В биологии сигнал движется назад к своему источнику.
Ретроградная передача сигналов в биологии — это процесс, при котором сигнал движется назад от целевого источника к исходному. Например, ядро клетки является исходным источником создания сигнальных белков. Во время ретроградной передачи сигналов вместо сигналов, покидающих ядро, они отправляются в ядро. [1] В клеточной биологии этот тип передачи сигналов обычно происходит между митохондриями или хлоропластами и ядром. Сигнальные молекулы из митохондрий или хлоропластов действуют на ядро, влияя на экспрессию ядерных генов. В этом отношении хлоропласты или митохондрии действуют как сенсор внутренних внешних стимулов, которые активируют сигнальный путь. [2]
Постсинаптический дендрит (зеленый) и пресинаптический нейрон (желтый) обнаруживаются при ретроградной нейротрансмиссии.
В нейробиологии ретроградная передача сигналов (или ретроградная нейротрансмиссия ) относится более конкретно к процессу, посредством которого ретроградный мессенджер, такой как анандамид или оксид азота , высвобождается постсинаптическим дендритом или телом клетки и перемещается «назад» через химический синапс для связывания. к окончанию аксона пресинаптического нейрона . [3]
В клеточной биологии
Ретроградные сигналы передаются от пластид к ядру у растений и эукариотических водорослей [4] [2] и от митохондрий к ядру у большинства эукариот. [5] Обычно считается, что ретроградные сигналы передают внутриклеточные сигналы, связанные со стрессом и восприятием окружающей среды. [6] Многие из молекул, связанных с ретроградной передачей сигналов, действуют на модификацию транскрипции или путем прямого связывания и действия в качестве фактора транскрипции . Результаты этих сигнальных путей различаются в зависимости от организма , а также от стимулов или стресса. [4]
Эволюция
Считается, что ретроградная передача сигналов возникла после эндоцитоза митохондрий и хлоропластов миллиарды лет назад. [7] Первоначально считалось, что это фотосинтезирующие бактерии, но митохондрии и хлоропласты перенесли часть своей ДНК в защищенное мембраной ядро. [8] Таким образом, некоторые белки, необходимые для митохондрий или хлоропластов, находятся внутри ядра. Эта передача ДНК также потребовала наличия сети связи, чтобы правильно реагировать на внешние и внутренние сигналы и производить необходимые белки. [9]
В дрожжах
Первым ретроградным сигнальным путем, обнаруженным у дрожжей, является путь RTG. [10] [11] Путь РТГ играет важную роль в поддержании метаболического гомеостаза дрожжей. [11] При ограниченных ресурсах митохондрии должны поддерживать баланс глутамата для цикла лимонной кислоты . [12] Ретроградная передача сигналов из митохондрий инициирует выработку молекул-предшественников глутамата, чтобы правильно сбалансировать запасы внутри митохондрий. [13] Ретроградная передача сигналов также может останавливать рост, если возникают проблемы. У Saccharomyces cerevisiae , если митохондрии не развиваются должным образом, они перестанут расти до тех пор, пока проблема не будет решена или не будет вызвана гибель клеток. [13] Эти механизмы жизненно важны для поддержания гомеостаза клетки и обеспечения правильного функционирования митохондрий. [13]
В растениях
Одной из наиболее изученных ретроградных сигнальных молекул в растениях являются активные формы кислорода (АФК). [14] Эти соединения, которые ранее считались повреждающими клетку, с тех пор были обнаружены как сигнальные молекулы. [15] Активные формы кислорода образуются как побочный продукт аэробного дыхания и действуют на гены, участвующие в реакции на стресс. [15] В зависимости от стресса активные формы кислорода могут воздействовать на соседние клетки, инициируя локальный сигнал. [16] Таким образом, окружающие клетки «подготавливаются» реагировать на стресс, поскольку гены, участвующие в реакции на стресс, инициируются до того, как он подвергнется стрессу. [16] Хлоропласт также может действовать как сенсор реакции патогенов и засухи. Обнаружение этих стрессов в клетке вызовет образование соединений, которые затем могут воздействовать на ядро, вызывая гены устойчивости к патогенам или толерантности к засухе. [17]
В нейробиологии
Петля обратной связи обнаружена в ретроградной неврологической передаче сигналов.
