговор на хомеостатична пластичност [78]. Тези проучвания показват, че синхронизираната регулация на Ras и Rap малки GTPази чрез техните GEFs и GAPs играе важна роля в хомеостатичната пластичност и в поддържането на невронната морфология [77, 78].

Регулирането на Rac от неговите GEF също е добре проучено. Един такъв GEF е калирин-7, който е особено уникален поради факта, че е единственият известен Rac1 GEF, експресиран в кората на възрастни мишки [32]. Свръхекспресията на този калирин-7 в кортикални култури води до увеличаване на площта и плътността на главата на гръбначния стълб. Едновременно с това, нокдаунът на калирин-7 чрез RNAi подход намалява площта и плътността на гръбначния стълб [42]. Интересното е, че мишките, при които калирин Изтритият ген показва много фенотипове, напомнящи шизофрения, включително дефицити в работната памет, както и намалена плътност на дендритния гръбнак в кората [79]. В хипокампуса ролята на калирин-7 е затъмнена поради наличието на две други Rac1 GTPases, Tiam1 и β-PIX [32, 52, 80]. Tiam1 се регулира чрез активиране на NMDA рецептора и също така е замесен в EphB рецептор-зависимото дендритно развитие на гръбначния стълб [80, 81]. По същия начин, Rac1 GEF β-PIX, мишена надолу по веригата на NMDA рецепторите, е доказано, че се регулира от CaM киназа киназа и CaM киназа I [52].

Избрани GAP са получили изследователско внимание поради предполагаемата им роля в ID. Загубата на Rho-GAP олигофренин-1, ген, замесен в ID, нарушава зависимия от активността синапс и съзряването на гръбначния стълб [82]. Друг такъв ген е Ras-GAP SYNGAP1, който може да регулира морфологията на гръбначния стълб чрез своя целеви Ras, както и сигнализиране надолу по веригата към Rac и кофилин [83]. Това проучване илюстрира, че малката GTPase сигнализация често е сложна и нелинейна и може да включва кръстосани разговори между пътищата. Мутации в SYNGAP1 също са свързани както с ID, така и с ASD [84]. Интересното е, че животински модел на човек SYNGAP1 хаплонедостатъчността показва ускорено съзряване на дендритния гръбнак, което води до нарушен възбуждащ/инхибиторен баланс в невронните мрежи [85]. Освен това тези мишки също развиват постоянни поведенчески аномалии. Критично е, че тези ефекти са най-забележими, когато SYNGAP1 е бил нарушен по време на ранно развитие и минимални, когато е нарушен в зряла възраст [85]. Съвсем наскоро е доказано, че SYNGAP1 се фосфорилира от CaMKII, което води до трафика на този протеин далеч от синапсите в отговор на LTP стимулация. Важно е, че се смята, че отстраняването на този GAP протеин от синапсите е необходимо за LTP-зависимо Ras активиране и последващо вмъкване на AMPA рецептор и разширяване на гръбначния стълб [86].

Известно е, че редица извънклетъчни сигнали оказват дълбоко влияние върху дендритната морфология на гръбначния стълб чрез активиране на малки GTPase пътища. Преобладаващият рецептор в регулирането на пластичността на дендритния гръбнак в отговор на синаптичната активност е NMDA рецепторът. След активиране на NMDA рецепторите, дендритните шипове претърпяват преходно повишаване на концентрацията на калций [87, 88]. Това покачване на калция активира калмодулин, който усеща калций (CaM): свързаният с калций CaM впоследствие активира семейството CaMK от серин/треонин кинази, включително CaMKI, CaMKII и CaMKIV [89]. Тези кинази продължават да фосфорилират различни цели, участващи в структурната пластичност на гръбначния стълб, включително Rac-GEF калирин-7, както и други сигнални и скелетни протеини, участващи в пластичността [42, 90]. Освен глутамата, е доказано, че други невротрансмитери модулират пластичността на дендритния гръбнак. Активирането на 5-HT2A рецептори в пирамидални неврони увеличава размера на гръбначния стълб чрез калирин-7-Rac1-PAK-зависим механизъм [22]. Това изследване е от особено значение, тъй като осигурява пряка връзка между серотонинергичната сигнализация и дендритната морфогенеза на гръбначния стълб, като и двете са замесени в шизофренията. Друг важен невротрансмитер, замесен в модулирането на дендритните шипове и малката функция на GTPase, е допаминът [91]. Например, лечението на плъхове с 6-хидроксидопамин, невротоксин, който селективно аблира допаминергичните и норадренергичните неврони, води до намаляване на плътността на дендритния гръбнак в прелимбичния кортекс 3 седмици след приложението на токсина [92]. Интригуващо е, че когнитивните дефицити при шизофренията са свързани с дисфункция на допамина [93, 94] и е наблюдавана намалена плътност на дендритния гръбнак в следсмъртната тъкан, взета от пациенти с шизофрения [95–97]. Резултати от Solis et al. предполагат, че наистина може да има патологична връзка между допаминова дисфункция и загуба на плътност на дендритния гръбнак. Откритие в съответствие с тази идея е, че лечението с атипичния антипсихотичен оланзапин, но не и с типичния антипсихотичен халоперидол, е в състояние да спаси индуцирана от 6-хидроксидопамин загуба на гръбначния стълб в префронталната кора на плъхове [98]. На молекулярно ниво, активирането на D1/D5 рецепторите със селективния агонист SKF-38393 води до свиване на гръбначния стълб чрез активиране на Rap GEF Epac2 [23].

По-малко конвенционалните невромодулатори също са замесени в регулирането на дендритните шипове. Класически дефинирани като хормон, естрогените наскоро бяха в светлината на прожекторите като важен модулатор на пластичността на дендритния гръбнак [99]. Третиране на първични кортикални култури с 17β-естрадиол повишава плътността на гръбначния стълб, като същевременно намалява съдържанието на АМРА рецептор в шиповете. Тези „тихи синапси“ се потенцират чрез активиране на NMDA рецептори, напомнящо за зависимо от активността съзряване на тихи синапси по време на развитието [25]. Тези ефекти са медиирани от сигналните пътища Rap/AF-6(afadin)/ERK1/2, тъй като инхибирането или намесата в действията на тези протеини е достатъчно за блокиране на 17β-ефекти на естрадиол върху гръбначния стълб [25]. Освен това, последните проучвания показват, че острото лечение на кортикални култури на плъхове със 17β-естрадиолът води до фосфорилиране на WAVE1 и последващото му насочване към шипове, което води до полимеризация на актина. Смята се, че това е необходимо за образуването на незрели дендритни издатини в млади кортикални неврони [100]. Подобни открития са докладвани при култивирани неврони на хипокампа. Тук, хронично лечение на хипокампални култури с 17β-естрадиол води до увеличен брой синапси и повишена локализация на калирин-7 към дендритни шипове [101]. Въпреки това, тези действия на 17β-естрадиолът изглежда се медиира чрез естрогенния рецептор бета (ERβ) като активиране на ERβ но не и спешна помощα агонистите са в състояние да рекапитулират тези ефекти [101–104].

5. Малки ефектори на GTPase и актин-свързващи протеини

Надолу по веригата от малки GTPases е серия от ефекторни протеини, които предават сигнали към директните регулатори на актиновия цитоскелет. Особено добре описано семейство ефектори на Rho GTPases Rac1 и Cdc42 са p21-активираните кинази (PAKs) [105] и Rho киназите (ROCK) [106]. PAKs са критични за морфогенезата на гръбначния стълб и синаптичната структура, особено в кората [107]. Съвсем наскоро серия от проучвания изследва последствията от нокаут на PAK и ROCK в предния мозък. Изтриването на PAK1 или ROCK-2 води до загуба на F-актин от шипове [108, 109]. Освен това и двете нокаут животни демонстрират дефицит в хипокампалния LTP, подчертавайки важността на тези Rho кинази за синаптичната пластичност. Интригуващо е, че кодирането на PAK1 и PAK3 доведе до по-тежък структурен и функционален фенотип, нокаутите на PAK1/3 показват нарушена двупосочна пластичност в хипокампуса, дефицити в ученето и паметта и груби структурни аномалии в предния мозък [110]. Общите характеристики на тези животни с нокаут на Rho киназа включват разрушаване на киназната каскада надолу по веригата на Rho GTPases, освобождаване на кофилин от инхибиране и последваща загуба на F-актин от дендритни шипове.

Повече поглед върху ефектите на членовете на семейството PAK и ROCK върху актиновия цитоскелет се предоставя от работа, изследваща LIM-киназа (LIMK). Активният Pak1 може да фосфорилира LIMK-1, което от своя страна инхибира активността на кофилин [111]. В резултат на това генетичната аблация на LIMK-1 води до повишена активност на кофилин, аберантна морфология на гръбначния стълб и повишен LTP [53]. Интригуващо, скорошна работа идентифицира нов механизъм за регулиране на LIMK-1 чрез липидна модификация [24]. N-терминалното палмитоилиране на LIMK-1 е насочено към киназата към дендритните шипове и е необходимо за зависим от активността растеж на гръбначния стълб. Палмитоилирането се очертава като критичен модулатор на функцията на бодливия синапс [112], самите малки GTPази са насочени към различни микродомейни чрез динамично палмитоилиране [113–115], въпреки че последиците от това сигнализиране все още предстои да бъдат проучени задълбочено в невроните.

Както подсказва името им, протеините, свързващи актина, влияят директно върху динамиката на актина чрез образуване на ядра, стабилизиране или прекъсване на актиновите нишки. Членовете на семейството на протеините на синдрома на Wiskott-Aldrich (WASP) свързват както мономерния, така и филаментозния актин [116] и се освобождават от автоинхибиране от Rho GTPases [117]. N-WASP, обогатен с мозъка WASP, изглежда е от решаващо значение за образуването на гръбначния стълб и възбуждащ синапс [40]. Малките GTPases също упражняват контрол върху подобно семейство верпролин-хомоложни протеини (WAVE) от семейство WASP. Тези протеини играят роля в поддържането на гръбначния стълб [118] и образуването [119] дефицитна експресия на WAVE1 е придружена от дефицит на пространствена памет при мишки [120].

Комплексът Arp2/Arp3 е добре проучен актинов нуклеатор и фасилитатор на разклоняването на актина [121]. Комплексът Arp2/Arp3 се намира надолу по веригата от Rho семейство GTPases, WASP и WAVE протеини [122] и вероятно ще играе важна роля в дендритното ремоделиране на гръбначния стълб по време на растежа на гръбначния стълб [123]. Инхибирането на Arp2/Arp3 комплекса от протеин киназа С свързващ протеин (PICK1) е необходимо за свиване на гръбначния стълб по време на LTD [124]. Съвсем наскоро беше показано, че PICK1 сигнализира надолу по веригата на AMPARs за инактивиране на Cdc42 [125]. Както бе споменато по-горе, кофилинът е друг критичен детерминант на динамиката на скелета на актина и се конкурира с Arp2/Arp3 комплекса чрез разделяне и разклоняване на актиновите нишки [126]. Въпреки че продължителното активиране на кофилин насърчава намаляване на размера на гръбначния стълб [127], изглежда, че е необходим преходен взрив на активност на кофилин за растежа на гръбначния стълб по време на химически индуциран LTP [128]. Неотдавнашен преглед на малък контрол на GTPase на актиновия цитоскелет обхваща тези пътища по-подробно [44].

Сред списъка с Rap ефектори са редица актинови цитоскелетни регулатори. Rap1 се свързва директно с афадин, известен също като AF-6 [129], който е мултидомейн скелетен протеин, важен за клетъчно-клетъчната адхезия [130]. Действително, активният Rap е отговорен за субклетъчното насочване на афадин в неврони под базално и след активиране на NMDA рецептор [41, 131]. Интригуващо е, че след активиране на NMDA рецептори, афадинът се премества както към синапсите, така и към ядрото по зависим от времето начин. При синапсите, афадин е необходим за зависими от активността и Rap-зависими модификации на гръбначния стълб [41], докато в ядрото афадин е необходим за зависимо от времето фосфорилиране на H3 хистони, което предполага потенциална роля в регулирането на зависимата от активността генна транскрипция [ 131]. Афадин също взаимодейства директно с актин-полимеризиращия протеин профилин [129] и с адхезионния протеин, N-кадхерин [132], и AMPA рецепторната субединица, GluA2 [133]. В съответствие с тези взаимодействия, афадин е необходим за свързване на N-кадхерин с калирин-7, като по този начин позволява регулиране на активирането на Rac и свързване на N-кадхерин с динамичната модулация на дендритната морфология на гръбначния стълб [132]. Освен това, нокдаунът на афадин с помощта на RNAi подход води до загуба на дендритна архитектура, плътност на дендритния гръбнак и медиирано от AMPA рецептора предаване [133]. Доказано е също, че Rap взаимодейства с и активира Rac-GEFs Vav2 и Tiam1 [134], предоставяйки друг пример за кръстосани разговори по пътя на GTPase.

