Рост аксонов что это

На этой микрофотографии видны длинные отростки (аксоны) ганглионарных клеток сетчатки, выращенных из стволовых клеток человека. Аксоны искусственно окрашены в красный цвет, а их конусы роста (см. Growth cone) с движущимися выростами-органеллами разных типов — филоподиями (см. Filopodia) и ламеллиподиями (см. Lamellipodium) — в зеленый.

Окраска производилась методом иммунофлюоресценции: культуру клеток обработали антителами двух видов, которые при взаимодействии со специфичным антигеном активировали флюоресцентные маркеры разного цвета. Одно антитело специфично к β3-изоформе белка тубулина, формирующего микротрубочки, по которым в цитоплазме аксона к конусу роста транспортируются питательные вещества (это антитело активировало красную флюоресценцию). Другое же специфично к фибриллярной форме белка актина (F-актину), которая образуется в конусах роста (зеленая флюоресценция).

Методика выращивания искусственной сетчатки из стволовых клеток уже хорошо разработана. Вкратце ее суть состоит в помещении таких клеток в питательную среду и воздействии на них двумя комплексами химических веществ. Первый, NIM, индуцирует их развитие в сторону образования нейронов; второй, RDM, — в сторону дифференциации в разные типы клеток, формирующие между собой пространственные связи так же, как в живой сетчатке. Основу обоих комплексов составляет питательное вещество DMEM/F12, состоящее из глюкозы, аминокислот и витаминов, а также из дополнительных наборов разных аминокислот.

Однако до сих пор в научных работах на эту тему недостаточно внимания уделялось развитию ганглионарных клеток. Между тем, это единственные нервные клетки сетчатки, способные генерировать нервные импульсы. Ганглионарные клетки формируют множество отростков: короткие (дендриты) собирают информацию от биполярных клеток-посредников (связанных, в свою очередь, с фоторецепторами), длинные (аксоны) передают ее на большое расстояние в зрительный нерв. Болезни и нарушения развития, связанные с разрушением аксонов, приводят к нарушениям зрения и слепоте.

Новое исследование показало, что ганглионарные клетки дифференцируются быстрее, чем клетки других типов, и происходит это во внутреннем слое сетчатки. Включает механизм дифференциации примерно к 30-му дню развития искусственной сетчатки ген BRN3. Ученые доказали это, подсадив в культуру генетически модифицированные с помощью метода CRISPR/Cas9 стволовые клетки, начинающие флюоресцировать красным при экспрессии BRN3 (см. Систему CRISPR-CAS9 удалось заснять в действии, «Элементы», 06.12.2017).

Развитием отростков ганглионарных клеток сетчатки управляют как внутренние, так и внешние факторы. В качестве внешних выступают химические вещества, вырабатываемые другими клетками — стимулирующие рост и движение хемоаттрактанты и «отпугивающие» хеморепелленты. Ученые протестировали несколько веществ-кандидатов на роль таких стимуляторов. Самым сильным оказался эффект от воздействия на ганглионарные клетки белка нетрина-1, способность которого управлять аксональным поведением ранее уже была показана (см. Как белок нетрин подсказывает аксонам, куда им расти, «Элементы», 17.06.2014). Под его действием некоторые аксоны достигали длины 1,5 мм уже на 24-й день своего развития, что является хорошим результатом: максимальная длина аксонов ганглионарных клеток сетчатки составляет 4–5 мм.

В искусственной сетчатке агрегаты ганглионарных нейронов распространяют отростки равномерно во все стороны. В развивающемся живом организме ситуация иная: там рост аксонов направляется в сторону клеток зрительного нерва, с помощью описанного выше химического механизма. Астроциты (тип глиальных клеток) головки зрительного нерва, которая выходит в сетчатку, вырабатывают нетрин-1. Благодаря этому аксоны ганглионарных клеток растут в нужном направлении.

Однако в обоих случаях аксоны разных ганглионарных клеток сплетаются друг с другом, образуя «лучи», растущие в одном направлении — как это показано на верхней картинке. На кончиках «лучей» концентрируются конусы роста. Именно они реагируют на внешние химические факторы, определяя направление, в котором будет расти отросток. Конус роста имеет собственный цитоскелет (см. картинку дня Раскрашенный цитоскелет) на основе белка актина и подвижные отростки двух типов: ламеллоподии, осуществляющие движения конца отростка вперед, и филлоподии, поддерживающие это движение.

Установлено, что нетрин-1 значительно стимулирует активность конусов роста аксонов ганглионарных клеток. Этот белок воздействует на рецепторы, расположенные на поверхности конусов роста, что включает экспрессию отвечающих за рост и движение генов. Интересно, что у разных ганглионарных клеток набор экспрессируемых при этом генов различается. Всего этих генов 34, но по экспрессии всего шести из них клетку можно отнести к одной из пяти групп. Смысл существования этих групп пока неясен.

Исследование закономерностей развития ганглионарных клеток сетчатки и их отростков в перспективе, как надеются ученые, может помочь в борьбе с некоторыми нарушениями зрения, в том числе с помощью имплантации искусственной сетчатки, выращенной из собственных стволовых клеток человека.

Фото с сайта bpod.mrc.ac.uk.

Олег Соколенко

Axon guidance (also called axon pathfinding) is a subfield of neural development concerning the process by which neurons send out axons to reach their correct targets. Axons often follow very precise paths in the nervous system, and how they manage to find their way so accurately is an area of ongoing research.

Axon growth takes place from a region called the growth cone and reaching the axon target is accomplished with relatively few guidance molecules. Growth cone receptors respond to the guidance cues.

Mechanisms[edit]

Growing axons have a highly motile structure at the growing tip called the growth cone, which responds to signals in the extracellular environment that instruct the axon in which direction to grow. These signals, called guidance cues, can be fixed in place or diffusible; they can attract or repel axons. Growth cones contain receptors that recognize these guidance cues and interpret the signal into a chemotropic response. The general theoretical framework is that when a growth cone «senses» a guidance cue, the receptors activate various signaling molecules in the growth cone that eventually affect the cytoskeleton. If the growth cone senses a gradient of guidance cue, the intracellular signaling in the growth cone happens asymmetrically, so that cytoskeletal changes happen asymmetrically and the growth cone turns toward or away from the guidance cue.^[1]

A combination of genetic and biochemical methods (see below) has led to the discovery of several important classes of axon guidance molecules and their receptors:^[2]

• Netrins: Netrins are secreted molecules that can act to attract or repel axons by binding to their receptors, DCC and UNC-5.
• Slits: Secreted proteins that normally repel growth cones by engaging Robo (Roundabout) class receptors in Slit-Robo cell signaling complexes.
• Ephrins: Ephrins are cell surface molecules that activate Eph receptors on the surface of other cells. This interaction can be attractive or repulsive. In some cases, Ephrins can also act as receptors by transducing a signal into the expressing cell, while Ephs act as the ligands. Signaling into both the Ephrin- and Eph-bearing cells is called «bi-directional signaling.»
• Semaphorins: The many types of semaphorins are primarily axonal repellents, and activate complexes of cell-surface receptors called plexins and neuropilins.
• Cell adhesion molecules (CAMs): Integral membrane proteins mediating adhesion between growing axons and eliciting intracellular signalling within the growth cone. CAMs are the major class of proteins mediating correct axonal navigation of axons growing on axons (fasciculation). There are two CAM subgroups: IgSF-CAMs (belonging to the immunoglobulin superfamily) and Cadherins (Ca-dependent CAMs).

In addition, many other classes of extracellular molecules are used by growth cones to navigate properly:

• Developmental morphogens, such as BMPs, Wnts, Hedgehog, and FGFs
• Extracellular matrix and adhesion molecules such as laminin, tenascins, proteoglycans, N-CAM, and L1
• Growth factors like NGF
• Neurotransmitters and modulators like GABA

Integration of information in axon guidance[edit]

Growing axons rely on a variety of guidance cues in deciding upon a growth pathway. The growth cones of extending axons process these cues in an intricate system of signal interpretation and integration, in order to ensure appropriate guidance.^[3] These cues can be functionally subdivided into:

• Adhesive cues, that provide physical interaction with the substrate necessary for axon protrusion. These cues can be expressed on glial and neuronal cells the growing axon contacts or be part of the extracellular matrix. Examples are laminin or fibronectin, in the extracellular matrix, and cadherins or Ig-family cell-adhesion molecules, found on cell surfaces.
• Tropic cues, that can act as attractants or repellents and cause changes in growth cone motility by acting on the cytoskeleton through intracellular signaling. For example, Netrin plays a role in guiding axons through the midline, acting as both an attractant and a repellent, while Semaphorin3A helps axons grow from the olfactory epithelium to map different locations in the olfactory bulb.
• Modulatory cues, that influence the sensitivity of growth cones to certain guidance cues. For instance, neurotrophins can make axons less sensitive to the repellent action of Semaphorin3A.

Given the abundance of these different guidance cues it was previously believed that growth cones integrate various information by simply summing the gradient of cues, in different valences, at a given point in time, to making a decision on the direction of growth. However, studies in vertebrate nervous systems of ventral midline crossing axons, has shown that modulatory cues play a crucial part in tuning axon responses to other cues, suggesting that the process of axon guidance is nonlinear. For example, commissural axons are attracted by Netrin and repelled by Slit. However, as axons approach the midline, the repellent action of Slit is suppressed by Robo-3/Rig-1 receptor.^[4] Once the axons cross the midline, activation of Robo by Slit silences Netrin-mediated attraction, and the axons are repelled by Slit.

Cellular strategies of nerve tract formation[edit]

Pioneer axons[edit]

The formation of a nerve tract follows several basic rules. In both invertebrate and vertebrate nervous systems initial nerve tracts are formed by the pioneer axons of pioneer neurons.^[5] These axons follow a reproducible pathway, stop at intermediate targets, and branch axons at certain choice points, in the process of targeting their final destination. This principle is illustrated by CNS extending axons of sensory neurons in insects.

During the process of limb development, proximal neurons are the first to form axonal bundles while growing towards the CNS. In later stages of limb growth, axons from more distal neurons fasciculate with these pioneer axons. Deletion of pioneer neurons disrupts the extension of later axons, destined to innervate the CNS.^[6] At the same time, it is worth noting that in most cases pioneer neurons do not contain unique characteristics and their role in axon guidance can be substituted by other neurons. For instance, in Xenopus retinotectal connection systems, the pioneer axons of retinal ganglion cells originate from the dorsal part of the eye. However, if the dorsal half of the eye is replaced by less mature dorsal part, ventral neurons can replace the pioneer pathway of the dorsal cells, after some delay.^[7] Studies in zebrafish retina showed that inhibiting neural differentiation of early retinal progenitors prevents axons from exiting the eye. The same study demonstrated aberrant growth trajectories in secondary neurons, following the growth of pioneer neurons missing a guidance receptor.^[8] Thus, while the extent of guidance provided by pioneer axons is under debate and may vary from system to system, the pioneer pathways clearly provide the follower projections with guidance cues and enhance their ability to navigate to target.

Role of glia[edit]

The first extending axons in a pathway interact closely with immature glia cells. In the forming corpus callosum of vertebrates, primitive glia cells first migrate to the ependymal zones of hemispheres and the dorsal septum wall to form a transient structure that the pioneer axons of the callosal fibers use to extend.^[9] The signaling between glia and neurons in the developing nervous system is reciprocal. For instance, in the fly visual system, axons of photoreceptors require glia to exit the eye stalk whereas glia cells rely on signals from neurons to migrate back along axons.^[10]

Guideposts[edit]

The growing axons also rely on transient neuronal structures such as guidepost cells, during pathfinding. In the mouse visual system, proper optic chiasm formation depends on a V-shaped structure of transient neurons that intersect with specialized radial glia at the midline of the chiasm. The chiasm axons grow along and around this structure but do not invade it.^[11] Another example is the subplate in the developing cerebral cortex that consists of transient neuronal layer under the subventricular zone and serves as a guidepost for axons entering permanent cortical layers. The subplate is similar to the chiasmatic neurons in that these cell groups disappear (or transit into other cell types) as the brain matures.^[12] These findings indicate that transitory cell populations can serve an important guidance role even though they have no function in the mature nervous system.

Studying axon guidance[edit]

The earliest descriptions of the axonal growth cone were made by the Spanish neurobiologist Santiago Ramón y Cajal in the late 19th century.^[13] However, understanding the molecular and cellular biology of axon guidance would not begin until decades later. In the last thirty years or so, scientists have used various methods to work out how axons find their way. Much of the early work in axon guidance was done in the grasshopper, where individual motor neurons were identified and their pathways characterized. In genetic model organisms like mice, zebrafish, nematodes, and fruit flies, scientists can generate mutations and see whether and how they cause axons to make errors in navigation. In vitro experiments can be useful for direct manipulation of growing axons. A popular method is to grow neurons in culture and expose growth cones to purified guidance cues to see whether these cause the growing axons to turn. These types of experiments have often been done using traditional embryological non-genetic model organisms, such as the chicken and African clawed frog. Embryos of these species are easy to obtain and, unlike mammals, develop externally and are easily accessible to experimental manipulation.

Axon guidance model systems[edit]

Several types of axon pathways have been extensively studied in model systems to further understand the mechanisms of axon guidance. Perhaps the two most prominent of these are commissures and topographic maps. Commissures are sites where axons cross the midline from one side of the nervous system to the other. Topographic maps are systems in which groups of neurons in one tissue project their axons to another tissue in an organized arrangement such that spatial relationships are maintained; i.e. adjacent neurons will innervate adjacent regions of the target tissue.

Commissure formation: attraction and repulsion[edit]

As described above, axonal guidance cues are often categorized as «attractive» or «repulsive.» This is a simplification, as different axons will respond to a given cue differently. Furthermore, the same axonal growth cone can alter its responses to a given cue based on timing, previous experience with the same or other cues, and the context in which the cue is found. These issues are exemplified during the development of commissures. The bilateral symmetry of the nervous system means that axons will encounter the same cues on either side of the midline. Before crossing (ipsilaterally), the growth cone must navigate toward and be attracted to the midline. However, after crossing (contralaterally), the same growth cone must become repelled or lose attraction to the midline and reinterpret the environment to locate the correct target tissue.

Two experimental systems have had particularly strong impacts on understanding how midline axon guidance is regulated:

The ventral nerve cord of Drosophila[edit]

The use of powerful genetic tools in Drosophila led to the identification of a key class of axon guidance cues, the Slits, and their receptors, the Robos (short for Roundabout). The ventral nerve cord looks like a ladder, with three longitudinal axon bundles (fascicles) connected by the commissures, the «rungs» of the ladder. There are two commissures, anterior and posterior, within each segment of the embryo.

The currently accepted model is that Slit, produced by midline cells, repels axons from the midline via Robo receptors. Ipsilaterally projecting (non-crossing) axons always have Robo receptors on their surface, while commissural axons have very little or no Robo on their surface, allowing them to be attracted to the midline by Netrins and, probably, other as-yet unidentified cues. After crossing, however, Robo receptors are strongly upregulated on the axon, which allows Robo-mediated repulsion to overcome attraction to the midline. This dynamic regulation of Robo is at least in part accomplished by a molecule called Comm (short for Commissureless), which prevents Robo from reaching the cell surface and targeting it for destruction.^[15]

The spinal cord of mice and chickens[edit]

In the spinal cord of vertebrates, commissural neurons from the dorsal regions project downward toward the ventral floor plate. Ipsilateral axons turn before reaching the floor plate to grow longitudinally, while commissural axons cross the midline and make their longitudinal turn on the contralateral side. Strikingly, Netrins, Slits, and Robos all play similar functional roles in this system as well. One outstanding mystery was the apparent lack of any comm gene in vertebrates. It now seems that at least some of Comm’s functions are performed by a modified form of Robo called Robo3 (or Rig1).

The spinal cord system was the first to demonstrate explicitly the altered responsiveness of growth cones to cues after exposure to the midline. Explanted neurons grown in culture would respond to exogenously supplied Slit according to whether or not they had contacted floor plate tissue.^[16]

Topographic maps: gradients for guidance[edit]

As described above, topographic maps occur when spatial relationships are maintained between neuronal populations and their target fields in another tissue. This is a major feature of nervous system organization, particular in sensory systems. The neurobiologist Roger Sperry proposed a prescient model for topographic mapping mediated by what he called molecular «tags.» The relative amounts of these tags would vary in gradients across both tissues. We now think of these tags as ligands (cues) and their axonal receptors. Perhaps the best understood class of tags are the Ephrin ligands and their receptors, the Ephs.

In the simplest type of mapping model, we could imagine a gradient of Eph receptor expression level in a field of neurons, such as the retina, with the anterior cells expressing very low levels and cells in the posterior expressing the highest levels of the receptor. Meanwhile, in the target of the retinal cells (the optic tectum), Ephrin ligands are organized in a similar gradient: high posterior to low anterior. Retinal axons enter the anterior tectum and proceed posteriorly. Because, in general, Eph-bearing axons are repelled by Ephrins, axons will become more and more reluctant to proceed the further they advance toward the posterior tectum. However, the degree to which they are repelled is set by their own particular level of Eph expression, which is set by the position of the neuronal cell body in the retina. Thus, axons from the anterior retina, expressing the lowest level of Ephs, can project to the posterior tectum, even though this is where Ephrins are highly expressed. Posterior retinal cells express high Eph level, and their axons will stop more anteriorly in the tectum.

The retinotectal projection of chickens, frogs and fish[edit]

The large size and accessibility of the chicken embryo has made it a favorite model organism for embryologists. Researchers used the chick to biochemically purify components from the tectum that showed specific activity against retinal axons in culture. This led to the identification of Ephs and Ephrins as Sperry’s hypothesized «tags.»

The retinotectal projection has also been studied in Xenopus and zebrafish. Zebrafish is a potentially powerful system because genetic screens like those performed in invertebrates can be done relatively simply and cheaply. In 1996, large scale screens were conducted in zebrafish, including screens for retinal axon guidance and mapping. Many of the mutants have yet to be characterized.

Cell biology[edit]

Genetics and biochemistry have identified a large set of molecules that affect axon guidance. How all of these pieces fit together is less understood. Most axon guidance receptors activate signal transduction cascades that ultimately lead to reorganization of the cytoskeleton and adhesive properties of the growth cone, which together underlie the motility of all cells. This has been well documented in mammalian cortical neurons.^[17] However, this raises the question of how the same cues can result in a spectrum of response from different growth cones. It may be that different receptors activate attraction or repulsion in response to a single cue. Another possibility is the receptor complexes act as «coincidence detectors» to modify responses to one cue in the presence of another. Similar signaling «cross-talk» could occur intracellularly, downstream of receptors on the cell surface.

In fact, commissural axon growth responses have been shown to be attracted, repressed, or silenced in the presence of Netrin activated DCC receptor.^[18] This variable activity is dependent on Robo or UNC-5 receptor expression at growth cones. Such that Slit activated Robo receptor, causes a silencing of Netrin’s attractive potential through the DCC receptor. While growth cones expressing UNC-5 receptor, respond in a repulsive manner to Netrin-DCC activation. These events occur as consequence of cytoplasmic interactions between the Netrin activated DCC receptor and Robo or UNC-5 receptor, which ultimately alters DCC’s cytoplasmic signaling. Thus, the picture that emerges is that growth cone advancement is highly complex and subject to plasticity from guidance cues, receptor expression, receptor interactions, and the subsequent signaling mechanisms that influence cytoskeleton remodeling.

Growth cone translation in guided axons[edit]

The ability for axons to navigate and adjust responses to various extracellular cues, at long distances from the cell body, has prompted investigators to look at the intrinsic properties of growth cones. Recent studies reveal that guidance cues can influence spatiotemporal changes in axons by modulating the local translation and degradation of proteins in growth cones.^[19] Furthermore, this activity seems to occur independent of distal nuclear gene expression. In fact, in retinal ganglion cells (RGCs) with soma severed axons, growth cones continue to track and innervate the tectum of Xenopus embryos.^[20]

To accommodate this activity, growth cones are believed to pool mRNAs that code for receptors and intracellular signaling proteins involved in cytoskeleton remodeling.^[21] In Xenopus retinotectal projection systems, the expression of these proteins has been shown to be influenced by guidance cues and the subsequent activation of local translation machinery. The attractive cue Netrin-1, stimulates mRNA transport and influence synthesis of β-Actin in filopodia of growth cones, to restructure and steer RGC growth cones in the direction of Netrin secretion.^[22] While the repulsive cue, Slit, is suggested to stimulate the translation of Cofilin (an actin depolymerizing factor) in growth cones, leading to axon repulsion.^[23] In addition, severed commissural axons in chicks, display the capability of translating and expressing Eph-A2 receptor during midline crossing.^[24] As a result, studies suggest that local protein expression is a convenient mechanism to explain the rapid, dynamic, and autonomous nature of growth cone advancement in response to guidance molecules.

The axon growth hypothesis and the consensus connectome dynamics[edit]

Contemporary diffusion-weighted MRI techniques may also uncover the macroscopical process of axonal development. The connectome, or the braingraph, can be constructed from diffusion MRI data: the vertices of the graph correspond to anatomically labelled brain areas, and two such vertices, say u and v, are connected by an edge if the tractography phase of the data processing finds an axonal fiber that connects the two areas, corresponding to u and v. Numerous braingraphs, computed from the Human Connectome Project can be downloaded from the http://braingraph.org site. The Consensus Connectome Dynamics (CCD) is a remarkable phenomenon that was discovered by continuously decreasing the minimum confidence-parameter at the graphical interface of the Budapest Reference Connectome Server.^[25][26] The Budapest Reference Connectome Server depicts the cerebral connections of n=418 subjects with a frequency-parameter k: For any k=1,2,…,n one can view the graph of the edges that are present in at least k connectomes. If parameter k is decreased one-by-one from k=n through k=1 then more and more edges appear in the graph, since the inclusion condition is relaxed. The surprising observation is that the appearance of the edges is far from random: it resembles a growing, complex structure, like a tree or a shrub (visualized on this animation on YouTube.
It is hypothesized in^[27] that the growing structure copies the axonal development of the human brain: the earliest developing connections (axonal fibers) are common in most of the subjects, and the subsequently developing connections have larger and larger variance, because their variances are accumulated in the process of axonal development.

Genetic association[edit]

Axon guidance is genetically associated with other characteristics or features. For example, enrichment analyses of different signaling pathways led to the discovery of a genetic association with intracranial volume.^[28]

See also[edit]

• Pioneer axon
• RTN4R mediates inhibition of axonal growth

References[edit]

External links[edit]

• A seminar for general audiences «Wiring up the brain: How axons navigate»

Направление аксона (также называемое поиск пути аксона ) — это подполе нейронного развития относительно процесса, с помощью которого нейроны посылают аксоны для достижения своих правильных целей. Аксоны часто следуют очень точным путем в нервной системе, и то, как им удается так точно ориентироваться, является областью постоянных исследований.

Рост аксонов происходит из области, называемой конусом роста, и достижение аксонной мишени осуществляется с относительно небольшим количеством направляющих молекул. Рецепторы конуса роста реагируют на управляющие сигналы.

Содержание

• 1 Механизмы
  • 1.1 Интеграция информации в ведение аксонов
  • 1.2 Клеточные стратегии формирования нервных путей
    • 1.2.1 Пионерские аксоны
    • 1.2.2 Роль глии
    • 1.2.3 Направляющие
• 2 Изучение наведения аксонов
  • 2.1 Модельные системы наведения аксонов
    • 2.1.1 Формирование комиссур: притяжение и отталкивание
      • 2.1.1.1 Брюшной нервный канатик дрозофилы
      • 2.1.1.2 Спинальный шнур мышей и цыплят
    • 2.1.2 Топографические карты: градиенты для руководства
      • 2.1.2.1 Ретинотектальная проекция цыплят, лягушек и рыб
  • 2.2 Клеточная биология
    • 2.2.1 Трансляция конуса роста в управляемых аксонах
    • 2.2.2 Гипотеза роста аксонов и согласованная динамика коннектомов
• 3 Генетическая ассоциация
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Внешние ссылки

Механизмы

Рост аксонов имеют очень подвижную структуру на кончике роста, называемую конусом роста, которая «вынюхивает» внеклеточную активность в окружающей среде для сигналов, которые инструктируют аксон, что стремление к росту. Эти сигналы, называемые ориентирами, могут быть зафиксированы на месте или распространяться; они могут притягивать или отталкивать аксоны. Конусы роста содержат рецепторы, которые распознают эти направляющие сигналы и интерпретируют сигнал в хемотропный ответ. Общая теоретическая основа заключается в том, что, когда конус роста «улавливает» сигнал наведения, рецепторы активируют различные сигнальные молекулы в конусе роста, которые в конечном итоге влияют на цитоскелет. Если конус роста ощущает градиент сигнала наведения, внутриклеточная передача сигналов в конусе роста происходит асимметрично, так что изменения цитоскелета происходят асимметрично, и конус роста поворачивается к сигналу наведения или от него.

Сочетание генетических факторов. и биохимические методы (см. ниже) привели к открытию нескольких важных классов молекул, направляющих аксоны, и их рецепторов:

• Нетрины : Нетрины — это секретируемые молекулы, которые могут действовать, притягивая или отталкивая аксоны, связываясь с их рецепторами, DCC и UNC5.
• Slits : секретируемые белки, которые обычно отталкивают ростовые конусы, взаимодействуя с рецепторами класса Robo (Roundabout).
• Эфрины : Эфрины — это молекулы клеточной поверхности, которые активируют рецепторы Eph на поверхности других клеток. Это взаимодействие может быть привлекательным или отталкивающим. В некоторых случаях эфрины могут также действовать как рецепторы, передавая сигнал в экспрессирующую клетку, в то время как Ephs действуют как лиганды. Передача сигналов как в клетки, несущие эфрин, так и в клетки, несущие Eph, называется «двунаправленной передачей сигналов».
• Семафорины : многие типы семафоринов являются в основном репеллентами аксонов и активируют комплексы рецепторов на поверхности клетки, называемые Плексины и нейропилины.
• Молекулы клеточной адгезии (CAM) : интегральные мембранные белки, опосредующие адгезию между растущими аксонами и вызывающие внутриклеточную передачу сигналов внутри конуса роста. САМ являются основным классом белков, обеспечивающих правильную аксональную навигацию аксонов, растущих на аксонах (фасцикуляция). Существует две подгруппы CAM: IgSF-CAM (принадлежащие к суперсемейству иммуноглобулинов) и кадгерины (Ca-зависимые CAM).

