Конус роста — это большое поддерживаемое актином расширение развивающегося или регенерирующего нейрита , ищущее свою синаптическую цель. Именно конус роста управляет ростом аксона. [1] Их существование было первоначально предложено испанским гистологом Сантьяго Рамоном-и-Кахалем на основе неподвижных изображений, которые он наблюдал под микроскопом . Он впервые описал конус роста, основанный на неподвижных клетках, как «концентрацию протоплазмы конической формы, наделенную амебоидными движениями» (Кахаль, 1890). [2] Конусы роста расположены на кончиках нейритов, либо дендритов , либо аксонов нервной клетки . Сенсорные, двигательные, интегративные и адаптивные функции растущих аксонов и дендритов содержатся в этой специализированной структуре.
Морфологию конуса роста можно легко описать, используя руку в качестве аналогии. Тонкие расширения конуса роста — это 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 они выглядят как узкие цилиндрические расширения, которые могут выступать на несколько микрометров за пределы края 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 рук — 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, что придает им «вуалеобразный» вид. В конусах роста новые филоподии обычно появляются из этих межфилоподийных вуалей.
Конус роста описывается в терминах трех областей: периферического (P) домена, переходного (T) домена и центрального (C) домена. Периферический домен - это тонкая область, окружающая внешний край конуса роста. Он состоит в основном из цитоскелета на основе актина и содержит ламеллиподии и филоподии, которые являются высокодинамичными. Однако известно, что микротрубочки временно попадают в периферическую область посредством процесса, называемого динамической нестабильностью . Центральный домен расположен в центре конуса роста, ближайшем к аксону. Этот регион состоит в основном из цитоскелета на основе микротрубочек, обычно он 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, с транскриптомами и протеомами , которые отличаются от транскриптомов и протеомов их родительских клеток. [4] Существует множество белков, связанных с цитоскелетом, которые выполняют различные функции внутри конуса роста, такие как прикрепление актина и микротрубочек друг к другу, к мембране и к другим компонентам цитоскелета. Некоторые из этих компонентов включают молекулярные двигатели, которые генерируют силу внутри конуса роста, и связанные с мембраной везикулы, которые транспортируются в конус роста и из него через микротрубочки. Некоторые примеры белков, связанных с цитоскелетом, включают фасцин и филамины (связывание актина), талин (закрепление актина), миозин (транспорт везикул) и mDia (связывание микротрубочек с актином).
Высокодинамичная природа конусов роста позволяет им реагировать на окружающую среду, быстро меняя направление и разветвляясь в ответ на различные стимулы. Существует три стадии роста аксона, которые называются: протрузия, набухание и консолидация. Во время протрузии происходит быстрое расширение филоподий и пластинчатых расширений вдоль переднего края конуса роста. Набухание следует, когда филоподии перемещаются к боковым краям конуса роста, а микротрубочки проникают дальше в конус роста, принося 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 аксона также происходит посредством того же процесса, за исключением того, что конус роста «расщепляется» во время фазы набухания. Это приводит к бифуркации основного аксона. Дополнительная форма ветвления аксона называется коллатеральным (или интерстициальным) ветвлением;. [5] [6] Коллатеральное ветвление, в отличие от бифуркаций аксона, включает в себя образование новой ветви из установленного стержня аксона и не зависит от конуса роста на кончике растущего аксона. В этом механизме аксон изначально генерирует филоподий или ламеллиподий, которые после вторжения аксональных микротрубочек затем могут далее развиться в ветвь, простирающуюся перпендикулярно от стержня аксона. Установленные коллатеральные ветви, как и основной аксон, демонстрируют конус роста и развиваются независимо от основного кончика 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, основанной на цитоскелете, и механического натяжения. При динамике цитоскелета микротрубочки полимеризуются в конус роста и доставляют жизненно важные компоненты. Механическое натяжение возникает, когда мембрана растягивается из-за силы, создаваемой молекулярными моторами в конусе роста, и прочной адгезии к субстрату вдоль аксона. В целом, быстро растущие конусы роста малы и имеют большую степень растяжения, в то время как медленно движущиеся или приостановленные конусы роста очень велики и имеют низкую степень растяжения.
Конусы роста непрерывно наращиваются посредством построения актиновых микрофиламентов и расширения плазматической мембраны посредством слияния везикул . Актиновые филаменты деполимеризуются и разбираются на проксимальном конце, чтобы позволить свободным мономерам мигрировать к ведущему краю (дистальному концу) актинового филамента, где он может полимеризоваться и, таким образом, повторно прикрепиться. Актиновые филаменты также постоянно транспортируются от ведущего края с помощью процесса, управляемого миозином, известного как ретроградный поток F-актина. Актиновые филаменты полимеризуются в периферической области, а затем транспортируются обратно в переходную область, где филаменты деполимеризуются; таким образом, освобождая мономеры для повторения цикла. Это отличается от беговой дорожки актина, поскольку движется весь белок. Если бы белок просто бегал по беговой дорожке, мономеры деполимеризовались бы с одного конца и полимеризовались бы на другом, в то время как сам белок не двигался бы.
Способность аксонов к росту 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 участками адгезии F-актина, где белки, ассоциированные с кончиками микротрубочек, действуют как «лиганды». Ламинины базальной мембраны взаимодействуют с интегринами конуса роста, способствуя поступательному движению конуса роста. Кроме того, рост аксона также поддерживается стабилизацией проксимальных концов микротрубочек, которые обеспечивают структурную поддержку аксона.
Движение аксонов контролируется интеграцией сенсорной и моторной функции (описанной выше), которая устанавливается через вторичные посредники , такие как кальций и циклические нуклеотиды. Сенсорная функция аксонов зависит от сигналов из внеклеточного матрикса, которые могут быть как притягивающими, так и отталкивающими, тем самым помогая направлять аксон от определенных путей и привлекать их к их правильным целевым пунктам назначения. Притягивающие сигналы подавляют ретроградный поток актиновых нитей и способствуют их сборке, тогда как отталкивающие сигналы имеют прямо противоположный эффект. Также задействованы актин-стабилизирующие белки, которые необходимы для непрерывного выпячивания филоподий и ламеллиподий при наличии притягивающих сигналов, в то время как актин-дестабилизирующие белки задействованы при наличии отталкивающего сигнала.
Похожий процесс происходит с микротрубочками . При наличии привлекательного сигнала на одной стороне конуса роста, определенные микротрубочки нацеливаются на этой стороне белками, стабилизирующими микротрубочки, в результате чего конус роста поворачивается в направлении положительного стимула. При отталкивающих сигналах верно обратное: стабилизация микротрубочек благоприятствует на противоположной стороне конуса роста, поскольку отрицательный стимул приводит к тому, что конус роста поворачивается от отталкивающего фактора. Этот процесс в сочетании с процессами, связанными с актином, приводит к общему направленному росту аксона.
Рецепторы конуса роста обнаруживают наличие молекул наведения аксонов, таких как Нетрин , Слит , Эфрины и Семафорины . Совсем недавно было показано, что детерминанты судьбы клеток, такие как Wnt или Shh, также могут действовать как направляющие сигналы. Один и тот же направляющий сигнал может действовать как аттрактант или репеллент, в зависимости от контекста. Ярким примером этого является Нетрин-1, который сигнализирует о привлечении через рецептор Нетрин DCC и об отталкивании через рецептор UNC-5 . Кроме того, было обнаружено, что эти же молекулы участвуют в управлении ростом сосудов. Наведение аксонов направляет начальную проводку нервной системы и также важно для регенерации аксонов после травмы . [7]