По този начин, стереотипната морфогенна сигнална каскада на гръбначния стълб започва с извънклетъчен сигнал, който се предава на GEFs или GAPs, които контролират малка активност на GTPase, което от своя страна влияе върху актин-свързващите протеини чрез малки GTPase ефектори. Сега се очертава, че в допълнение към зависимата от активността сигнализация чрез NMDA рецептори, други извънклетъчни сигнали, включително невромодулатори [22, 23] и невростероиди, могат да действат по подобни пътища.

6. Заключения

Разбирането как невроните кодират информация е основно предизвикателство при определянето на това как съхраняваме и извличаме информация за заобикалящата ни среда, което ни позволява да се адаптираме на поведенческо ниво. Нарастващите доказателства показват, че ключов клетъчен корелатор на кодирането на информация е регулирането на дендритните шипове и по този начин възбуждащите синаптични връзки [1, 3]. В този преглед ние представихме скорошни доказателства, които поставят малките GTPase протеини като важен междинен продукт между извънклетъчните сигнали и актиновия цитоскелет, което позволява регулиране на структурата и функцията на синапсите. Направен е важен напредък в нашето разбиране за молекулите, които упражняват строго регулиране на малката GTPase функция в невроните [32, 61], и също така се очертава, че тези молекули имат уникална пространствено-времева динамика, която е от решаващо значение за техните клетъчни функции [55, 65, 66]. Нашето сегашно разбиране предполага, че малките GTPази могат да действат независимо, чрез своите ефектори, директно регулиращи актиновия цитоскелет, за да упражняват ефекти върху структурата и числата на дендритния гръбнак, както и върху синаптичната функция. Въпреки това, няколко проучвания показват, че множество малки GTPases могат да действат в сътрудничество, за да предизвикат промени в дендритния гръбначен стълб или върху поддържането на цялостната невронна морфология [77, 78]. Освен това се очертава, че широк спектър от извънклетъчни сигнали също сигнализират чрез малки GTPази за упражняване на морфогенни действия [22, 25, 42, 47, 50, 65, 74, 80, 81]. Много от тези извънклетъчни сигнали могат да активират едни и същи малки GTPази, което предполага, че в рамките на един неврон множество фактори могат да модулират активността на едно подсемейство от малка GTPase. Изясняването на това как невроните интегрират множество сигнали и как те на свой ред въздействат върху функцията на клетката и в крайна сметка влияят върху познанието, бързо се очертава като друго предизвикателство. Вероятно придобиването на по-добро разбиране на пространствено-времевата динамика на сигнализирането на малка GTPase ще даде представа за това как невроните се справят с това количество информация. В допълнение, по-нататъшното определяне на сложния начин, по който взаимодействат регулаторите на малка GTPase сигнализация и определянето на нелинейния начин, по който множество пътища се активират от едни и същи сигнали, ще осигури по-изчерпателно разбиране за това как множество фактори регулират пластичността на гръбначния стълб.

Също така трябва да се отбележи, че множество неврологични, психиатрични и невродегенеративни разстройства са силно свързани с нарушения на нервните вериги [6, 135]. Действително, многобройни невропатологични постмортални проучвания силно свързват анормалната морфология на гръбначния стълб с патогенезата на редица невропсихиатрични, невроразвиващи и невродегенеративни нарушения [135, 136], като ID [137], fragile-X [138], синдром на Даун [139] ], разстройства от аутистичния спектър (ASD) [140–142], шизофрения [96, 143], депресия [144] и болест на Алцхаймер [145, 146]. Понастоящем се предполага, че дендритната дисморфогенеза на гръбначния стълб може да доведе до дефектна или прекомерна синапсна функция и свързаност, което води до смущения в невронните вериги. Тази тема наскоро беше разгледана задълбочено [2, 6, 135]. Дисрегулацията на сложните механизми, които контролират структурата и функцията на дендритния гръбнак, може да допринесе за тези синаптични нередности. Разбирането на клетъчните механизми, чрез които възниква дендритната морфогенеза на гръбначния стълб, ще разшири не само познанията ни за нормалната мозъчна функция, но и за анормалната мозъчна функция. Въпреки че ще е необходимо по-добро разбиране на клетъчните механизми, които са в основата на кортикалната пластичност, овладяването на структурната пластичност може да предложи мощен бъдещ терапевтичен път за невропатологии.

Конфликт на интереси

Авторите декларират, че няма конфликт на интереси по отношение на публикуването на този документ.

Признания

Изследванията, описани в текста, са финансирани от безвъзмездни средства от Съвета за медицински изследвания (MRC), Обединеното кралство, Кралското общество, Обединеното кралство, фондация за мозък и поведение (официално NARSAD), тръст за психиатрични изследвания на Дийпак П. Шривастава и Американска сърдечна асоциация (AHA ) до Дийпак П. Шривастава и Кевин М. Уулфри.

Препратки

  1. D. B. Chklovskii, B. W. Mel, и K. Svoboda, „Кортикално пренасочване и съхранение на информация“, природата, кн. 431, бр. 7010, стр. 782–788, 2004. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  2. G. Z. Tau и B. S. Peterson, "Нормално развитие на мозъчни вериги", Невропсихофармакология, кн. 35, бр. 1, стр. 147–168, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  3. Р. Юсте, “Дендритни шипове и разпределени вериги”, Неврон, кн. 71, бр. 5, стр. 772–781, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  4. Ю. Бернардинели, И. Никоненко и Д. Мюлер, „Структурна пластичност: механизми и принос към психиатричните разстройства в развитието“, Граници в невроанатомията, кн. 8, член 123, 2014 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  5. P. Penzes, A. Buonano, M. Passafaro, C. Sala и R. A. Sweet, „Уязвимост на синапсите и вериги в развитието, свързани с невропсихиатрични разстройства“, Списание по неврохимия, кн. 126, бр. 2, стр. 165–182, 2013 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  6. М.Van Spronsen и C. C. Hoogenraad, "Патология на синапсите при психиатрични и неврологични заболявания", Текущи доклади по неврология и невронаука, кн. 10, бр. 3, стр. 207–214, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  7. D. H. Bhatt, S. Zhang и W.-B. Ган, "Дендритна динамика на гръбначния стълб", Годишен преглед на физиологията, кн. 71, стр. 261–282, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  8. M. Fu и Y. Zuo, "Структурна пластичност в кората, зависима от опита", Тенденции в невронауките, кн. 34, бр. 4, стр. 177–187, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  9. А. Холтмаат и К. Свобода, „Опитно зависима структурна синаптична пластичност в мозъка на бозайници“, Nature Reviews Невронаука, кн. 10, бр. 9, стр. 647–658, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  10. K. M. Harris и R. J. Weinberg, "Ултраструктура на синапсите в мозъка на бозайници", Перспективи на Cold Spring Harbor в биологията, кн. 4, бр. 5, 2012. Преглед на: Google Scholar
  11. J. Tønnesen, G. Katona, B. Rózsa и U. V. Nägerl, „Пластичността на шията на гръбначния стълб регулира разделянето на синапсите,“ Природна невронаука, кн. 17, бр. 5, стр. 678–685, 2014. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  12. T. Tada и M. Sheng, „Молекулярни механизми на дендритната морфогенеза на гръбначния стълб“, Текущо мнение в невробиологията, кн. 16, бр. 1, стр. 95–101, 2006. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  13. L. Gu, S. Kleiber, L. Schmid et al., „Дългосрочното in vivo изобразяване на дендритни шипове в хипокампуса разкрива структурна пластичност“, Списание по невронаука, кн. 34, бр. 42, стр. 13948–13953, 2014. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  14. H. Kasai, M. Fukuda, S. Watanabe, A. Hayashi-Takagi и J. Noguchi, "Структурна динамика на дендритните шипове в паметта и познанието", Тенденции в невронауките, кн. 33, бр. 3, стр. 121–129, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  15. J. Noguchi, A. Nagaoka, S. Watanabe et al., "In vivo двуфотонно освобождаване на глутамат, разкриващо структурно-функционалните взаимоотношения на дендритните шипове в неокортекса на възрастни мишки", Списание по физиология, кн. 589, бр. 10, стр. 2447–2457, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  16. M. Matsuzaki, G. C. R. Ellis-Davies, T. Nemoto, Y. Miyashita, M. Iino и H. Kasai, „Дендритната геометрия на гръбначния стълб е критична за експресията на AMPA рецептора в пирамидалните неврони CA1 на хипокампа“, Природна невронаука, кн. 4, бр. 11, стр. 1086–1092, 2001. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  17. A. J. G. D. Holtmaat, J. T. Trachtenberg, L. Wilbrecht et al., "Преходни и персистиращи дендритни шипове в неокортекса in vivo", Неврон, кн. 45, бр. 2, стр. 279–291, 2005. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  18. A. Attardo, J. E. Fitzgerald и M. J. Schnitzer, "Непостоянство на дендритните шипове в живия възрастен CA1 хипокампус", природата, кн. 523, бр. 7562, стр. 592–596, 2015 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  19. J. T. Trachtenberg, B. E. Chen, G. W. Knott et al., "Дългосрочно in vivo изобразяване на зависима от опита синаптична пластичност в кората на възрастните", природата, кн. 420, бр. 6917, стр. 788–794, 2002. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  20. D. Tropea, A. K. Majewska, R. Garcia и M. Sur, "Структурната динамика на синапсите in vivo корелира с функционалните промени по време на зависима от опита пластичност във зрителната кора", Journal of Neuroscience, кн. 30, бр. 33, стр. 11086–11095, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  21. G. Yang, F. Pan и W.-B. Ган, „Стабилно поддържаните дендритни шипове са свързани със спомени за цял живот“, природата, кн. 462, бр. 7275, стр. 920–924, 2009 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  22. K. A. Jones, D. P. Srivastava, J. A. Allen, R. T. Strachan, B. L. Roth и P. Penzes, "Бърза модулация на морфологията на гръбначния стълб от 5-HT2A серотониновия рецептор чрез сигнализиране на калирин-7", Сборник на Националната академия на науките на Съединените американски щати, кн. 106, бр. 46, стр. 19575–19580, 2009 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  23. K. M. Woolfrey, D. P. Srivastava, H. Photowala et al., „Epac2 индуцира ремоделиране на синапса и депресия и свързаните с болестта му форми променят шипове,“ Природна невронаука, кн. 12, бр. 10, стр. 1275–1284, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  24. C. Liston, J. M. Cichon, F. Jeanneteau, Z. Jia, M. V. Chao и W.-B. Ган, „Циркадните глюкокортикоидни осцилации насърчават формирането и поддържането на зависими от обучението синапси“, Природна невронаука, кн. 16, бр. 6, стр. 698–705, 2013. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  25. D. P. Srivastava, K. M. Woolfrey, K. A. Jones et al., „Бързо повишаване на пластичността на двуетапното окабеляване чрез естрогенна и NMDA рецепторна активност“, Известия на Националната академия на науките на Съединените щати, кн. 105, бр. 38, стр. 14650–14655, 2008 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  26. С. Конур и Р. Юсте, „Изобразяване на подвижността на дендритните изпъкналости и аксонните терминали: роли в вземането на проби от аксони и синаптичната конкуренция“, Молекулярна и клетъчна невронаука, кн. 27, бр. 4, стр. 427–440, 2004. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  27. H.-B. Kwon и B. L. Sabatini, „Глутаматът индуцира de novo растеж на функционалните шипове в развиващия се кортекс“, природата, кн. 474, бр. 7349, стр. 100–104, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  28. R. D. Emes, A. J. Pocklington, C. N. G. Anderson et al., "Еволюционно разширяване и анатомична специализация на сложността на синапсния протеом", Природна невронаука, кн. 11, бр. 7, стр. 799–806, 2008. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  29. L. A. Colgan и R. Yasuda, „Пластичност на дендритните шипове: субкомпарментализация на сигнализирането“, Годишен преглед на физиологията, кн. 76, с. 365–385, 2014. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  30. J. L. Chen и E. Nedivi, „Невронално структурно ремоделиране: всичко ли е за достъп?“ Текущо мнение в невробиологията, кн. 20, бр. 5, стр. 557–562, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  31. C. Sala и M. Segal, "Дендритни шипове: мястото на структурната и функционална пластичност", Физиологични прегледи, кн. 94, бр. 1, с. 141–188, 2014. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  32. P. Penzes, M. E. Cahill, K. A. Jones и D. P. Srivastava, „Сходящите CaMK и RacGEF сигнали контролират дендритната структура и функция“, Тенденции в клетъчната биология, кн. 18, бр. 9, стр. 405–413, 2008 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  33. Y. Yoshihara, M. De Roo и D. Muller, „Формиране и стабилизиране на дендритния гръбнак“, Текущо мнение в невробиологията, кн. 19, бр. 2, стр. 146–153, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  34. M. Fischer, S. Kaech, D. Knutti и A. Matus, „Бърза пластичност на базата на актин в дендритни шипове“, Неврон, кн. 20, бр. 5, стр. 847–854, 1998. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  35. E. F. Spence и S. H. Soderling, „Актин извън: регулиране на синаптичния цитоскелет,“ Вестник по биологична химия, кн. 290, бр. 48, стр. 28613–28622, 2015 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  36. E. N. Star, D. J. Kwiatkowski и V. N. Murthy, „Бърз оборот на актин в дендритните шипове и неговата регулация чрез активност“, Природна невронаука, кн. 5, бр. 3, стр. 239–246, 2002. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  37. N. A. Frost, H. Shroff, H. Kong, E. Betzig и T. A. Blanpied, „Разграничаване на една молекула на отделни перисинаптични и разпределени места на сглобяване на актиновите нишки в дендритните шипове“, Неврон, кн. 67, бр. 1, стр. 86–99, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  38. M. Bosch, J. Castro, T. Saneyoshi, H. Matsuno, M. Sur и Y. Hayashi, "Структурно и молекулярно ремоделиране на дендритни гръбначни субструктури по време на дългосрочно потенциране", Неврон, кн. 82, бр. 2, стр. 444–459, 2014. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  39. J. George, C. Soares, A. Montersino, J. C. Beique и G. M. Thomas, „Палмитоилирането на LIM киназа-1 осигурява специфична за гръбначния стълб полимеризация на актина и морфологична пластичност“, eLife, кн. 4, 2015. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  40. A. M. Wegner, C. A. Nebhan, L. Hu et al., "N-WASP и комплексът Arp2/3 са критични регулатори на актина в развитието на дендритни шипове и синапси", Списание по биологична химия, кн. 283, бр. 23, стр. 15912–15920, 2008 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  41. Z. Xie, R. L. Huganir и P. Penzes, "Зависимата от активността дендритна структурна пластичност на гръбначния стълб се регулира от малка GTPase Rap1 и нейната целева AF-6", Неврон, кн. 48, бр. 4, стр. 605–618, 2005. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  42. Z. Xie, D. P. Srivastava, H. Photowala et al., "Калирин-7 контролира зависимата от активността структурна и функционална пластичност на дендритните шипове", Неврон, кн. 56, бр. 4, стр. 640–656, 2007. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  43. J. M. Kerr и T. A. Blanpied, „Разпределението на субсинаптичните АМРА рецептори се регулира остро от актин-управлявана реорганизация на постсинаптичната плътност“, Списание по невронаука, кн. 32, бр. 2, стр. 658–673, 2012 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  44. P. Penzes и M. E. Cahill, "Деконструиране на пътища за сигнална трансдукция, които регулират актиновия цитоскелет в дендритните шипове", Цитоскелет, кн. 69, бр. 7, стр. 426–441, 2012. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  45. Y. Takai, T. Sasaki и T. Matozaki, „Малки GTP-свързващи протеини“, Физиологични прегледи, кн. 81, бр. 1, стр. 153–208, 2001. Преглед на: Google Scholar
  46. J. Cherfils и M. Zeghouf, „Регулиране на малки GTPases от GEFs, GAPs и GDIs“, Физиологични прегледи, кн. 93, бр. 1, стр. 269–309, 2013. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  47. T. Saneyoshi и Y. Hayashi, „Сигналните пътища на Ca 2+ и rho gtpase, лежащи в основата на зависимо от активността ремоделиране на актин в дендритните шипове,” Цитоскелет, кн. 69, бр. 8, стр. 545–554, 2012. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  48. A. Tashiro и R. Yuste, "Регулиране на дендритната подвижност и стабилност на гръбначния стълб от Rac1 и Rho киназа: доказателства за две форми на подвижност на гръбначния стълб", Молекулярна и клетъчна невронаука, кн. 26, бр. 3, стр. 429–440, 2004. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  49. A. Y. Nakayama, M. B. Harms и L. Luo, "Малки GTPases Rac и Rho в поддържането на дендритни шипове и клони в хипокампалните пирамидални неврони", Списание по невронаука, кн. 20, бр. 14, стр. 5329–5338, 2000. Преглед на: Google Scholar
  50. P. Penzes, A. Beeser, J. Chernoff et al., "Бърза индукция на дендритна морфогенеза на гръбначния стълб чрез транс-синаптично активиране на ephrinB-EphB рецептор на Rho-GEF калирин", Неврон, кн. 37, бр. 2, стр. 263–274, 2003. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  51. A. Tashiro, A. Minden и R. Yuste, „Регулиране на дендритната морфология на гръбначния стълб от семейството на Rho малки GTPases: антагонистични роли на Rac и Rho,” Мозъчната кора, кн. 10, бр. 10, стр. 927–938, 2000. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  52. H. Zhang, D. J. Webb, H. Asmussen, S. Niu и A. F. Horwitz, „Сигналния модул GIT1/PIX/Rac/PAK регулира морфогенезата на гръбначния стълб и образуването на синапси чрез MLC,” Списание по невронаука, кн. 25, бр. 13, стр. 3379–3388, 2005. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  53. Y. Meng, Y. Zhang, V. Tregoubov et al., "Анормална морфология на гръбначния стълб и подобрен LTP в LIMK-1 нокаут мишки", Неврон, кн. 35, бр. 1, стр. 121–133, 2002. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  54. M. Maekawa, T. Ishizaki, S. Boku et al., „Сигнализиране от Rho към актиновия цитоскелет чрез протеин кинази ROCK и LIM-киназа“, наука, кн. 285, бр. 5429, стр. 895–898, 1999. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  55. H. Murakoshi, H. Wang и R. Yasuda, "Локално, постоянно активиране на Rho GTPases по време на пластичността на единични дендритни шипове", природата, кн. 472, бр. 7341, стр. 100–106, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  56. C. Cerri, A. Fabbri, E. Vannini et al., "Активирането на Rho GTPases задейства структурно ремоделиране и функционална пластичност в зрителната кора на възрастни плъхове", Списание по невронауки, кн. 31, бр. 42, стр. 15163–15172, 2011 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  57. J. G. Duman, S. Mulherkar, Y. K. Tu, J. X. Cheng и K. F. Tolias, "Механизми за пространствено-времево регулиране на сигнализирането на Rho-GTPase в синапсите", Невронаучни писма, кн. 601, стр. 4–10, 2015. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  58. N. Nadif Kasri и L. Van Aelst, "Rho-свързани гени и неврологични разстройства", Pflügers Archiv𠅎uropean Journal of Physiology, кн. 455, бр. 5, стр. 787–797, 2008. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  59. Е.-Е. Говек, S. E. Newey, C. J. Akerman, J. R. Cross, L. Van der Veken и L. Van Aelst, „Х-свързаният протеин за умствено изоставане олигофренин-1 е необходим за дендритната морфогенеза на гръбначния стълб,“ Природна невронаука, кн. 7, бр. 4, стр. 364–372, 2004. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  60. S. Bassani, J. Zapata, L. Gerosa, E. Moretto, L. Murru и M. Passafaro, „Невробиологията на x-свързаната интелектуална недостатъчност“, невролог, кн. 19, бр. 5, стр. 541–552, 2013 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  61. X. Ye и T. J. Carew, „Сигнализация на малък G протеин в невронната пластичност и образуване на памет: специфичната роля на протеините от семейството ras“, Неврон, кн. 68, бр. 3, стр. 340–361, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  62. R. Heumann, C. Goemans, D. Bartsch et al., "Трансгенното активиране на Ras в невроните насърчава хипертрофията и предпазва от дегенерация, предизвикана от лезии", Списание по клетъчна биология, кн. 151, бр. 7, стр. 1537–1548, 2000. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  63. T. Arendt, U. Gärtner, G. Seeger et al., „Невронното активиране на Ras регулира синаптичната свързаност“, European Journal of Neuroscience, кн. 19, бр. 11, стр. 2953–2966, 2004. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  64. G. Seeger, U. Gärtner и T. Arendt, "Трансгенното активиране на Ras в невроните увеличава образуването на синапси в неокортекса на мишката," Списание за невронно предаване, кн. 112, бр. 6, стр. 751–761, 2005. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  65. C. D. Harvey, R. Yasuda, H. Zhong и K. Svoboda, “Разпространението на Ras активност, предизвикано от активиране на един дендритен гръбнак,” наука, кн. 321, бр. 5885, стр. 136–140, 2008. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  66. H. Murakoshi и R. Yasuda, "Постсинаптична сигнализация по време на пластичността на дендритните шипове", Тенденции в невронауките, кн. 35, бр. 2, стр. 135–143, 2012. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  67. J. L. Bos, „Свързване на Rap с клетъчната адхезия“, Текущо мнение по клетъчна биология, кн. 17, бр. 2, стр. 123–128, 2005. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  68. A. H. Babayan и E. A. Kramár, "Бързи ефекти на естрогена върху синаптичната пластичност: взаимодействия с актин и неговите сигнални протеини", Списание по невроендокринология, кн. 25, бр. 11, стр. 1163–1172, 2013 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  69. I. S. Nethrapalli, M. Singh, X. Guan et al., "Естрадиол (E2) предизвиква src фосфорилиране в неокортекса на мишката: първоначалното събитие в E2 активиране на MAPK каскадата?" Ендокринология, кн. 142, бр. 12, стр. 5145–5148, 2001. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  70. D. P. Srivastava, E. M. Waters, P. G. Mermelstein, E. A. Kramár, T. J. Shors и F. Liu, „Бързо естрогенно сигнализиране в мозъка: последици за фината настройка на невронните вериги“, Journal of Neuroscience, кн. 31, бр. 45, стр. 16056–16063, 2011 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  71. Z. Fu, S. H. Lee, A. Simonetta, J. Hansen, M. Sheng и D. T. S. Pak, "Диференциални роли на Rap1 и Rap2 малки GTPases при невритно прибиране и елиминиране на синапси в хипокампалните бодливи неврони", Списание по неврохимия, кн. 100, бр. 1, стр. 118–131, 2007. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  72. J. Ryu, K. Futai, M. Feliu, R. Weinberg и M.Шенг, „Конститутивно активните Rap2 трансгенни мишки показват по-малко дендритни шипове, намалена извънклетъчна сигнално-регулирана киназна сигнализация, засилена дългосрочна депресия и нарушено пространствено обучение и изчезване на страха,“ Списание по невронауки, кн. 28, бр. 33, стр. 8178–8188, 2008. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  73. М.-Г. Kang, Y. Guo и R. L. Huganir, „AMPA рецептор и GEF-H1/Lfc комплекс регулират развитието на дендритния гръбнак чрез RhoA сигнална каскада,“ Сборник на Националната академия на науките на Съединените американски щати, кн. 106, бр. 9, стр. 3549–3554, 2009 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  74. W.-Y. Fu, Y. Chen, M. Sahin et al., "Cdk5 регулира EphA4-медиираното дендритно прибиране на гръбначния стълб чрез efexin1-зависим механизъм," Природна невронаука, кн. 10, бр. 1, стр. 67–76, 2007. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  75. E. Bacchelli, F. Blasi, M. Biondolillo и др., „Скринингът на девет кандидат-гена за аутизъм на хромозома 2q разкрива редки несинонимни варианти в cAMP-GEFII гена,” Молекулярна психиатрия, кн. 8, бр. 11, стр. 916–924, 2003. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  76. D. P. Srivastava, K. A. Jones, K. M. Woolfrey et al., "Социални, комуникационни и кортикални структурни увреждания при мишки с дефицит на Epac2", Списание по невронауки, кн. 32, бр. 34, стр. 11864–11878, 2012 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  77. D. P. Srivastava, K. M. Woolfrey, K. A. Jones et al., "Свързан с аутизма вариант на Epac2 разкрива роля на сигнализирането на Ras/Epac2 в контролирането на поддържането на базалните дендрити при мишки", PLoS биология, кн. 10, бр. 6, Идентификатор на статия e1001350, 2012 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  78. K. J. Lee, Y. Lee, A. Rozeboom и др., „Изискване за Plk2 в дирижирирана рас и рап сигнализация, хомеостатична структурна пластичност и памет,“ Неврон, кн. 69, бр. 5, стр. 957–973, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  79. M. E. Cahill, Z. Xie, M. Day et al., „Калирин регулира морфогенезата на кортикалния гръбнак и свързаните с болестта поведенчески фенотипове“, Сборник на Националната академия на науките на Съединените американски щати, кн. 106, бр. 31, стр. 13058–13063, 2009 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  80. K. F. Tolias, J. B. Bikoff, C. G. Kane, C. S. Tolias, L. Hu и M. E. Greenberg, „Обменният фактор на Rac1 гуанин нуклеотид Tiam1 медиира зависимо от рецептора EphB дендритно развитие на гръбначния стълб,“ Сборник на Националната академия на науките на Съединените американски щати, кн. 104, бр. 17, стр. 7265–7270, 2007. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  81. K. F. Tolias, J. B. Bikoff, A. Burette et al., „Rac1-GEF Tiam1 свързва NMDA рецептора към зависимо от активността развитие на дендритни дъги и бодли,“ Неврон, кн. 45, бр. 4, стр. 525–538, 2005. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  82. N. N. Kasri, A. Nakano-Kobayashi, R. Malinow, B. Li и L. Van Aelst, „Протеинът за умствена изостаналост, свързан с Rho, олигофренин-1 контролира узряването и пластичността на синапса чрез стабилизиране на АМРА рецепторите,“ Гени и развитие, кн. 23, бр. 11, стр. 1289–1302, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  83. H. J. Carlisle, P. Manzerra, E. Marcora и M. B. Kennedy, „SynGAP регулира стационарно и зависимо от активността фосфорилиране на кофилин,“ Journal of Neuroscience, кн. 28, бр. 50, стр. 13673–13683, 2008 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  84. F. F. Hamdan, H. Daoud, A. Piton et al., „De novo SYNGAP1 мутации при несиндромни интелектуални увреждания и аутизъм“, Биологична психиатрия, кн. 69, бр. 9, стр. 898–901, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  85. J. P. Clement, M. Aceti, T. K. Creson et al., "Патогенните SYNGAP1 мутации увреждат когнитивното развитие чрез нарушаване на съзряването на дендритните синапси на гръбначния стълб," клетка, кн. 151, бр. 4, стр. 709–723, 2012. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  86. Y. Araki, M. Zeng, M. Zhang и R. L. Huganir, „Бързата дисперсия на SynGAP от синаптичните шипове предизвиква вмъкване на AMPA рецептор и разширяване на гръбначния стълб по време на LTP,“ Неврон, кн. 85, бр. 1, с. 173–190, 2015. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  87. А. Собчик и К. Свобода, „Зависима от активността пластичност на фракционния Са 2+ ток на NMDA-рецептора“, Неврон, кн. 53, бр. 1, стр. 17–24, 2007. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  88. B. L. Bloodgood, A. J. Giessel и B. L. Sabatini, „Двуфазен приток на синаптичен Ca, произтичащ от разделени електрически сигнали в дендритните шипове“, PLoS биология, кн. 7, бр. 9, Идентификатор на статия e1000190, 2009 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  89. S. S. Hook и A. R. Означава, "Ca 2+ /CaM-зависими кинази: от активиране до функциониране", Годишен преглед на фармакологията и токсикологията, кн. 41, бр. 1, стр. 471–505, 2001. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  90. T. R. Soderling, "CaM-кинази: модулатори на синаптичната пластичност", Текущо мнение в невробиологията, кн. 10, бр. 3, стр. 375–380, 2000. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  91. P. Penzes, K. M. Woolfrey и D. P. Srivastava, „Epac2-медиирано дендритно ремоделиране на гръбначния стълб: последици за болестта“, Молекулярна и клетъчна невронаука, кн. 46, бр. 2, стр. 368–380, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  92. O. Solis, D. I. Limón, J. Flores-Hernández и G. Flores, "Промени в дендритната морфология на префронталните кортикални и стриатумни неврони в едностранния 6-OHDA-плъх модел на болестта на Паркинсон", синапс, кн. 61, бр. 6, стр. 450–458, 2007. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  93. M. Akil, J. N. Pierri, R. E. Whitehead et al., "Lamina-специфични промени в допаминова инервация на префронталния кортекс при шизофренични субекти", Американското списание по психиатрия, кн. 156, бр. 10, стр. 1580–1589, 1999. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  94. A. F. T. Arnsten, "Адренергични цели за лечение на когнитивни дефицити при шизофрения", Психофармакология, кн. 174, бр. 1, стр. 25–31, 2004. Преглед на: Google Scholar
  95. J. E. Black, I. M. Kodish, A. W. Grossman et al., "Патология на пирамидални неврони на слой V в префронталния кортекс на пациенти с шизофрения", Американското списание по психиатрия, кн. 161, бр. 4, стр. 742–744, 2004. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  96. L. A. Glantz и D. A. Lewis, „Намалена плътност на дендритния гръбнак върху префронталните кортикални пирамидални неврони при шизофрения“, Архив по обща психиатрия, кн. 57, бр. 1, стр. 65–73, 2000. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  97. J. J. Hill, T. Hashimoto и D. A. Lewis, „Молекулярни механизми, допринасящи за дендритните промени в гръбначния стълб в префронталния кортекс на субекти с шизофрения“, Молекулярна психиатрия, кн. 11, бр. 6, стр. 557–566, 2006. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  98. H.-D. Wang и A. Y. Deutch, „Изчерпването на допамин в префронталния кортекс предизвиква дендритна загуба на гръбначния стълб: обръщане чрез лечение с атипични антипсихотични лекарства“, Невропсихофармакология, кн. 33, бр. 6, стр. 1276–1286, 2008 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  99. D. P. Srivastava, K. M. Woolfrey и P. Penzes, „Прозрения за бързото модулиране на невропластичността от мозъчни естрогени“, Фармакологични прегледи, кн. 65, бр. 4, с. 1318–1350, 2013. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  100. A. M. Sanchez, M. I. Flamini, X.-D. Fu et al., „Бързото сигнализиране на естроген към WAVE1 и моезин контролира образуването на невронния гръбнак чрез актиновия цитоскелет,“ Молекулярна ендокринология, кн. 23, бр. 8, стр. 1193–1202, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  101. X.-M. Ма, Ж.-П. Хуанг, E.-J. Kim et al., „Калирин-7, важен компонент на възбуждащите синапси, се регулира от естрадиол в невроните на хипокампа“, Хипокамп, кн. 21, бр. 6, стр. 661–677, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  102. D. P. Srivastava, K. M. Woolfrey, F. Liu, N. J. Brandon и P. Penzes, „Естрогенен рецептор β активността модулира синаптичната сигнализация и структура", Списание по невронауки, кн. 30, бр. 40, стр. 13454–13460, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  103. C. Galvin и I. Ninan, “Регулиране на медиалните префронтални кортикални синапси на мишката от ендогенен естрадиол,” Невропсихофармакология, кн. 39, бр. 9, с. 2086–2094, 2014. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  104. K. J. Sellers, F. Erli, P. Raval, I. A. Watson, D. Chen и D. P. Srivastava, „Бърза модулация на синаптогенезата и спиногенезата от 17β-естрадиол в първичните кортикални неврони, Граници в клетъчната невронаука, кн. 9, член 137, 2015 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  105. E. Manser, T. Leung, H. Salihuddin, Z.-S. Джао и Л. Лим, „мозъчна серин/треонин протеин киназа, активирана от Cdc42 и Rac1,” природата, кн. 367, бр. 6458, стр. 40–46, 1994. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  106. З.-С. Zhao и E. Manser, „PAK и други Rho-асоциирани кинази—ефектори с изненадващо разнообразни механизми на регулиране“, Биохимичен вестник, кн. 386, бр. 2, стр. 201–214, 2005. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  107. M. L. Hayashi, S.-Y. Choi, B.S. Shankaranarayana Rao et al., "Променена кортикална синаптична морфология и нарушена консолидация на паметта при специфични за предния мозък доминантно-отрицателни PAK трансгенни мишки", Неврон, кн. 42, бр. 5, стр. 773–787, 2004. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  108. S. Asrar, Y. Meng, Z. Zhou, Z. Todorovski, W. W. Huang и Z. Jia, „Регулиране на дългосрочното потенциране на хипокампа чрез p21-активирана протеин киназа 1 (PAK1)“ Неврофармакология, кн. 56, бр. 1, стр. 73–80, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  109. Z. Zhou, Y. Meng, S. Asrar, Z. Todorovski и Z. Jia, "Критична роля на Rho-киназа ROCK2 в регулирането на гръбначния стълб и синаптичната функция", Неврофармакология, кн. 56, бр. 1, стр. 81–89, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  110. W. Huang, Z. Zhou, S. Asrar, M. Henkelman, W. Xie и Z. Jia, „p21-активирани кинази 1 и 3 контролират размера на мозъка чрез координиране на невроналната сложност и синаптичните свойства,“ Молекулярна и клетъчна биология, кн. 31, бр. 3, стр. 388–403, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  111. D. C. Edwards, L. C. Sanders, G. M. Bokoch и G. N. Gill, "Активиране на LIM-киназа от Pak1 двойки Rac/Cdc42 GTPase сигнализиране към актиновата цитоскелетна динамика", Природна клетъчна биология, кн. 1, бр. 5, стр. 253–259, 1999. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  112. Y. Fukata и M. Fukata, „Палмитоилиране на протеини в развитието на невроните и синаптичната пластичност“, Nature Reviews Невронаука, кн. 11, бр. 3, стр. 161–175, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  113. Y. Uechi, M. Bayarjargal, M. Umikawa et al., „Рап2 функцията изисква палмитоилиране и рециклиране на ендозомна локализация,“ Биохимични и биофизични изследователски комуникации, кн. 378, бр. 4, стр. 732–737, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  114. J. G. T. Wurtzel, P. Kumar и L. E. Goldfinger, „Палмитоилирането регулира везикуларния трафик на R-Ras към мембранните ръбове и ефектите върху разрошването и разпространението на клетките.,“ Малки GTPази, кн. 3, бр. 3, с. 139–153, 2012. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  115. A. Nishimura и M. E. Linder, "Идентифициране на нова пренилова и палмитоилова модификация в CaaX мотива на Cdc42, който регулира свързването на RhoGDI", Молекулярна и клетъчна биология, кн. 33, бр. 7, с. 1417–1429, 2013. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  116. C. Egile, T. P. Loisel, V. Laurent et al., „Активиране на CDC42 ефектора N-WASP от Shigella flexneri Протеинът IcsA насърчава нуклеацията на актина чрез Arp2/3 комплекс и бактериална подвижност, базирана на актин“, Списание по клетъчна биология, кн. 146, бр. 6, стр. 1319–1332, 1999. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  117. A. S. Kim, L. T. Kakalis, N. Abdul-Manan, G. A. Liu и M. K. Rosen, "Автоинхибиране и активиращи механизми на протеина на синдрома на Wiskott-Aldrich", природата, кн. 404, бр. 6774, стр. 151–158, 2000. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  118. S. H. Soderling, E. S. Guire, S. Kaech et al., "Сигналният комплекс WAVE-1 и WRP регулира плътността на гръбначния стълб, синаптичната пластичност и паметта", Journal of Neuroscience, кн. 27, бр. 2, стр. 355–365, 2007. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  119. Y. Kim, J. Y. Sung, I. Ceglia et al., "Фосфорилирането на WAVE1 регулира полимеризацията на актина и дендритната морфология на гръбначния стълб", природата, кн. 442, бр. 7104, стр. 814–817, 2006. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  120. S. H. Soderling, L. K. Langeberg, J. A. Soderling et al., "Загубата на WAVE-1 причинява сензомоторно забавяне и намалено обучение и памет при мишки", Сборник на Националната академия на науките на Съединените американски щати, кн. 100, бр. 4, с. 1723–1728, 2003. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  121. E. D. Goley и M. D. Welch, „Комплексът ARP2/3: актиновият нуклеатор навършва възрастта“, Nature Reviews Молекулярна клетъчна биология, кн. 7, бр. 10, стр. 713–726, 2006. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  122. T. Takenawa и S. Suetsugu, “Протеиновата мрежа WASP-WAVE: свързване на мембраната с цитоскелета,” Nature Reviews Молекулярна клетъчна биология, кн. 8, бр. 1, стр. 37–48, 2007. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  123. P. Hotulainen, O. Llano, S. Smirnov et al., „Определяне на механизмите на полимеризация и деполимеризация на актина по време на дендритна морфогенеза на гръбначния стълб“, Списание по клетъчна биология, кн. 185, бр. 2, стр. 323–339, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  124. Y. Nakamura, C. L. Wood, A. P. Patton et al., "PICK1 инхибирането на Arp2/3 комплекса контролира размера на дендритния гръбнак и синаптичната пластичност", The EMBO Journal, кн. 30, бр. 4, стр. 719–730, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  125. D. L. Rocca и J. G. Hanley, "PICK1 свързва стимулирането на AMPA рецептора с Cdc42," Невронаучни писма, кн. 585, с. 155–159, 2015. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  126. C. Chan, C. C. Beltzner и T. D. Pollard, „Кофилин дисоциира Arp2/3 комплекс и се разклонява от актиновите нишки“, Текуща биология, кн. 19, бр. 7, стр. 537–545, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  127. Y. Shi, C. G. Pontrello, K. A. DeFea, L. F. Reichardt и I. M. Ethell, „Фокалната адхезионна киназа действа надолу по веригата на EphB рецепторите, за да поддържа зрели дендритни шипове чрез регулиране на активността на кофилин“, Списание по невронауки, кн. 29, бр. 25, стр. 8129–8142, 2009 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  128. J. Gu, C. W. Lee, Y. Fan et al., "ADF/кофилин-медиираната динамика на актина регулира трафика на AMPA рецептори по време на синаптичната пластичност," Природна невронаука, кн. 13, бр. 10, стр. 1208–1215, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  129. B. Boettner, E.-E. Govek, J. Cross и L. Van Aelst, „Съединителният мултидомейнен протеин AF-6 е свързващ партньор на Rap1A GTpase и се свързва с профилина на актиновия цитоскелетен регулатор,“ Сборник на Националната академия на науките на Съединените американски щати, кн. 97, бр. 16, стр. 9064–9069, 2000. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  130. K. Mandai, H. Nakanishi, A. Satoh et al., „Afadin: нов протеин, свързващ актиновата нишка с един PDZ домен, локализиран на базата на кадхерин клетъчна връзка между клетките,“ Списание по клетъчна биология, кн. 139, бр. 2, стр. 517–528, 1997. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  131. J.-E. Van Leeuwen, I. Rafalovich, K. Sellers et al., „Координираното ядрено и синаптично прехвърляне на афадин насърчава пластичността на гръбначния стълб и хистоновите модификации,“ Вестник по биологична химия, кн. 289, бр. 15, стр. 10831–10842, 2014 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  132. Z. Xie, H. Photowala, M. E. Cahill et al., "Координация на синаптичната адхезия с дендритно ремоделиране на гръбначния стълб от AF-6 и калирин-7", Списание по невронауки, кн. 28, бр. 24, стр. 6079–6091, 2008 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  133. D. P. Srivastava, B. A. Copits, Z. Xie et al., „Afadin е необходим за поддържане на дендритна структура и възбуждащ тон,“ Вестник по биологична химия, кн. 287, бр. 43, стр. 35964–35974, 2012 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  134. W. T. Arthur, L. A. Quilliam и J. A. Cooper, „Rap1 насърчава разпространението на клетките чрез локализиране на Rac гуанин нуклеотидни обменни фактори“, Вестник по клетъчна биология, кн. 167, бр. 1, с. 111–122, 2004.Вижте на: Сайт на издателя | Google Наука
  135. P. Penzes, M. E. Cahill, K. A. Jones, J.-E. VanLeeuwen и K. M. Woolfrey, "Дендритна гръбначна патология при невропсихиатрични разстройства", Природна невронаука, кн. 14, бр. 3, стр. 285–293, 2011. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  136. J. C. Fiala, J. Spacek и K. M. Harris, "Дендритна патология на гръбначния стълб: причина или следствие от неврологични разстройства?" Отзиви за изследване на мозъка, кн. 39, бр. 1, стр. 29–54, 2002. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  137. M. Dierssen и G. J. A. Ramakers, "Дендритна патология при умствена изостаналост: от молекулярна генетика до невробиология", Гени, мозък и поведение, кн. 5, допълнение 2, стр. 48–60, 2006. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  138. S. A. Irwin, R. Galvez и W. T. Greenough, "Дендритни структурни аномалии на гръбначния стълб при синдром на крехка-X умствена изостаналост", Мозъчната кора, кн. 10, бр. 10, стр. 1038–1044, 2000. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  139. S. Takashima, A. Ieshima, H. Nakamura и L. E. Becker, „Дендрити, деменция и синдром на Даун“, Мозък и развитие, кн. 11, бр. 2, стр. 131–133, 1989. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  140. Дж. Пикет и Е. Лондон, „Невропатологията на аутизма: преглед“, Списание по невропатология и експериментална неврология, кн. 64, бр. 11, стр. 925–935, 2005. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  141. H. Y. Zoghbi, "Постнатални неврологични разстройства: среща в синапса?" наука, кн. 302, бр. 5646, стр. 826–830, 2003. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  142. J. J. Hutsler и H. Zhang, „Повишена плътност на дендритния гръбначен стълб върху кортикалните проекционни неврони при нарушения на аутистичния спектър“, Изследване на мозъка, кн. 1309, стр. 83–94, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  143. D. A. Lewis и R. A. Sweet, „Шизофрения от гледна точка на невронните схеми: напредване към рационални фармакологични терапии“, Списание за клинични изследвания, кн. 119, бр. 4, стр. 706–716, 2009. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  144. J. M. Gorman и J. P. Docherty, „Предполагаема роля на дендритното ремоделиране в етиологията на разстройствата на настроението и тревожността“, Списание по невропсихиатрия и клинични невронауки, кн. 22, бр. 3, стр. 256–264, 2010 г. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  145. S. T. DeKosky и S. W. Scheff, „Загуба на синапса при биопсии на предната кора при болестта на Алцхаймер: корелация с когнитивната тежест“, Анали по неврология, кн. 27, бр. 5, стр. 457–464, 1990. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука
  146. D. J. Selkoe, „Болестта на Алцхаймер е синаптична недостатъчност“, наука, кн. 298, бр. 5594, стр. 789–791, 2002. Преглед на: Сайт на издателя | Google Наука

Авторско право

Copyright © 2016 Kevin M. Woolfrey и Deepak P. Srivastava. Това е статия с отворен достъп, разпространявана под лиценза Creative Commons Attribution License, който позволява неограничено използване, разпространение и възпроизвеждане във всяка среда, при условие че оригиналната работа е правилно цитирана.


2. Моделът

Компартментален модел, базиран на реконструирана пирамидална клетка CA1 на възрастен плъх, е разработен като разширение на модела на Migliore (Migliore, Ferrante, & Ascoli, 2005: номер на клетка 5038804 виж Фигура 1а). Пълните подробности за модела са дадени в приложението. Морфологията е разделена на 337 електрически отделения (без да се броят бодлите). Пространствено разпределените йонни канали се състоят от следните фамилии: бърз натрий (Na), забавен калиев изправител (K), A-тип K, h-ток, HVA (предполагаемо R-тип) калций (Ca) и Ca-активиран, mAHP К. На и КDR са разпределени в цялата клетка, но Na има по-висока плътност в аксона и по-ниска плътност в дендритите, той също има по-бавно възстановяване от инактивиране в дендритите. КА и h каналите се увеличават по плътност с разстояние от сомата, с плътност на насищане над 350 m. Волтаж-зависимите калциеви канали (VGCC: HVA R-тип Ca) са разпределени в дендритите и шипове с фиксирана плътност. Подробностите за модела на йонния канал са дадени в приложението.

Това е ограничен набор от всички йонни канали, идентифицирани в CA1 PC мембраната, но е достатъчен за улавяне на ключови характеристики на електрическата възбудимост на клетката. Две отличителни черти са лекотата на разпространение на сигнали в дендритите (електрическата компактност) и способността да се генерират нелинейни, ограничени от прага сигнали, а именно, натриеви и калциеви пикове в дендритите. И двете характеристики могат да бъдат под контрола на инхибиране и невромодулация в един неврон, така че може да се получи различна клетъчна възбудимост при различни поведенчески условия. Разглеждат се различни клетъчни конфигурации по отношение на възбудимостта на мембраната. Те се получават чрез промяна на свойствата на пасивната мембрана или плътността на активните канали. Специфичните конфигурации са описани подробно в раздел 3. Базовата конфигурация (от която отделните параметри могат да се променят) включва пасивните свойства: Rм=28 K⁠.cm 2, Rа=150 .cm, Cм=1 F/cm2. Базовите активни свойства са изброени в приложението.

Особено мощни контролери на разпределението на напрежението в дендритите са A-тип K канали и аномални h канали на токоизправителя. И двата типа канали увеличават плътността си далеч от сомата и могат силно да отслабят електрическата възбудимост на мембраната (вижте Фигура 1b), ограничавайки разпространението на потенциали за обратно разпространение (bAPs) и генерирането и разпространението на дендритни шипове. Понижаване на KА плътността дава много по-електрически компактна клетка, в която bAPs се разпространяват с малко затихване (виж Фигура 1в). Известно е също, че h-токът има контролираща роля в генерирането на калциеви пикове в дисталните дендрити (Tsay, Dudman, & Siegelbaum, 2007).

Концентрацията на калций се моделира във всички отделения. Влизането на калций става чрез VGCC и, в главите на гръбначния стълб, чрез NMDA канали. Разпадът на калций се моделира като мигновен буфер, който ограничава получения пиков свободен калций и експоненциално разпадане до изходното ниво поради по-бавното буфериране и екструзия през мембраната от калциеви помпи. Големината и времевият ход на типичните калциеви преходни процеси в гръбначния стълб се базират на данните на Sabatini, Oertner и Svoboda (2002). Според тези данни екструдирането на калций е доста бързо, така че калциевите преходни процеси приблизително следват задвижващите токове през NMDA канали и VGCC.

Възбуждащите синапси се правят върху бодли с две отделения (врат + глава), които се добавят към дендритни клони на произволни места. За да се сведе до минимум времето за изчисление, само максималният брой активирани шипове за симулация се добавя в слой, който се приема за 500 във всеки от stratum radiatum (SR), stratum oriens (SO) и stratum lacunosum-moleculare (SLM) . Примерно произволно разпределение на шипове (и свързаните синапси) във всеки слой е показано на фигура 1а.

Възбуждането се медиира чрез колокализирани AMPA и NMDA токове в главата на гръбначния стълб. AMPA проводимостта се моделира като двойна експоненциална форма на вълната, с време на нарастване от 0,5 ms и време на спад от 3 ms. Пиковата AMPA проводимост е настроена да даде изолирани EPSP на гръбначния стълб от порядъка на 10 mV (Palmer & Stuart, 2009). NMDA проводимостта също се моделира като двойна експоненциална форма на вълната, с време на нарастване от 3 ms и време на спад от 100 ms. Пиковата NMDA проводимост е чувствителна към напрежението поради магнезиев блок. Процент (10%) от NMDA тока се пренася от калциеви йони (Bloodgood & Sabatini, 2007). Потенциалът за обръщане както за AMPA, така и за NMDA токове е 0 mV. Съотношението на NMDA към пиковата проводимост на AMPA е зададено малко по-голямо в SLM, за да отразява известния по-голям принос на NMDA токове там (Otmakhova & Lisman, 1998).

Моделът е симулиран с помощта на софтуерната среда NEURON (Carnevale & Hines, 2006) и изходният код е достъпен в ModelDB (senselab.med.yale.edu/senselab/modeldb, номер за достъп 154732).


Дискусия

Представените тук експерименти предоставят първите наблюдения на активиране на SK канала в шипове и дендрити на кортикални пирамидални неврони по време на bAP. Откриваме, че по време на bAP SK каналите регулират притока на калций в шипове и дендрити по начин, зависим от разстоянието, с по-голямо въздействие в дисталните дендритни места. Освен това, ние показваме, че R-тип VDCCs показват строг и специфичен контрол на активирането на SK канала в шипове по време на bAPs. Обратно, свързването на SK канали в сома към VDCCs е много по-малко специфично, като всички известни VDCC, с изключение на каналите от R-тип, играят роля в SK активирането по време на mAHP.

Активиране на SK канала в дендрити и шипове по време на потенциали на действие

Наблюдаваното увеличение на предизвикания от bAP калциев приток по време на блокада на SK канала вероятно се дължи на засиленото активиране на VDCCs в шипове и дендрити след увеличаване на амплитудата или разширяване на bAPs. В съответствие с тази идея, наскоро беше наблюдавано, че SK каналите могат да контролират амплитудата на bAP в невроните на Purkinje на малкия мозък (Ohtsuki et al., 2012). Наблюдението, че дендритните SK канали могат да повлияят на bAP, е изненадващо, като се има предвид, че апаминът не оказва влияние върху соматичната AP вълнова форма, но може да се дължи на по-тясното свързване на SK каналите в шипове и дендрити с техния източник на калций, ускорявайки тяхното активиране в сравнение със SK каналите при сомата. Предишни проучвания показват, че SK каналите могат да се активират в рамките на милисекунда по време на бързи промени във вътреклетъчния калций при стайна температура (Xia et al., 1998) и се очаква да се активират дори по-бързо при физиологични температури. В допълнение, може да се очаква SK каналите да имат по-голямо въздействие върху bAP поради тяхната увеличена продължителност в сравнение със соматичните AP (Stuart et al., 1997). В съответствие с тази идея, въздействието на SK каналите върху bAP-предизвиканите калциеви преходни процеси е най-голямо в дисталните базални дендритни места, където продължителността на bAP е най-дълга (Kampa and Stuart, 2006, но виж Antic, 2003). Зависимото от разстоянието въздействие на апамина върху предизвиканите от bAP калциеви преходни процеси може също да се дължи на разлики в експресията на SK или R-тип калциеви канали. И накрая, ние наблюдавахме, че блокирането на SK каналите причинява по-голямо увеличение на предизвикания от bAP калциев приток в шипове в сравнение с дендритите. Въпреки че този ефект може да се дължи и на разликите в експресията на SK или R-тип калциеви канали, по-голямото съотношение повърхност към обем на шипове в сравнение с дендритите също е вероятно да допринесе (Sabatini et al., 2002).

Каква възможна функция могат да служат SK каналите в шипове и дендрити, когато се активират от bAP? Очаква се капацитетът на SK каналите в шипове и дендрити да ограничават амплитудата и/или ширината на bAPs да повлияе на активирането на NMDA рецептора по време на EPSP-AP сдвояване. Този ефект би бил най-голям при дисталните дендритни места, където активирането на NMDA рецептора по време на синаптичните събития е най-силно изразено (Branco and Häusser, 2011). Като се има предвид, че промените в синаптичната сила по време на зависещата от времето пластичност (STDP) зависят от активирането на NMDA рецептора (Markram et al., 1997), въздействието на SK каналите върху времевия ход на bAP може да играе роля при настройването на времевия прозорец на STDP ( Froemke et al., 2005 Letzkus et al., 2006), което вероятно повишава точността на откриване на съвпадения по време на STDP, особено на дистални дендритни места.

Тъй като SK каналите играят важна роля в регулирането на динамиката на дендритния калций, се очаква модулирането на тези канали да промени невронната възбудимост и синаптичната пластичност. В съответствие с тази идея, понижаване на SK каналите след активиране на M1 мускаринови или β-адренорецепторни рецептори в CA1 пирамидални (Buchanan et al., 2010 Giessel and Sabatini, 2010) и странични неврони на амигдала (Faber et al., 2008), съответно увеличава синаптичната сила. Обратно, доказано е, че промените в синаптичната сила по време на синаптичната пластичност са свързани с промени във функцията на SK канала (Lin et al., 2008 Ohtsuki et al., 2012). Като се има предвид специфичното свързване на R-тип VDCCs към SK канали в шипове, както е показано тук и по-рано (Bloodgood and Sabatini, 2007), модулацията на R-тип VDCCs след активиране на D2 допаминовите рецептори (Higley и Sabatini, 2010) биха могли да осигурят друг механизъм, при който активирането на SK канала в шипове може да бъде регулирано. Последните доказателства показват, че инхибирането на отделните дендритни шипове може да модулира притока на калций в гръбначния стълб по време на bAP по селективен начин (Chiu et al., 2013). Тези данни предполагат, че модулацията на SK канала в отделните шипове може селективно да повлияе на притока на калций само в тези шипове по време на bAP, въпреки че този ефект може да бъде доминиран от прогресивното набиране на SK канали, разпределени по цялата дължина на дендритен клон. В съответствие с тази идея, въздействието на активирането на SK канала върху притока на калций на bAP се увеличава с разстоянието от сомата (фиг. 1Е,Ф).

Източници на калций за активиране на SK канала в дендритни шипове

Въпреки че има доказателства, че R-тип VDCCs контролират активирането на SK канала в шипове по време на EPSP-подобни събития, предизвикани от освобождаване на глутамат (Bloodgood and Sabatini, 2007), други проучвания предполагат, че притокът на калций през NMDA рецепторите допринася за активирането на SK канала по време на EPSP ( Faber et al., 2005 Ngo-Anh et al., 2005 Faber, 2010). В съответствие с тази последна идея, NMDA рецепторите и SK каналите са колокализирани в рамките на постсинаптичната плътност в CA1 пирамидалните неврони (Lin et al., 2008). Тъй като SK каналите в шипове модулират активирането на NMDA рецептора (Faber et al., 2005 Ngo-Anh et al., 2005 Faber, 2010), което осигурява основния източник на калций по време на синаптичното активиране (Kovalchuk et al., 2000 Sabatini et al., 2002), идентифицирането на източника на калций, задвижващ активирането на SK канала в шипове по време на EPSPs, е сложно. Това усложнение не съществува в нашите експерименти, тъй като активирането на NMDA рецептора по време на bAP е незначително (Koester и Sakmann, 2000 Sabatini и Svoboda, 2000 Bloodgood и Sabatini, 2007). По време на bAPs откриваме, че инхибирането само на R-тип VDCCs е достатъчно, за да блокира активирането на SK канала. Освен това, инхибирането на N- и P/Q-тип VDCCs, които се експресират в шипове заедно с R-тип VDCCs и водят до подобен приток на калций по време на bAPs, не повлиява активирането на SK канала. Това показва тясно и специфично свързване между R-тип VDCC и SK каналите в главата на гръбначния стълб. Това заключение е подобно на това, направено по-рано по време на подобни на EPSP събития, предизвикани от освобождаване на глутамат в шипове от CA1 пирамидални неврони (Bloodgood and Sabatini, 2007). Тези данни предполагат, че R-тип VDCC и SK каналите в главата на гръбначния стълб са свързани в „нанодомейни“, в съответствие с предишни наблюдения, показващи, че само високи концентрации на бързия, високоафинитетен калциев буфер BAPTA са в състояние да попречат на активирането на SK канала в шипове по време на EPSPs (Ngo-Anh et al., 2005).

Източници на калций за активиране на SK канала по време на mAHP

SK каналите допринасят за mAHP в много типове невронни клетки, включително L5 пирамидални неврони (Schwindt et al., 1988 Sah и McLachlan, 1991 Faber and Sah, 2002 Womack и Khodakhah, 2003), въпреки че това е противоречиво в CA1-пирамидалните неврони et al., 1999 Gu et al., 2008). Способността на ниските концентрации както на бързи (OGB-1), така и на бавни (EGTA) калциеви буфери да инхибират mAHP в L5 кортикални пирамидални неврони предполага, че притокът на калций, задвижващ активирането на соматичните SK канали, работи в рамките на микродомен, а не в нанодомен ( Neher, 1998 Augustine et al., 2003 Eggermann et al., 2012), с разстояние на свързване, по-голямо от ∼150 nm. В съответствие с тази идея, ние показваме, че зависимият от SK канала компонент на mAHP в L5 неврони се контролира от всички известни VDCC подтипове с изключение на R-тип VDCCs, които не се експресират в сомата. Свързването между соматичните SK канали и техния източник на калций в L5 невроните се различава от това в други типове клетки, където източникът на калций за активиране на SK канала по време на mAHP е свързан със специфични VDCC подтипове. Например, в средния мозък допаминергичната невронна активация на SK каналите по време на mAHP зависи единствено от T-тип VDCCs (Wolfart and Roeper, 2002), докато само L-тип канали са свързани със соматичните SK канали в хипокампалните пирамидални неврони (Marrion и Tavalin , 1998). Причините за тази разлика между типовете невронни клетки и защо SK каналите са слабо свързани с множество източници на калций в L5 невроните, не е ясно. И накрая, заслужава да се отбележи, че нашето наблюдение, че ниските концентрации на калциевия индикатор OGB-1 блокира mAHP, увеличавайки скоростта на изстрелване и насърчавайки изстрелването на пръснати, поражда опасенията, че използването на калциеви индикатори с висок афинитет за изследване на мрежовата активност (Garaschuk et. al., 2006) може неволно да повлияе на възбудимостта на невроните и по този начин на динамиката на мрежата.

В заключение, ние показваме, че SK каналите в шипове и дендрити се активират от bAP и действат за ограничаване на притока на дендритен и гръбначен калций по начин, зависим от разстоянието. Очаква се този ефект на SK каналите да повлияе на STDP, особено на дистални дендритни места. Освен това, ние предоставяме доказателства, че SK каналите в шипове и дендрити са силно свързани с техния източник на калций, образувайки нанодомейни с R-тип VDCC. Обратно, SK каналите в сомата на L5 кортикалните пирамидални неврони са слабо свързани с множество източници на калций, образувайки микродомейни с всички известни VDCC, с изключение на канали от R-тип. Тези открития предоставят доказателства за хетерогенно и зависимо от местоположението свързване на SK канали към VDCCs в рамките на същия тип невронален клетъчен тип. Такава изящна компартментализация илюстрира контрастиращата роля, която калцият играе в регулирането на възбудимостта на невроните в различни клетъчни места дори в рамките на един и същ неврон.


Заключения

В обобщение, създадохме серия от модели, включващи биохимия и електрофизиология, които обединяват наблюденията в различни SCA. Тези модели използват няколко нови концепции и подходи и осигуряват рамка за изследване не само на свързаните с IP3R1 атаксии, но на различни SCA, включващи мутации на други молекули в модела, като калиеви канали [65, 79, 101, 102] и калциеви канали [29, 76, 77, 103].

Резултатите от модела показват, че при мишки модели на различни атаксии свързани с активността на калциевия канал IP3R1, ICпептидите могат да се използват за стабилизиране на вътреклетъчната концентрация на калций. Освен това, възстановяването на нормалното освобождаване на калций в модела не променя фината настройка на откриването на съвпадения, предложена от Brown et al. [42]. Хипотезата за свръхчувствителност на IP3R1 в SCA1 се подкрепя от резултатите от симулацията. Нещо повече, понижаването на IP3R1, експериментално наблюдавано при SCA1 мишки, може частично да компенсира свръхчувствителността на рецептора. Понижаването на Хоумър и MyoVa е допълнително компенсаторно.Въпреки това, понижаването на калциевите буферни протеини ускорява патологията. Моделът демонстрира, че IP3-медиирано освобождаване на калций в неврона на Purkinje може да активира зависими от напрежение Kок канали, а именно BK и IK, и дава представа за взаимодействието между чувствителността на IP3R1 и изобилието във функцията и дисфункцията на клетката на Purkinje. Резултатите помагат да се обяснят експерименталните открития при мишки и могат да се използват за прогнозиране за по-нататъшни експерименти, които в крайна сметка могат да бъдат преведени на атаксични индивиди с намалени нива на протеин IP3R1 или повишена чувствителност. Изобилието и чувствителността на IP3R1 са компоненти, участващи в сигнализирането на калций, но в никакъв случай не са единствените фактори, участващи в сигналните системи на тези SCA.


Геометрията на дендритните шипове влияе върху динамиката на калция в невроните на хипокампа: теория и експерименти

Ролята на дендритната морфология на гръбначния стълб в регулирането на пространствено-времевото разпределение на свободната вътреклетъчна концентрация на калций ([Ca 2+ ]и) беше изследван в уникален аксиално-симетричен модел, който се фокусира върху взаимодействията на гръбначния стълб и дендрита, и симулациите на модела бяха сравнени с поведението на истински дендритни шипове в култивирани хипокампални неврони. Набор от нелинейни диференциални уравнения описва поведението на сферична дендритна гръбначна глава, свързана с дендрит чрез цилиндрична гръбначна шия. Механизми за работа с калций (включително вътрешни запаси, буфери и изтичащи пътища) са поставени както в дендритите, така и в бодлите. В отговор на скока на калций, величината и времевият ход на реакцията както в гръбначния стълб, така и в основния дендрит варират като функция от дължината на шията на гръбначния стълб, така че късата шия увеличава големината на реакцията в дендрита и ускорява до възстановяването на главата на гръбначния стълб. Общността на модела, първоначално конструиран за случай на освобождаване на калций от запасите, беше тестван при симулации на бърз приток на калций през мембранните канали и проверено въздействието на шията на гръбначния стълб върху динамиката на калция. Пространствено-времеви разпределения на [Ca 2+ ]и, измерени в отделни дендритни шипове на култивирани хипокампални неврони, инжектирани с Calcium Green-1, бяха наблюдавани с конфокален лазерен сканиращ микроскоп. Линейни сканирания на шипове и дендрити при <1-ms времева разделителна способност разкриват едновременно преходно повишаване на [Ca 2+ ]и в шипове и техните родителски дендрити след приложение на кофеин или по време на спонтанни калциеви преходни процеси, свързани със синаптични или акционни потенциални разряди. Големината на отговорите в отделните компартменти, несъответствието между гръбначния стълб и дендрита и временното разпределение на [Ca 2+ ]и са различни за шипове с къси и дълги шийки, като последните са по-независими от дендрита, в съответствие с прогнозата на модела.