Основной целью ретроградной нейротрансмиссии является регуляция химической нейротрансмиссии . [3] По этой причине ретроградная нейротрансмиссия позволяет нейронным цепям создавать петли обратной связи . В том смысле, что ретроградная нейротрансмиссия в основном служит для регуляции типичной антероградной нейротрансмиссии, а не для фактического распространения какой-либо информации, она аналогична электрической нейротрансмиссии .
В отличие от обычных (антероградных) нейромедиаторов, ретроградные нейромедиаторы синтезируются в постсинаптическом нейроне и связываются с рецепторами на окончаниях аксона пресинаптического нейрона. [18] Кроме того, ретроградная передача сигналов инициирует сигнальный каскад, который фокусируется на пресинаптическом нейроне. Как только ретроградная передача сигналов инициируется, происходит увеличение потенциалов действия, которое начинается в пресинаптическом нейроне, что напрямую влияет на постсинаптический нейрон, увеличивая количество его рецепторов. [19]
Ретроградная передача сигналов может также играть роль в долговременной потенциации (LTP), предполагаемом механизме обучения и памяти, хотя это спорно. [25] [26] [27]
Формальное определение ретроградного нейромедиатора
В 2009 году Регер и др. предложены критерии определения ретроградных нейромедиаторов. Согласно их работе, сигнальную молекулу можно считать ретроградным нейромедиатором, если она удовлетворяет всем следующим критериям: [3]
Соответствующий механизм синтеза и высвобождения ретроградного мессенджера должен быть расположен в постсинаптическом нейроне.
Нарушение синтеза и/или высвобождения мессенджера из постсинаптического нейрона должно предотвратить ретроградную передачу сигналов.
Соответствующие мишени для ретроградного посланника должны быть расположены в пресинаптическом бутоне.
Нарушение целей ретроградного посланника в пресинаптических бутонах должно устранить ретроградную сигнализацию.
Воздействие мессенджера на пресинаптический бутон должно имитировать ретроградную передачу сигналов при условии, что присутствия ретроградного мессенджера достаточно для возникновения ретроградной передачи сигналов.
В случаях, когда ретроградного посланника недостаточно, сочетание других факторов с ретроградным сигналом должно имитировать явление.
Типы ретроградных нейромедиаторов
Наиболее распространенными эндогенными ретроградными нейротрансмиттерами являются оксид азота [23] [24] и различные эндоканнабиноиды , являющиеся липофильными лигандами. [19] [28]
Ретроградный нейромедиатор, оксид азота (NO), представляет собой растворимый газ, который легко диффундирует через различные клеточные мембраны. [29] Синтаза оксида азота — фермент, ответственный за синтез NO в различных пресинаптических клетках. [30] В частности, известно, что NO играет решающую роль в LTP, которая играет важную роль в хранении памяти в гиппокампе. [31] Кроме того, литературные данные свидетельствуют о том, что NO может действовать как внутриклеточный посредник в мозге, а также может оказывать влияние на пресинаптические глутаматергические и ГАМКергические синапсы. [32]
Используя ретроградную передачу сигналов, эндоканнабиноиды, тип ретроградных нейромедиаторов, активируются, когда они связываются с рецепторами, связанными с G-белком, на пресинаптических окончаниях нейронов. [33] Активация эндоканнабиноидов приводит к высвобождению определенных нейротрансмиттеров в возбуждающих и тормозных синапсах нейрона, что в конечном итоге влияет на различные формы пластичности. [34] [19] [33]
Ретроградная передача сигналов при долгосрочной потенциации
Что касается LTP, ретроградная передача сигналов — это гипотеза, описывающая, как события, лежащие в основе LTP, могут начинаться в постсинаптическом нейроне , но распространяться на пресинаптический нейрон , даже если нормальная коммуникация через химический синапс происходит в пресинаптическом и постсинаптическом направлении. Чаще всего его используют те, кто утверждает, что пресинаптические нейроны вносят значительный вклад в экспрессию LTP. [35]
Фон
Долговременная потенциация — это стойкое увеличение силы химического синапса , которое длится от нескольких часов до дней. [36] Считается, что это происходит посредством двух разделенных во времени событий: сначала происходит индукция , а затем экспрессия . [36] Большинство исследователей LTP согласны с тем, что индукция является полностью постсинаптическим, тогда как существуют разногласия относительно того, является ли экспрессия преимущественно пресинаптическим или постсинаптическим событием. [26] Некоторые исследователи полагают, что в экспрессии LTP играют роль как пресинаптические, так и постсинаптические механизмы. [26]
Если бы ДП полностью индуцировалась и экспрессировалась постсинаптически, у постсинаптической клетки не было бы необходимости связываться с пресинаптической клеткой после индукции ДП. Однако постсинаптическая индукция в сочетании с пресинаптической экспрессией требует, чтобы после индукции постсинаптическая клетка могла взаимодействовать с пресинаптической клеткой. Поскольку нормальная синаптическая передача происходит в пресинаптическом направлении к постсинаптическому, постсинаптическая связь с пресинаптической считается формой ретроградной передачи. [25]
Механизм
Гипотеза ретроградной передачи сигналов предполагает, что на ранних стадиях экспрессии ДП постсинаптическая клетка «посылает сообщение» пресинаптической клетке, чтобы уведомить ее о том, что стимул, индуцирующий ДП, был получен постсинаптически. Общая гипотеза ретроградной передачи сигналов не предлагает точного механизма отправки и получения этого сообщения. Одним из механизмов может быть то, что постсинаптическая клетка синтезирует и высвобождает ретроградный мессенджер при получении стимуляции, индуцирующей ДП. [37] [38] Другая причина заключается в том, что при такой активации он выпускает заранее сформированного ретроградного посланника. Еще один механизм заключается в том, что белки, охватывающие синапс, могут быть изменены стимулами, индуцирующими LTP, в постсинаптической клетке, и что изменения в конформации этих белков распространяют эту информацию через синапс в пресинаптическую клетку. [39]
Личность мессенджера
Из этих механизмов наибольшее внимание привлекла гипотеза ретроградного посланника. Среди сторонников модели существуют разногласия по поводу личности ретроградного посланника. Шквал работ в начале 1990-х годов, направленных на демонстрацию существования ретроградного мессенджера и определение его личности, привел к появлению списка кандидатов, включающего окись углерода , [40] фактор активации тромбоцитов , [41] [42] арахидоновую кислоту , [43] и оксид азота. Оксиду азота в прошлом уделялось большое внимание, но недавно его вытеснили белки адгезии , которые охватывают синаптическую щель и присоединяются к пресинаптическим и постсинаптическим клеткам. [39] Эндоканнабиноиды анандамид и/или 2 -AG , действующие через G-белковые каннабиноидные рецепторы , могут играть важную роль в ретроградной передаче сигналов при LTP. [20] [21]
Рекомендации
^ Лейстер, Дарио (2012). «Ретроградная сигнализация у растений: от простых к сложным сценариям». Границы в науке о растениях . 3 : 135. дои : 10.3389/fpls.2012.00135 . ISSN 1664-462X. ПМЦ 3377957 . ПМИД 22723802.
^ аб Нотт А., Юнг Х.С., Кусевицкий С., Чори Дж. (июнь 2006 г.). «Ретроградная передача сигналов от пластиды к ядру». Ежегодный обзор биологии растений . 57 : 739–59. doi : 10.1146/annurev.arplant.57.032905.105310. ПМИД 16669780.
^ abc Regehr WG, Кэри MR, Best AR (июль 2009 г.). «Зависимая от активности регуляция синапсов ретроградными мессенджерами». Нейрон . 63 (2): 154–70. doi : 10.1016/j.neuron.2009.06.021. ПМЦ 3251517 . ПМИД 19640475.
^ аб Дуанму Д., Касеро Д., Дент Р.М., Галлахер С., Ян В., Роквелл, Северная Каролина и др. (Февраль 2013). «Ретроградная передача сигналов билина обеспечивает зеленение и фототрофное выживание Chlamydomonas». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (9): 3621–6. дои : 10.1073/pnas.1222375110 . ПМЦ 3587268 . ПМИД 23345435.
^ Нотт А., Юнг Х.С., Кусевицкий С., Чори Дж. (2006). «Ретроградная передача сигналов от пластиды к ядру». Ежегодный обзор биологии растений . 57 : 739–59. doi : 10.1146/annurev.arplant.57.032905.105310. ПМИД 16669780.
^ Беван Р.Б., Ланг Б.Ф. (2004). «Эволюция митохондриального генома: происхождение митохондрий и эукариот». Митохондриальная функция и биогенез . Темы современной генетики. Том. 8. Берлин, Гейдельберг: Шпрингер. стр. 1–35. дои : 10.1007/b96830. ISBN978-3-540-21489-2.
^ да Кунья FM, Торелли NQ, Ковальтовски AJ (2015). «Митохондриальная ретроградная передача сигналов: триггеры, пути и результаты». Окислительная медицина и клеточное долголетие . 2015 : 482582. doi : 10.1155/2015/482582 . ПМЦ 4637108 . ПМИД 26583058.
^ Уилан С.П., Цукербраун Б.С. (2013). «Митохондриальная передача сигналов: вперед, назад и между ними». Окислительная медицина и клеточное долголетие . 2013 : 351613. doi : 10.1155/2013/351613 . ПМЦ 3681274 . ПМИД 23819011.
^ Парих В.С., Морган М.М., Скотт Р., Клементс Л.С., Бутоу Р.А. (январь 1987 г.). «Генотип митохондрий может влиять на экспрессию ядерных генов у дрожжей». Наука . 235 (4788): 576–80. Бибкод : 1987Sci...235..576P. дои : 10.1126/science.3027892. ПМИД 3027892.
^ ab Лю З., Секито Т., Эпштейн CB, Бутов Р.А. (декабрь 2001 г.). «RTG-зависимая передача сигналов между митохондриями и ядром отрицательно регулируется белком Lst8p с семью WD-повторами». Журнал ЭМБО . 20 (24): 7209–19. дои : 10.1093/emboj/20.24.7209. ПМЦ 125777 . ПМИД 11742997.
^ Язвински С.М., Криете А (2012). «Ретроградный ответ дрожжей как модель внутриклеточной передачи сигналов о митохондриальной дисфункции». Границы в физиологии . 3 : 139. doi : 10.3389/fphys.2012.00139 . ПМЦ 3354551 . ПМИД 22629248.
^ abc Лю З, Бутов Р.А. (октябрь 1999 г.). «Транкрипционное переключение экспрессии генов цикла трикарбоновых кислот дрожжей в ответ на снижение или потерю дыхательной функции». Молекулярная и клеточная биология . 19 (10): 6720–8. дои : 10.1128/MCB.19.10.6720. ПМЦ 84662 . ПМИД 10490611.
^ Марута Т., Ноши М., Танучи А., Тамои М., Ябута Ю., Ёсимура К. и др. (апрель 2012 г.). «Ретроградная передача сигналов от хлоропластов к ядру, запускаемая H2O2, играет особую роль в ответ на стресс». Журнал биологической химии . 287 (15): 11717–29. дои : 10.1074/jbc.m111.292847 . ПМК 3320920 . ПМИД 22334687.
^ Аб Шибер М., Чандель Н.С. (май 2014 г.). «Функция АФК в передаче окислительно-восстановительных сигналов и окислительном стрессе». Современная биология . 24 (10): Р453-62. дои :10.1016/j.cub.2014.03.034. ПМК 4055301 . ПМИД 24845678.
^ аб Шапигузов А, Вайнонен Дж. П., Врзачек М., Кангасъярви Дж. (2012). «Разговор об АФК - как апопласт, хлоропласт и ядро передают сообщение». Границы в науке о растениях . 3 : 292. doi : 10.3389/fpls.2012.00292 . ПМК 3530830 . ПМИД 23293644.
^ Эставилло ГМ, Чан КХ, Фуа С.И., Погсон Б.Дж. (2013). «Пересмотр природы и механизма действия ретроградных сигналов метаболитов хлоропласта». Границы в науке о растениях . 3 : 300. doi : 10.3389/fpls.2012.00300 . ПМК 3539676 . ПМИД 23316207.
^ Тао, Хуэйчжун В.; Пу, Му-мин (25 сентября 2001 г.). «Ретроградная передача сигналов в центральных синапсах». Труды Национальной академии наук . 98 (20): 11009–11015. Бибкод : 2001PNAS...9811009T. дои : 10.1073/pnas.191351698 . ISSN 0027-8424. ПМК 58675 . ПМИД 11572961.
^ abc «Эффективность эндоканнабиноидов посредством ретроградной передачи сигналов | Науки о каннабисе» . Лабороты . Проверено 5 мая 2021 г.
^ ab Alger BE (ноябрь 2002 г.). «Ретроградная передача сигналов в регуляции синаптической передачи: фокус на эндоканнабиноидах». Прогресс нейробиологии . 68 (4): 247–86. дои : 10.1016/S0301-0082(02)00080-1. PMID 12498988. S2CID 22754679.
^ Крейцер AC, Regehr WG (июнь 2002 г.). «Ретроградная передача сигналов эндоканнабиноидами». Современное мнение в нейробиологии . 12 (3): 324–30. дои : 10.1016/S0959-4388(02)00328-8. PMID 12049940. S2CID 5846728.
^ аб О'Делл Т.Дж., Хокинс Р.Д., Кандел Э.Р., Арансио О (декабрь 1991 г.). «Испытания роли двух диффундирующих веществ в долгосрочном потенциировании: доказательства того, что оксид азота является возможным ранним ретроградным мессенджером». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 88 (24): 11285–9. Бибкод : 1991PNAS...8811285O. дои : 10.1073/pnas.88.24.11285 . ПМЦ 53119 . ПМИД 1684863.
^ аб Мален П.Л., Чепмен П.Ф. (апрель 1997 г.). «Оксид азота способствует долговременному потенцированию, но не долгосрочной депрессии». Журнал неврологии . 17 (7): 2645–51. doi :10.1523/JNEUROSCI.17-07-02645.1997. ПМК 6573517 . ПМИД 9065524.
^ ab Regehr WG, Кэри MR, Best AR (июль 2009 г.). «Зависимая от активности регуляция синапсов ретроградными мессенджерами». Нейрон . 63 (2): 154–70. doi : 10.1016/j.neuron.2009.06.021. ПМЦ 3251517 . ПМИД 19640475.
^ abc Николл РА, Маленка RC (сентябрь 1995 г.). «Контрастные свойства двух форм долговременной потенциации в гиппокампе». Природа . 377 (6545): 115–8. Бибкод : 1995Natur.377..115N. дои : 10.1038/377115a0. PMID 7675078. S2CID 4311817.
^ Авраам В.К., Джонс О.Д., Гланцман Д.Л. (декабрь 2019 г.). «Является ли пластичность синапсов механизмом долговременного хранения памяти?». npj Наука обучения . 4 (1): 9. Бибкод : 2019npjSL...4....9A. дои : 10.1038/s41539-019-0048-y. ПМК 6606636 . ПМИД 31285847.