Введение

Аксоновый транспорт, также называемый аксоплазменным транспортом или аксоплазменным потоком, – это клеточный процесс, обеспечивающий перемещение митохондрий, липидов, синаптических везикул, белков и других органелл к телу клетки нейрона и от него по цитоплазме его аксона, называемой аксоплазмой. Поскольку длина некоторых аксонов достигает метров, нейроны не могут полагаться на диффузию для доставки продуктов ядра и органелл к окончанию аксона. Аксоновый транспорт также отвечает за перемещение молекул, предназначенных для разрушения, из аксона обратно в тело клетки, где они расщепляются лизосомами. Движение к телу клетки называется ретроградным транспортом, а движение к синапсу – антероградным транспортом.

Механизм

Подавляющее большинство аксональных белков синтезируется в теле нейрона и транспортируется по аксонам. В аксонах также обнаружена некоторая трансляция мРНК. Аксоновый транспорт происходит на протяжении всей жизни нейрона и необходим для его роста и выживания. Микротрубочки (состоящие из тубулина) проходят вдоль аксона и обеспечивают основные цитоскелетные "рельсы" для транспортировки. Кинезин и динеин – это моторные белки, которые перемещают различные грузы в антероградном (от тела клетки к концу аксона) и ретроградном (от конца аксона к телу клетки) направлениях соответственно. Моторные белки связывают и транспортируют различные грузы, включая митохондрии, полимеры цитоскелета, аутофагосомы и синаптические везикулы, содержащие нейротрансмиттеры. Аксоновый транспорт может быть быстрым или медленным, антероградным (от тела клетки) или ретроградным (доставляет материалы от аксона к телу клетки).

Быстрая и медленная транспортировка

Везикулярные грузы перемещаются относительно быстро (50–400 мм/день), в то время как транспорт растворимых (цитозольных) и цитоскелетных белков занимает гораздо больше времени (скорость движения менее 8 мм/день). Основной механизм быстрого аксонального транспорта известен уже несколько десятилетий, но механизм медленного аксонального транспорта становится ясным лишь недавно, благодаря развитию современных методов визуализации. Движение растворимых (цитозольных) грузов более сложно, однако, по-видимому, основано на схожем принципе: растворимые белки формируют мультибелковые комплексы, которые затем транспортируются посредством временных взаимодействий с более быстро движущимися грузами, участвующими в быстром аксональном транспорте. Можно провести аналогию с разницей в скорости доставки между местными и экспресс-поездами метро. Хотя оба типа поездов движутся с примерно одинаковой скоростью между станциями, местному поезду требуется гораздо больше времени, чтобы добраться до конечной станции, поскольку он останавливается на каждой, в то время как экспресс делает лишь несколько остановок по пути.

Ретроградная транспортировка

Ретроградная транспортировка доставляет молекулы и органеллы от аксонных окончаний к телу клетки. Ретроградный аксональный транспорт осуществляется цитоплазматическим динейном и используется, например, для передачи химических сигналов и продуктов эндоцитоза, направляющихся в эндолизосомы, от аксона обратно в клетку. Быстрый ретроградный транспорт может покрывать 10–20 сантиметров в сутки. Некоторые патогены используют этот процесс для проникновения в нервную систему. Они проникают в дистальные части аксона и перемещаются к соме посредством ретроградной транспортировки. К ним относятся токсин столбняка, вирусы простого герпеса, бешенства и полиомиелита. При таких инфекциях задержка между заражением и началом симптомов соответствует времени, необходимому патогенам для достижения сомы. Вирус простого герпеса перемещается в обоих направлениях по аксонам в зависимости от стадии жизненного цикла, при этом ретроградная транспортировка определяет полярность для входящих капсидов.

Последствия прерывания

Когда аксональный транспорт подавлен или прерван, нормальная физиология переходит в патофизиологию, и может произойти накопление аксоплазмы, образующее аксональный сфероид. Поскольку аксональный транспорт может нарушаться множеством способов, аксональные сфероиды наблюдаются при различных классах заболеваний, включая генетические, травматические, ишемические, инфекционные, токсические, дегенеративные и специфические заболевания белого вещества, называемые лейкоэнцефалопатиями. Ряд редких нейродегенеративных заболеваний связан с генетическими мутациями в моторных белках – кинезине и динеине, и в этих случаях аксональный транспорт, вероятно, играет ключевую роль в развитии патологии. Нарушение аксонального транспорта также связано со спорадическими (распространенными) формами нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Это обусловлено многочисленными наблюдениями, что в пораженных нейронах неизменно обнаруживаются крупные аксональные накопления, а гены, известные своей ролью в семейных формах этих заболеваний, также предположительно участвуют в нормальном аксональном транспорте. Однако прямых доказательств участия аксонального транспорта в этих заболеваниях недостаточно, и другие механизмы (например, прямая синаптотоксичность) могут быть более значимыми. Остановка аксоплазматического потока на границе ишемических зон при сосудистых ретинопатиях приводит к отеку нервных волокон, что проявляется в виде мягких эксудатов или хлопчатобумажных пятен. Поскольку аксон зависит от аксоплазматического транспорта для доставки жизненно важных белков и веществ, повреждение, такое как диффузное аксональное повреждение, прерывающее транспорт, вызывает дегенерацию дистального участка аксона в процессе, называемом валлерианской дегенерацией. Противораковые препараты, подавляющие рост раковых клеток путем изменения микротрубочек (необходимых для деления клеток), повреждают нервы, поскольку микротрубочки необходимы для аксонального транспорта.

Инфекция

Вирус бешенства достигает центральной нервной системы посредством ретроградного аксоплазматического транспорта. Нейротоксин столбнячной палочки интернализируется в нейромышечном синапсе путем связывания с белками нидогена и ретроградно транспортируется к телу нейрона в сигнальных эндосомах. Нейротропные вирусы, такие как герпесвирусы, перемещаются внутри аксонов, используя клеточные транспортные механизмы, что было показано в работах группы Элейн Беер. Также предполагается, что другие инфекционные агенты используют аксональный транспорт. В настоящее время считается, что подобные инфекции вносят вклад в развитие болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных неврологических заболеваний.