Кроме того, конусы роста используют многие другие классы внеклеточных молекул для правильной навигации:

• Развитие морфогены, такие как BMP, Wnts, Hedgehog и FGFs
• Внеклеточный матрикс и молекулы адгезии, такие как ламинин, тенасцины, протеогликаны, N-CAM и L1
• Рост факторы, такие как NGF
• Нейротрансмиттеры и модуляторы, такие как ГАМК

Интеграция информации в ведение аксонов

Рост аксонов полагается на различные управляющие сигналы при выборе пути роста. Конусы роста расширяющихся аксонов обрабатывают эти сигналы в сложной системе интерпретации и интеграции сигналов, чтобы обеспечить соответствующее руководство. Эти сигналы могут быть функционально подразделены на:

• Адгезивные сигналы, которые обеспечивают физическое взаимодействие с субстратом, необходимым для протрузии аксона. Эти сигналы могут выражаться на глиальных и нейронных клетках, с которыми контактирует растущий аксон, или быть частью внеклеточного матрикса. Примерами являются ламинин или фибронектин во внеклеточном матриксе и кадгерины или молекулы клеточной адгезии семейства Ig, обнаруженные на поверхности клеток.
• Тропические сигналы, которые могут действовать как аттрактанты или репелленты и вызывать изменения подвижности конуса роста, воздействуя на цитоскелет посредством внутриклеточной передачи сигналов. Например, Нетрин играет роль в направлении аксонов по средней линии, действуя как аттрактант и репеллент, в то время как Семафорин3A помогает аксонам расти из обонятельного эпителия, чтобы отображать различные места в обонятельной луковице.
• Модуляторные сигналы, которые влияют на чувствительность конусов роста к определенным ориентирам. Например, нейротрофины могут сделать аксоны менее чувствительными к репеллентному действию семафорина 3A.

Учитывая обилие этих различных ориентиров, ранее считалось, что конусы роста объединяют различную информацию, просто суммируя градиент сигналов., в разных валентностях, в данный момент времени, чтобы принять решение о направлении роста. Однако исследования нервных систем позвоночных в вентральной средней линии, пересекающей аксоны, показали, что модулирующие сигналы играют решающую роль в настройке ответов аксонов на другие сигналы, предполагая, что процесс управления аксонами является нелинейным. Например, комиссуральные аксоны притягиваются Нетрином и отталкиваются с помощью Slit. Однако по мере приближения аксонов к средней линии репеллентное действие Slit подавляется рецептором Robo-3 / Rig-1. Как только аксоны пересекают среднюю линию, активация Robo с помощью Slit заглушает опосредованное Netrin притяжение, и аксоны отталкиваются с помощью Slit.

Клеточные стратегии формирования нервных путей

Пионерные аксоны

Формирование нервных путей следует нескольким основным правилам. В нервной системе беспозвоночных и позвоночных начальные нервные пути образованы первичными аксонами первичными нейронами. Эти аксоны следуют воспроизводимым путем, останавливаются на промежуточных мишенях и разветвляют аксоны в определенных точках выбора в процессе достижения конечной цели. Этот принцип иллюстрируется разрастанием аксонов сенсорных нейронов в ЦНС насекомых.

В процессе развития конечностей проксимальные нейроны первыми образуют аксональные пучки, растя по направлению к ЦНС. На более поздних стадиях роста конечностей аксоны от более дистальных нейронов фасцикулируются с этими первичными аксонами. Удаление пионерных нейронов нарушает распространение более поздних аксонов, предназначенных для иннервации ЦНС. В то же время стоит отметить, что в большинстве случаев пионерные нейроны не обладают уникальными характеристиками, и их роль в ведении аксонов может быть заменена другими нейронами. Например, в системах ретинотектальных соединений Xenopus первичные аксоны ганглиозных клеток сетчатки берут начало в дорсальной части глаза. Однако, если дорсальная половина глаза заменяется менее зрелой дорсальной частью, вентральные нейроны могут заменить пионерный путь дорсальных клеток после некоторой задержки. Исследования на рыбках данио сетчатке показали, что ингибирование нейральной дифференцировки ранних предшественников сетчатки предотвращает выход аксонов из глаза. То же исследование продемонстрировало аберрантные траектории роста вторичных нейронов после роста пионерных нейронов, у которых отсутствует рецептор наведения. Таким образом, в то время как степень руководства, обеспечиваемого первичными аксонами, является предметом обсуждения и может варьироваться от системы к системе, пионерные пути явно обеспечивают проекции ведомого с помощью сигналов управления и повышают их способность перемещаться к цели.

Роль глии

Первые протяженные аксоны в пути тесно взаимодействуют с незрелыми клетками глии. При формировании мозолистого тела позвоночных примитивные глиальные клетки сначала мигрируют в эпендимные зоны полушарий и стенку дорсальной перегородки, чтобы сформировать временную структуру, которую используют первые аксоны мозолистых волокон. расширить. Передача сигналов между глией и нейронами в развивающейся нервной системе взаимна. Например, в зрительной системе мух аксоны фоторецепторов требуют, чтобы глия вышла из стебля глаза, тогда как клетки глии полагаются на сигналы от нейронов, чтобы мигрировать обратно по аксонам.

Направляющие

Растущие аксоны также полагаются на временные нейронные структуры, такие как направляющие клетки, во время поиска пути. В зрительной системе мыши собственное формирование зрительного перекреста зависит от V-образной структуры временных нейронов, которые пересекаются со специализированной радиальной глией по средней линии перекреста. Аксоны хиазмы растут вдоль и вокруг этой структуры, но не вторгаются в нее. Другой пример — субпластинка в развивающейся коре головного мозга, которая состоит из временного нейронального слоя под субвентрикулярной зоной и служит ориентиром для аксонов, входящих в постоянные корковые слои. Субпластинка похожа на хиазматические нейроны в том, что эти группы клеток исчезают (или переходят в другие типы клеток) по мере созревания мозга. Эти данные показывают, что популяции преходящих клеток могут играть важную роль в руководстве, даже если они не действуют в зрелой нервной системе.

Изучение управления аксонами

Самые ранние описания конуса роста аксонов были сделаны испанским нейробиологом Сантьяго Рамон-и-Кахал в конце 19 века. Однако понимание молекулярной и клеточной биологии управления аксонами начнется лишь спустя десятилетия. За последние тридцать лет или около того ученые использовали различные методы, чтобы выяснить, как аксоны находят свой путь. Большая часть ранних работ по ведению аксонов была проделана на кузнечике, где были идентифицированы отдельные двигательные нейроны и охарактеризованы их пути. В генетических модельных организмах, таких как мыши, рыбки данио, нематоды и плодовые мухи, ученые могут генерировать мутации и посмотрите, вызывают ли аксоны ошибки в навигации и как они это делают. Эксперименты in vitro могут быть полезны для прямого воздействия на растущие аксоны. Популярным методом является выращивание нейронов в культуре и воздействие на конусы роста очищенных управляющих сигналов, чтобы увидеть, вызывают ли они поворот растущих аксонов. Эти типы экспериментов часто проводились с использованием традиционных эмбриологических негенетических модельных организмов, таких как цыпленок и африканская когтистая лягушка. Эмбрионы этих видов легко получить, они, в отличие от млекопитающих, развиваются внешне и легко доступны для экспериментальных манипуляций.

Модельные системы управления аксонами

Несколько типов путей аксонов были тщательно изучены в модельных системах для дальнейшего понимания механизмов управления аксонами. Пожалуй, два наиболее известных из них — комиссур и топографические карты. Спайки — это участки, где аксоны пересекают среднюю линию от одной стороны нервной системы к другой. Топографические карты — это системы, в которых группы нейронов в одной ткани проецируют свои аксоны в другую ткань в организованном порядке, так что сохраняются пространственные отношения; то есть соседние нейроны будут иннервировать соседние области ткани-мишени.

Образование комиссур: притяжение и отталкивание

Как описано выше, сигналы аксонального наведения часто классифицируются как «привлекательные» или «отталкивающие». Это упрощение, поскольку разные аксоны будут по-разному реагировать на заданный сигнал. Более того, один и тот же конус роста аксонов может изменять свои ответы на заданный сигнал в зависимости от времени, предыдущего опыта с тем же или другим сигналом и контекста, в котором обнаруживается сигнал. Эти проблемы проявляются в процессе развития спаек. Двусторонняя симметрия нервной системы означает, что аксоны будут сталкиваться с одними и теми же сигналами по обе стороны от средней линии. Перед пересечением (ипсилатерально) конус роста должен двигаться к средней линии и притягиваться к ней. Однако после пересечения (контралатерально) тот же конус роста должен отталкиваться или терять притяжение к средней линии и заново интерпретировать окружающую среду, чтобы найти правильную ткань-мишень.

