A szinaptogenezis az idegrendszer neuronjai közötti szinapszisképződés folyamata . A szinaptogenezis egy egészséges ember egész életében zajlik, és a szinapszisok gyors kialakulása az agy fejlődésének korai szakaszában figyelhető meg [1] . A szinaptogenezis különösen fontos az egyedfejlődés kritikus időszakában (a fejlődésbiológiában az az időszak, amikor az idegrendszer különösen érzékeny az exogén ingerekre), amikor intenzív szinaptikus metszés zajlik a neuronok és szinapszisaik versengése miatt az idegsejtekért. növekedési faktorok . Az információfeldolgozásban nem vagy gyengén részt vevő szinapszisok, valamint az idegsejtek fel nem használt vagy alulhasznosított folyamatai nem részesülnek megfelelő fejlesztésben, és a jövőben megszűnnek [2] .
A neuromuszkuláris junction (NJC) a szinapszisok összes típusa közül a legjobban tanulmányozott, egyszerű és hozzáférhető szerkezet a manipulációhoz és a megfigyeléshez. Maga ez a szinapszis három sejtből áll: egy motoros neuronból , egy myocytából és egy Schwann-sejtből (neurolemmocita). Egy normálisan működő szinapszisban egy motoros neuronból érkező jel a myocyta membrán depolarizációját okozza, ami az acetilkolin neurotranszmitteren keresztül megy végbe . Az acetilkolint a motoros neuron axonja szabadítja fel a szinaptikus hasadékba, ahol eléri a szarkolemmán , a myocyta membránon található kolinerg receptorokat . Az acetilkolin receptorokhoz való kötődése ioncsatornák megnyílásához , a membrán depolarizációjához és az ezt követő kémiai reakciók kaszkádjához vezet, ami izomösszehúzódást eredményez. Kívül a szinapszist a Schwann-sejt mielinhüvelye zárja be és szigeteli [3] . A központi és perifériás idegrendszer másik fontos eleme az asztrociták . Bár kezdetben azt hitték, hogy funkciójuk csak strukturális, ma már ismert, hogy fontos szerepet játszanak a szinapszisok funkcionális plaszticitásában [4] .
A fejlődés során a fent említett három sejttípus mindegyike a fejlődő embrió különböző régióiból származik . Az egyes mioblasztok a mezodermából fejlődnek ki, és egyesülnek, és polienergiás (multinukleáris) izomrostokat alkotnak. A rostképződés során vagy röviddel azután a neurális tubus motoros neuronjai elkezdik kialakítani az első érintkezést vele. A Schwann-sejtek a neurális taréjból származnak, és az axonokkal együtt eljutnak rendeltetési helyükig. Az izomrosthoz érve az izmokat beidegző axonok laza, myelinizálatlan borítását képezik. Az axonok (és így a Schwann-sejtek) mozgását a növekedési kúp szabályozza, az axon fonalas vetülete, amely aktívan megcélozza az izomrostok által kibocsátott neurotrofinokat .
A neuromuszkuláris szinapszisok kialakulásának és eloszlásának mintázatainak vizsgálata azt mutatja, hogy a kapcsolatok jelentős része az izomrost felezőpontjában lokalizálódik. Bár úgy tűnhet, hogy az axonok kezdetben ezt a lókuszt célozzák meg, számos tényező ennek ellenkezőjére utal. Úgy tűnik, az axonnal való kezdeti érintkezés után a fiatal rost a beidegzés helyétől kezdve szimmetrikusan növekszik. Azzal a ténnyel kombinálva, hogy a kolinerg receptorok nagy sűrűsége az axonnal való érintkezés eredménye, és nem az oka, az izomrostképződés mintázata mind az egyéni myopathiás növekedéssel, mind a rost axonális beidegzésével összefüggésbe hozható.
A jelátvitel a motoros neuron és az izomrost közötti elsődleges kontaktus mentén szinte azonnal megindul, de az átvitt impulzus nagyon gyenge. Bizonyíték van arra, hogy a Schwann-sejtek kis jelzőmolekulák segítségével felerősíthetik az impulzusokat azáltal, hogy növelik a neurotranszmitterek spontán felszabadulásának intenzitását [5] . Körülbelül egy hét elteltével a motoros neuron és az izomrost differenciálódási folyamaton megy keresztül, amely befejezi a teljesen működőképes szinapszis kialakulását. Az eredeti axon beidegzése kritikus fontosságú, mert az azt követő axonok nagy hajlamosak érintkezésbe lépni egy már kialakult, stabilizált szinapszissal.
Az izomrostokban a motoros neuronnal való érintkezés után fellépő legszembetűnőbb változás a kolinerg receptorok megnövekedett koncentrációja a plazmamembránon a neuron és a myocita érintkezési pontján. A receptorok számának ez a növekedése lehetővé teszi a szinaptikus jelek hatékonyabb átvitelét, ami viszont egy fejlettebb szinapszis kialakulásához vezet. A receptor sűrűsége >10 000/µm 2 a központban és körülbelül 10/µm 2 a periférián. A kolinerg receptorok ilyen magas koncentrációja a szinapszisban klaszterezésükkel, a megfelelő gének expressziójának felszabályozásával a posztszinaptikus sejtek magjában, valamint e gének expressziójának leszabályozásával érhető el a preszinaptikus sejtek magjában. A posztszinaptikus differenciálódást elindító jelek lehetnek az axonból közvetlenül az izomrostba felszabaduló neurotranszmitterek, vagy kívülről, a szinaptikus hasadékba kívülről belépve [6] .
KlaszterezésA posztszinaptikus membránon a klaszterezés nagyrészt az Agrin proteoglikánnak köszönhető , amelyet a motoros neuron axonja választ ki, és elősegíti a receptor multimerizációját. Az agrin a receptor izomspecifikus kinázhoz (MuSK) kötődik a posztszinaptikus membránon, és ez a Rapsyn citoplazmatikus fehérje későbbi aktiválásához vezet. Éppen a rapsin tartalmaz olyan doméneket, amelyek lehetővé teszik számára, hogy sok kolinerg receptort klaszterezzen a membránon: az e fehérje mutánsaiban lévő egerek izomsejtjei nem voltak képesek kolinerg receptor klasztereket kialakítani.
Szinapszis-specifikus transzkripcióA kolinerg receptorok megnövekedett koncentrációja nemcsak a már meglévő szinaptikus komponensek manipulálásával érhető el. Az axon jelátvitel útján képes szabályozni a génexpressziót az izomsejt magjában a transzkripció szintjén. Mindez azért is történik, hogy növeljék a receptorok lokális klaszterezésének intenzitását a membránon. Konkrétan két molekula vesz részt a jelátvitelben: a kalcitonin család egyik fehérje (Calcitonin génnel rokon peptid) és a neuregulin fehérjecsalád tagja (ezt a neuronális molekuláris folyamatok szabályozásában betöltött szerepükről nevezték el). Ez a két fehérje kémiai reakciók kaszkádját idézi elő, különböző kinázok bevonásával , ami végül a kolinerg receptor gének transzkripciójának aktiválásához vezet [7] .
Extraszinaptikus elnyomásAz újonnan kialakult szinapszisok képesek olyan elektromos jeleket generálni, amelyek a környező extraszinaptikus sejtekre hatnak oly módon, hogy jelentősen csökkentik a kolinerg receptor gének expresszióját. Az axon által a posztszinaptikus membránra küldött impulzus pontosságát pontosan úgy érik el, hogy egyszerre csökkentik a szinapszison kívüli receptorok koncentrációját és növelik a benne lévő receptorok számát. Mivel a szinapszis szinte azonnal a neuromuszkuláris junctió kialakulása után kezdi a bemenetet, az axon gyorsan akciós potenciált generál és acetilkolint szabadít fel. Az acetilkolin receptoraihoz való kötődése által okozott depolarizáció elindítja az izomösszehúzódást, és ezzel egyidejűleg a receptor gének transzkripciójának gátlását a szinapszis körüli izomrostsejtekben. Meg kell jegyezni, hogy a hatás távolról hat, és a közvetlenül a posztszinaptikus membránon ülő receptorok nem nyomódnak el.
Bár a preszinaptikus differenciálódást szabályozó mechanizmusok nem ismertek, a fejlődő axonterminálisban bekövetkező változások meglehetősen jól jellemezhetők. Növekszik a szinaptikus érintkezés térfogata és területe, a vezikulák térfogata, a szinapszis aktív zónájában lévő vezikulák koncentrációja, valamint a preszinaptikus membrán polarizációja. Úgy gondolják, hogy ezeket a változásokat a neurotrofin és a myocita által kibocsátott különféle sejtadhéziós molekulák közvetítik; ez rávilágít a motoros neuron és az izomrost közötti kapcsolat fontosságára a szinaptogenezis folyamatában. Úgy gondolják, hogy a génexpresszió változása és a szinapszis alkotóelemeinek újraelosztása a pre- és posztszinaptikus differenciálódás kulcsmomentumai. Ezt támasztja alá a vezikuláris fehérje gének fokozott expressziója is röviddel a szinapszisképződés után, valamint az axonális terminálisban történő lokalizációjuk.
Az éretlen szinapszisok többszörös beidegzést mutatnak az új axonok nagy hajlamának köszönhetően a már meglévő szinapszisokhoz kötődni. Ahogy érnek, a szinapszisok szétválnak, és végül csak egy axon marad a bejáratnál; ez a szinapszis eliminációnak nevezett folyamatban történik. Ezenkívül az invagináció révén a posztszinaptikus oldal növeli a neurotranszmittereket befogadó felületet. Az ontogenezis korai szakaszában a Schwann-sejtek laza, nem myelinizáló burkot képeznek, amely szinapszisok csoportját takarja, de ahogy nőnek és fejlődnek, egyetlen neurolemmocita kompetenciájának határai egy szinapszisra szűkülnek.
A szinapszis megszüntetéseA szinapszis elimináció, mint a szinaptikus metszés egyik mechanizmusa, olyan folyamatot jelent, amely közvetlenül függ a versengő axonok aktivitásától. Egy adott szinapszis esetén, ha a bemeneti impulzusok gyakorisága elegendő az akciós potenciál létrehozásához, akkor ez a szinaptotropin fehérje gének expresszióját váltja ki a posztszinaptikus myocita sejtmagjában, és ezek a fehérjék fenntartják ezt a szinapszist. Pozitív visszacsatolási mechanizmus jön létre, amely nem elérhető a kevésbé igényes szinapszisok számára, amelyek ezért eliminációra vannak ítélve. Azt is feltételezték, hogy az aktív szinapszisokban felszabaduló szinaptotropinok mellett ezek posztszinaptikus membránjának depolarizációja az axont gátló szinaptotoxinok felszabadulását okozza az inaktív szinapszisokban.
A szinaptogenezis egyik figyelemre méltó aspektusa az a tény, hogy a motoros neuronok képesek különbséget tenni a gyors és lassú izomrostok között; A gyors izomrostokat a "gyors" motoros neuronok, a lassú izomrostokat pedig a "lassú" motoros neuronok beidegzik. Két hipotetikus út létezik, amelyeken keresztül a motoros neuron axonjai elérik ezt a specifitást; ezek az útvonalak egy kulcsfontosságú momentumban különböznek egymástól - az axon és az általa beidegzett izomrost kölcsönhatásban lévő szelektivitásának mértéke, a szívizomsejtek bemeneti adatainak axon általi feldolgozásának mértéke. Az első hipotézis azt sugallja, hogy az axonok a gyors és lassú izomrostokban eltérő jelzőanyagoktól függően választanak „gyors” vagy „lassú” utat. Ezen túlmenően a szelektivitás már a korai szakaszban is megfigyelhető, amikor az axonok az izomrostokhoz képest orientálódnak, így egy adott axon beidegzi egy adott izomsejtet. A második hipotézis az, hogy az axon mozgását és egy adott myocytával való kapcsolatát az axont fürdő extracelluláris mátrix biztosítja, vagyis nem az axon végső célja, hanem a környezet határozza meg a sorsát. Végül előfordulhat, hogy a neuromuszkuláris junctió kialakulása nem előre meghatározott, és az izomrostok a beidegző axon tulajdonságaitól függően utólag nyerik el gyors vagy lassú jellemzőiket. Ha igen, akkor a "gyors" motoros neuronok képesek bármilyen izomrostot gyorsan rángatózóvá átalakítani. Sok bizonyíték szól az összes leírt lehetőség mellett, ami arra készteti az embert, hogy elgondolkodjon ezek kombinációján a szinapszisképződés folyamatában.
A neuromuszkuláris szinapszisok tanulmányozása során nyert adatok a központi idegrendszerben zajló szinaptogenezis folyamataira extrapolálhatók, bár ez utóbbiak vizsgálata sokkal frissebb. Ebben a két kapcsolattípusban sok a közös. Mindkét szinapszistípus konzervált alapszerkezettel rendelkezik: a preszinaptikus idegvégződés, a szinaptikus hasadék és a fogadó posztszinaptikus sejt. Mindkét típusú szinapszis nagy koncentrációban tartalmaz vezikulákat az aktív helyen, receptorcsoportokat a befogadó membránon, végül mindkettőt speciális gliasejtek izolálják. A bennük lezajló folyamatok is meglehetősen konzervatívak. Ezek a receptorcsoportosodás és a fehérjeszintézis intenzitásának lokalizált növekedése az aktív központokban, valamint a szinaptikus metszés az inaktív szinapszisok megszüntetésével.
A fenti hasonlóságok ellenére alapvető különbség van e két vegyület között. Mivel a myocita már nem posztszinaptikus sejtként működik, az aktív receptorok és neurotranszmittereik alapvetően különböznek egymástól. Ennél is fontosabb, hogy a központi idegrendszerben lévő neuronokat sok más idegsejt is beidegzi egyidejűleg, és képesnek kell lenniük nagy mennyiségű bemenet integrálására és feldolgozására, amikor az izomrostokat egyetlen idegsejt beidegzi, és egyetlen impulzus hatására összehúzódnak. Az idegi kapcsolatokban rejlő plaszticitással kombinálva a központi idegrendszer neurális hálózata hatalmas komplexitási lehetőséget rejt magában.
Az acetilkolin és receptorainak homológja a központi idegrendszerben a glutamát és az N-metil-D-aszpartát receptorok (NMDA). Kimutatták, hogy az NMDA receptorok aktiválása kémiai reakciók kaszkádját indítja el, ami szinapszisképződéshez és stabilizációhoz vezet . Az NMDA receptor aktivitásának megnövekedett szintje a szinapszisfejlődés során lehetővé teszi a fokozott kalcium beáramlást, ami másodlagos jelként működik. Ezenkívül a transzkripciós faktorok aktiválják az elsődleges válaszgéneket (GRP), amelyek fontos szerepet játszanak olyan folyamatokban, mint például a hosszú távú potencírozás. [8] Az NMDA-receptorok működése a hippocampusban lévő ösztrogénreceptorokhoz is kapcsolódik. Az ösztradiollal végzett kísérletek azt mutatják, hogy az ösztrogénnek való kitettség jelentősen növeli a szinapszissűrűséget és a fehérjekoncentrációt. [9]
Az idegimpulzus átvitele a szinaptogenezis során nemcsak egyetlen szinapszis aktivitásától függ, hanem a szinapszist körülvevő környezettől is. Például az agyból származó neurotróf faktort (BDNF) az agy termeli, és számos funkciót szabályoz a fejlődő szinapszisban, beleértve a megnövekedett neurotranszmitter-felszabadulást, a megnövekedett vezikulák koncentrációját és a koleszterin bioszintézisét. A koleszterin a lipid kettős réteg fontos szerkezeti összetevője, amely különböző jelátviteli kölcsönhatások helyeként működik. A BDNF mutánsok jelentős hiányosságokat mutatnak az idegsejtek növekedésében és a szinapszisképződésben. [10] A neurotrofinok mellett a sejtadhéziós molekulák is fontos szerepet játszanak a szinaptogenezisben. A szinaptogenezis sok szempontból attól függ, hogy az egyik adhéziós molekula megfelelően lokálisan kötődik-e a másikhoz. Kimutatták, hogy a neuroligin fehérjéket kódoló gének hibái , amelyek az egyik legfontosabb sejtadhéziós molekula, amelyek szerepet játszanak a szinapszis stabilizálásában, egyes esetekben autizmussal és mentális retardációval járnak együtt. [11] Végül ezen jelátviteli folyamatok közül sok szabályozható a mátrix metalloproteinázokkal (MMP).
MorfológiaA rendkívül dinamikus helyek, amelyek egyszerre több bejövő impulzust kapnak, a dendrit tüskék . Ez a morfológiai dinamizmus az aktin citoszkeleton specifikus szabályozásának köszönhető, ami viszont lehetővé teszi a szinapszisképződés szabályozását. [12] Morfológiailag a dendrittüskék három fő típusra oszthatók: filopodiákra, karcsú tüskékre és gombaformájú tüskékre. A filopodiák kapcsolatba lépnek más neuronok axonjaival. Az újonnan képződött neuronok filopódiái hajlamosak érintkezésbe lépni több szinapszist beidegző axonokkal, míg az idősebb idegsejtek filopódiái túlnyomórészt egyetlen szinapszist beidegző axonokkal kötődnek. A magas dinamika miatt bizonyos típusú tüskék képesek átjutni másokba, például a filopodiák könnyen átalakulnak gombaszerű tüskékké, amelyek a glutamát receptorok elsődleges helyei. [13]
Az ökológiai dúsítás a fejlődő agy fizikai és társadalmi környezet általi stimulálása. Az ökológiai dúsítás azt a tényt eredményezi, hogy a szinaptogenezis folyamatok hatékonysága jelentősen megnő. Így az ilyen hatású tápközegben nevelt patkányok a szinapszisok számának 25%-os növekedését mutatják a kontrollhoz képest. [14] [15] Ez a hatás akkor figyelhető meg, ha az ingerkörnyezet közvetlenül a születés után, [16] röviddel az elválasztás után, [17] vagy a felnőttkorban jelentkezik. [18] Nemcsak a piramis neuronok, hanem a csillagneuronok esetében is a környezet gazdagodása okozza a szinaptogenezis kitörését. [19]
A Wnt fehérjecsaládban számos embrionális morfogén (a szöveti morfogenezist meghatározó anyag) található, amelyek hozzájárulnak a fejlődő embrió korai struktúráinak kialakulásához. A legújabb bizonyítékok azt mutatják, hogy e család morfogénjei hozzájárulnak a szinaptogenezishez és a plaszticitáshoz , és a család hozzájárul mind a központi idegrendszeri szinapszisok, mind a neuromuszkuláris szinapszisok szinaptogeneziséhez.
A cerebelláris szinapszisokban a Wnt család előidézi a pre- és posztszinaptikus végződések érését. Az agynak ez a régiója három fő idegsejttípust tartalmaz: Purkinje-sejteket , szemcsesejteket és mohás rostsejteket. A Purkinje sejtekben a Wnt-3 serkenti mind a dendritek, mind az axonok növekedését. [20] [21] A szemcsés sejtek a Wnt-7a-t expresszálják, amely az axonok növekedését és elágazását indukálja a moharost sejtekben. A Wnt-7a retrográd szekréciója, amely a mohás rostokra irányul, az axonnövekedési kúp növekedését okozza a mikrotubulusok számának növelésével . Ezenkívül a retrográd Wnt-7a jelátvitel szinaptikus vezikulák és preszinaptikus fehérjék felhalmozódását okozza a szinapszis aktív zónájában. A Bnt-5A hasonló funkciót lát el a posztszinaptikus szemcsesejtekben; A Wnt-5 jelátvitel serkenti a receptorok felépítését a membránon, valamint a PSD-95 scaffold fehérje membránon történő klaszterezését.
A hippocampusban a Wnt család fehérjéi a sejt elektromos aktivitásával kombinálva szintén elősegítik a szinapszisok kialakulását. A Wnt7b az érő dendritekben expresszálódik, emellett a Frizzled (Fz) családba tartozó, a Wnt fehérjékre specifikus receptorok expressziója fokozódik a fejlődő szinapszisokban. A glutamát NMDA receptorok a Wnt-2 típusú fehérjék expressziójára reagálva aktiválódnak. Az NMDA receptor aktiváció és az azt követő Wnt expresszió miatti hosszú távú potencírozás az Fz-5 típusú receptorok csoportosulásához vezet a posztszinaptikus sejtek membránján. Emellett a Wnt-7a és Wnt-2 típusú jelátvitel az így közvetített hosszú távú potencírozást követően növeli a dendrites elágazási folyamat intenzitását és szabályozza a szinaptikus plaszticitást is. A Wnt-családba tartozó fehérjék expressziójának blokkolása természetesen ezeknek a folyamatoknak a gátlásához vezet. [22]
A Wnt család által közvetített hasonló mechanizmusok a központi idegrendszerben jól megfigyelhetők a neuromuszkuláris juncciókban. A Drosophilában a neuromuszkuláris szinapszisokban a Wnt-5 receptor mutációi az aktív centrumok számának és sűrűségének csökkenéséhez vezetnek. Ebben a rendszerben a fő neurotranszmitter a glutamát. A Wnt családba tartozó fehérjék szükségesek a glutamáterg receptorok megfelelő lokalizációjához a myocyták posztszinaptikus membránján. Az ebbe a családba tartozó fehérjék mutációi a depolarizációs hullám intenzitásának csökkenéséhez vezetnek, miután az impulzus az axonból az izomrostba kerül.
Gerincesekben a neuromuszkuláris szinapszisokban a Wnt-11r fehérje expressziója elősegíti a kolinerg receptorok csoportosulását az izomsejtek posztszinaptikus membránján. A Wnt-3 fehérjét izomrostok expresszálják, és retrográd módon szekretálják a motoros neuronokhoz. A motoros neuronokban a Wnt-3 az Agrin-nel együtt működik, és serkenti a növekedési kúp tágulását, az axonok terminális elágazását és a szinaptikus vezikulák csoportosulását.