Синаптогенез — это образование синапсов между нейронами в нервной системе . Хотя это происходит на протяжении всей жизни здорового человека , взрыв образования синапсов происходит во время раннего развития мозга , известного как избыточный синаптогенез . [1] Синаптогенез особенно важен в критический период человека , во время которого происходит определенная степень синаптической обрезки из-за конкуренции за факторы роста нейронов и синапсов. Процессы, которые не используются или подавляются в течение критического периода, не смогут нормально развиваться в дальнейшей жизни. [2] [ необходимо дополнительное объяснение ]
Нервно -мышечное соединение (НМС) является наиболее хорошо охарактеризованным синапсом, поскольку оно обеспечивает простую и доступную структуру, которая позволяет легко манипулировать и наблюдать. Сам синапс состоит из трех клеток: двигательного нейрона , миофибриллы и шванновской клетки . В нормально функционирующем синапсе сигнал вызывает деполяризацию двигательного нейрона, высвобождая нейротрансмиттер ацетилхолин (ACh). Ацетилхолин проходит через синаптическую щель, где достигает ацетилхолиновых рецепторов (AChR) на плазматической мембране миофибриллы, сарколемме . Когда AChR открывают ионные каналы , мембрана деполяризуется, вызывая сокращение мышцы. Весь синапс покрыт миелиновой оболочкой, предоставляемой шванновской клеткой для изоляции и инкапсуляции соединения. [3] Другой важной частью нервно-мышечной системы и центральной нервной системы являются астроциты . Хотя изначально считалось, что они выполняют только функцию поддержки нейронов, они играют важную роль в функциональной пластичности синапсов. [4]
В процессе развития каждый из трех типов клеток зародышевого слоя возникает из разных областей растущего эмбриона. Отдельные миобласты берут начало в мезодерме и сливаются, образуя многоядерную миотрубку. Во время или вскоре после образования миотрубки мотонейроны из нервной трубки образуют предварительные контакты с миотрубкой. Шванновские клетки возникают из нервного гребня и направляются аксонами к месту назначения. Достигнув его, они образуют рыхлое, немиелинизированное покрытие над иннервирующими аксонами. Движение аксонов (и впоследствии шванновских клеток) направляется конусом роста, нитевидным выступом аксона, который активно ищет нейротрофины, выделяемые миотрубкой. [3]
Специфическая структура развития синапсов в нервно-мышечном соединении показывает, что большинство мышц иннервируются в своих средних точках. Хотя может показаться, что аксоны специально нацелены на среднюю точку миотрубки, несколько факторов показывают, что это не является обоснованным утверждением. Похоже, что после первоначального аксонального контакта новообразованная миотрубка продолжает расти симметрично от этой точки иннервации. В сочетании с тем фактом, что плотность AChR является результатом аксонального контакта, а не причиной, структурные паттерны мышечных волокон можно отнести как к миотатическому росту, так и к аксональной иннервации. [3]
Предварительный контакт, образованный между мотонейроном и миотрубкой, генерирует синаптическую передачу почти немедленно, но производимый сигнал очень слаб. Есть данные, что шванновские клетки могут способствовать этим предварительным сигналам, увеличивая количество спонтанного высвобождения нейротрансмиттера через сигналы малых молекул. [5] Примерно через неделю полностью функциональный синапс формируется после нескольких типов дифференциации как в постсинаптической мышечной клетке, так и в пресинаптическом мотонейроне. Этот пионерский аксон имеет решающее значение, поскольку новые аксоны, которые следуют за ним, имеют высокую склонность к формированию контактов с хорошо устоявшимися синапсами. [3]
Наиболее заметным отличием миотрубки после контакта с мотонейроном является повышенная концентрация AChR в плазматической мембране миотрубки в синапсе. Это повышенное количество AChR обеспечивает более эффективную передачу синаптических сигналов, что в свою очередь приводит к более развитому синапсу. Плотность AChR составляет > 10 000/мкм 2 и приблизительно 10/мкм 2 по краю. Эта высокая концентрация AChR в синапсе достигается за счет кластеризации AChR, повышения регуляции транскрипции гена AChR в постсинаптических ядрах и понижения регуляции гена AChR в несинаптических ядрах. [3] Сигналы, которые инициируют постсинаптическую дифференциацию, могут быть нейротрансмиттерами, высвобождаемыми непосредственно из аксона в миотрубку, или они могут возникать из-за изменений, активированных во внеклеточном матриксе синаптической щели. [6]
AChR подвергается мультимеризации в постсинаптической мембране в основном из-за сигнальной молекулы Agrin . Аксон мотонейрона высвобождает агрин, протеогликан, который инициирует каскад, который в конечном итоге приводит к ассоциации AChR. Agrin связывается с рецептором мышечной специфической киназы ( MuSK ) в постсинаптической мембране, и это, в свою очередь, приводит к последующей активации цитоплазматического белка Rapsyn . Rapsyn содержит домены, которые позволяют ассоциацию и мультимеризацию AChR, и он напрямую отвечает за кластеризацию AChR в постсинаптической мембране: мутантные мыши с дефицитом rapsyn не могут формировать кластеры AChR. [3]
Повышенная концентрация AChR не просто из-за перестройки уже существующих синаптических компонентов. Аксон также обеспечивает сигналы, которые регулируют экспрессию генов в миоядрах непосредственно под синапсом. Эта сигнализация обеспечивает локализованную регуляцию транскрипции генов AChR и последующее увеличение локальной концентрации AChR. Две сигнальные молекулы, высвобождаемые аксоном, — это пептид, связанный с геном кальцитонина (CGRP) и нейрегулин , которые запускают ряд киназ, которые в конечном итоге приводят к транскрипционной активации генов AChR. [7]
Репрессия гена AChR в несинаптических ядрах является зависимым от активности процессом, включающим электрический сигнал, генерируемый новообразованным синапсом. Сниженная концентрация AChR во внесинаптической мембране в дополнение к повышенной концентрации в постсинаптической мембране помогает обеспечить точность сигналов, посылаемых аксоном, локализуя AChR в синапсе. Поскольку синапс начинает получать входные сигналы почти сразу после того, как мотонейрон вступает в контакт с миотрубкой, аксон быстро генерирует потенциал действия и высвобождает ACh. Деполяризация, вызванная AChR, вызывает сокращение мышцы и одновременно инициирует репрессию транскрипции гена AChR по всей мышечной мембране. Обратите внимание, что это влияет на транскрипцию гена на расстоянии: рецепторы, встроенные в постсинаптическую мембрану, не подвержены репрессии. [3]
Хотя механизмы, регулирующие пресинаптическую дифференциацию, неизвестны, изменения, проявляющиеся в развивающемся аксональном окончании, хорошо охарактеризованы. Пресинаптический аксон показывает увеличение синаптического объема и площади, увеличение синаптических пузырьков, кластеризацию пузырьков в активной зоне и поляризацию пресинаптической мембраны. Считается, что эти изменения опосредованы высвобождением нейротрофина и молекул клеточной адгезии из мышечных клеток, тем самым подчеркивая важность коммуникации между мотонейроном и миотрубкой во время синаптогенеза. Как и постсинаптическая дифференциация, пресинаптическая дифференциация, как полагают, обусловлена комбинацией изменений в экспрессии генов и перераспределением уже существующих синаптических компонентов. Доказательства этого можно увидеть в регуляции генов, экспрессирующих белки везикул вскоре после формирования синапса, а также в их локализации в синаптическом окончании. [3]
Незрелые синапсы многократно иннервируются при рождении из-за высокой склонности новых аксонов к иннервации в уже существующем синапсе. По мере созревания синапса синапсы разделяются, и в конечном итоге все аксональные входы, за исключением одного, втягиваются в процессе, называемом элиминацией синапса. Кроме того, постсинаптическая концевая пластинка становится глубже и создает складки посредством инвагинации, чтобы увеличить площадь поверхности, доступную для приема нейротрансмиттера. При рождении шванновские клетки образуют свободные, немиелинизированные покрытия над группами синапсов, но по мере созревания синапса шванновские клетки становятся выделенными для одного синапса и образуют миелинизированный колпачок над всем нервно-мышечным соединением. [3]
Процесс синаптической обрезки, известный как устранение синапса, предположительно является зависимым от активности процессом, который включает в себя конкуренцию между аксонами. Гипотетически, синапс, достаточно сильный, чтобы произвести потенциал действия, заставит миоядра, расположенные прямо напротив аксона, высвободить синаптотрофины, которые укрепят и поддержат хорошо установленные синапсы. Это синаптическое усиление не передается более слабым синапсам, тем самым истощая их. Также было высказано предположение, что в дополнение к синаптотрофинам, высвобождаемым в синапс, проявляющий сильную активность, деполяризация постсинаптической мембраны вызывает высвобождение синаптотоксинов, которые отпугивают более слабые аксоны. [3]
