Рост конуса нейрита: актиновый цитоскелет и поиск синаптической цели

Введение

Большое актиновое расширение развивающегося нейрита, направляющегося к своей синаптической мишени. Ростный конус – это крупное актиновое расширение развивающегося или регенерирующего нейрита, ищущего свою синаптическую мишень. Именно ростовой конус обеспечивает рост аксона. Существование ростовых конусов впервые было предложено испанским гистологом Сантьяго Рамоном-и-Кахалем на основе неподвижных изображений, наблюдаемых им под микроскопом. Он впервые описал ростовой конус, основываясь на фиксированных клетках, как "концентрацию протоплазмы конической формы, обладающую амебоидными движениями" (Cajal, 1890). Ростные конусы располагаются на концах нейритов – дендритов или аксонов – нервной клетки. Сенсорные, двигательные, интегративные и адаптивные функции растущих аксонов и дендритов заключены в этой специализированной структуре.

Структура

Морфологию конуса роста можно легко описать, используя руку в качестве аналогии. Тонкие выросты конуса роста – это заостренные филоподии, известные как микропики. Филоподии подобны "пальцам" конуса роста; они содержат пучки актиновых филаментов (F-актин), которые придают им форму и поддержку. Филоподии являются доминирующими структурами в конусах роста и выглядят как узкие цилиндрические выросты, способные простираться на несколько микрометров за край конуса роста. Филоподии ограничены мембраной, содержащей рецепторы и молекулы клеточной адгезии, важные для роста и навигации аксона. Между филоподиями, подобно перепонкам между пальцами, располагаются ламеллиподии. Это плоские области плотной сети актина, в отличие от пучков F-актина в филоподиях. Они часто встречаются вблизи ведущего края конуса роста и располагаются между двумя филоподиями, придавая им вид "вуали". В конусах роста новые филоподии обычно формируются из этих межфилоподиальных перегородок. Конус роста описывается с точки зрения трех областей: периферической (P) области, переходной (T) области и центральной (C) области. Периферическая область – это тонкий слой, окружающий внешний край конуса роста. Она состоит главным образом из цитоскелета на основе актина и содержит ламеллиподии и филоподии, которые характеризуются высокой динамичностью. Однако известно, что микротрубочки временно проникают в периферическую область посредством процесса, называемого динамической нестабильностью. Центральная область расположена в центре конуса роста, ближе к аксону. Эта область состоит главным образом из цитоскелета на основе микротрубочек, обычно более толстая и содержит множество органелл и везикул различных размеров. Переходная область – это область, расположенная в тонкой полосе между центральной и периферической областями. Конусы роста молекулярно специализированы, их транскриптомы и протеомы отличаются от таковых у родительских клеток тела. Существует множество белков, связанных с цитоскелетом, которые выполняют различные функции в конусе роста, например, закрепление актина и микротрубочек друг к другу, к мембране и к другим компонентам цитоскелета. Некоторые из этих компонентов включают молекулярные моторы, генерирующие силу внутри конуса роста, и мембранные везикулы, транспортируемые внутрь и наружу конуса роста посредством микротрубочек. Примеры белков, связанных с цитоскелетом, включают фасцин и филамин (актин-связывающие белки), талин (белок, закрепляющий актин), миозин (транспорт везикул) и mDia (белок, связывающий актин с микротрубочками).

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).

Расселение и вырождение аксона

Высокодинамичный характер ростовых конусов позволяет им реагировать на окружающую среду, быстро меняя направление и ветвясь в ответ на различные стимулы. Выделяют три стадии роста аксона, которые называются: вырост, накопление и консолидация. Во время выроста происходит быстрое удлинение филоподий и ламеллоподий вдоль переднего края ростового конуса. Накопление следует за тем, как филоподии перемещаются к боковым краям ростового конуса, а микротрубочки проникают глубже в ростовой конус, доставляя везикулы и органеллы, такие как митохондрии и эндоплазматическая сеть. Наконец, консолидация происходит, когда F-актин в шейке ростового конуса деполимеризуется и филоподии втягиваются. Затем мембрана сжимается, формируя цилиндрический ствол аксона вокруг пучка микротрубочек. Одна из форм ветвления аксонов также происходит по тому же процессу, за исключением того, что ростовой конус "расщепляется" во время фазы накопления. Это приводит к бифуркации основного аксона. Дополнительная форма ветвления аксонов называется коллатеральным (или интерстициальным) ветвлением. Коллатеральное ветвление, в отличие от бифуркации аксонов, включает образование новой ветви из уже существующего ствола аксона и не зависит от ростового конуса на кончике растущего аксона. В этом механизме аксон сначала генерирует филоподию или ламеллоподию, которая после проникновения аксональных микротрубочек может затем развиться в ветвь, отходящую перпендикулярно от ствола аксона. Установленные коллатеральные ветви, как и основной аксон, имеют ростовой конус и развиваются независимо от кончика основного аксона. В целом, удлинение аксона является результатом процесса, известного как рост от кончика. В этом процессе новый материал добавляется в ростовом конусе, в то время как остальная часть аксонального цитоскелета остается неподвижной. Это происходит посредством двух процессов: динамики на основе цитоскелета и механического напряжения. При динамике цитоскелета микротрубочки полимеризуются в ростовой конус и доставляют жизненно важные компоненты. Механическое напряжение возникает, когда мембрана растягивается из-за генерации силы молекулярными моторами в ростовом конусе и сильных адгезий к субстрату вдоль аксона. В целом, быстрорастущие ростовые конусы небольшие и имеют высокую степень растяжения, в то время как медленно движущиеся или остановившиеся ростовые конусы очень большие и имеют низкую степень растяжения. Ростовые конусы постоянно формируются за счет создания актиновых микрофиламентов и расширения плазматической мембраны посредством слияния везикул. Актиновые нити деполимеризуются и распадаются на проксимальном конце, чтобы позволить свободным мономерам мигрировать к переднему краю (дистальному концу) актиновой нити, где они могут полимеризоваться и, таким образом, повторно прикрепляться. Актиновые нити также постоянно транспортируются от переднего края процессом, управляемым миозиновым мотором, известным как ретроградный поток F-актина. Актиновые нити полимеризуются в периферической области, а затем транспортируются назад в переходную область, где нити деполимеризуются, тем самым высвобождая мономеры для повторения цикла. Это отличается от актинового "бегового дорожки", поскольку движется весь белок. Если бы белок просто перемещался по "беговой дорожке", мономеры деполимеризовались бы с одного конца и полимеризовались на другом, в то время как сам белок не двигался бы. Рост аксонов обеспечивается микротрубочками, расположенными непосредственно за актиновыми нитями. Микротрубочки могут быстро полимеризоваться и таким образом "зондировать" богатую актином периферическую область ростового конуса. Когда это происходит, полимеризующиеся концы микротрубочек вступают в контакт с участками адгезии F-актина, где белки, связанные с кончиком микротрубочек, действуют как "лиганды". Ламинины базальной мембраны взаимодействуют с интегранами ростового конуса, способствуя движению ростового конуса вперед. Кроме того, рост аксона также поддерживается стабилизацией проксимальных концов микротрубочек, которые обеспечивают структурную поддержку аксона.

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.

Направление по оси

Движение аксонов контролируется интеграцией их сенсорной и двигательной функций (описанных выше), которая осуществляется посредством вторых посредников, таких как кальций и циклические нуклеотиды. Сенсорная функция аксонов зависит от сигналов из внеклеточного матрикса, которые могут быть как привлекательными, так и отталкивающими, тем самым направляя аксон в обход определенных путей и привлекая его к целевым областям. Привлекательные сигналы ингибируют ретроградный поток актиновых филаментов и стимулируют их сборку, в то время как отталкивающие сигналы оказывают противоположное действие. Белки, стабилизирующие актин, также вовлечены в этот процесс и необходимы для поддержания выпячивания филоподий и ламеллиподий в присутствии привлекательных сигналов, тогда как белки, дестабилизирующие актин, участвуют в действии отталкивающих сигналов. Аналогичный процесс происходит и с микротрубочками. В присутствии привлекательного сигнала с одной стороны конуса роста, специфические микротрубочки направляются к этой стороне стабилизирующими белками микротрубочек, что приводит к повороту конуса роста в направлении положительного стимула. При отталкивающих сигналах наблюдается обратный эффект: стабилизация микротрубочек предпочтительна на противоположной стороне конуса роста, поскольку отрицательный стимул вызывает отворачивание конуса роста от репеллента. Этот процесс, в сочетании с процессами, связанными с актином, обеспечивает направленный рост аксона в целом. Рецепторы конуса роста обнаруживают молекулы, направляющие рост аксонов, такие как Нетрин, Слит, Эфрины и Семафорины. Недавно было показано, что детерминанты клеточной судьбы, такие как Wnt или Shh, также могут выступать в качестве ориентировочных сигналов. Один и тот же сигнал может действовать как аттрактант или репеллент, в зависимости от контекста. Ярким примером является Netrin 1, который сигнализирует об аттракции через рецептор Netrin DCC и о репульсии через рецептор UNC 5. Кроме того, было обнаружено, что эти же молекулы участвуют в регуляции роста сосудов. Направление роста аксонов определяет начальную организацию нервной системы и также играет важную роль в аксональной регенерации после повреждения.

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.