Фундаментальное открытие может радикально изменить взгляды на нейротрансмиссию
24.08.2011
2825
0
28250
Новое фундаментальное открытие, раскрывающее механизмы того, каким образом нервные клетки хранят и секретируют в межклеточные пространства крохотные мембранные пузырьки (т.н. везикулы), наполненные нейромедиаторами, может привести к радикальному пересмотру взглядов исследователей на нейротрансмиссию – процесс обмена электрическими сигналами между клетками мозга, обеспечивающий все функции организма – от движения до мышления.
Данные, полученные учеными из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско (University of California - San Francisco, США), показывают, что в нейротрансмиссии действительно участвуют все те структуры, которые были описаны раньше, однако механизмы их взаимодействия отличаются от предполагаемых ранее. Понимание правил функционирования контактов между нервными клетками поможет исследователям в поиске новых путей борьбы с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона, одной из причин которой является, возможно, нарушенная синаптическая передача.
Основными участниками в процессе передачи нервного импульса являются везикулы – крохотные пузырьки, окруженные билипидной мембраной и наполненные нейротрансмиттерами – химическими соединениями, необходимыми для взаимодействия нервных клеток друг с другом.
Относительно роли везикул в синаптической передачи ученым было известно уже в течение нескольких десятилетий, однако один вопрос долгое время оставался неразрешенным. Было известно, что существует два различных пула везикул – часть их находится в покоящемся состоянии, а другая является рециклирующей, т.е. эти везикулы высвобождают свое содержимое в синаптическую щель, а затем восстанавливаются и вновь вступают в процесс секреции нейромедиаторов. Оставалось непонятным, чем определяются различия в поведении двух типов везикул, ведь даже с помощью самых мощных микроскопов не удавалось обнаружить никакой разницы между ними.
В статье, опубликованной в журнале Neuron, команда исследователей под руководством профессора Роберта Эдвардса (Robert Edwards) представляет доказательства существования различий между двумя пулами везикул, заключающихся в присутствии внутри них различных белков.
«Они выглядят одинаковыми, однако содержат разные белки, что определяет их различное поведение», - говорит Эдвардс.
Нервные клетки или нейроны, из которых состоит серое вещество головного мозга и ганглии периферической нервной системы, имеют длинные отростки – аксоны, достигающие в длину нередко более метра, и дендриты. По этим отросткам, составляющим нервы, перемещаются электрические импульсы, побуждающие нервные клетки секретировать нейромедиаторы в синаптические щели – промежутки между окончаниями разных аксонов. Синапсы – специализированные контакты нервных клеток – обеспечивают циркуляцию информации во всем организме и являются основой функционирования нервной системы. А основой нормального функционирования синапсов являются везикулы с нейромедиаторами.
С помощью нейромедиаторов регулируется активность десятков миллиардов нервных клеток, слагающих нервную систему человека. Некоторые нейроны передают до 100 нервных импульсов в секунду, что возможно благодаря быстрой рециркуляции везикул с нейромедиаторами. В цитоплазме аксона происходит заблаговременная упаковка нейромедиаторов в везикулы и транспортировка их к пресинаптической мембране, чтобы секретировать их в синаптическую щель тотчас после поступления электрического импульса от соседнего нейрона.
Небольшая часть везикул постоянно находится в непосредственной близости от пресинаптической мембраны, готовая по первому сигналу секретировать нейромедиаторы. После секреции везикулы возвращаются в клетку и заполняются новой порцией нейромедиатора – т.е. рециклируют. Однако большая часть везикул (до 80% всех везикул, содержащихся в нейроне) находится в покоящемся состоянии и не реагирует на поступление электрических сигналов от соседних нейронов. «Неясно, на какие стимулы они реагируют и какова вообще их функция», - говорит Эдвардс.
Ранее исследователи считали, что разница двух пулов везикул заключается исключительно в их расположении в клетке, и везикулы рециклирующего пула реагируют на приходящие к клетке электрические импульсы только потому, что находятся вблизи от пресинаптической мембраны. Эта концепция предполагала, что, оказавшись вблизи от пресинаптической мембраны, покоящиеся везикулы могут становиться рециклирующими, и наоборот; однако она казалась неудовлетворительной, поскольку противоречила понятиям о принципах функционирования клеточных структур, поведение которых обычно определяется специфическими белками. Новая работа исследователей из Калифорнийского Университета показала, что положение везикул в клетке – не причина, но следствие разницы их свойств.
С помощью маркирования везикул специальным флуоресцентным белком GFP, выделенным из клеток медузы, Эдвардсу и его коллегам удалось показать, что в покоящихся везикулах содержится большое количество белка VAMP7, а рециклирующие везикулы содержат другие синаптические белки. Таким образом, покоящиеся везикулы хранят белки, не предназначенные для непосредственного участия в синаптической передаче, и выполняющие в клетке какие-то другие функции. То есть покоящиеся везикулы не становятся рециклирующими, а рециклирующие – не становятся покоящимися, и два пула везикул выполняют принципиально разные функции.
Это наблюдение открывает новое направление в изучении работы нервных сетей и, возможно, механизмов патогенеза неврологических заболеваний. Эдвардс предполагает, что покоящиеся везикулы ответственны за установление новых межнейронных связей и усиление уже существующих.
Новая модель функционирования синапсов, предложенная научной группой Роберта Эдвардса, предполагает, что различные пулы пресинаптических везикул возникают в процессе разных типов эндоцитоза. Рециклирующие везикулы возникают в ходе клатрин-опосредованного эндоцитоза с участием так называемого адапторного белка-2 (AP-2), а покоящиеся везикулы появляются в ходе эндоцитоза, опосредованного адапторным белком-3 (AP-3) (Схема: S. Voglmaier, R. Edwards)
Примечание: механизм «kiss-and-run» или «целуй-и-беги» описывает процесс разгрузки везикул на мембране. При соприкосновении везикулы с поверхностью клетки их мембраны сливаются и содержимое выбрасывается наружу, что происходит в несколько этапов. Сначала оболочки сливаются частично и через образовавшееся отверстие содержимое частично выходит наружу, затем везикула отходит от мембраны и через какое-то время может снова вернуться и выпустить следующую порцию своего молекулярного «груза». Подробнее.
По материалам:
University of California - San Francisco
Zhaolin Hua, Sergio Leal-Ortiz, Sarah M. Foss, Clarissa L. Waites, Craig C. Garner, Susan M. Voglmaier, Robert H. Edwards. v-SNARE Composition Distinguishes Synaptic Vesicle Pools. Neuron, 2011; 71 (3): 474 DOI: 10.1016/j.neuron.2011.06.010
Данные, полученные учеными из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско (University of California - San Francisco, США), показывают, что в нейротрансмиссии действительно участвуют все те структуры, которые были описаны раньше, однако механизмы их взаимодействия отличаются от предполагаемых ранее. Понимание правил функционирования контактов между нервными клетками поможет исследователям в поиске новых путей борьбы с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона, одной из причин которой является, возможно, нарушенная синаптическая передача.
Основными участниками в процессе передачи нервного импульса являются везикулы – крохотные пузырьки, окруженные билипидной мембраной и наполненные нейротрансмиттерами – химическими соединениями, необходимыми для взаимодействия нервных клеток друг с другом.
Относительно роли везикул в синаптической передачи ученым было известно уже в течение нескольких десятилетий, однако один вопрос долгое время оставался неразрешенным. Было известно, что существует два различных пула везикул – часть их находится в покоящемся состоянии, а другая является рециклирующей, т.е. эти везикулы высвобождают свое содержимое в синаптическую щель, а затем восстанавливаются и вновь вступают в процесс секреции нейромедиаторов. Оставалось непонятным, чем определяются различия в поведении двух типов везикул, ведь даже с помощью самых мощных микроскопов не удавалось обнаружить никакой разницы между ними.
В статье, опубликованной в журнале Neuron, команда исследователей под руководством профессора Роберта Эдвардса (Robert Edwards) представляет доказательства существования различий между двумя пулами везикул, заключающихся в присутствии внутри них различных белков.
«Они выглядят одинаковыми, однако содержат разные белки, что определяет их различное поведение», - говорит Эдвардс.
Нервные клетки или нейроны, из которых состоит серое вещество головного мозга и ганглии периферической нервной системы, имеют длинные отростки – аксоны, достигающие в длину нередко более метра, и дендриты. По этим отросткам, составляющим нервы, перемещаются электрические импульсы, побуждающие нервные клетки секретировать нейромедиаторы в синаптические щели – промежутки между окончаниями разных аксонов. Синапсы – специализированные контакты нервных клеток – обеспечивают циркуляцию информации во всем организме и являются основой функционирования нервной системы. А основой нормального функционирования синапсов являются везикулы с нейромедиаторами.
С помощью нейромедиаторов регулируется активность десятков миллиардов нервных клеток, слагающих нервную систему человека. Некоторые нейроны передают до 100 нервных импульсов в секунду, что возможно благодаря быстрой рециркуляции везикул с нейромедиаторами. В цитоплазме аксона происходит заблаговременная упаковка нейромедиаторов в везикулы и транспортировка их к пресинаптической мембране, чтобы секретировать их в синаптическую щель тотчас после поступления электрического импульса от соседнего нейрона.
Небольшая часть везикул постоянно находится в непосредственной близости от пресинаптической мембраны, готовая по первому сигналу секретировать нейромедиаторы. После секреции везикулы возвращаются в клетку и заполняются новой порцией нейромедиатора – т.е. рециклируют. Однако большая часть везикул (до 80% всех везикул, содержащихся в нейроне) находится в покоящемся состоянии и не реагирует на поступление электрических сигналов от соседних нейронов. «Неясно, на какие стимулы они реагируют и какова вообще их функция», - говорит Эдвардс.
Ранее исследователи считали, что разница двух пулов везикул заключается исключительно в их расположении в клетке, и везикулы рециклирующего пула реагируют на приходящие к клетке электрические импульсы только потому, что находятся вблизи от пресинаптической мембраны. Эта концепция предполагала, что, оказавшись вблизи от пресинаптической мембраны, покоящиеся везикулы могут становиться рециклирующими, и наоборот; однако она казалась неудовлетворительной, поскольку противоречила понятиям о принципах функционирования клеточных структур, поведение которых обычно определяется специфическими белками. Новая работа исследователей из Калифорнийского Университета показала, что положение везикул в клетке – не причина, но следствие разницы их свойств.
С помощью маркирования везикул специальным флуоресцентным белком GFP, выделенным из клеток медузы, Эдвардсу и его коллегам удалось показать, что в покоящихся везикулах содержится большое количество белка VAMP7, а рециклирующие везикулы содержат другие синаптические белки. Таким образом, покоящиеся везикулы хранят белки, не предназначенные для непосредственного участия в синаптической передаче, и выполняющие в клетке какие-то другие функции. То есть покоящиеся везикулы не становятся рециклирующими, а рециклирующие – не становятся покоящимися, и два пула везикул выполняют принципиально разные функции.
Это наблюдение открывает новое направление в изучении работы нервных сетей и, возможно, механизмов патогенеза неврологических заболеваний. Эдвардс предполагает, что покоящиеся везикулы ответственны за установление новых межнейронных связей и усиление уже существующих.
Новая модель функционирования синапсов, предложенная научной группой Роберта Эдвардса, предполагает, что различные пулы пресинаптических везикул возникают в процессе разных типов эндоцитоза. Рециклирующие везикулы возникают в ходе клатрин-опосредованного эндоцитоза с участием так называемого адапторного белка-2 (AP-2), а покоящиеся везикулы появляются в ходе эндоцитоза, опосредованного адапторным белком-3 (AP-3) (Схема: S. Voglmaier, R. Edwards)
Примечание: механизм «kiss-and-run» или «целуй-и-беги» описывает процесс разгрузки везикул на мембране. При соприкосновении везикулы с поверхностью клетки их мембраны сливаются и содержимое выбрасывается наружу, что происходит в несколько этапов. Сначала оболочки сливаются частично и через образовавшееся отверстие содержимое частично выходит наружу, затем везикула отходит от мембраны и через какое-то время может снова вернуться и выпустить следующую порцию своего молекулярного «груза». Подробнее.
По материалам:
University of California - San Francisco
Zhaolin Hua, Sergio Leal-Ortiz, Sarah M. Foss, Clarissa L. Waites, Craig C. Garner, Susan M. Voglmaier, Robert H. Edwards. v-SNARE Composition Distinguishes Synaptic Vesicle Pools. Neuron, 2011; 71 (3): 474 DOI: 10.1016/j.neuron.2011.06.010
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
