Дамушы нейриттің өсу конусы мен актиннің кеңеюі

Кіріспе

Синаптикалық нысанасын іздейтін дамушы нейриттің үлкен актинге негіделген кеңеюі. Өсу конусы – дамушы немесе қайта жаңарушы нейриттің синаптикалық нысанасын іздейтін үлкен актинмен қамтамасыз етілген кеңеюі. Аксонның өсуін осы өсу конусы басқарады. Олардың бар екендігін испандық гистолог Сантьяго Рамон и Кахал микроскоп арқылы тұрақты суреттерді бақылағанда алғаш рет айтқан. Ол алғаш рет бекітілген жасушалар негізінде өсу конусын "конустық пішіндегі, амебоидты қозғалысқа ие протоплазманың жиынтығы" деп сипаттаған (Cajal, 1890). Өсу конустары жүйке клеткасының нейриттерінің – дендриттерінің немесе аксондарының ұштарында орналасқан. Дамитын аксон мен дендриттердің сезімталдық, қозғалыс, интеграциялық және бейімделу функцияларының бәрі осы арнайы құрылымда шоғырланған.

Құрылымы

Өсу конусының морфологиясын қолды аналогия ретінде пайдалану арқылы оңай сипаттауға болады. Өсу конусының жіңішке созылымдары тік филоподиялар деп аталады, олар микротікендер деп те танылады. Филоподиялар өсу конусының "саусақтары" сияқты; олардың құрамында актин талшықтары (F-актин) бар, олар оларға пішін мен қолдау береді. Филоподиялар – өсу конустарының басым құрылымдары, және олар өсу конусының шетінен бірнеше микрометрге дейін созылатын тар, цилиндр тәрізді созылымдар ретінде көрінеді. Филоподиялар аксонның өсуі мен бағытталуы үшін маңызды рецепторларды және жасушалардың жабысу молекулаларын қамтитын мембранамен байланысқан. Филоподиялардың арасында – қолдың өрілісі сияқты – "ламеллиподиялар" орналасқан. Бұл филоподиялардағыдай жиналған F-актиннің орнына тығыз актин желісінен тұратын жазық аймақтар. Олар көбінесе өсу конусының алдыңғы жиегіне жақын орналасқан және екі филоподияның арасында позицияланып, оларға "жамылғы сияқты" көрініс береді. Өсу конусында жаңа филоподиялар әдетте осы филоподиялар аралық жамылғылардан пайда болады. Өсу конусы үш аймаққа бөлініп сипатталады: шеткі (P) домен, өтпелі (T) домен және орталық (C) домен. Шеткі домен – өсу конусының сыртқы шетін қоршаған жұқа аймақ. Ол негізінен актинге негізделген цитоскелеттен тұрады және жоғары динамикалық ламеллиподиялар мен филоподияларды қамтиды. Дегенмен, микротүтіктер динамикалық тұрақсыздық деп аталатын процесс арқылы шеткі аймаққа уақытша еніп отырады. Орталық домен аксонға ең жақын орналасқан өсу конусының ортасында орналасқан. Бұл аймақ негізінен микротүтіктерге негізделген цитоскелеттен тұрады, әдетте қалың болады және әртүрлі өлшемдегі көптеген органеллалар мен көпіршіктерді қамтиды. Өтпелі домен – орталық және шеткі домендер арасындағы жұқа жолақта орналасқан аймақ. Өсу конустары молекулалық тұрғыдан маманданған, олардың транскриптомдары мен протеомдары аналық жасуша денелерінен ерекшеленеді. Цитоскелетке байланысты көптеген ақуыздар бар, олар өсу конусының ішінде әртүрлі функцияларды атқарады, мысалы, актин мен микротүтіктерді бір-біріне, мембранаға және басқа цитоскелеттік компоненттерге бекітеді. Бұл компоненттердің кейбіреулеріне өсу конусы ішінде күш жасайтын молекулалық моторлар және микротүтіктер арқылы өсу конусына және одан шығатын мембранаға байланған көпіршіктер кіреді. Цитоскелеттік байланысты ақуыздардың мысалдары – фастин мен филамин (актин жинағы), талин (актин бекіту), миозин (көпіршіктер тасымалы) және mDia (микротүтік-актин байланысы).

The morphology of the growth cone can be easily described by using the hand as an analogy. The fine extensions of the growth cone are pointed filopodia known as microspikes. The filopodia are like the "fingers" of the growth cone; they contain bundles of actin filaments (F actin) that give them shape and support. Filopodia are the dominant structures in growth cones, and they appear as narrow cylindrical extensions which can extend several micrometres beyond the edge of the growth cone. The filopodia are bound by a membrane which contains receptors, and cell adhesion molecules that are important for axon growth and guidance. In between filopodia—much like the webbing of the hands—are the "lamellipodia". These are flat regions of dense actin meshwork instead of bundled F actin as in filopodia. They often appear adjacent to the leading edge of the growth cone and are positioned between two filopodia, giving them a "veil like" appearance. In growth cones, new filopodia usually emerge from these inter filopodial veils. The growth cone is described in terms of three regions: the peripheral (P) domain, the transitional (T) domain, and the central (C) domain. The peripheral domain is the thin region surrounding the outer edge of the growth cone. It is composed primarily of an actin based cytoskeleton, and contains the lamellipodia and filopodia which are highly dynamic. Microtubules, however, are known to transiently enter the peripheral region via a process called dynamic instability. The central domain is located in the center of the growth cone nearest to the axon. This region is composed primarily of a microtubule based cytoskeleton, is generally thicker, and contains many organelles and vesicles of various sizes. The transitional domain is the region located in the thin band between the central and peripheral domains. Growth cones are molecularly specialized, with transcriptomes and proteomes that are distinct from those of their parent cell bodies. There are many cytoskeletal associated proteins, which perform a variety of duties within the growth cone, such as anchoring actin and microtubules to each other, to the membrane, and to other cytoskeletal components. Some of these components include molecular motors that generate force within the growth cone and membrane bound vesicles which are transported in and out of the growth cone via microtubules. Some examples of cytoskeletal associated proteins are fascin and filamins (actin bundling), talin (actin anchoring), myosin (vesicle transport), and mDia (microtubule actin linking).

Аксонның тармақтануы және өскені

Өсу конустарының жоғары динамикалық сипаты оларға айналадағы ортаға түрлі тітіркендіргіштерге жауап ретінде бағытты жылдам өзгертуге және тармақтануға мүмкіндік береді. Аксонның өсуінің үш кезеңі бар: прототрузия, толтыру және консолидация. Прототрузия кезінде өсу конусының алдыңғы шеті бойымен филоподиялар мен ламеллоподиялар жылдам созылады. Толтыру кезінде филоподиялар өсу конусының бүйірлік шеттеріне жылжып, микротубулалар өсу конусына еніп, митохондриялар және эндоплазмалық тор сияқты көпіршіктер мен органеллаларды әкеледі. Соңында, консолидация өсу конусының мойнындағы F-актин деполимерленгенде және филоподиялар кері тартылғанда жүзеге асады. Мембрана содан соң микротубулалар шоғырының айналасында цилиндр тәрізді аксонды пішіндеп құрылады. Аксонның тармақтануының бір түрі де осы процесте жүреді, бірақ өсу конусы толтыру кезеңінде бөлінеді. Бұл негізгі аксонның екіге айырылуына әкеледі. Аксонның тағы бір тармақтану түрі – коллатеральді (немесе интерстициалдық) тармақтану. Коллатеральді тармақтану, аксонның екіге айырылуынан айырмашылығы, қалыптасқан аксон бұрышынан жаңа тармақтың пайда болуын қамтиды және өсіп келе жатқан аксонның ұшындағы өсу конусынан тәуелсіз. Бұл механизмде аксон бастапқыда филоподиум немесе ламеллиподиумды жасайды, ол аксондық микротубулалардың енуінен кейін аксон білігінен тік бұрышпен созылатын тармаққа айналуы мүмкін. Құрылған коллатеральді тармақтар, негізгі аксон сияқты, өсу конусын көрсетеді және негізгі аксон ұшынан тәуелсіз дамиды. Жалпы, аксонның ұзаруы – ұш өсуі деп аталатын процестің нәтижесі болып табылады. Бұл процесте жаңа материал өсу конусына қосылады, ал аксоналдық цитоскелеттің қалған бөлігі өзгермейді. Бұл екі процесс арқылы жүзеге асады: цитоскелеттік динамика және механикалық кернеу. Цитоскелеттік динамикада микротубулалар өсу конусына полимерленеді және маңызды компоненттерді жеткізеді. Механикалық кернеу, өсу конусындағы молекулалық моторлардың күшінен және аксон бойындағы субстратқа мықты жабысудан мембрананың созылуынан туындайды. Жалпы, жылдам өсетін өсу конустары кішкентай және жоғары созылу дәрежесіне ие, ал баяу қозғалатын немесе тоқтап тұрған өсу конустары өте үлкен және төмен созылу дәрежесіне ие. Өсу конустары актин микрофиламенттерін құру және плазмалық мембрананы көпіршіктердің бірігуі арқылы кеңейту арқылы үнемі жаңартылып тұрады. Актин талшықтары проксимальді ұштарында деполимерленеді және ыдырайды, бұл еркін мономерлердің актин талшығының алдыңғы шетіне (дистальді ұшына) жылжуына мүмкіндік береді, онда олар полимерленеді және қайтадан бекітіледі. Актин талшықтары миозин моторларымен басқарылатын кері F-актин ағыны деп аталатын процесс арқылы үнемі алдыңғы шеттен алыстатылады. Актин талшықтары шеткі аймақта полимерленеді, содан кейін өтпелі аймаққа кері тасымалданады, онда талшықтар деполимерленеді, осылайша мономерлер циклді қайталауға босатылады. Бұл актиннің жылжуынан өзгеше, себебі барлық белок қозғалады. Егер белок тек жылса, мономерлер бір жағынан деполимерленеді және екінші жағынан полимерленеді, ал белоктың өзі қозғалмайды. Аксондардың өсу қабілеті актин талшықтарының артында орналасқан микротубулаларда жатыр. Микротубулалар жылдам полимерленіп, өсу конусының актинге бай шеткі аймағын "зерттейді". Бұл кезде микротубулалардың полимерленетін ұштары F-актиннің жабысу орындарымен байланысқа түседі, онда микротубула ұшымен байланысты ақуыздар "лигандтар" ретінде әрекет етеді. Базальді мембрананың ламининдері өсу конусының интегралдарымен өзара әрекеттесіп, өсу конусының алға жылжуын ынталандырады. Сонымен қатар, аксонның өсуі микротубулалардың проксимальді ұштарының тұрақтандырылуымен де қамтамасыз етіледі, олар аксонның құрылымдық қолдауын қамтамасыз етеді.

The highly dynamic nature of growth cones allows them to respond to the surrounding environment by rapidly changing direction and branching in response to various stimuli. There are three stages of axon outgrowth, which are termed: protrusion, engorgement, and consolidation. During protrusion, there is a rapid extension of filopodia and lamellar extensions along the leading edge of the growth cone. Engorgement follows when the filopodia move to the lateral edges of the growth cone, and microtubules invade further into the growth cone, bringing vesicles and organelles such as mitochondria and endoplasmic reticulum. Finally, consolidation occurs when the F actin at the neck of the growth cone depolymerizes and the filopodia retract. The membrane then shrinks to form a cylindrical axon shaft around the bundle of microtubules. One form of axon branching also occurs via the same process, except that the growth cone “splits” during the engorgement phase. This results in the bifurcation of the main axon. An additional form of axon branching is termed collateral (or interstitial) branching;. Collateral branching, unlike axon bifurcations, involves the formation of a new branch from the established axon shaft and is independent of the growth cone at the tip of the growing axon. In this mechanism, the axon initially generates a filopodium or lamellipodium which following invasion by axonal microtubules can then develop further into a branch extending perpendicular from the axon shaft. Established collateral branches, like the main axon, exhibit a growth cone and develop independently of the main axon tip. Overall, axon elongation is the product of a process known as tip growth. In this process, new material is added at the growth cone while the remainder of the axonal cytoskeleton remains stationary. This occurs via two processes: cytoskeletal based dynamics and mechanical tension. With cytoskeletal dynamics, microtubules polymerize into the growth cone and deliver vital components. Mechanical tension occurs when the membrane is stretched due to force generation by molecular motors in the growth cone and strong adhesions to the substrate along the axon. In general, rapidly growing growth cones are small and have a large degree of stretching, while slow moving or paused growth cones are very large and have a low degree of stretching. The growth cones are continually being built up through construction of the actin microfilaments and extension of the plasma membrane via vesicle fusion. The actin filaments depolymerize and disassemble on the proximal end to allow free monomers to migrate to the leading edge (distal end) of the actin filament where it can polymerize and thus reattach. Actin filaments are also constantly being transported away from the leading edge by a myosin motor driven process known as retrograde F actin flow. The actin filaments are polymerized in the peripheral region and then transported backward to the transitional region, where the filaments are depolymerized; thus freeing the monomers to repeat the cycle. This is different from actin treadmilling since the entire protein moves. If the protein were to simply treadmill, the monomers would depolymerize from one end and polymerize onto the other while the protein itself does not move. The growth capacity of the axons lies in the microtubules which are located just beyond the actin filaments. Microtubules can rapidly polymerize into and thus “probe” the actin rich peripheral region of the growth cone. When this happens, the polymerizing ends of microtubules come into contact with F actin adhesion sites, where microtubule tip associated proteins act as "ligands". Laminins of the basal membrane interact with the integrins of the growth cone to promote the forward movement of the growth cone. Additionally, axon outgrowth is also supported by the stabilization of the proximal ends of microtubules, which provide the structural support for the axon.

Аксондарды басқару

Аксондардың қозғалысы оның сезімдік және моторлық функциясының интеграциясы арқылы басқарылады (жоғарыда сипатталғандай), бұл кальций және циклдік нуклеотидтер сияқты екінші хабаршылар арқылы қамтамасыз етіледі. Аксонның сезімдік функциясы клеткадан тыс матрицадан түсетін сигналдарға тәуелді, олар тартымды немесе тебуге қабілетті, осылайша аксонды белгілі бір бағыттардан ауыртпалық етуге және оны дұрыс нысаналық жерлерге бағыттауға көмектеседі. Тартымды сигналдар актин филаменттерінің кері ағынын тежейді және олардың жиналуын ынталандырады, ал тебуге қабілетті сигналдар кері әсер етеді. Актин тұрақтандыратын ақуыздар да қатысады және тартымды сигналдардың болуы кезінде филоподиялар мен ламеллиподиялардың үздіксіз өсуі үшін маңызды, ал актин тұрақсыздандыратын ақуыздар тебуге қабілетті сигналдардың болуы кезінде қатысады. Микротүтікшелерде де ұқсас процесс жүреді. Өсу конусының бір жағында тартымды сигнал болған кезде, микротүтікшелерді тұрақтандыратын ақуыздар сол жақтағы микротүтікшелерге бағытталды, нәтижесінде өсу конусы оң сигнал бағытына бұрылады. Тебуге қабілетті сигналдар кезінде керісінше болады: микротүтікшелерді тұрақтандыру өсу конусының қарама-қарсы жағында жақсырақ болады, өйткені теріс сигнал өсу конусының тебуге қабілетті фактордан алыстауына себеп болады. Бұл процесс актинмен байланысты процестермен бірігіп, аксонның жалпы бағытталған өсуіне әкеледі. Өсу конусы рецепторлары аксонды бағыттаушы молекулалардың, мысалы, нетрин, слит, эфрин және семафориндердің болуын анықтайды. Соңғы кезде Wnt немесе Shh сияқты жасуша тағдырын анықтайтын факторлар да бағыттаушы сигналдар ретінде әрекет ете алатыны көрсетілді. Бір сигнал контекстке байланысты тартымды немесе тебуге қабілетті болуы мүмкін. Бұған ең жақсы мысал – Netrin 1, ол DCC Netrin рецепторы арқылы тартымдылықты және UNC 5 рецепторы арқылы тебуді қамтамасыз етеді. Бұдан әрі, осы молекулалардың қан тамырларының өсуіне де қатысы бар екені анықталды. Аксонды бағыттау жүйке жүйесінің бастапқы байланысын анықтайды және жарақат алғаннан кейін аксондардың қайта өсуі үшін де маңызды.

Movement of the axons is controlled by an integration of its sensory and motor function (described above) which is established through second messengers such as calcium and cyclic nucleotides. The sensory function of axons is dependent on cues from the extracellular matrix which can be either attractive or repulsive, thus helping to guide the axon away from certain paths and attracting them to their proper target destinations. Attractive cues inhibit retrograde flow of the actin filaments and promote their assembly whereas repulsive cues have the exact opposite effect. Actin stabilizing proteins are also involved and are essential for continued protrusion of filopodia and lamellipodia in the presence of attractive cues, while actin destabilizing proteins are involved in the presence of a repulsive cue. A similar process is involved with microtubules. In the presence of an attractive cue on one side of the growth cone, specific microtubules are targeted on that side by microtubule stabilizing proteins, resulting in growth cone turning in the direction of the positive stimulus. With repulsive cues, the opposite is true: microtubule stabilization is favored on the opposite side of the growth cone as the negative stimulus resulting in the growth cone turning away from the repellent. This process coupled with actin associated processes result in the overall directed growth of an axon. Growth cone receptors detect the presence of axon guidance molecules such as Netrin, Slit, Ephrins, and Semaphorins. It has more recently been shown that cell fate determinants such as Wnt or Shh can also act as guidance cues. The same guidance cue can act as an attractant or a repellent, depending on context. A prime example of this is Netrin 1, which signals attraction through the Netrin receptor DCC and repulsion through the UNC 5 receptor. Furthermore, it has been discovered that these same molecules are involved in guiding vessel growth. Axon guidance directs the initial wiring of the nervous system and is also important in axonal regeneration following an injury.