В нейроне синаптические везикулы (или везикулы нейротрансмиттера ) хранят различные нейротрансмиттеры , которые высвобождаются в синапсе . Выделение регулируется потенциал-зависимым кальциевым каналом . Везикулы необходимы для распространения нервных импульсов между нейронами и постоянно воссоздаются клеткой . Область в аксоне , которая удерживает группы везикул, является терминалом аксона или «концевым буттоном». До 130 везикул может высвобождаться на бутоне в течение десятиминутного периода стимуляции с частотой 0,2 Гц. [1] В зрительной коре человеческого мозга синаптические везикулы имеют средний диаметр 39,5 нанометров (нм) со стандартным отклонением 5,1 нм. [2]
Синаптические везикулы относительно просты, поскольку только ограниченное количество белков помещается в сферу диаметром 40 нм. Очищенные везикулы имеют соотношение белок : фосфолипид 1:3 с липидным составом 40% фосфатидилхолина , 32% фосфатидилэтаноламина , 12% фосфатидилсерина , 5% фосфатидилинозитола и 10% холестерина . [4]
Синаптические везикулы содержат два класса обязательных компонентов: транспортные белки, участвующие в захвате нейромедиаторов, и транспортные белки, которые участвуют в экзоцитозе , эндоцитозе и рециркуляции синаптических везикул.
Стехиометрия перемещения различных нейротрансмиттеров в везикулу приведена в следующей таблице .
Недавно было обнаружено, что синаптические пузырьки также содержат малые молекулы РНК, включая фрагменты транспортной РНК , фрагменты Y РНК и мирРНК . [5] Считается, что это открытие окажет широкое влияние на изучение химических синапсов.
Некоторые нейротоксины , такие как батрахотоксин , как известно, разрушают синаптические пузырьки. Столбнячный токсин повреждает везикулярно-ассоциированные мембранные белки (VAMP), тип v-SNARE , в то время как ботулинические токсины повреждают t-SNARE S и v-SNARES и, таким образом, подавляют синаптическую передачу. [6] Паучий токсин , называемый альфа-латротоксин, связывается с нейрексинами , повреждая пузырьки и вызывая массивное высвобождение нейротрансмиттеров. [ требуется ссылка ]
Везикулы в нервном окончании сгруппированы в три пула: легко высвобождаемый пул, рециркулирующий пул и резервный пул. [7] Эти пулы различаются по своей функции и положению в нервном окончании. Легко высвобождаемый пул пристыкован к клеточной мембране , что делает их первой группой везикул, которые высвобождаются при стимуляции. Легко высвобождаемый пул невелик и быстро истощается. Рециркулирующий пул находится вблизи клеточной мембраны и, как правило, циклируется при умеренной стимуляции, так что скорость высвобождения везикул такая же или ниже скорости образования везикул. Этот пул больше, чем легко высвобождаемый пул, но для его мобилизации требуется больше времени. Резервный пул содержит везикулы, которые не высвобождаются в нормальных условиях. Этот резервный пул может быть довольно большим (~50%) в нейронах, выращенных на стеклянной подложке, но очень мал или отсутствует в зрелых синапсах в неповрежденной мозговой ткани. [8] [9]
События цикла синаптических везикул можно разделить на несколько ключевых этапов: [10]
Компоненты синаптических везикул в пресинаптическом нейроне изначально транспортируются в синапс с использованием членов семейства моторов кинезина . У C. elegans основным мотором для синаптических везикул является UNC-104. [11] Также есть доказательства того, что другие белки, такие как UNC-16/Sunday Driver, регулируют использование моторов для транспортировки синаптических везикул. [12]
Попав в синапс, синаптические пузырьки загружаются нейротрансмиттером. Загрузка трансмиттера — это активный процесс, требующий нейротрансмиттерного транспортера и протонной помпы АТФазы, которая обеспечивает электрохимический градиент. Эти транспортеры селективны для разных классов трансмиттеров. Характеристика unc-17 и unc-47, которые кодируют везикулярный транспортер ацетилхолина и везикулярный транспортер ГАМК, была описана на сегодняшний день. [13]
Загруженные синаптические везикулы должны стыковаться вблизи мест высвобождения, однако стыковка является этапом цикла, о котором мы мало что знаем. Было идентифицировано много белков на синаптических везикулах и в местах высвобождения, однако ни одно из идентифицированных взаимодействий белков между белками везикул и белками мест высвобождения не может объяснить фазу стыковки цикла. Мутанты в rab-3 и munc-18 изменяют стыковку везикул или организацию везикул в местах высвобождения, но они не полностью нарушают стыковку. [14] Белки SNARE, теперь также, по-видимому, участвуют в этапе стыковки цикла. [15]
После того, как синаптические пузырьки изначально состыковались, они должны быть подготовлены, прежде чем они смогут начать слияние. Подготовка подготавливает синаптическую везикулу, чтобы они могли быстро слиться в ответ на приток кальция. Считается, что этот этап подготовки включает образование частично собранных комплексов SNARE. Белки Munc13 , RIM и RIM-BP участвуют в этом событии. [16] Считается, что Munc13 стимулирует изменение синтаксинаксина t-SNARE из закрытой конформации в открытую, что стимулирует сборку комплексов v-SNARE/t-SNARE. [17] RIM также, по-видимому, регулирует подготовку, но не является необходимым для этого этапа. [ необходима цитата ]
Примированные везикулы очень быстро сливаются с клеточной мембраной в ответ на повышение уровня кальция в цитоплазме. Это высвобождает сохраненный нейротрансмиттер в синаптическую щель . Считается, что событие слияния опосредовано непосредственно SNARE и управляется энергией, полученной от сборки SNARE. Кальций-чувствительным триггером для этого события является связывающий кальций белок синаптических везикул синаптотагмин. Способность SNARE опосредовать слияние кальций-зависимым образом недавно была восстановлена in vitro. В соответствии с тем, что SNARE необходимы для процесса слияния, мутанты v-SNARE и t-SNARE C. elegans являются летальными. Аналогично, мутанты у Drosophila и нокауты у мышей указывают на то, что эти SNARES играют решающую роль в синаптическом экзоцитозе. [10]
Это объясняет повторное поглощение синаптических везикул в модели полного контактного слияния. Однако другие исследования собирают доказательства, предполагающие, что этот тип слияния и эндоцитоза не всегда имеет место. [ необходима цитата ]
Считается, что за рециркуляцию синаптических везикул отвечают два ведущих механизма действия: полное слияние коллапса и метод «поцелуй-и-беги». Оба механизма начинаются с образования синаптической поры, которая высвобождает передатчик во внеклеточное пространство. После высвобождения нейротрансмиттера пора может либо полностью расшириться, так что везикула полностью схлопнется в синаптическую мембрану, либо она может быстро закрыться и отщипнуть мембрану, чтобы сгенерировать слияние поцелуй-и-беги. [18]
Было показано, что периоды интенсивной стимуляции в нейронных синапсах истощают количество везикул, а также увеличивают клеточную емкость и площадь поверхности. [19] Это указывает на то, что после того, как синаптические везикулы высвобождают свою полезную нагрузку нейротрансмиттера, они сливаются с клеточной мембраной и становятся ее частью. После маркировки синаптических везикул с помощью HRP ( пероксидазы хрена ) Хойзер и Риз обнаружили, что части клеточной мембраны в нервно-мышечном соединении лягушки были захвачены клеткой и преобразованы обратно в синаптические везикулы. [20] Исследования показывают, что весь цикл экзоцитоза, извлечения и реформирования синаптических везикул требует менее 1 минуты. [21]
При полном коллапсе слияния синаптическая везикула сливается и становится включенной в клеточную мембрану. Формирование новой мембраны является опосредованным белком процессом и может происходить только при определенных условиях. После потенциала действия Ca 2+ устремляется к пресинаптической мембране. Ca 2+ связывается со специфическими белками в цитоплазме, одним из которых является синаптотагмин , который, в свою очередь, запускает полное слияние синаптической везикулы с клеточной мембраной. Этому полному слиянию поры способствуют белки SNARE . Это большое семейство белков опосредует стыковку синаптических везикул АТФ-зависимым образом. С помощью синаптобревина на синаптической везикуле комплекс t-SNARE на мембране, состоящий из синтаксина и SNAP-25 , может стыковать, заправлять и сливать синаптическую везикулу с мембраной. [22]
Механизм, лежащий в основе полного коллапса, как было показано, является целью ботулинического и столбнячного токсинов . Ботулинический токсин обладает протеазной активностью, которая разрушает белок SNAP-25 . Белок SNAP-25 необходим для слияния везикул, которое высвобождает нейротрансмиттеры, в частности ацетилхолин. [23] Ботулинический токсин по сути расщепляет эти белки SNARE и, таким образом, предотвращает слияние синаптических везикул с клеточной синаптической мембраной и высвобождение их нейротрансмиттеров. Столбнячный токсин следует схожему пути, но вместо этого атакует белок синаптобревин на синаптическом пузырьке. В свою очередь, эти нейротоксины не позволяют синаптическим везикулам завершить полное коллапсное слияние. Без этого механизма могут возникнуть мышечные спазмы, паралич и смерть. [ необходима цитата ]
Второй механизм, посредством которого синаптические везикулы рециркулируются, известен как слияние «поцелуй и беги» . В этом случае синаптическая везикула «целует» клеточную мембрану, открывая небольшую пору для высвобождения своего нейротрансмиттерного груза, затем закрывает пору и рециркулируется обратно в клетку. [18] Механизм «поцелуй и беги» был горячо обсуждаемой темой. Его эффекты были замечены и зарегистрированы; однако причина его использования в отличие от слияния с полным коллапсом все еще изучается. Было высказано предположение, что «поцелуй и беги» часто используется для сохранения скудных везикулярных ресурсов, а также используется для реагирования на высокочастотные входы. [24] Эксперименты показали, что события «поцелуй и беги» действительно происходят. Впервые обнаруженный Кацем и дель Кастильо, позднее было замечено, что механизм «поцелуй и беги» отличается от слияния с полным коллапсом тем, что клеточная емкость не увеличивается в событиях «поцелуй и беги». [24] Это подтверждает идею о принципе «поцелуй и беги»: синаптическая везикула высвобождает свой груз, а затем отделяется от мембраны.
Таким образом, клетки, по-видимому, имеют по крайней мере два механизма для рециркуляции мембран. При определенных условиях клетки могут переключаться с одного механизма на другой. Медленное, обычное, полное слияние коллапса преобладает в синаптической мембране, когда уровни Ca 2+ низкие, а быстрый механизм «поцелуй и беги» применяется, когда уровни Ca 2+ высокие. [ необходима цитата ]
Ales et al. показали, что повышенные концентрации внеклеточных ионов кальция смещают предпочтительный режим рециркуляции и высвобождения синаптических везикул в механизм «поцелуй и беги» в зависимости от концентрации кальция. Было высказано предположение, что во время секреции нейротрансмиттеров в синапсах режим экзоцитоза модулируется кальцием для достижения оптимальных условий для сопряженного экзоцитоза и эндоцитоза в соответствии с синаптической активностью. [25]
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что поцелуй-и-беги является доминирующим режимом синаптического высвобождения в начале серии стимулов. В этом контексте поцелуй-и-беги отражает высокую вероятность высвобождения везикул. Частота поцелуя-и-беги также увеличивается при быстром срабатывании и стимуляции нейрона, что предполагает, что кинетика этого типа высвобождения быстрее, чем другие формы высвобождения везикул. [26]
С появлением электронного микроскопа в начале 1950-х годов было обнаружено, что нервные окончания содержат большое количество электронно-прозрачных (прозрачных для электронов) пузырьков. [27] [28] Термин «синаптическая везикула» был впервые введен Де Робертисом и Беннеттом в 1954 году. [29] Это произошло вскоре после того, как было обнаружено, что высвобождение медиатора в нервно-мышечном соединении лягушки вызывает постсинаптические миниатюрные потенциалы концевой пластинки , которые были приписаны высвобождению дискретных пакетов нейромедиатора (квантов) из пресинаптического нервного окончания. [30] [31] Таким образом, было разумно предположить, что вещество-медиатор ( ацетилхолин ) содержится в таких пузырьках, которые посредством секреторного механизма высвобождают свое содержимое в синаптическую щель (гипотеза пузырьков). [32] [33]
Недостающим звеном была демонстрация того, что нейротрансмиттер ацетилхолин на самом деле содержится в синаптических пузырьках. Примерно десять лет спустя применение методов субклеточного фракционирования к мозговой ткани позволило сначала выделить нервные окончания ( синаптосомы ), [34] а затем и синаптические пузырьки из мозга млекопитающих. В этой работе участвовали две конкурирующие лаборатории: лаборатория Виктора П. Уиттакера в Институте физиологии животных, Совет по сельскохозяйственным исследованиям, Бабрахам, Кембридж, Великобритания, и лаборатория Эдуардо де Робертиса в Институте общей анатомии и эмбриологии, Медицинский факультет, Университет Буэнос-Айреса, Аргентина. [35] Работа Уиттекера, демонстрирующая ацетилхолин во фракциях везикул из мозга морской свинки, была впервые опубликована в виде реферата в 1960 году, а затем более подробно в 1963 и 1964 годах, [36] [37] а статья группы де Робертиса, демонстрирующая обогащение связанного ацетилхолина во фракциях синаптических везикул из мозга крысы, появилась в 1963 году. [38] Обе группы высвобождали синаптические везикулы из изолированных синаптосом с помощью осмотического шока . Содержание ацетилхолина в везикуле первоначально оценивалось в 1000–2000 молекул. [39] Последующие работы выявили везикулярную локализацию других нейротрансмиттеров, таких как аминокислоты , катехоламины , серотонин и АТФ . Позднее синаптические везикулы удалось также выделить из других тканей, таких как верхний шейный ганглий [ 40] или мозг осьминога . [41] Выделение высокоочищенных фракций холинергических синаптических везикул из электрического органа ската Torpedo [42] [43] стало важным шагом вперед в изучении биохимии и функции везикул.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )