В нейроне синаптические везикулы (или везикулы нейротрансмиттеров ) хранят различные нейротрансмиттеры , которые высвобождаются в синапсе . Высвобождение регулируется потенциалзависимым кальциевым каналом . Везикулы необходимы для распространения нервных импульсов между нейронами и постоянно воссоздаются клеткой . Область аксона , содержащая группы пузырьков, представляет собой окончание аксона или «терминальный бутон». За один бутон можно высвободить до 130 везикул за десятиминутный период стимуляции с частотой 0,2 Гц. [1] В зрительной коре головного мозга человека синаптические пузырьки имеют средний диаметр 39,5 нанометров (нм) со стандартным отклонением 5,1 нм. [2]
Синаптические везикулы относительно просты, поскольку лишь ограниченное количество белков умещается в сфере диаметром 40 нм. Очищенные везикулы имеют соотношение белок : фосфолипид 1:3, а липидный состав состоит из 40% фосфатидилхолина , 32% фосфатидилэтаноламина , 12% фосфатидилсерина , 5% фосфатидилинозитола и 10% холестерина . [4]
Синаптические везикулы содержат два класса обязательных компонентов: транспортные белки , участвующие в захвате нейротрансмиттеров, и транспортные белки, которые участвуют в экзоцитозе , эндоцитозе и рециркуляции синаптических везикул.
Стехиометрия движения различных нейротрансмиттеров в везикулу представлена в следующей таблице.
Недавно было обнаружено, что синаптические везикулы также содержат небольшие молекулы РНК, включая фрагменты транспортной РНК , фрагменты Y-РНК и мирРНК . [5] Считается, что это открытие окажет большое влияние на изучение химических синапсов.
Известно, что некоторые нейротоксины , такие как батрахотоксин , разрушают синаптические пузырьки. Столбнячный токсин повреждает мембранные белки, ассоциированные с везикулами (VAMP), тип v-SNARE , тогда как ботулинические токсины повреждают t-SNARE S и v-SNARES и, таким образом, ингибируют синаптическую передачу . [6] Токсин паука , называемый альфа-латротоксином, связывается с нейрексинами , повреждая везикулы и вызывая массивное высвобождение нейротрансмиттеров. [ нужна цитата ]
Везикулы в нервном окончании сгруппированы в три пула: легковысвобождаемый пул, рециркулирующий пул и резервный пул. [7] Эти пулы различаются по своей функции и положению в нервном окончании. Легко высвобождаемый пул прикрепляется к клеточной мембране , что делает их первой группой везикул, высвобождаемых при стимуляции. Легковысвобождаемый пул невелик и быстро исчерпывается. Пул рециркуляции находится вблизи клеточной мембраны и имеет тенденцию циклически повторяться при умеренной стимуляции, так что скорость высвобождения везикул равна или ниже скорости образования везикул. Этот пул больше, чем легковысвобождаемый пул, но для его мобилизации требуется больше времени. Резервный пул содержит везикулы, которые не выделяются 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 интактной ткани мозга. [8] [9]
События цикла синаптических пузырьков можно разделить на несколько ключевых этапов: [10]
Компоненты синаптических пузырьков в пресинаптическом нейроне первоначально передаются в синапс с помощью членов семейства кинезиновых моторов. У C. elegans основным мотором синаптических везикул является UNC-104. [11] Есть также свидетельства того, что другие белки, такие как UNC-16/Sunday Driver, регулируют использование моторов для транспорта синаптических везикул. [12]
Попадая в синапс, синаптические пузырьки загружаются нейромедиатором. Загрузка трансмиттера — это активный процесс, требующий транспортера нейромедиатора и АТФазы протонной помпы, которая обеспечивает электрохимический градиент. Эти транспортеры селективны для разных классов передатчиков. На сегодняшний день описаны характеристики unc-17 и unc-47, которые кодируют везикулярный переносчик ацетилхолина и везикулярный переносчик ГАМК . [13]
Загруженные синаптические везикулы должны стыковаться вблизи мест высвобождения, однако стыковка — это этап цикла, о котором мы мало что знаем. Было идентифицировано множество белков на синаптических везикулах и в местах высвобождения, однако ни одно из идентифицированных белковых взаимодействий между белками везикул и белками мест высвобождения не может объяснить фазу стыковки цикла. Мутанты rab-3 и munc-18 изменяют стыковку везикул или организацию везикул в местах высвобождения, но они не нарушают полностью стыковку. [14] Белки SNARE, теперь, по-видимому, также участвуют в стадии стыковки цикла. [15]
После того как синаптические пузырьки первоначально стыкуются, их необходимо подготовить, прежде чем они смогут начать слияние. Прайминг подготавливает синаптические пузырьки к тому, чтобы они могли быстро сливаться в ответ на приток кальция. Считается, что этот этап прайминга включает образование частично собранных комплексов SNARE. В этом событии участвуют белки Munc13 , RIM и RIM-BP. [16] Считается, что Munc13 стимулирует изменение синтаксина t-SNARE из закрытой конформации в открытую, что стимулирует сборку комплексов v-SNARE/t-SNARE. [17] RIM, по-видимому, также регулирует прайминг, но не является обязательным для этого этапа. [ нужна цитата ]
Примированные везикулы очень быстро сливаются с клеточной мембраной в ответ на повышение уровня кальция в цитоплазме. При этом накопленный нейромедиатор высвобождается в синаптическую щель . Считается, что событие термоядерного синтеза происходит непосредственно через SNARE и управляется энергией, обеспечиваемой сборкой SNARE. Триггером этого события, чувствительным к кальцию, является белок синаптотагмин, связывающий кальций. Способность SNAREs 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 смертельны. Сходным образом, мутанты у Drosophila и нокауты у мышей указывают на то, что эти SNARES играют критическую роль в синаптическом экзоцитозе. [10]
Это объясняет повторный захват синаптических везикул в модели полного контактного слияния. Однако в других исследованиях собраны данные, свидетельствующие о том, что этот тип слияния и эндоцитоза не всегда имеет место. [ нужна цитата ]
Считается, что за рециркуляцию синаптических пузырьков ответственны два ведущих механизма действия: полное слияние коллапса и метод «поцелуй и беги». Оба механизма начинаются с образования синаптической поры, которая высвобождает медиатор во внеклеточное пространство. После высвобождения нейротрансмиттера пора может либо полностью расшириться, так что везикула полностью схлопывается в синаптическую мембрану, либо она может быстро закрыться и оторвать мембрану, вызывая слияние по принципу «поцелуй и беги». [18]
Было показано, что периоды интенсивной стимуляции нервных синапсов истощают количество пузырьков, а также увеличивают клеточную емкость и площадь поверхности. [19] Это указывает на то, что после того, как синаптические везикулы высвобождают свою полезную нагрузку нейромедиатора, они сливаются с клеточной мембраной и становятся ее частью. Пометив синаптические везикулы с помощью HRP ( пероксидазы хрена ), Хойзер и Риз обнаружили, что части клеточной мембраны в нервно-мышечном соединении лягушки поглощались клеткой и превращались обратно в синаптические везикулы. [20] Исследования показывают, что весь цикл экзоцитоза, извлечения и реформирования синаптических везикул занимает менее 1 минуты. [21]
При полном слиянии синаптический везикула сливается и включается в клеточную мембрану. Формирование новой мембраны является белково-опосредованным процессом и может происходить только при определенных условиях. После потенциала действия Ca 2+ поступает к пресинаптической мембране. Са 2+ связывается со специфическими белками цитоплазмы, одним из которых является синаптотагмин , что, в свою очередь, запускает полное слияние синаптического пузырька с клеточной мембраной. Полному слиянию пор способствуют белки SNARE . Это большое семейство белков обеспечивает стыковку синаптических везикул АТФ-зависимым образом. С помощью синаптобревина на синаптическом пузырьке комплекс t-SNARE на мембране, состоящий из синтаксина и SNAP-25 , может стыковать, примировать и сливать синаптический пузырь с мембраной. [22]
Было показано, что механизм полного коллапса слияния является мишенью ботулинического и столбнячного токсинов. Ботулинический токсин обладает протеазной активностью, которая разрушает белок SNAP-25 . Белок SNAP-25 необходим для слияния пузырьков, которые высвобождают нейротрансмиттеры, в частности ацетилхолин. [23] Ботулинический токсин по существу расщепляет эти белки SNARE и при этом предотвращает слияние синаптических везикул с клеточной синаптической мембраной и высвобождение их нейротрансмиттеров. Столбнячный токсин действует по аналогичному пути, но вместо этого атакует белок синаптобревин на синаптическом пузырьке. В свою очередь, эти нейротоксины препятствуют полному слиянию синаптических везикул. Без этого механизма могут возникнуть мышечные спазмы, паралич и смерть. [ нужна цитата ]
Второй механизм повторного использования синаптических пузырьков известен как слияние «поцелуй и беги» . В этом случае синаптическая везикула «целует» клеточную мембрану, открывая небольшую пору для высвобождения полезной нагрузки нейромедиатора, затем закрывает пору и возвращается обратно в клетку. [18] Механизм «поцелуй и беги» стал горячо обсуждаемой темой. Его эффекты наблюдались и записывались; однако причина его использования в отличие от полного коллапса все еще исследуется. Было высказано предположение, что «поцелуй и беги» часто используется для сохранения дефицитных везикулярных ресурсов, а также для ответа на высокочастотные сигналы. [24] Эксперименты показали, что события «поцелуй и беги» действительно случаются. Впервые наблюдавшийся Кацем и дель Кастильо, позже было замечено, что механизм «поцелуй и беги» отличается от полного слияния коллапса тем, что клеточная емкость не увеличивается в событиях «поцелуй и беги». [24] Это подтверждает идею о том, что синаптический везикула высвобождает свою полезную нагрузку, а затем отделяется от мембраны.
Таким образом, клетки, по-видимому, имеют по крайней мере два механизма рециркуляции мембран. При определенных условиях клетки могут переключаться с одного механизма на другой. Медленное, обычное, полное сращение слияния преобладает в синаптической мембране, когда уровни Ca 2+ низкие, а быстрый механизм «поцелуй и беги» следует, когда уровни Ca 2+ высоки. [ нужна цитата ]
Алесь и др. показали, что повышенные концентрации внеклеточных ионов кальция смещают предпочтительный способ рециркуляции и высвобождения синаптических везикул на механизм «поцелуй и беги» в зависимости от концентрации кальция. Было высказано предположение, что во время секреции нейромедиаторов 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 способом синаптической высвобождения в начале серии стимулов. В этом контексте «поцелуй и беги» отражает высокую вероятность высвобождения везикул. Частота «поцелуй и беги» также увеличивается из-за быстрого возбуждения и стимуляции нейрона, что позволяет предположить, что кинетика этого типа высвобождения быстрее, чем у других форм 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 «синаптический 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 индуцирует постсинаптические миниатюрные потенциалы концевых пластинок , которые были приписаны высвобождение дискретных пакетов нейромедиаторов (квантов) из пресинаптического нервного окончания. [30] [31] Таким образом, было разумно предположить, что вещество-передатчик ( ацетилхолин ) содержится в таких везикулах, которые секреторным механизмом высвобождают свое содержимое в синаптическую щель (гипотеза везикул). [32] [33]
Недостающим звеном была демонстрация того, что нейромедиатор ацетилхолин на самом деле содержится в синаптических везикулах. Примерно десять лет спустя применение методов субклеточного фракционирования к тканям головного мозга позволило выделить сначала нервные окончания ( синаптосомы ) [34] , а затем и синаптические пузырьки из мозга млекопитающих. В этой работе были задействованы две конкурирующие лаборатории: лаборатория Виктора П. Уиттакера в Институте физиологии животных Совета сельскохозяйственных исследований, Бабрахам, Кембридж, Великобритания, и лаборатория Эдуардо де Робертиса в Институте общей анатомии и эмбриологии медицинского факультета. Университет Буэнос-Айреса, Аргентина. [35] Работа Уиттекера, демонстрирующая ацетилхолин во фракциях везикул головного мозга морской свинки, была впервые опубликована в абстрактной форме в 1960 году, а затем более подробно в 1963 и 1964 годах, [36] [37] и статья группы де Робертиса, демонстрирующая обогащение Связанный ацетилхолин во фракциях синаптических везикул мозга крыс появился в 1963 году. [38] Обе группы высвободили синаптические везикулы из изолированных синаптосом путем осмотического шока . Первоначально предполагалось, что содержание ацетилхолина в везикуле составляет 1000–2000 молекул. [39] Последующие работы выявили везикулярную локализацию других нейротрансмиттеров, таких как аминокислоты , катехоламины , серотонин и АТФ . Позже синаптические везикулы также удалось выделить из других тканей, таких как верхний шейный ганглий [40] или мозг осьминога . [41] Выделение высокоочищенных фракций холинергических синаптических везикул из электрического органа лучевой торпеды [42] [43] стало важным шагом вперед в изучении биохимии и функции везикул.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )