Конус роста представляет собой большое поддерживаемое актином расширение развивающегося или регенерирующего нейрита , ищущего свою синаптическую цель. Именно конус роста стимулирует рост аксона. [1] Первоначально их существование было предположено испанским гистологом Сантьяго Рамоном-и-Кахалем на основе неподвижных изображений, которые он наблюдал под микроскопом . Он впервые описал конус роста на основе фиксированных клеток как «концентрацию протоплазмы конической формы, наделенной амебоидными движениями» (Кахаля, 1890). [2] Конусы роста расположены на кончиках нейритов, дендритов или аксонов нервной клетки . Сенсорные, моторные, интегративные и адаптивные функции растущих аксонов и дендритов заключены в этой специализированной структуре.
Морфологию конуса роста можно легко описать, используя в качестве аналогии руку. Тонкие продолжения конуса роста представляют собой заостренные филоподии , известные как микрошипы. [3] Филоподии похожи на «пальцы» конуса роста; они содержат пучки актиновых нитей (F-актин), которые придают им форму и поддержку. Филоподии являются доминирующими структурами в конусах роста и выглядят как узкие цилиндрические расширения, которые могут выступать на несколько микрометров за край конуса роста. Филоподии связаны мембраной, которая содержит рецепторы и молекулы клеточной адгезии, которые важны для роста и направления аксонов .
Между филоподиями, очень похожими на перепонки на руках, находятся « ламеллиподии ». Это плоские области плотной актиновой сети вместо связанного F-актина, как в филоподиях. Они часто появляются рядом с передним краем конуса роста и располагаются между двумя филоподиями, придавая им вид «вуали». В конусах роста из этих межфилоподиальных покровов обычно появляются новые филоподии.
Конус роста описывается тремя областями: периферическим (P) доменом, переходным (T) доменом и центральным (C) доменом. Периферический домен представляет собой тонкую область, окружающую внешний край конуса роста. Он состоит в основном из актинового цитоскелета и содержит ламеллиподии и филоподии, которые очень динамичны. Однако известно, что микротрубочки временно проникают в периферическую область посредством процесса, называемого динамической нестабильностью . Центральный домен расположен в центре конуса роста, ближайшего к аксону. Эта область состоит в основном из цитоскелета на основе микротрубочек, обычно толще и содержит множество органелл и везикул различных размеров. Переходный домен — это область, расположенная в тонкой полосе между центральным и периферическим доменами.
Конусы роста молекулярно специализированы, их транскриптомы и протеомы отличаются от транскриптомов тел родительских клеток. [4] Существует множество белков, связанных с цитоскелетом, которые выполняют различные функции внутри конуса роста, например, закрепляют актин и микротрубочки друг к другу, к мембране и к другим компонентам цитоскелета. Некоторые из этих компонентов включают молекулярные моторы, которые генерируют силу внутри конуса роста, и мембраносвязанные везикулы, которые транспортируются в конус роста и из него через микротрубочки. Некоторыми примерами белков, связанных с цитоскелетом, являются фасцин и филамины (связывание актина), талин (закрепление актина), миозин (транспорт везикул) и mDia (связывание микротрубочек с актином).
Высокодинамичный характер конусов роста позволяет им реагировать на окружающую среду, быстро меняя направление и разветвляясь в ответ на различные стимулы. Существует три стадии роста аксонов, которые называются: выпячивание, нагрубание и консолидация. Во время выпячивания происходит быстрое расширение филоподий и пластинчатых отростков вдоль переднего края конуса роста. Нагрубание происходит, когда филоподии перемещаются к боковым краям конуса роста, а микротрубочки проникают дальше в конус роста, принося с собой везикулы и органеллы, такие как митохондрии и эндоплазматический ретикулум. Наконец, консолидация происходит, когда F-актин в шейке конуса роста деполимеризуется и филоподии втягиваются. Затем мембрана сжимается, образуя цилиндрический стержень аксона вокруг пучка микротрубочек. Одна из форм ветвления аксонов также происходит посредством того же процесса, за исключением того, что конус роста «расщепляется» во время фазы насыщения. Это приводит к раздвоению главного аксона. Дополнительная форма ветвления аксонов называется коллатеральным (или интерстициальным) ветвлением. [5] [6] Коллатеральное ветвление, в отличие от бифуркаций аксона, предполагает образование новой ветви из установленного стержня аксона и не зависит от конуса роста на кончике растущего аксона. В этом механизме аксон первоначально образует филоподий или ламеллиподий, который после инвазии аксональных микротрубочек может затем развиваться дальше в ветвь, идущую перпендикулярно стержню аксона. Установленные коллатеральные ветви, как и главный аксон, имеют конус роста и развиваются независимо от кончика основного аксона.
В целом, удлинение аксона является продуктом процесса, известного как рост кончика. В этом процессе новый материал добавляется в конус роста, в то время как остальная часть аксонального цитоскелета остается неподвижной. Это происходит посредством двух процессов: динамики цитоскелета и механического напряжения. Благодаря динамике цитоскелета микротрубочки полимеризуются в ростовой конус и доставляют жизненно важные компоненты. Механическое напряжение возникает, когда мембрана растягивается за счет генерации силы молекулярными моторами в конусе роста и сильной адгезии с субстратом вдоль аксона. Как правило, быстрорастущие конусы роста малы и имеют большую степень растяжения, тогда как медленно движущиеся или приостановившиеся конусы роста очень велики и имеют низкую степень растяжения.
Конусы роста постоянно формируются за счет построения актиновых микрофиламентов и расширения плазматической мембраны посредством слияния пузырьков . Актиновые нити деполимеризуются и разбираются на проксимальном конце, позволяя свободным мономерам мигрировать к переднему краю (дистальному концу) актиновой нити, где они могут полимеризоваться и, таким образом, повторно прикрепиться. Актиновые нити также постоянно транспортируются от переднего края посредством процесса, управляемого миозиновым мотором, известного как ретроградный поток F-актина. Актиновые нити полимеризуются в периферической области, а затем транспортируются обратно в переходную область, где нити деполимеризуются; таким образом освобождая мономеры для повторения цикла. Это отличается от актиновой беговой дорожки, поскольку движется весь белок. Если бы белок просто двигался по беговой дорожке, мономеры деполимеризовались бы с одного конца и полимеризовались бы на другом, в то время как сам белок не двигался бы.
Способность к росту аксонов заключается в микротрубочках, которые расположены сразу за актиновыми нитями. Микротрубочки могут быстро полимеризоваться и, таким образом, «зондировать» богатую актином периферическую область конуса роста. Когда это происходит, полимеризующиеся концы микротрубочек вступают в контакт с местами адгезии F-актина, где белки, связанные с кончиками микротрубочек, действуют как «лиганды». Ламинины базальной мембраны взаимодействуют с интегринами конуса роста, способствуя движению конуса роста вперед. Кроме того, рост аксонов также поддерживается за счет стабилизации проксимальных концов микротрубочек, которые обеспечивают структурную поддержку аксона.
Движение аксонов контролируется интеграцией их сенсорной и моторной функции (описанной выше), которая осуществляется посредством вторичных мессенджеров , таких как кальций и циклические нуклеотиды. Сенсорная функция аксонов зависит от сигналов внеклеточного матрикса, которые могут быть как привлекательными, так и отталкивающими, помогая тем самым увести аксон с определенных путей и привлечь его к надлежащему целевому месту назначения. Привлекательные сигналы ингибируют ретроградный поток актиновых нитей и способствуют их сборке, тогда как отталкивающие сигналы имеют прямо противоположный эффект. Белки, стабилизирующие актин, также участвуют и необходимы для продолжения выпячивания филоподий и ламеллиподий в присутствии привлекательных сигналов, тогда как белки, дестабилизирующие актин, участвуют в присутствии отталкивающего сигнала.
Аналогичный процесс происходит с микротрубочками . При наличии привлекательного сигнала на одной стороне конуса роста специфические микротрубочки на этой стороне подвергаются воздействию белков, стабилизирующих микротрубочки, в результате чего конус роста поворачивается в направлении положительного стимула. В случае с отталкивающими сигналами верно обратное: стабилизация микротрубочек предпочтительна на противоположной стороне конуса роста, поскольку негативный стимул приводит к тому, что конус роста отворачивается от репеллента. Этот процесс в сочетании с процессами, связанными с актином, приводит к общему направленному росту аксона.
Рецепторы конуса роста обнаруживают присутствие молекул, направляющих аксоны, таких как нетрин , слит , эфрины и семафорины . Совсем недавно было показано, что детерминанты клеточной судьбы, такие как Wnt или Shh , также могут действовать как направляющие сигналы. Один и тот же ориентир может действовать как аттрактант или репеллент, в зависимости от контекста. Ярким примером этого является Нетрин-1, который сигнализирует о притяжении через рецептор нетрина DCC и отталкивании через рецептор UNC-5 . Более того, было обнаружено, что эти же молекулы участвуют в управлении ростом сосудов. Направление аксонов направляет первоначальную проводку нервной системы, а также играет важную роль в регенерации аксонов после травмы . [7]