Аксональный транспорт - Axonal transport

Аксонов транспорт , называемый также аксонный транспортом или axoplasmic потоком , является клеточным процессом , ответственным за движение митохондрий , липидов , синаптических везикул , белков и других органелл к и от нейрона «ы клетки тело , через цитоплазму его аксон называется аксоплазм . Поскольку некоторые аксоны имеют длину порядка метров, нейроны не могут полагаться на диффузию, чтобы переносить продукты ядра и органелл к концам своих аксонов. Аксональный транспорт также отвечает за перемещение молекул, предназначенных для деградации, от аксона обратно в тело клетки, где они расщепляются лизосомами .

Динеин , моторный белок, ответственный за ретроградный аксональный транспорт, переносит везикулы и другие клеточные продукты к телам нейронов. Его легкие цепи связывают груз, а его шаровидные области головы связывают микротрубочку , «двигаясь» вдоль нее.

Движение к телу клетки называется ретроградным транспортом, а движение к синапсу - антероградным транспортом.

Механизм

Кинезин, идущий по микротрубочке . Это молекулярно- биологическая машина, которая использует динамику белковых доменов на наномасштабе.

Подавляющее большинство аксональных белков синтезируется в теле нейрональных клеток и транспортируется по аксонам. Некоторая трансляция мРНК была продемонстрирована в аксонах. Транспорт аксонов происходит на протяжении всей жизни нейрона и необходим для его роста и выживания. Микротрубочки (состоящие из тубулина ) проходят по длине аксона и служат основными «дорожками» цитоскелета для транспортировки. Кинезин и динеин являются моторными белками, которые перемещают грузы в антероградном (вперед от сомы к кончику аксона) и ретроградном (назад к соме (тело клетки)) направлениях, соответственно. Моторные белки связывают и транспортируют несколько различных грузов, включая митохондрии , полимеры цитоскелета , аутофагосомы и синаптические везикулы, содержащие нейротрансмиттеры .

Транспорт аксонов может быть быстрым или медленным, а также антероградным (от тела клетки) или ретроградным (перенос материалов от аксона к телу клетки).

Быстрый и медленный транспорт

Везикулярные грузы перемещаются относительно быстро (50–400 мм / день), тогда как транспорт растворимых (цитозольных) и цитоскелетных белков занимает гораздо больше времени (перемещение менее 8 мм / день). Основной механизм быстрого аксонального транспорта был понят в течение десятилетий, но механизм медленного аксонального транспорта стал ясен только недавно, в результате передовых методов визуализации . Методы флуоресцентного мечения (например, флуоресцентная микроскопия ) сделали возможным прямую визуализацию транспорта в живых нейронах. (См. Также: Антероградное отслеживание .)

Недавние исследования показали, что движение цитоскелетных «медленных» грузов на самом деле происходит быстро, но в отличие от быстрых грузов, они часто останавливаются, что значительно снижает общую скорость транзита. Этот механизм известен как модель медленного аксонального транспорта «Stop and Go» и был широко подтвержден для транспорта нейрофиламента белка цитоскелета. Движение растворимых (цитозольных) грузов является более сложным, но, по-видимому, имеет аналогичную основу, когда растворимые белки организуются в мультибелковые комплексы, которые затем передаются посредством временных взаимодействий с более быстро движущимися грузами, перемещающимися в быстром аксональном транспорте. Аналогия - разница в расценках на проезд между местными и скоростными поездами метро. Хотя оба типа поездов движутся между станциями с одинаковой скоростью, пригородным поездом требуется гораздо больше времени, чтобы добраться до конца линии, потому что он останавливается на каждой станции, тогда как экспресс делает только несколько остановок в пути.

Антероградный транспорт

Антероградный (также называемый «ортоградным») перенос - это движение молекул / органелл наружу от тела клетки (также называемого сомой ) к синапсу или клеточной мембране .

Антероградное движение отдельных грузов (в транспортных пузырьках ) как быстрых, так и медленных компонентов вдоль микротрубочек опосредуется кинезинами . Некоторые кинезины участвуют в медленном транспорте, хотя механизм генерации "пауз" при прохождении медленных компонентных грузов все еще неизвестен.

Существует два класса медленного антероградного транспорта: медленный компонент a (SCa), который переносит в основном микротрубочки и нейрофиламенты на 0,1-1 мм в день, и медленный компонент b (SCb), который переносит более 200 различных белков и актин со скоростью до 6 миллиметров в день. Медленный компонент b, который также несет актин, транспортируется в аксонах клеток сетчатки со скоростью 2-3 миллиметра в день.

Во время латентной реактивации вирус простого герпеса (ВПГ) входит в свой литический цикл и использует механизмы антероградного транспорта для миграции от нейронов ганглиев задних корешков к коже или слизистой оболочке, на которые он впоследствии влияет.

Рецептор карго для моторов антероградного транспорта, кинезины, был идентифицирован как белок-предшественник амилоида (АРР), родительский белок, который продуцирует сенильные бляшки, обнаруживаемые при болезни Альцгеймера. Пептид из 15 аминокислот на карбоксильном конце цитоплазмы АРР связывается с высоким сродством с обычным кинезином-1 и опосредует транспорт экзогенного груза в гигантском аксоне кальмара.

Марганец, контрастный агент для T 1- взвешенной МРТ, перемещается антероградным транспортом после стереотаксической инъекции в мозг экспериментальных животных и, таким образом, выявляет схему с помощью МРТ всего мозга у живых животных, как это было впервые сделано Робией Паутлер, Элейн Беэр и Руссом Джейкобсом. Исследования на мышах с нокаутом легкой цепи кинезина-1 показали, что Mn 2+ перемещается посредством транспорта на основе кинезина в зрительном нерве и в головном мозге. Транспорт как в проекциях гиппокампа, так и в зрительном нерве также зависит от APP. Транспорт из гиппокампа в передний мозг уменьшается с возрастом, а место назначения изменяется из-за наличия бляшек болезни Альцгеймера.

Ретроградный транспорт

Ретроградный транспорт перемещает молекулы / органеллы от концов аксонов к телу клетки . Ретроградный аксональный транспорт опосредуется цитоплазматическим динеином и используется, например, для отправки химических сообщений и продуктов эндоцитоза, направляемых к эндолизосомам от аксона обратно в клетку. При работе со средней скоростью in vivo примерно 2 мкм / сек быстрый ретроградный транспорт может покрывать 10-20 сантиметров в день.

Быстрый ретроградный транспорт возвращает использованные синаптические пузырьки и другие материалы в сому и сообщает соме о состояниях на окончаниях аксонов. Ретроградный транспорт переносит сигналы выживания из синапса обратно в тело клетки, такие как TRK, рецептор фактора роста нервов. Некоторые патогены используют этот процесс для вторжения в нервную систему. Они входят в дистальные кончики аксона и перемещаются к соме ретроградным транспортом. Примеры включают столбнячный токсин и вирусы простого герпеса, бешенства и полиомиелита. При таких инфекциях задержка между заражением и появлением симптомов соответствует времени, необходимому для того, чтобы патогены достигли соматических клеток. Вирус простого герпеса перемещается по аксонам в обоих направлениях в зависимости от его жизненного цикла, при этом полярность ретроградного транспорта доминирует для поступающих капсидов.

Последствия прерывания

Когда аксональный транспорт ингибируется или прерывается, нормальная физиология становится патофизиологией , что может привести к накоплению аксоплазмы, называемой аксональным сфероидом . Поскольку аксональный транспорт может быть нарушен множеством способов, аксональные сфероиды можно увидеть при многих различных классах заболеваний, включая генетические, травматические, ишемические, инфекционные, токсические, дегенеративные и специфические заболевания белого вещества, называемые лейкоэнцефалопатиями . Несколько редких нейродегенеративных заболеваний связаны с генетическими мутациями в моторных белках, кинезине и динеине , и в этих случаях, вероятно, транспорт аксонов играет ключевую роль в опосредовании патологии. Дисфункциональный аксональный транспорт также связан со спорадическими (распространенными) формами нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона . Это в основном связано с многочисленными наблюдениями, что большие скопления аксонов неизменно наблюдаются в пораженных нейронах, и что гены, о которых известно, что они играют роль в семейных формах этих заболеваний, также предположительно играют роль в нормальном аксональном транспорте. Однако прямых доказательств участия аксонального транспорта в последних заболеваниях мало, и другие механизмы (такие как прямая синаптотоксичность) могут быть более актуальными.

Остановка аксоплазматического кровотока на краю ишемических участков при сосудистых ретинопатиях приводит к набуханию нервных волокон, что приводит к образованию мягкого экссудата или ватных пятен.

Поскольку аксон зависит от аксоплазматического транспорта жизненно важных белков и материалов, повреждение, такое как диффузное повреждение аксона , которое прерывает транспортировку, вызовет дегенерацию дистального отдела аксона в процессе, называемом валлеровской дегенерацией . Лекарства от рака, которые препятствуют развитию рака , изменяя микротрубочки (которые необходимы для деления клеток ), повреждают нервы, потому что микротрубочки необходимы для транспорта аксонов.

Инфекционное заболевание

Вирус бешенства достигает центральной нервной системы путем ретроградного axoplasmic потока. Столбнячный нейротоксин интернализуется в нервно-мышечном соединении посредством связывания белков нидогена и ретроградно транспортируется к соме в сигнальных эндосомах. Нейротропные вирусы, такие как герпесвирусы, перемещаются внутри аксонов с помощью клеточного транспортного механизма, как было показано в работе группы Элейн Беарэр. Другие инфекционные агенты также подозреваются в использовании аксонального транспорта. В настоящее время считается, что такие инфекции способствуют развитию болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных неврологических расстройств.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Sabry J, O'Connor Т.П., Киршнер МВт (июнь 1995). «Аксональный транспорт тубулина в пионерных нейронах Ti1 in situ» . Нейрон . 14 (6): 1247–56. DOI : 10.1016 / 0896-6273 (95) 90271-6 . PMID  7541635 .
  2. ^ а б в г Озтас Э (2003). «Нейрональная трассировка» (PDF) . Нейроанатомия . 2 : 2–5. Архивировано (PDF) из оригинала 25 октября 2005 г.
  3. Перейти ↑ Karp G, van der Geer P (2005). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты (4-е изд.). Джон Вили. п. 344 . ISBN 978-0-471-46580-5.
  4. ^ a b Медведь MF, Коннорс Б.В., Парадсо Массачусетс (2007). Неврология: исследование мозга (3-е изд.). Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. п. 41 . ISBN 978-0-7817-6003-4.
  5. ^ Giustetto МЫ, Хедж А.Н., Si , К, Casadio А, Inokuchi К, Пейте Вт, Кандел Е. Р., Шварц Дж (ноябрь 2003 г.). «Аксональный транспорт мРНК фактора элонгации трансляции 1альфа эукариот связывает транскрипцию в ядре с долгосрочным облегчением в синапсе» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (23): 13680–5. Bibcode : 2003PNAS..10013680G . DOI : 10.1073 / pnas.1835674100 . PMC  263873 . PMID  14578450 .
  6. ^ SiК, Giustetto Si , К, М Giustetto, Etkin А, R Хсу, Janisiewicz А.М., Miniaci МС, Ким И. Н., Чжу Н, Кандел ЭР (декабрь 2003 г.). «Нейрональная изоформа CPEB регулирует локальный синтез белка и стабилизирует синапс-специфическое долгосрочное облегчение при аплизии» . Cell . 115 (7): 893–904. DOI : 10.1016 / s0092-8674 (03) 01021-3 . PMID  14697206 . S2CID  15552012 .
  7. ^ Мадай, Сандра; Twelvetrees, Элисон Э .; Мугамян, Армен Дж .; Хольцбаур, Эрика Л.Ф. (октябрь 2014 г.). «Аксональный транспорт: специфические для груза механизмы движения и регуляции» . Нейрон . 84 (2): 292–309. DOI : 10.1016 / j.neuron.2014.10.019 . PMC  4269290 . PMID  25374356 .
  8. ^ a b c d Рой С., Чжан Б., Ли В.М., Трояновский JQ (январь 2005 г.). «Дефекты аксонального транспорта: общая тема нейродегенеративных заболеваний». Acta Neuropathologica . 109 (1): 5–13. DOI : 10.1007 / s00401-004-0952-х . PMID  15645263 . S2CID  11635065 .
  9. ↑ Brown A (март 2003 г.). «Аксональный транспорт мембранных и немембранозных грузов: единая перспектива» . Журнал клеточной биологии . 160 (6): 817–21. DOI : 10,1083 / jcb.200212017 . PMC  2173776 . PMID  12642609 .
  10. Перейти ↑ Scott DA, Das U, Tang Y, Roy S (май 2011 г.). «Механистическая логика, лежащая в основе аксонального транспорта цитозольных белков» . Нейрон . 70 (3): 441–54. DOI : 10.1016 / j.neuron.2011.03.022 . PMC  3096075 . PMID  21555071 .
  11. ^ Рой S, Уинтон MJ, Черный MM, Trojanowski JQ, Ли В.М. (март 2007). «Быстрый и прерывистый котранспорт медленных белков компонента-b» . Журнал неврологии . 27 (12): 3131–8. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.4999-06.2007 . PMC  6672457 . PMID  17376974 .
  12. ^ Кузнецов А.В. (2011). «Аналитическое решение уравнений, описывающих медленный аксональный транспорт на основе гипотезы остановки и движения» . Центральноевропейский физический журнал . 9 (3): 662–673. Bibcode : 2011CEJPh ... 9..662K . DOI : 10.2478 / s11534-010-0066-0 .
  13. ^ Holland DJ, Miranda-Саксен M, Boadle RA, Арматьте P, Cunningham AL (октябрь 1999). "Антероградный транспорт белков вируса простого герпеса в аксонах периферических нейронов плода человека: исследование иммуноэлектронной микроскопии" . Журнал вирусологии . 73 (10): 8503–11. DOI : 10,1128 / JVI.73.10.8503-8511.1999 . PMC  112870 . PMID  10482603 .
  14. ^ Satpute-Кришнан P, DeGiorgis JA, Конли MP, Jang M, Знаменосец EL (октябрь 2006). «Пептидный почтовый индекс, достаточный для антероградного транспорта в пределах белка-предшественника амилоида» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (44): 16532–7. Bibcode : 2006PNAS..10316532S . DOI : 10.1073 / pnas.0607527103 . PMC  1621108 . PMID  17062754 .
  15. ^ Seamster ПЭ, Loewenberg М, Паскаль Дж, Chauviere А, Гонзэйлс А, Cristini В, Bearer ЭЛ (октябрь 2012 г.). «Количественные измерения и моделирование грузомоторных взаимодействий при быстрой транспортировке в живом аксоне» . Физическая биология . 9 (5): 055005. Bibcode : 2012PhBio ... 9e5005S . DOI : 10.1088 / 1478-3975 / 9/5/055005 . PMC  3625656 . PMID  23011729 .
  16. ^ Gallagher JJ, Zhang X, Ziomek GJ, Jacobs RE, Знаменосец EL (апрель 2012). «Дефицит аксонального транспорта в цепи на основе гиппокампа и зрительный путь у животных с нокаутом APP, подтвержденный МРТ с усилением марганца» . NeuroImage . 60 (3): 1856–66. DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2012.01.132 . PMC  3328142 . PMID  22500926 .
  17. ↑ Bearer EL, Manifold-Wheeler BC, Medina CS, Gonzales AG, Chaves FL, Jacobs RE (октябрь 2018 г.). «Изменения функциональной схемы в стареющем мозге и влияние мутировавшего выражения APP» . Нейробиология старения . 70 : 276–290. DOI : 10.1016 / j.neurobiolaging.2018.06.018 . PMC  6159914 . PMID  30055413 .
  18. ↑ Гиббс К.Л., Кальмар Б., Сани Дж. Н., Гринсмит Л., Скьяво Г. (январь 2016 г.). «Визуализация in vivo аксонального транспорта в моторных и сенсорных нейронах мышей» . Журнал методов неврологии . 257 : 26–33. DOI : 10.1016 / j.jneumeth.2015.09.018 . PMC  4666412 . PMID  26424507 .
  19. Перейти ↑ Sleigh J, Schiavo G (2016). «Старше, но не медленнее: старение не влияет на динамику аксонального транспорта сигнальных эндосом in vivo» . Имеет значение . 2 (6). DOI : 10,19185 / matters.201605000018 .
  20. Перейти ↑ Cui B, Wu C, Chen L, Ramirez A, Bearer EL, Li WP, Mobley WC, Chu S (август 2007 г.). «Одно за другим, отслеживание в реальном времени аксонального транспорта NGF с использованием квантовых точек» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (34): 13666–71. Bibcode : 2007PNAS..10413666C . DOI : 10.1073 / pnas.0706192104 . PMC  1959439 . PMID  17698956 .
  21. ^ Саладин, Кеннет. Анатомия и физиология: единство формы и функции. Шестое. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2010. 445. Печать.
  22. ^ Bearer EL, Breakefield XO, Schuback D, Риз TS, LaVail JH (июль 2000). «Ретроградный аксональный транспорт вируса простого герпеса: доказательства единственного механизма и роли тегумента» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (14): 8146–50. Bibcode : 2000PNAS ... 97.8146B . DOI : 10.1073 / pnas.97.14.8146 . PMC  16684 . PMID  10884436 .
  23. ^ Мадай S, Twelvetrees А.Е., Moughamian AJ, Holzbaur EL (октябрь 2014). «Аксональный транспорт: грузо-специфические механизмы движения и регуляции» . Нейрон . 84 (2): 292–309. DOI : 10.1016 / j.neuron.2014.10.019 . PMC  4269290 . PMID  25374356 .
  24. ^ Сани Ю.Н., Rossor А.М., Fellows А.Д., Tosolini А.П., Schiavo G (декабрь 2019). «Аксональный транспорт и неврологические заболевания» . Nat Rev Neurol . 15 (12): 691–703. DOI : 10.1038 / s41582-019-0257-2 . PMID  31558780 . S2CID  203437348 .
  25. ^ Mitrabhakdi Е, Shuangshoti S, Wannakrairot Р, Льюис Р., Susuki К, Laothamatas Дж, Hemachudha Т (ноябрь 2005 г.). «Различие нейропатогенетических механизмов при бешеном и паралитическом бешенстве человека». Журнал неврологических наук . 238 (1-2): 3-10. DOI : 10.1016 / j.jns.2005.05.004 . PMID  16226769 . S2CID  25509462 .
  26. ^ Bercsenyi K, Schmieg N, Bryson JB, Wallace M, Caccin P, Golding M, Zanotti G, Greensmith L, Nischt R, Schiavo G (ноябрь 2014 г.). «Поступление токсина столбняка. Нидогены являются терапевтическими мишенями для предотвращения столбняка» (PDF) . Наука . 346 (6213): 1118–23. DOI : 10.1126 / science.1258138 . PMID  25430769 . S2CID  206560426 .
  27. ^ Satpute-Кришнан P, DeGiorgis JA, Знаменосец EL (декабрь 2003). «Быстрый антероградный транспорт вируса простого герпеса: роль белка-предшественника амилоида болезни Альцгеймера» . Ячейка старения . 2 (6): 305–18. DOI : 10.1046 / j.1474-9728.2003.00069.x . PMC  3622731 . PMID  14677633 .
  28. ↑ Cheng SB, Ferland P, Webster P, Bearer EL (март 2011 г.). «Вирус простого герпеса танцует с белком-предшественником амилоида при выходе из клетки» . PLOS ONE . 6 (3): e17966. Bibcode : 2011PLoSO ... 617966C . DOI : 10.1371 / journal.pone.0017966 . PMC  3069030 . PMID  21483850 .
  29. ^ Bearer EL, Satpute-Кришнан P (сентябрь 2002). «Роль цитоскелета в жизненном цикле вирусов и внутриклеточных бактерий: треки, двигатели и машины полимеризации» . Текущие цели в отношении лекарств. Инфекционные заболевания . 2 (3): 247–64. DOI : 10.2174 / 1568005023342407 . PMC  3616324 . PMID  12462128 .
  30. ^ Ицхаки РФ, токарный станок R, Балин Б.Дж., Болл М.Дж., предъявитель Э.Л., Браак Х. и др. (2016). «Микробы и болезнь Альцгеймера» . Журнал болезни Альцгеймера . 51 (4): 979–84. DOI : 10,3233 / JAD-160152 . PMC  5457904 . PMID  26967229 .
  31. ^ «Нет места лучше асфальта для этих выносливых микробов». Новый ученый . 206 (два тысячи семьсот пятьдесят семь): 15. 2010. DOI : 10.1016 / s0262-4079 (10) 60991-8 .