Примечательным аспектом синаптогенеза является тот факт, что мотонейроны способны различать быстро и медленно сокращающиеся мышечные волокна; быстро сокращающиеся мышечные волокна иннервируются «быстрыми» мотонейронами, а медленно сокращающиеся мышечные волокна иннервируются «медленными» мотонейронами. Существует два предполагаемых пути, по которым аксоны мотонейронов достигают этой специфичности, один из которых, в котором аксоны активно распознают мышцы, которые они иннервируют, и принимают избирательные решения на основе входных данных, и другой, который требует более неопределенной иннервации мышечных волокон. В избирательных путях аксоны распознают тип волокна либо по факторам, либо по сигналам, выделяемым специально быстрыми или медленно сокращающимися мышечными волокнами. Кроме того, избирательность можно проследить до латерального положения, в котором аксоны предопределенно расположены, чтобы связать их с мышечным волокном, которое они в конечном итоге будут иннервировать. Предполагаемые неселективные пути указывают на то, что аксоны направляются к месту назначения матрицей, через которую они проходят. По сути, для аксона прокладывается путь, а сам аксон не участвует в процессе принятия решений. Наконец, аксоны могут неспецифически иннервировать мышечные волокна и заставлять мышцы приобретать характеристики аксона, который их иннервирует. На этом пути «быстрый» мотонейрон может преобразовать любое мышечное волокно в быстро сокращающееся мышечное волокно. Существуют доказательства как селективных, так и неселективных путей в специфичности формирования синапсов, что приводит к выводу, что этот процесс представляет собой комбинацию нескольких факторов. [3]
Хотя изучение синаптогенеза в центральной нервной системе (ЦНС) началось гораздо позже, чем изучение НМС, есть надежда связать информацию, полученную в НМС, с синапсами в ЦНС. Между двумя типами нейронных связей существует много схожих структур и основных функций. На самом базовом уровне синапс ЦНС и НМС имеют нервное окончание, которое отделено от постсинаптической мембраны щелью, содержащей специализированный внеклеточный материал. Обе структуры демонстрируют локализованные везикулы в активных участках, кластеризованные рецепторы в постсинаптической мембране и глиальные клетки, которые инкапсулируют всю синаптическую щель. С точки зрения синаптогенеза оба синапса демонстрируют дифференциацию пре- и постсинаптических мембран после первоначального контакта между двумя клетками. Это включает кластеризацию рецепторов, локализованную регуляцию синтеза белка в активных участках и обрезку нейронов посредством элиминации синапса. [3]
Несмотря на эти сходства в структуре, между этими двумя соединениями есть фундаментальное различие. Синапс ЦНС является строго нейронным и не включает мышечные волокна: по этой причине ЦНС использует различные молекулы нейротрансмиттеров и рецепторы. Что еще более важно, нейроны в ЦНС часто получают множественные входы, которые должны быть обработаны и интегрированы для успешной передачи информации. Мышечные волокна иннервируются одним входом и работают по принципу «все или ничего». В сочетании с пластичностью, которая характерна для нейронных соединений ЦНС, легко увидеть, насколько все более сложными могут становиться цепи ЦНС. [3]
Основной метод синаптической сигнализации в НМС осуществляется посредством использования нейротрансмиттера ацетилхолина и его рецептора. Гомологом ЦНС является глутамат и его рецепторы, и одним из наиболее значимых является рецептор N-метил-D-аспартата (NMDA). Было показано, что активация рецепторов NMDA инициирует синаптогенез посредством активации нисходящих продуктов. Повышенный уровень активности рецепторов NMDA во время развития позволяет увеличить приток кальция, который действует как вторичный сигнал. В конечном итоге, немедленные ранние гены (IEG) активируются факторами транскрипции, и транслируются белки, необходимые для нейрональной дифференциации. [8] Функция рецептора NMDA связана с рецептором эстрогена в нейронах гиппокампа. Эксперименты, проведенные с эстрадиолом, показывают, что воздействие эстрогена значительно увеличивает синаптическую плотность и концентрацию белка. [9]
Синаптическая сигнализация во время синаптогенеза зависит не только от активности, но и от среды, в которой находятся нейроны. Например, нейротрофический фактор мозга (BDNF) вырабатывается мозгом и регулирует несколько функций в развивающемся синапсе, включая усиление высвобождения трансмиттера, повышенную концентрацию везикул и биосинтез холестерина. Холестерин необходим для синаптогенеза, поскольку липидные рафты, которые он образует, обеспечивают каркас, на котором могут происходить многочисленные сигнальные взаимодействия. Мутанты BDNF-null демонстрируют значительные дефекты в росте нейронов и формировании синапсов. [10] Помимо нейротрофинов, молекулы клеточной адгезии также необходимы для синаптогенеза. Часто связывание пресинаптических молекул клеточной адгезии с их постсинаптическими партнерами запускает специализации, которые облегчают синаптогенез. Действительно, дефект в генах, кодирующих нейролигин , молекулу клеточной адгезии, обнаруженную в постсинаптической мембране, был связан со случаями аутизма и умственной отсталости. [11] Наконец, многие из этих сигнальных процессов могут регулироваться матриксными металлопротеиназами (ММП), поскольку мишенями многих ММП являются эти специфические молекулы клеточной адгезии. [6]
Специальная структура, обнаруженная в ЦНС, которая допускает множественные входы, — это дендритный шипик , высокодинамичное место возбуждающих синапсов. Этот морфологический динамизм обусловлен специфической регуляцией актинового цитоскелета, который, в свою очередь, позволяет регулировать образование синапсов. [12] Дендритные шипики демонстрируют три основные морфологии: филоподии, тонкие шипики и грибовидные шипики. Филоподии играют роль в синаптогенезе посредством инициации контакта с аксонами других нейронов. Филоподии новых нейронов имеют тенденцию ассоциироваться с множественно синапсированными аксонами, в то время как филоподии зрелых нейронов имеют тенденцию к участкам, лишенным других партнеров. Динамизм шипиков позволяет преобразовывать филоподии в грибовидные шипики, которые являются основными участками рецепторов глутамата и синаптической передачи. [13]
У крыс, выращенных в обогащенной среде, на 25% больше синапсов , чем у контрольной группы. [14] [15] Этот эффект возникает, когда более стимулирующая среда возникает сразу после рождения, [16] после отлучения от груди, [14] [15] [17] или в период созревания. [18] Стимуляция влияет не только на синаптогенез пирамидальных нейронов , но и на звездчатые . [19]
Семейство ( Wnt ) включает несколько эмбриональных морфогенов , которые способствуют раннему формированию паттерна в развивающемся эмбрионе. Недавно появились данные, показывающие, что семейство белков Wnt играет роль в дальнейшем развитии формирования синапсов и пластичности . Вклад Wnt в синаптогенез был подтвержден как в центральной нервной системе , так и в нервно-мышечном соединении .
Члены семейства Wnt способствуют формированию синапсов в мозжечке , вызывая образование пресинаптических и постсинаптических окончаний. Этот регион мозга содержит три основных типа нейрональных клеток: клетки Пуркинье , зернистые клетки и клетки моховидных волокон . Экспрессия Wnt-3 способствует разрастанию нейритов клеток Пуркинье и формированию синапсов. [20] [21] Гранулярные клетки экспрессируют Wnt-7a, способствуя распространению и ветвлению аксонов в их синаптических партнерах, клетках моховидных волокон. [21] Ретроградная секреция Wnt-7a в клетки моховидных волокон вызывает увеличение конуса роста за счет распространения микротрубочек . [21] Кроме того, ретроградная передача сигналов Wnt-7a привлекает синаптические пузырьки и пресинаптические белки в активную синаптическую зону . [20] Wnt-5a выполняет аналогичную функцию на постсинаптических гранулярных клетках; этот Wnt стимулирует сборку рецепторов и кластеризацию белка-основы PSD-95 . [20]
В гиппокампе Wnts в сочетании с электрической активностью клеток способствуют формированию синапсов. Wnt7b экспрессируется в созревающих дендритах, [21] а экспрессия рецептора Wnt Frizzled (Fz) значительно увеличивается с образованием синапсов в гиппокампе. [20] Активация рецептора глутамата NMDA увеличивает экспрессию Wnt2. Долгосрочная потенциация (LTP) из-за активации NMDA и последующей экспрессии Wnt приводит к локализации Fz-5 в постсинаптической активной зоне. [20] Кроме того, сигнализация Wnt7a и Wnt2 после LTP, опосредованной рецептором NMDA, приводит к увеличению дендритного разветвления и регулирует синаптическую пластичность, вызванную активностью. [22] Блокирование экспрессии Wnt в гиппокампе смягчает эти эффекты, зависящие от активности, за счет снижения дендритного разветвления и, следовательно, синаптической сложности. [22]
Аналогичные механизмы действия Wnt в центральной нервной системе наблюдаются также в нервно-мышечном соединении (НМС). У дрозофилы мутации НМС в рецепторе Wnt5 Derailed (drl) уменьшают количество и плотность синаптических активных зон. [20] Основным нейромедиатором в этой системе является глутамат. Wnt необходим для локализации глутаматергических рецепторов на постсинаптических мышечных клетках. В результате мутации Wnt уменьшают вызванные токи на постсинаптической мышце. [20]
В НМС позвоночных экспрессия Wnt-11r в двигательных нейронах способствует кластеризации ацетилхолиновых рецепторов (AChR) в постсинаптической плотности мышечных клеток. Wnt-3 экспрессируется мышечными волокнами и секретируется ретроградно на двигательные нейроны. [21] В двигательных нейронах Wnt-3 работает с Агрином , способствуя увеличению конуса роста, разветвлению аксонов и кластеризации синаптических пузырьков. [21] [22]