МАТЕРИАЛИ И МЕТОДИ

PBMC изолация и генериране на DC

След писмено съгласие от донори на тромбоцити, бяха събрани левкоредукционни камери на афереза, извършени в Кръвната банка от болница Oswaldo Cruz (Сао Пауло, SP, Бразилия). Институционалната комисия по етика към Института по биомедицински науки одобри протокола. PBMCs от тези камери бяха разделени чрез центрофугиране върху Ficoll-Paque (GE Healthcare, Uppsala, Sweden). PBMCs бяха ресуспендирани в среда AIM V (Gibco, Grand Island, NY, USA), посяти в 75 cm 2 колби за клетъчни култури и инкубирани за една нощ при 37°C и 5% CO2. След инкубиране за една нощ, неприлепналите клетки бяха отстранени, средата беше заменена и бяха добавени GM-CSF (50 ng/ml PeproTech, Rocky Hill, NJ, САЩ) и IL-4 (50 ng/ml PeproTech). След 5 дни клетките получават стимул за зреене с TNF-α (50 ng/ml PeproTech). mDCs бяха получени 48 часа след активирането. За фенотипно характеризиране на клетките по време на култивирането, Mo се събират след отстраняване на неприлепнала клетка на ден 0, а iDCs се събират преди стимула за зреене, на ден 5.

Определяне на мембранния фенотип на DCs

Мембранният фенотип на клетките по време на диференциация и узряване на DCs се определя чрез поточна цитометрия. За всяко състояние 2 × 10 5 клетки бяха белязани с белязани с флуоресценция антитела, специфични за различните мембранни молекули (HLA-DR, CD14, CD83, CD80, CD86, CD11c BD Biosciences, Сан Хосе, Калифорния, САЩ) и анализирани в Цитометър FACSCalibur (BD Biosciences), използващ софтуера FlowJo (Версия 7.2.4 Tree Star, Ashland, OR, САЩ). Мъртвите клетки бяха изключени от анализа чрез използване на LIVE/DEAD Fixable Dead Cell Stain Kit (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA). RFI на повърхностните маркери се изчислява чрез разделяне на MFI на маркираната група на MFI на немаркираната група.

Трансфекция на iDCs с siRNA

За всяка група, 5 μl iMAX (Invitrogen) се разрежда в 95 μl Opti-MEM среда (Invitrogen) и 1.5 μl от 50-mM разтвор на siRNA се разрежда в 98.5 μl Opti-MEM. След това и двата разтвора се смесват, инкубират се при стайна температура за 30 минути и се поставят в плоча с шест ямки. iDCs бяха събрани и ресуспендирани в среда AIM V, допълнена с IL-4 и GM-CSF. За всяко третиране, 1 × 106 клетки (които бяха ресуспендирани в 1,3 mL среда) бяха посяти в шест-ямкова плака, предварително третирани с 200 μl siRNA комплекс. Клетките се активират с TNF-α 4 часа след трансфекцията и се анализират след 48 часа.

Блокиране на CD83

За блокиране на мембранен CD83 в mDCs, 100 ng CD83 mAb (HB15e клон BD Biosciences) бяха добавени към 5 × 10 4 клетки. След 20 минути инкубиране при 4 ° С, DCs се промиват два пъти, за да се отстрани излишъкът от антитяло. Като контрола се използват IgG антитела.

MDC оцветяване

mDCs бяха събрани и ресуспендирани при концентрация от 1 × 106 клетки/mL в PBS, допълнени с 0,5% BSA и 5 mM CellTracker Red CMPTX (Invitrogen). Клетките се инкубират при 37°С в продължение на 15 минути, промиват се два пъти и се ресуспендират в калциевия анализен буфер (съставен от 1 mM CaCl2, 130 mM NaCl, 4,6 mM KCl, 5 mM глюкоза и 20 mM HEPES) или разтвор на KEGTA (състоящ се от 10 mM NaCl, 130 mM KCl, 20 mM HEPES, 10 mM EGTA и Na m2CO3 Сигма, Сейнт Луис, Миссури, САЩ).

Fluo-4-AM зареждане

Т клетките бяха изолирани от неприлепнали PBMCs чрез отрицателна селекция с магнитни перли от Pan T Cell Isolation Kit (Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, Германия), съгласно инструкциите на производителя. След пречистване, Т клетките бяха ресуспендирани при 1 × 10 7 клетки/mL в PBS, допълнени с 0,5% BSA, инкубирани с 1 μM Fluo-4-AM (Invitrogen) за 30 минути при 28°C, промити два пъти и ресуспендирани в буферът за калциев анализ при 1 × 10 6 клетки/mL.

Анализ за мобилизация на калций чрез поточна цитометрия

Флуоресценцията на Т клетки, оцветени с Fluo-4-AM, се получава чрез поточна цитометрия за 60 s без стимул. След това се добавят алогенни DCs, оцветени с CellTracker Red CMPTX, и клетките се придобиват за допълнителни 240 s. Като положителна контрола се използва йономицин (Invitrogen). С помощта на софтуера FlowJo (Версия 7.2.4 Tree Star) бяха изчислени промените в медианата на флуоресценцията на Fluo-4-AM в Т клетките.

Анализ за мобилизация на калций чрез флуоресцентна и конфокална микроскопия

DCs, оцветени с CellTracker Red CMPTX (Invitrogen), бяха посяти в паничка на Петри и бяха добавени алогенни Т клетки, докато се получи видеото във флуоресцентен микроскоп Nikon Eclipse Ti-S (Nikon, Melville, NY, USA) със софтуер NIS-Elements AR (Nikon) или в мултифотонния микроскоп Zeiss LSM 780 (Zeiss, Oberkochen, Германия) с конфокален софтуер ZEN (Zeiss). Изображенията бяха получени за най-малко 10 минути.

Анализ за пролиферация на Т клетки

Пречистените Т клетки бяха белязани с 5 μM CFSE (Invitrogen) и култивирани в култура в 96-ямкова U-дънна плака, с алогенни mDCs при съотношение лимфоцити:DC 10:1. След 5 дни клетките бяха събрани, оцветени с анти-CD3 антитяло (BD Biosciences) и анализирани чрез поточна цитометрия. Т-клетъчната пролиферация се оценява чрез разреждане с CFSE.

Статистически анализ

Статистическите анализи бяха извършени с помощта на GraphPad Prism (GraphPad Software, La Jolla, CA, USA). Ефектът на анти-CD83 антитялото се анализира чрез сдвояване T-тест (*П<0,05 **П<0,01). Сравнения между резултатите, получени от състоянието на DC диференциация и от експерименти за нокдаун на CD83, бяха извършени чрез еднопосочен ANOVA с пост-теста на Тюки (*П<0,05 **П<0,01). Всички графики показват средно ± sem .


РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИЯ

DCs изразяват предимно STIM2, а не STIM1

Преди това ние демонстрирахме SOCE чрез CRAC канали в зрели и незрели DC [1]. За определяне на молекулярните компоненти на ICRAC в тези клетки анализирахме пречистени DCs (Фиг. 1А и Б) за експресия на STIM и Orai протеини. Използвайки RT-PCR, ние открихме транскрипти за STIM1, STIM2 и Orai1–3 (данните не са показани). За да потвърдим експресията на протеин, ние използвахме DC лизати за извършване на Western blot анализ (Фиг. 1 и 2). Изненадващо открихме, че в сравнение с Т-клетките на далака, DCs експресират ниски нива на STIM1 (открит като единична лента в DCs и мозъка и дублет в Т-клетките при ~85 kDa, Фиг. 1C). Обратно, ние открихме стабилна експресия на STIM2 (открита като единична лента при ~100 kDa Фиг. 1C) в тези клетки.

Експресия на STIM протеини в миши DCs. (A) Изображение в светло поле на DCs, получени от BM с типични дендритни процеси (оригинална мащабна лента, 20 μm). (B) Проточен цитометричен анализ показва, че обогатените култури са >90% положителни за DC маркера, CD11c. (C) Western блотове, показващи експресията на STIM1 и (D) STIM2 в DCs. За всяка проба бяха използвани цели клетъчни лизати (30 μg). Целият мозък на мишка и миши Т-клетки бяха използвани като положителни контроли. (E) Петната бяха отстранени и повторно изследвани с β-актин като контрола за зареждане. BMDC, DC, извлечен от BM.

Експресия на протеини Orai в DCs. Western блотове, показващи експресията на (A) Orai1, (B) Orai2 и (C) Orai3 в DCs и Т клетки. За всяка проба бяха използвани цели клетъчни лизати (30 μg). Целият мозък на мишка, Т клетките и Т клетките Jurkat бяха използвани като положителни контроли. Петната бяха отстранени и повторно изследвани с β-актин като контрола за зареждане. *Мономер и димер на протеини Orai.

По подобен начин открихме диференциална протеинова експресия на изоформите на Orai (фиг. 2A-C). По-специално, DCs експресират значително по-ниски нива на Orai1 и Orai3 в сравнение с Т клетките. За Orai1 е открита единична имунореактивна лента при ~45 kDa (фиг. 2А), което вероятно е гликозилирана форма на мономерния протеин Orai1, както е показано от Gwack и сътрудници [18]. За да потвърдим този резултат, извършихме имуноблотинг върху лизати от myc-Orai-1-експресиращи HEK293 клетки (допълнителна фигура 1А). Този анализ разкри забележима 45-kDa лента. Orai3 е открит като мономер при ∼30 kDa и по-изразена лента при ∼60 kDa, което вероятно представлява димер (фиг. 2C). Това тълкуване е подкрепено от нашия анализ на Orai3-експресиращи HEK293 клетки (допълнителна фигура 1C), при които лечението с DTT води до значително увеличение на мономерната лента от ∼30-kDa.

За разлика от другите протеини на Orai, DCs експресират относително високи нива на Orai2 (фиг. 2В), открити като мономер при ~28 kDa и по-изявена лента при ~56 kDa, представляваща димер. Анализът на клетките HEK293, експресиращи Orai2, разкрива подобен имуноблот модел (допълнителна фигура 1C). Освен това видяхме подобни ленти с различно търговско анти-Orai2 антитяло (данните от Alomone Labs не са показани). Ние също така потвърдихме експресията на Orai2 чрез имуноцитохимия (допълнителна фигура 2В). Предишно проучване идентифицира два варианта на снаждане на миши Orai2, свързани с функционални CRAC канали [22]. Използвайки специфични праймери, ние открихме и двата варианта на снаждане - Orai2 малък и Orai2 голям - в DCs, получени от BM и далака (допълнителна фигура 2A).

Като функционална подкрепа за Orai2 в DCs, ние изследвахме чувствителността на SOCE към 2-APB. Последните проучвания показват, че 2-APB по различен начин блокира SOCE и ICRAC медииран от различните изоформи на Orai 2-APB (50 μM) напълно инхибира Orai1 и Orai2, но не засяга Orai3 [23, 24]. Въпреки че тези проучвания са проведени с хетероложно експресирани канали, тази диференциална чувствителност към 2-APB, въпреки това, може да се окаже полезна при разграничаването на ролята на изоформите на Orai в естествените тъкани. Открихме, че 2-APB (50 μM) произвежда почти 100% инхибиране на SOCE (н=250) и ∼90% блок от ICRAC (–100 mV н=8 Допълнителна Фиг. 3). Освен това, при липса на изчерпване на запасите, 2-APB произвежда слабо активиране на Orai1 и силно активиране на Orai3, но няма ефект върху Orai2 [24]. Интересното е, че в DC приложението на 2-APB не успя да доведе до повишаване на Ca 2+ (допълнителна фигура 3C н=30). Освен това, ние не открихме никакви токове на цялата клетка след прилагане на 2-APB (допълнителна фигура 3D н=5). Тези данни са в съответствие с основната роля на Orai2 в SOCE и ICRAC в DCs.

Tg-индуцираното изчерпване на запасите насърчава олигомеризацията на STIM2

Последните доказателства показват, че агрегирането на STIM1 е ​​от съществено значение за активирането на CRAC канала в Jurkat Т клетки [9]. Затова тествахме дали има агрегиране на STIM1 или алтернативно, STIM2 в DC в отговор на изчерпване на магазина. Фиг. 3А показва, че DCs показват дифузно имунооцветяване за STIM1 (в съответствие с ниската експресия на STIM1 в тези клетки) и това е непроменено от третиране с Tg (2 μM за 10 минути). Ние открихме, че същото анти-STIM1 антитяло произвежда подчертано имунооцветяване на Т клетки, потвърждавайки функционалността на антитялото (допълнителна фигура 4А). За разлика от STIM1, Tg произвежда точков модел на STIM2 имунооцветяване (фиг. 4В). По този начин, STIM2, а не STIM1 се агрегират при изчерпване на магазина в DC.

Tg индуцира агрегация на STIM2. (A) Имунофлуоресцентно маркиране на DCs за (A) STIM1 и (B) STIM2 при контролни условия (нестимулиран) и след лечение с Tg (стимулиран 2 μM Tg за 10 минути). Фиксираните клетки бяха пермеабилизирани и оцветени с STIM1 и STIM2 антитяло, последвано от вторично антитяло (FITC-конюгирано), което само води до незначително оцветяване (виж допълнителна фигура 2В).

Stim2 и Orai2 взаимодействат при изчерпване на магазина

Известно е, че изчерпването на запасите води до физически взаимодействия между естествения и хетероложно експресирания STIM1 и Orai1 [10–12]. Нашите резултати, показващи STIM2 олигомеризация и преобладаващата експресия на Orai2 в DCs, ни накараха да проучим допълнително възможността за взаимодействия между STIM2 и Orai2 в отговор на изчерпването на запасите. Открихме, че при базални условия, STIM2 коимунопреципитира с Orai2 и тази връзка се увеличава значително след лечение с Tg (Фиг. 4А и Б). Изненадващо, ние не открихме никакъв STIM1, когато имунопреципитирахме с анти-Orai2 (фиг. 4А) или анти-STIM2 антитяло (фиг. 4В). Показателно е, че STIM2 и Orai2 не се коимунопреципитират със STIM1 (използвайки анти-STIM1 антитяло, Фиг. 4С). Въпреки че Orai1 присъства в комплекса за имунопреципитация, нивата му не се променят от третирането с Tg (фиг. 4C). По този начин тези констатации изключват възможността STIM1 да участва в силното увеличаване на асоциацията на STIM2 и Orai2 след изчерпване на магазина. Освен това е установено, че малкото Orai1 или Orai3 се свързва с Orai2 в контролните и третираните с Tg DC. Взети заедно, тези данни подкрепят хипотезата, че изчерпването на запасите в DC предизвиква олигомеризация на STIM2, който от своя страна взаимодейства с Orai2.

Tg индуцира асоциирането на STIM2 и Orai2, но не и на STIM1. (A и B) Коимунопреципитация, показваща засилената връзка между STIM2 с Orai2 при лечение с Tg. Въпреки че се откриват в комплекса за имунопреципитация (IP), нивата на Orai1 не се повишават от лечението с Tg. (C) STIM2 и Orai2 не присъстват в коимунопреципитацията при използване на STIM1 антитяло. Освен това лечението с Tg не променя нивата на Orai1 в този имунопреципитационен комплекс.

STIM2 и Orai2 в DC са наети в IS

Представянето на антигена, основната функция на DCs, се случва в специализирана връзка между DC и Т клетките – IS – което улеснява агрегацията на пептид-MHC клас II комплекси и сродни TCRs, както и костимулиращи молекули, за да се подобри стимулацията на Т клетките [ 25]. [Ca 2+ ]и сигнализирането, което играе важна роля в представянето на антигена и активирането на Т клетките, също може да бъде улеснено при IS. Наскоро Lioudyno et al. [14] описва движението на Orai1 и STIM1 към IS в Т клетките при стимулация със суперантиген (стафилококов ентеротоксин В)-пулсирани, автоложни DCs. Затова попитахме дали STIM2 и Orai2 са наети по подобен начин като IS в DC. Фиг. 5 показва, че пулсиращите DCs с перли, покрити с ICAM1, задействат полимеризация на актин (зелено оцветяване с фалоидин) и агрегиране на STIM2 (червено, фиг. 5В) и Orai2 (червено, фиг. 5С), насочено към мястото на контакт. Коагрегацията на F-актин и STIM2/Orai2 изглежда като интензивно жълто оцветяване и е очевидна в по-голямата част от изследваните клетки (н>30). Обратно, актинът и STIM2 не се поляризират към перли, покрити само с IgG (фиг. 5А, н>30), демонстриращ специфичността за синаптичен контакт с костите. Ние също така наблюдавахме по-слабо оцветяване на Orai-актин, отдалечено от IS (фиг. 5C). Основният механизъм за този модел на агрегиране е неясен, но интересно е, че MHC клас II в DCs по подобен начин се агрегира в IS и на противоположния полюс [26, 27]. За сравнение, ние изследвахме трафика на STIM1 в Т клетки. Както беше съобщено по-рано, пулсиращи Т клетки с анти-CD3/CD28-покрити перли произвеждат подчертано STIM1 имунооцветяване и агрегация на F-актин в контактната зона (допълнителна фигура 3В). Взети заедно, нашите данни показват, че STIM2 и Orai2 са наети в IS на DC.

Orai2 и STIM2 са локализирани в IS. Представителни конфокални изображения на STIM2 и ORAI2 имунооцветяване в DCs, стимулирани с IgG (A)- или ICAM-1 (B и C)-покрити перли. Кръговете показват позициите на перли, групирани с DC (оригинални мащабни ленти, 15 μm). Клетките бяха белязани с F-актин [фалоидин (PL), зелен], за да се разкрие поляризация на актина към местата на контакт. STIM2 (червено) и ORAI2 (червено) са поляризирани заедно с F-актин към покритото с ICAM1 перли, както е видно от слятото (жълто) оцветяване. Имунооцветяването се оценява чрез заслепено оценяване на >40 произволни конюгати от три независими експеримента.

Значение на STIM2 и Orai2 сигнализиране в DC

Сигнализацията на Ca 2+ е от решаващо значение за узряването и функционирането на DC [2, 3]. По-рано ние показахме, че влизането на Ca 2+ в DCs е предимно медиирано от SOCE [1]. Тук идентифицираме молекулярните компоненти за SOCE сигнализиране в DC: STIM2 и Orai2. Показателно е, че това представлява първият доклад за STIM1-независима SOCE сигнализация в имунните клетки. Предишни проучвания, използващи първични Т-лимфоцити, Jurkat Т-клетки, RBL-2H3 мастоцити и експресионни системи, съобщават, че STIM1 е ​​необходим и достатъчен, за да сигнализира за изчерпване на запасите на ER, водещо до SOCE [4, 5, 9, 13].За разлика от това, ние представяме няколко реда доказателства, които оспорват ролята на STIM1 в SOCE DC. По-специално, ние открихме, че в сравнение с Т клетките, DCs експресират високи нива на STIM2 и само ниски нива на STIM1. Може да се твърди, че дори ниските нива на STIM1 може да са достатъчни, за да задействат SOCE. Въпреки това, нашите функционални и биохимични данни не подкрепят тази позиция. Първо, открихме, че изчерпването на запаса на ER Ca 2+ задейства агрегирането на STIM2, а не на STIM1. Второ, откриваме, че изчерпването на запасите не успява да увеличи физическите асоциации между STIM1 и Orai протеините, освен това STIM1 не се свързва с Orai2 при контролирани или стимулирани условия. Вместо това откриваме, че изчерпването на магазина значително увеличава връзката между STIM2 и Orai2. По този начин нашите данни показват, че SOCE в DCs вероятно се задейства от STIM2, който от своя страна взаимодейства с Orai2.

Последните проучвания в експресионните системи [15, 24, 28] показват, че STIM2 притежава способността да задейства SOCE. Освен това, свръхекспресията на STIM2 може да възстанови SOCE в Т клетки [29] или фибробласти [13], които са с дефицит на STIM1. Биологичната значимост на STIM2-задействания SOCE в имунните клетки обаче не е ясна, тъй като нокдаунът на STIM2 произвежда само незначително намаляване на SOCE, измерено в Т клетки и фибробласти [13]. В други тъкани изглежда, че STIM2 играе по-важна роля в SOCE. Например, изглежда, че STIM2 е доминиращият тригер за SOCE в мозъчната генетична делеция на STIM2 на практика премахва SOCE в невроните [30]. Освен това, STIM2 допринася с ∼50% от SOCE в човешки миобласти и миотуби [31]. Тези данни и нашите настоящи открития показват, че STIM1 и STIM2 вероятно функционират по специфичен за тъканите начин. Не е ясно дали тези протеини имат функционално различни свойства. Darbellay et al. [31] показват, че STIM1 и STIM2 са функционално еквивалентни (поне за активиране на SOCE) ефектите от нокдаун на всяка изоформа могат да бъдат спасени чрез свръхекспресия на другата. От друга страна, Брандман и колеги [15] съобщават, че STIM2 има общ намален афинитет към ER Ca 2+ в сравнение с този на STIM1. Последствието от това откритие е, че по-малко намаляване на ER Ca 2+ може да бъде достатъчно, за да активира STIM2 и да задейства SOCE. При DC това може да доведе до засилено навлизане на Ca 2+, дори в отговор на слаби външни стимули, свойство, което може да подпомогне вродената имунна функция на DC. В допълнение към задействането на SOCE, STIM1 може да свързва и активира различни TRPC канали [32]. Не е известно дали STIM2 споделя това свойство, въпреки че STIM1 и STIM2 съдържат полилизин С край, замесен в електростатичното активиране на TRPC каналите. И накрая, нативният STIM1, но не и STIM2, може да се вмъкне в плазмената мембрана [33, 34], което въпреки че не е от съществено значение за SOCE, може да допринесе за други клетъчни функции, като клетъчна адхезия. По този начин, селективната експресия на STIM2 в DCs може да доведе до променени свойства на клетките независимо от SOCE.

Няколко проучвания показват, че Orai1 е основната субединица на CRAC канала [6, 10, 17]. За разлика от това, ние показваме, че Orai2 представлява основната изоформа на Orai в DC и това се основава на експресията на Orai2, физическите взаимодействия със STIM2 и характерната 2-APB чувствителност. Значението на Orai2-медиирания SOCE в DCs не е ясно. Въпреки че Orai1–3 притежава сходни свойства на канала, включително проводимост и йонна селективност, те показват различни свойства на стробиране. Orai1-медииран ICRAC показва бърза индуцирана от Ca 2+ инактивация [35], която не се наблюдава при Orai2 [22]. Ако приемем, че тези свойства се възпроизвеждат в естествените тъкани, тогава Orai2-медиираният SOCE в DC може да бъде в състояние да поддържа по-устойчиво увеличение на [Ca 2+ ]и. Всъщност, DCs показват удължени Ca 2+ преходни процеси в отговор на стимулация на GPCRs [1, 36], а не осцилаторния модел, който експресира Orai1, често наблюдаван в Т клетките. В допълнение, Orai1 и Orai3 субединици медиират арахидонат-зависимия ток, наблюдаван в много невъзбудими клетки [37]. Следователно недостигът на тези протеини в DCs предполага намалена чувствителност към възпалителна арахидонова киселина.

Показателно е, че ние показваме, че STIM2 и Orai2 се набират в DC имунния синапс при стимулация с ICAM-1. IS поддържа групиране на адхезионни молекули, пептид-MHC клас II и костимулиращи молекули и улеснява продуктивните срещи с Т клетки [26, 38–40]. Образуването на IS в DCs е придружено от повишаване на [Ca 2+ ]и [41], както и поляризация на актина към мястото на контакт на Т-клетките [26, 39]. Ca 2+ вероятно е важен за това пренареждане на цитоскелета. Действително, повърхностната експресия на МНС клас II и CD86 в DCs се инхибира от Ca 2+ хелация [3]. Нашите данни, показващи, че ключови компоненти на SOCE клъстера в IS, предполагат, че SOCE може да участва в инициирането или поддържането на IS и/или IS сигнализиране. Надяваме се, че бъдещите проучвания ще отговорят на тези въпроси.

В заключение, нашите данни показват, че STIM2 и Orai2 са ключови молекули, лежащи в основата на SOCE в DC. Освен това, ние показваме, че STIM2 и Orai2 се групират в IS, което предполага, че фокалното влизане на Ca 2+ регулира свойствата на DC синапсите.


Гледай видеото: Mediators of Inflammation: An Introduction (Август 2022).