Две экспериментальные системы оказали особенно сильное влияние на понимание того, как регулируется ведение аксонов по средней линии:

вентральный нервный шнур дрозофилы

ведение аксона в эмбрионе дрозофилы вентральный нервный шнур. Из Sanchez-Soriano et al., 2007

Использование мощных генетических инструментов у дрозофилы привело к идентификации ключевого класса сигналов управления аксоном, прорезей, и их рецепторов, роботов (сокращение от Roundabout). вентральный нервный тяж выглядит как лестница с тремя продольными пучками аксонов (пучками), соединенными комиссурами, «ступеньками» лестницы. Внутри каждого сегмента эмбриона есть две комиссуры, передняя и задняя.

В настоящее время принята модель, согласно которой Slit, продуцируемый клетками средней линии, отталкивает аксоны от средней линии через рецепторы Робо. Ипсилатерально выступающие (непересекающиеся) аксоны всегда имеют на своей поверхности рецепторы робо, в то время как комиссуральные аксоны имеют очень мало или совсем не имеют робо на своей поверхности, что позволяет им притягиваться к средней линии Нетринами и, вероятно, другими, еще не идентифицированными сигналами. Однако после скрещивания Robo-рецепторы сильно активируются на аксоне, что позволяет Robo-опосредованному отталкиванию преодолеть притяжение к средней линии. Эта динамическая регуляция Робо, по крайней мере, частично осуществляется молекулой под названием Comm (сокращение от Commissureless), которая не позволяет Робо достигать поверхности клетки и направлять ее для разрушения.

Спинной мозг мышей и кур

В спинном мозге позвоночных комиссуральные нейроны из спинных областей проецируются вниз по направлению к вентральной пластине дна. Ипсилатеральные аксоны поворачиваются, не достигнув пластинки дна, чтобы расти в продольном направлении, в то время как комиссуральные аксоны пересекают среднюю линию и делают свой продольный поворот на контралатеральной стороне. Поразительно, но Netrins, Slits и Robos также играют схожие функциональные роли в этой системе. Одной из выдающихся загадок было очевидное отсутствие какого-либо гена связи у позвоночных. Теперь кажется, что по крайней мере некоторые функции Comm выполняются модифицированной формой Robo под названием Robo3 (или Rig1).

Система спинного мозга была первой, кто явно продемонстрировал измененную реакцию конусов роста на сигналы после воздействия на срединную линию. Эксплантированные нейроны, выращенные в культуре, будут реагировать на экзогенно поставляемую Slit в зависимости от того, контактировали ли они с тканью пластины дна.

Топографические карты: градиенты для руководства

Как описано выше, топографические карты появляются, когда пространственные отношения поддерживаются между популяциями нейронов и их целевыми полями в другой ткани. Это основная особенность организации нервной системы, особенно сенсорной. Нейробиолог Роджер Сперри предложил дальновидную модель топографического картирования, опосредованного тем, что он назвал молекулярными «метками». Относительное количество этих тегов будет варьироваться по градиенту в обеих тканях. Теперь мы думаем об этих метках как о лигандах (репликах) и их аксональных рецепторах. Возможно, наиболее изученным классом меток являются лиганды эфрина и их рецепторы, Ephs.

В простейшем типе модели картирования мы могли бы представить градиент уровня экспрессии рецептора Eph в области нейронов, такой как сетчатка, с передними клетками, экспрессирующими очень низкие уровни, и клетками в задней части, экспрессирующими самые высокие уровни рецептора. Между тем, в клетках-мишенях сетчатки (optic tectum ) лиганды эфрина организованы в аналогичном градиенте: от высокого заднего до низкого переднего. Аксоны сетчатки входят в переднюю тектум и проходят кзади. Поскольку, как правило, аксоны, несущие Eph, отталкиваются Ephrins, аксоны будут становиться все более и более неохотными, чтобы продвигаться дальше по направлению к задней части тектума. Однако степень, в которой они отталкиваются, определяется их собственным уровнем экспрессии Eph, который определяется положением тела нейрональной клетки в сетчатке. Таким образом, аксоны от передней части сетчатки, экспрессирующие самый низкий уровень Ephs, могут проецироваться на задний тектум, даже если именно здесь Ephrins сильно экспрессируются. Задние клетки сетчатки экспрессируют высокий уровень Eph, и их аксоны будут останавливаться ближе кпереди в тектуме.

Ретинотектальная проекция цыплят, лягушек и рыб

Большой размер и доступность куриного эмбриона сделали его излюбленным модельным организмом для эмбриологов. Исследователи использовали цыпленка для биохимической очистки компонентов тектума, которые показали специфическую активность против аксонов сетчатки в культуре. Это привело к идентификации Эфса и Эфрина как гипотетических «меток» Сперри.

Ретинотектальная проекция также изучалась у Xenopus и рыбок данио. Данио — потенциально мощная система, потому что генетический скрининг, подобный тем, что проводится на беспозвоночных, может быть выполнен относительно просто и дешево. В 1996 году на рыбках данио были проведены крупномасштабные скрининги, в том числе скрины для наведения и картирования аксонов сетчатки. Многие из мутантов еще предстоит охарактеризовать.

Клеточная биология

Генетика и биохимия идентифицировали большой набор молекул, которые влияют на ведение аксонов. Менее понятно, как все эти части сочетаются друг с другом. Большинство рецепторов наведения аксонов активируют каскады передачи сигналов, которые в конечном итоге приводят к реорганизации цитоскелета и адгезивным свойствам конуса роста, которые вместе лежат в основе подвижности всех клеток. Это было хорошо задокументировано в корковых нейронах млекопитающих. Однако это поднимает вопрос, как одни и те же сигналы могут приводить к спектру реакции от разных конусов роста. Возможно, что разные рецепторы активируют притяжение или отталкивание в ответ на один сигнал. Другая возможность состоит в том, что рецепторные комплексы действуют как «детекторы совпадений», чтобы изменять ответы на один сигнал в присутствии другого. Подобная сигнальная «перекрестная связь» может происходить внутриклеточно, ниже рецепторов на поверхности клетки.

Фактически, было показано, что реакции роста комиссуральных аксонов притягиваются, подавляются или подавляются в присутствии нетрина рецептора DCC. Эта переменная активность зависит от экспрессии рецептора Robo или UNC-5 в конусах роста. Таким образом, Slit активирует рецептор робо, вызывает подавление притягивающего потенциала нетрина через рецептор DCC. В то время как ростовые конусы экспрессируют рецептор UNC-5, отталкивающе реагируют на активацию Netrin-DCC. Эти события происходят как следствие цитоплазматических взаимодействий между активированным нетрином рецептором DCC и рецептором Robo или UNC-5, что в конечном итоге изменяет передачу сигналов в цитоплазме DCC. Таким образом, возникает картина, что продвижение конуса роста является очень сложным и зависит от пластичности управляющих сигналов, экспрессии рецепторов, взаимодействий рецепторов и последующих механизмов передачи сигналов, которые влияют на ремоделирование цитоскелета.

Трансляция конуса роста в управляемых аксонах

Способность аксонов ориентироваться и регулировать ответы на различные внеклеточные сигналы на больших расстояниях от тела клетки побудила исследователей взглянуть на внутренние свойства шишки роста. Недавние исследования показывают, что управляющие сигналы могут влиять на пространственно-временные изменения в аксонах, модулируя локальную трансляцию и деградацию белков в конусах роста. Более того, эта активность, по-видимому, происходит независимо от экспрессии дистальных ядерных генов. Фактически, в ганглиозных клетках сетчатки (RGC) с аксонами, оторванными от сомы, конусы роста продолжают отслеживать и иннервировать тектум эмбрионов Xenopus.

Считается, что для обеспечения этой активности конусы роста должны пул мРНК, которые кодируют рецепторы и внутриклеточные сигнальные белки, участвующие в ремоделировании цитоскелета. В ретинотектальных проекционных системах Xenopus на экспрессию этих белков влияют сигналы наведения и последующая активация местного механизма трансляции. Привлекательный сигнал Нетрин-1 стимулирует транспорт мРНК и влияет на синтез β-актина в филоподиях конусов роста, реструктурируя и направляя конусы роста RGC в направлении секреции нетрина. В то время как сигнал отталкивания, Slit, как предполагается, стимулирует трансляцию кофилина (фактора деполимеризации актина) в конусах роста, что приводит к отталкиванию аксонов. Кроме того, отделенные комиссуральные аксоны у цыплят демонстрируют способность транслировать и экспрессировать рецептор Eph-A2 во время пересечения средней линии. В результате исследования показывают, что локальная экспрессия белка является удобным механизмом для объяснения быстрой, динамичной и автономной природы продвижения конуса роста в ответ на направляющие молекулы.

Гипотеза роста аксонов и согласованная динамика коннектомов

Современные методы диффузионно-взвешенной МРТ могут также раскрыть макроскопический процесс развития аксонов. коннектом, или брайнграф, можно построить из данных диффузионного МРТ : вершины графа соответствуют анатомически помеченным областям мозга, а две такие вершины, скажем u и v, являются соединены ребром, если на этапе трактографии обработки данных обнаруживается аксональное волокно, которое соединяет две области, соответствующие u и v. Многочисленные брайнграфы, вычисленные из Human Connectome Project, могут можно загрузить с сайта http://braingraph.org. Consensus Connectome Dynamics (CCD) — это замечательный феномен, который был обнаружен путем постоянного уменьшения минимального параметра достоверности в графическом интерфейсе сервера Budapest Reference Connectome. Будапештский эталонный сервер коннектомов отображает мозговые связи n = 418 субъектов с частотным параметром k: для любого k = 1,2,…, n можно просмотреть граф ребер, которые присутствуют как минимум в k коннектомах.. Если параметр k уменьшается один за другим с k = n до k = 1, то в графе появляется все больше и больше ребер, так как условие включения ослабляется. Удивительное наблюдение заключается в том, что появление краев далеко не случайно: оно напоминает растущую сложную структуру, например дерево или куст (визуализировано на этой анимации на YouTube. Это гипотеза состоит в том, что растущая структура копирует развитие аксонов человеческого мозга: самые ранние развивающиеся связи (аксональные волокна) являются обычными для большинства субъектов, а развивающиеся впоследствии связи имеют все большую и большую дисперсию, поскольку их вариации накапливаются в процесса развития аксонов.

Генетическая ассоциация

Направление аксонов генетически связано с другими характеристиками или особенностями. Например, анализ обогащения различных сигнальных путей привел к открытию генетическая ассоциация с внутричерепным объемом.

См. также

• Пионерский аксон
• RTN4R опосредует ингибирование роста аксонов

Ссылки

Внешние ссылки

• Семинар для широкая аудитория «Сборка бюстгальтера in: Как перемещаются аксоны »

Клетки общаются друг с другом с помощью химических сигналов.

Выделяя те или иные вещества, клетка может «подзывать» к себе другие клетки либо «отпугивать» их, сообщать им различные сведения, «звать на помощь» клетки иммунной системы в случае атаки патогенов. Химическое общение между клетками играет важнейшую роль во множестве клеточных процессов. Мы рассмотрим подробно один из таких процессов — аксональное наведение — и роль в нем «химической подсказки» — белка нетрина. Связываясь с разными рецепторами, нетрин образует совершенно разные комплексы, что приводит к разным каскадам реакций, которые могут по-разному поворачивать конус роста аксона.

Аксональное наведение — это сложный процесс, в результате которого аксон прорастает в нужное место, а не куда попало. Нечего и говорить о том, какая тут нужна точность — представьте себе, например, путешествие аксона от спинного мозга до пятки. Или — менее наглядный, но более важный пример — образование правильных связей между нейронами в головном мозге, без которого мозг работать не будет (о том, насколько это сложно, запутанно и интересно, можно прочесть в статье Blue Brain Project: как все связано?).

Самый кончик аксона — конус роста — чрезвычайно подвижное и, можно сказать, любопытное образование. Он нашпигован рецепторами к так называемым «химическим подсказкам» — веществам, которые окружают аксон снаружи и сообщают, куда ему расти. Предполагается, что связывание рецептора на конусе роста с химической подсказкой вызывает каскады реакций, приводящие к перестройке цитоскелета и повороту конуса роста — а значит, к изменению направления роста аксона. Так и представляешь себе, как конус роста «ловит» сигналы от разных подсказок, вертится из-за этого в разные стороны и наконец, выбрав итоговое направление, поворачивает туда весь аксон.

Химические подсказки могут находиться на поверхности окружающих аксон клеток или выделяться этими клетками в окружающую среду. Если они прикреплены к поверхности клеток, то могут действовать только при непосредственном соприкосновении этих клеток и конуса роста; если же они выделяются в окружающую среду, то дальность их действия повышается. Большинство химических подсказок играет роль не только в аксональном наведении, но и в других процессах, например в прорастании кровеносных сосудов — ангиогенезе.

Есть несколько классов химических подсказок:

— Семафорины (от слова «семафор») — могут как выделяться окружающими нейрон клетками, так и находиться на их поверхности. Они в основном отталкивают, «отпугивают» аксоны, не позволяя им прорасти в неподходящие для этого области.

— Нетрины (от санскритского «netr» — проводник) — выделяются окружающими аксон клетками и могут как привлекать аксоны, так и отпугивать их

— Слиты (см. Slit-Robo) — выделяются окрестными клетками и, связываясь с Robo-рецепторами, отпугивают аксоны.

— Эфрины — находятся на поверхности окружающих аксон клеток. Эти молекулы-перевертыши могут быть одновременно и лигандами, и рецепторами. Соединяясь с эфриновыми рецепторами на конусе роста, они могут как привлекать, так и отпугивать нейроны; в то же время, соединение их с этими самыми эфриновыми рецепторами может приводить и к изменениям внутри тех клеток, на поверхности которых находятся сами эфрины.

— Молекулы клеточной адгезии — находятся на поверхности почти всех клеток организма и связывают их друг с другом и с внеклеточным матриксом. Они важны не только для аксонального наведения, но и для множества других процессов: без них наш организм вообще распался бы на отдельные клетки.

— А также другие, чуть менее специализированные молекулы.

Как вы уже, наверное, заметили, некоторые из вышеописанных молекул выполняют только одно действие — например, только отпугивают аксон, в то время как другие умеют и привлекать, и отпугивать аксоны в зависимости от конкретных условий, прежде всего от наличия на поверхности конуса роста тех или иных рецепторов. В результате аксон, на конусе роста которого находятся «привлекательные» рецепторы к этой молекуле, прорастет туда, где находится данная химическая подсказка, а аксон, на конусе роста которого рецепторы «отталкивающие», будет избегать места с этой подсказкой как чумы. Причем вокруг конуса роста много разных подсказок, а на самом конусе много разных рецепторов, и в результате все полученные сигналы суммируются, и аксон прорастает туда, куда ему показывает итоговый вектор.

Большая интернациональная группа ученых задалась целью подробней исследовать один из классов химических подсказок — нетрины — и разобраться на молекулярном уровне, как этим молекулам удается так противоположно действовать на аксоны. Сама по себе работа не представляет особого интереса для широкой публики, но на ее примере хорошо видны правила, по которым взаимодействуют друг с другом белки, и то, как эти взаимодействия могут влиять на жизнь клетки.

В работе рассматривались:

— Нетрин-1 (рис. 1) — один из главных нетринов. У мыши состоит из 603 аминокислот, у человека — из 604. Имеет три домена — ламининовый N-концевой, или LN (см. Laminin N-terminal); ламининовый EGF-подобный (см. EGF-like domain), состоящий из трех модулей, посередине; и маленький положительно заряженный LC-домен на C-конце.

— DCC — его «привлекательный» рецептор. Связывается с LN-LE доменами нетрина-1 посредством своих фибронектиновых доменов III типа (см. Fibronectin type III domain).

— Неогенин (см. статью N. H. Wilson, B. Key, 2007. Neogenin: One receptor, many functions) — многофункциональный рецептор, имеющий некоторое структурное сходство с DCC. Возможно, играет роль и в аксональном наведении за счет связывания с нетрином-1.

— Unc5 — «отталкивающий» рецептор нетрина-1.

Нетрин-1 образует тетрамерный комплекс с неогенином

Одна молекула нетрина в принципе не в состоянии связаться с одной молекулой неогенина: линкер между нетринсвязывающими доменами неогенина не может так растянуться, чтобы прилипнуть к нужным доменам нетрина. Поэтому нетрины-1 образуют с рецепторами комплексы, в которых несколько нетринов связываются с несколькими молекулами рецепторов. Комплекс, который нетрин-1 образует с неогенином, состоит из двух молекул нетрина и двух молекул рецептора. Нетрин при этом практически не меняет свою конформацию по сравнению со свободным состоянием. Два нетрина встают крест-накрест и сцепляются своими срединными LE-2 доменами, а к их концам присоединяются два параллельно расположенных неогенина (рис. 2).

Нетрин-1 связывается с DCC

У DCC линкерный (соединяющий два домена) регион между доменами FN4 и FN5 короче, чем у неогенина, и потому он не может связываться с нетрином-1 в такой красивый тетрамерный комплекс, как неогенин. Вместо этого нетрины и DCC чередуются в длинных (теоретически — бесконечных) цепочках (рис. 3). При этом молекулы DCC в этих цепочках расположены параллельно друг другу, так же, как и молекулы неогенина в вышеописанном комплексе.

Другие возможности

Исследователи предположили, что, поскольку связи между нетрином-1 с DCC и нетрином-1 с неогенином практически идентичны, возможна ситуация, когда нетрин одним концом сцепляется с одним своим рецептором, а другим — с другим. Кроме того, не будем забывать и об «отталкивающем» рецепторе для нетрина-1 — Unc-5. Судя по всему, он присоединяется к LE2-домену нетрина (см. статью R. P. Kruger et al., 2004. Mapping Netrin Receptor Binding Reveals Domains of Unc5 Regulating Its Tyrosine Phosphorylation). В результате помимо двух вышеописанных структур могут получаться другие, в которых нетрины, неогенины, DCC и UNC5 слипаются друг с другом в самых причудливых сочетаниях, что приводит к самым разнообразным последствиям: различные изменения конформации рецептора приводят к разным каскадам реакций, которые могут совершенно по-разному поворачивать конус роста аксона. Похожим образом могут работать и другие сигнальные молекулы, чьи эффекты отличаются в зависимости от того, на какие рецепторы им довелось попасть.

http://elementy.ru/news/432271

Развитие и рост нейрона Конус роста

Нейрон развивается
из небольшой клетки-предшественницы,
которая перестаёт делиться ещё до того,
как выпустит свои отростки. (Однако,
вопрос о делении нейронов в настоящее
время остаётся дискуссионным.) Как
правило, первым начинает расти аксон,
а дендриты образуются позже. На конце
развивающегося отростка нервной клетки
появляется утолщение неправильной
формы, которое и прокладывает путь через
окружающую ткань. Это утолщение называется
конусом роста
нервной клетки.
Он состоит из уплощенной части отростка
нервной клетки с множеством тонких
шипиков. Микрошипики имеют толщину от
0,1 до 0,2 мкм и могут достигать 50 мкм в
длину, широкая и плоская область конуса
роста имеет ширину и длину около 5 мкм,
хотя форма её может изменяться. Промежутки
между микрошипиками конуса роста покрыты
складчатой мембраной. Микрошипики
находятся в постоянном движении —
некоторые втягиваются в конус роста,
другие удлиняются, отклоняются в разные
стороны, прикасаются к субстрату и могут
прилипать к нему.

Конус роста заполнен
мелкими, иногда соединёнными друг с
другом, мембранными пузырьками
неправильной формы. Непосредственно
под складчатыми участками мембраны и
в шипиках находится плотная масса
перепутанных актиновых филаментов.
Конус роста содержит также митохондрии,
микротрубочки и нейрофиламенты, имеющиеся
в теле нейрона.

Вероятно,
микротрубочки и нейрофиламенты удлиняются
главным образом за счёт добавления
вновь синтезированных субъединиц у
основания отростка нейрона. Они
продвигаются со скоростью около
миллиметра в сутки, что соответствует
скорости медленного аксонного транспорта
в зрелом нейроне. Поскольку примерно
такова и средняя скорость продвижения
конуса роста, возможно, что во время
роста отростка нейрона в его дальнем
конце не происходит ни сборки, ни
разрушения микротрубочек и нейрофиламентов.
Новый мембранный материал добавляется,
видимо, у основания. Конус роста — это
область быстрого экзоцитоза и эндоцитоза,
о чём свидетельствует множество
находящихся здесь пузырьков. Мелкие
мембранные пузырьки переносятся по
отростку нейрона от тела клетки к конусу
роста с потоком быстрого аксонного
транспорта. Мембранный материал, видимо,
синтезируется в теле нейрона, переносится
к конусу роста в виде пузырьков и
включается здесь в плазматическую
мембрану путём экзоцитоза, удлиняя
таким образом отросток нервной клетки.

Росту аксонов и
дендритов обычно предшествует фаза
миграции нейронов, когда незрелые
нейроны расселяются и находят себе
постоянное место.

Конус роста,
удлинение аксона и роль актина

Кончик растущего
аксона удлиняется, образуя конус роста.
Рамон-и-Кахаль первым обнаружил, что
конус роста является частью аксона,
ответственной за навигацию и удлинение
его в направлении конечной цели. Конус
роста удлиняется и сокращается за счет
широких пластинок, называемых
ламмелиподиями,
и тонких, остроконечных выпячиваний,
называемых филоподиями.
Филоподии достигают размеров в несколько
десятков микрометров и могут удлиняться
и сокращаться, как бы ощупывая субстрат
во всех направлениях. Филоподии адгезируют
к определенному субстрату и тянут конус
роста в этом направлении.

Актин играет
ключевую роль в подвижности конуса
роста. Как ламеллиподии, так и филоподии
богаты филаментным актином и веществами,
ингибирующими полимеризацию актина,
такими как грибной токсин цитохалазин
В, обездвиживающий конусы роста.
Выпячивание и ретракция ламеллиподий
и филоподий, а также движение вперед
самого конуса роста, скорее всего,
управляется двумя процессами: (1)
полимеризацией и разборкой актиновых
филаментов и (2) зависимой от миозина
транслокацией актиновых филаментов
прочь от ведущего края конуса роста.
Миозин, связанный
с микротрубочками, обеспечивает движение
актиновых филаментов в направлении
назад, в то время как в филаментах
постоянно происходит процесс полимеризации
со стороны ведущего края конуса роста
и деполимеризация в центре.
Полимеризация актина в этом случае
приводит к продвижению конуса роста, в
то время как миозин обеспечивает движение
микротрубочек вперед, продвигая
центральный домен конуса роста.

Оба процесса
используют энергию гидролиза АТФ и
могут управляться белками, связывающими
актин. Кальций, протеинкиназы и другие
внутриклеточные вторичные посредники
управляют активностью актин-связывающих
белков. Например, остановка роста и
ретракция конуса роста, два частых
события в процессе роста аксонов, связаны
с входящим током кальция и увеличением
частоты кратковременных повышений
концентрации кальция в цитоплазме
клетки.

Молекулы адгезии
клетки и внеклеточного матрикса и рост
аксона

Молекулы клеточной
адгезии управляют ростом аксона,
обеспечивая наиболее благоприятное
окружение для вытягивания конуса роста.
Клеточные молекулы адгезии представляют
собой трансмембранные или связанные с
мембраной гликопротеины. Фрагменты
этих макромолекул
во многом гомологичны постоянным
фрагментам иммуноглобулинов. Эти
молекулы обеспечивают адгезию клеток
друг к другу посредством связей между
гликопротеинами.
Дополнительно присутствующей везде
молекулой клеточной адгезии является
молекула N-кадгерина, которая обеспечивает
кальций-зависимую адгезию между клетками.

В культуре клеток
синтез N-кадгерина приводит к их агрегации,
вытягиванию аксонов в сторону клеточных
субстратов, а также соединению отдельных
растущих аксонов в пучки (фасцикулы,
fascicles). Стимуляция роста аксонов молекулами
клеточной адгезии не обеспечивается
просто «липкостью» субстрата; она
управляется активацией рецепторов,
связанных с тирозинкиназой, например
рецептора к фактору роста фибробластов
(fibroblast growth factor, FGF).
Рецептор FGF включает внутриклеточный
каскад, связанный с фосфорилированием
тирозина, что приводит к удлинению
аксона. Исследования при помощи
специальных блокирующих антител
показывают, что конусы роста редко
используют только один субстрат для
своего движения; несколько типов молекул
адгезии клетки и внеклеточного матрикса
могут обеспечивать рост нервных отростков
у определенных типов нейронов. Например,
для полного ингибирования роста аксонов
в сторону шванновской клетки необходимо
применять одновременно антитела к
нескольким факторам роста.

Итак, рост аксона,
его движение вдоль клеток определяется
различными ростовыми и ингибирующими
факторами, которые синтезируются
клетками и встраиваются в их мембраны.
, но каким же образом регулируется
направление роста аксонов? В этой
проблеме пока больше вопросов, чем
ответов, хотя некоторые факты уже можно
считать установленными. Оказалось, что
когда расстояние между телом нейрона
и его мишенью очень короткое конусы
роста аксонов следуют по градиенту
концентрации некоторых молекул,
вырабатываемых клетками-мишенями.

В противоположность
этому, способность аксонов, например,
спинальных мотонейронов расти в
направлении конечностей не зависит от
наличия мышечной клетки-мишени. Это
было показано путем удаления в раннем
периоде сомита, из которого развивается
мускулатура конечностей. Аксоны
мотонейронов направляются нормально
из спинного мозга, врастают в конечность
и образуют мышечные нервы, даже в
отсутствие мышцы. Таким образом, факторы,
которые управляют ростом аксонов
мотонейронов к определенной мишени на
конечности, не выделяются мышцами, с
которыми аксоны в конечном итоге образуют
связи. Когда
дистанция от нейрона до его цели
составляет больше чем несколько сотен
микрон, его путь обозначен специальными
промежуточными целями. Например, конус
роста, идущий от сенсорной клетки
конечностей у развивающегося кузнечика,
делает несколько резких поворотов на
своем пути в ЦНС). Эти повороты происходят
в тот момент, когда конус роста касается
так называемых клеток-ориентиров.
Такое поведение указывает на наличие
взаимодействия с клетками-ориентирами,
ответственными за перенаправление
конусов роста. Этими клетками чаше всего
являются незрелые нейроны. Эти
взаимодействия можно продемонстрировать
при помощи удаления клеток-ориентиров
лучом лазера до того, как их достигнет
конус роста. В этом случае не происходит
соответствующего изменения в траектории
движения конуса роста. Установлено, что
аксоны образуют кратковременные
синаптические контакты с клетками-ориентирами
во время развития. Например, аксоны
нейронов из ядра ЛКТ в зрительной системе
млекопитающих достигают развивающуюся
корковую пластинку раньше, чем образуются
их синаптические мишени — пирамидные
клетки слоя 4. Поэтому аксоны ядра ЛКТ
образуют синапсы с нейронами подпластинки,
которые образуются в раннем эмбриогенезе.
Нейроны подпластинки лежат под
развивающейся корковой пластинкой, и
им суждено исчезнуть вскоре после
рождения. Через нескольких недель, когда
пирамидные клетки слоя 4 достигают
своего месторасположения в коре, аксоны
из ЛКТ разрывают свои связи с нейронами
подпластинки и направляются в кору,
чтобы образовать связи, характерные
для взрослого животного. Если нейроны
подпластинки удалить в раннем периоде
развития местной аппликацией нейротоксинов,
аксоны ядра ЛКТ прорастают за пределы
развивающейся зрительной коры и не
могут образовать синаптических связей
со своими мишенями.

Гибель нейронов

Удивительной
особенностью развития нервной системы
является то, что многим ее нейронам
суждено погибнуть во время развития. У
беспозвоночных интенсивная гибель
нейронов сопровождается стремительными
изменениями, происходящими во время
метаморфоза, и регулируется гормонами.
Однако в развивающейся ЦНС как позвоночных,
так и беспозвоночных гибель клеток
происходит также и в отсутствие
значительных морфологических изменений.

Эксперименты,
выполненные Гамбургером и Леви-Монтальчини,
впервые выявили запрограммированную
гибель нейронов эмбрионов позвоночных,
а также показали, что степень гибели
клеток может зависеть от размеров
ткани-мишени. Они показали, например,
что в развивающейся конечности в то
время, когда формируются первые
синаптические связи с миофибриллами,
от 40 до 70 % мотонейронов, которые послали
аксоны в эту конечность, погибают.
Имплантация дополнительной конечности
уменьшает долю погибающих мотонейронов,
а удаление одного из зачатков конечностей
приводит к увеличению числа гибнущих
клеток, что дает основания для
предположения, что мотонейроны конкурируют
за некие трофические вещества, выделяемые
тканью-мишенью.

Избыточная продукция
нейронов, после которой следует период
гибели клеток, является характерной
чертой развития нервной системы
позвоночных. Некоторые из нейронов,
которые погибают, возможно, не смогли
образовать синапсов, или образовали их
с неподходящей клеткой-мишенью. В
подобных случаях гибель клеток связана
с особенностью иннервации. Однако
большинство клеток, которые гибнут,
достигают и иннервируют правильные
клетки-мишени. Таким образом, гибель
клеток является основным механизмом,
который поддерживает равновесие между
количеством нейронов и их мишеней.

Неожиданной
находкой явилось то, что ингибиторы
образования м-РНК или синтеза белка в
нейронах предотвращали их гибель.
Результаты этих и более поздних
экспериментов показали, что гибель
нейронов типично происходит путем
апоптоза. Апоптоз
— это процесс, который активирует
внутреннюю «суицидальную» программу
клетки, которая приводит к упорядоченному
(запрограммированному) распаду ДНК и
белков в клетке. Существенно, что для
этого необходим предварительный синтез
протеолитических ферментов или их
активаторов.

Развитие синапсов

Многие исследования
функции и формирования синапсов были
сфокусированы на нейромышечных синапсах
— синапсах между двигательными нейронами
и скелетными мышцами, из-за их относительной
доступности и простоты. Они показали,
что формирование синапсов нуждается в
сложном обмене информацией между
нейроном и его мишенью, это делает
возможным взаимное распознавание и
инициирует сигнальные каскады, которые
ведут к дифференцировке и формированию
пресинаптических и постсинаптических
участков мембраны со всем комплексом
структур, необходимых для передачи
импульса возбуждения. Полученная
информация с достоверностью показала,
что принципиальной разницы между
процессами формирования нервномышечных
и центральных синапсов нет. Следовательно
нейромышечные синапсы могут рассматриваться
как хорошая модель синапсов.

Во время развития
аксоны от двигательных нейронов выходят
из спинного мозга и проводятся к своим
мишеням с помощью клеточных и молекулярных
сигналов, которые могут или привлекать
или отталкивать их. Оказавшись в
непосредственно близи к мишени, аксон
замедляет рост и в конечном итоге
останавливается. Кончик аксона
контактирует с мишенью и тем самым
инициируется дифференцировка
пресинаптических окончаний.

Комплекс
последовательных событий запускается
уже при первом контакте врастающего
аксона с растущей мышцей. Когда аксон
впервые достигает мышечной массы,
миобласты всё ещё сливаются вместе,
заканчивая формирование первичных и
вторичных миобибрилл. Одним из наиболее
важных событий, которое следует сразу
после контакта аксона с дифференцирующимся
мышечным волокном, является быстрый
сбор (в течение минут) до этого
диспергированных ацетилхолиновых
рецепторов под формирующимся нервным
окончанием. Эта быстрая агрегация
холинорецепторов является характерной
особенностью образования синапса.

Установлено, что
синаптическая базальная мембрана
содержит в виде различных белков всю
информацию, необходимую для запуска и
управления всеми аспектами образования
синапса. Одним из белков, запускающих
агрегацию холинорецепторов, является
агрин.
Этот белок синтезируется и в мышцах и
нервах, секретируется и проникает в
базальную мембрану. Описано несколько
форм агрина, однако только тот, который
синтезируется в двигательных нейронах
эффективно собирает холинорецепторы
постсинаптической мембраны точно на
вершинах складок постсинаптической
мембраны в непосредственной близости
от места выделения медиатора, так же
собирает в комплексы натриевые каналы,
активирует синтез холинэстеразы.

Уменьшение числа
связей и исчезновение полинейрональной
иннервации

После того как
популяция нейронов, иннервирующих
определенную мишень, уменьшается
благодаря гибели клеток, оставшиеся
нейроны конкурируют друг с другом за
синаптическую территорию. Это
конкурирование обычно приводит к потере
некоторых первично образованных веточек
и синапсов («обрезка»). Уменьшение числа
связей обеспечивает механизм для
формирования правильной и полной
иннервации мишени определенной популяцией
нейронов. В некоторых случаях механизм
уменьшения числа связей также обеспечивает
механизмы коррекции ошибок; в других
случаях он отражает стратегию поиска
пути аксоном.

Особо яркий пример
конкурентного уменьшения числа связей
можно увидеть в развивающейся скелетной
мышце. У взрослых животных каждый
мотонейрон иннервирует группу до 300
мышечных волокон, формируя двигательную
единицу , но каждое мышечное волокно
иннервируется только одним аксоном.
Однако в развивающейся мышце мотонейроны
бурно ветвятся, так что каждое мышечное
волокно в итоге иннервируется аксонами
от нескольких мотонейронов, что называется
полинейрональной иннервацией. В каждом
развивающемся мышечном волокне
синаптические окончания всех аксонов
разбросаны вокруг одного участка, вблизи
скоплений рецепторов АХ и других
компонентов постсинаптического аппарата.
По мере развития веточки аксонов
исчезают, что приводит в конечном итоге
к формированию взрослого паттерна. Этот
процесс не вызывает гибель клетки
(которая обычно происходит на более
ранних стадиях развития), а только
уменьшение количества мышечных волокон,
иннервируемых каждым из мотонейронов.

НЕРВНЫЕ ЦЕНТРЫ
— совокупность
нервных клеток, «ансамбль» нейронов,
которые включаются в регуляцию
определенной функции или в осуществление
конкретного рефлекторного акта.

Свойства нервных
центров мы подробно разберем позднее,
а пока отметим лишь функциональное
значение центров. В нервном центре
происходит интеграция всей
поступающей по афферентным путям
информации, а из центра поступает
команда к действию.

Центры рефлексов
могут быть расположены в любом отделе
ЦНС. В
зависимости от расположения нервных
центров
различают рефлексы СПИНАЛЬНЫЕ — нервные
центры находятся в сегментах спинного
мозга, БУЛЬБАРНЫЕ — в продолговатом
мозге, МЕЗЭНЦЕФАЛЬНЫЕ — в структурах
среднего мозга, КОРТИКАЛЬНЫЕ — в
различных областях коры большого
мозга. Например, одергивание руки при
ожоге – спинальный рефлекс.

В соответствии
с выполняемой функцией
среди нервных центров можно выделить
чувствительные центры, центры вегетативных
функций, двигательные центры. Кроме
того, можно выделить структурно
организованные центры, которые регулируют
определенную функцию: сосудодвигательный
центр, дыхательный центр, центр
слюноотделения. Центры регуляции
вегетативных функций представлены в
таблице 3.

Таблица 3

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #

  30.03.201543.08 Mб39Марк Бирс Руководство по медицине.djvu

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #