Az idegsejtvándorlás általános módjai

Átírás

1 Az idegsejtvándorlás általános módjai

2 Az embrionális pan-neuronális sejtkivándorlás gerincvelő Az idegsejt-előalakok a radiális glia nyúlványok és/vagy a növekvő idegi nyúlványok mentén vándorolnak szemcsesejt: outside-in cerebellum neocortex inside-out (+tangenciális)

3 A neocortex fejlődése

4 A vetítő neuronok vándorlási sémája

5 A neocortex fejlődése vetítő neuronok inside-out vándorlása legelőször a MZ sejtjei vándorolnak ki (Cajal-Retzius sejtek; ember: predecesszor sejtek) a vetítő neuronok a CR sejtek alatt állnak meg (reelin szekréció) először az 5/6., legkésőbb a 2/3. réteg neuronjai születnek meg perinatálisan a VZ kimerül (-> csillós ependima, SVZ)

6 Reelin signalling reeler egér: abnormális kérgi rétegzettség reelin: 400 kda ECM glikoprotein, Cajal-Retzius sejtek termelik 2 reelin receptor: ApoER (apolipoprotein E receptor 2), VLDLR (very-low-density lipoprotein receptor); Dab1 (Disabled1) celluláris adaptor cofilin foszforiláció, F-aktin stabilizálás, Dab1 lebontás, mikrotubulus reorganizáció -> detach and stop? vezető él leáll; radiális gliáról leválik (integrinek), megáll -> detach and go? radiális gliáról leválik, majd tovább vándorol

7 Reelin signalling felnőtt neuronális vándorlást is befolyásolja (GABAerg interneuronok termelik) - neuropszichiátriai kórképek, szinaptikus plaszticitás

8 A neocortex fejlődése interneuronok tangenciális vándorlása a kéreg interneuronjai a mediális gangliondomb (MGE) SVZ területén alakulnak ki tangenciális vándorlás, majd a radiális glián jutnak el a CP-be és/vagy a VZ-ba

9 A cerebellum fejlődése Purkinje sejtek, interneuronok vándorlása 4. agykamra (rhombikus ajkak) VZból radiális kivándorlás Bergmannglia radiális rostok mentén vándorló Purkinje sejtek: a leendő axon a vezető nyúlvány? Purkinje sejtek kosársejtek

10 A cerebellum fejlődése kisagyi szemcsesejtek outside-in vándorlása

11 A gerincvelői neuronok fejlődése Wnt BMP alapvetően dorso-ventralis elkülönülés - dorzális: Wnt, BMP signaling -> dorzális interneuronok - ventrális: Shh signaling (notochord) -> motoneuronok Shh radiális glia mentén kivándorlás; végül gliális differenciáció Seve et al., Cell Mol Neurobiol (2009) 29:

12 Sejtvándorlás a fejlődő CNS-ben

13 Az idegsejt polaritása az axon / dendrit specifikus intracelluláris transzport

14 Az axon dendrit elkülönülés in vivo germinatív zónából kikerülő neuron nyúlványai még nem specializáltak (SVZ) a radiális glia / axonok menti vándorlás már polarizált nyúlványokat feltételez

15 Az axon dendrit elkülönülés in vivo

16 Az axon dendrit elkülönülés in vitro főleg embrionális hippokampális idegsejtek fejlődése alapján jellegzetes morfológiai változások jellegzetes érési fázisok

17 Az axon dendrit elkülönülés in vitro

18 A kezdeti nyúlvány-specifikáció (in vitro)

19 A kezdeti nyúlvány-specifikáció (in vitro)

20 Az axon vs dendrit általános jellemzői szám, kialakulás membrán felépítés hossz, morfológia, elágazás mielinizáltság fehérjeszintézis endoszómális rendszer citoszkeleton, MAPs szinaptikus kapcsolat elektromos aktivitás dendrit axon dendrit axon axon

21 Neuronális fehérjeszintézis, sorting Nissl testek: perikarionban és proximális dendritekben RER citoplazmás, perifériás membránfehérjék: - szintézis szabad riboszómákon vagy rögzített poliszómákon szomatodendritikus kompartmentben, ritkán axonban - közvetve / közvetlenül vázelemhez rögzített szabad riboszómák (rozetta) - axonban ált. nyugvó állapot (RNS granulum) sérülésre aktiválódás, lokális fehérjeszintézis

22 Neuronális fehérjeszintézis, sorting új eredmények: axonterminálisban zajló fehérjeszintézis a preszinaptikus, hosszú távú plaszticitáshoz szükséges FUNCAT: fluorescent non-canonical amino acid tagging - gyors preszinaptikus hatás alatt nincs fehérje-szintézis, de a hosszú távú változásokhoz már szükséges - az axon terminálisban a riboszómák STORM szuperrezolúcióval detektálhatóak

23 Neuronális fehérjeszintézis, sorting membránfehérjék a dendritekben: - ER, Golgi nem csak a sejttestben! dendritekben folyamatos ER-hálózat Golgi outpost - bidirekcionális pre-golgi transport - alap szekréciós működés: szomatikus ER -> Golgi, hosszú út a plazmamembránhoz - lokális fehérjeszintézis a dendritekben: speciális cargo (pl. BDNF) dendritikus szekréció tüske és PSD fejlődés Emerging aspects of membrane traffic in neuronal dendrite growth; Tang 2008

24 Az axonális transzmembrán fehérjék transzportútvonalai L1/NgCAM CB1R APP synaptophysin (p38) EAA1/Rab5 függő endocitózis 1. axonba irányított, polarizált lefűződés a TGN-ből + szállító rendszerekkel való szelektív kapcsolódás 2. indirekt, polarizált transzport (transzcitózis): dendritekben endocitózis - szelektív anterográd axonális transzport 3. nem polarizált szállítás + szelektív visszatartás

25 ~ axon A transzcitózis (YRSLE) bazolaterális adaptor klatrin adaptor kináz ~ dendrit

26 A transzcitózis

27 mikrotubulusok (MT) A neuronális vázfehérjék - >10% teljes agyi fehérjekészlet; 25 nm átmérő, több száz mm hossz - a, b tubulin alegységek, dinamikus stabilitás - intracelluláris transzport, nyúlványstabilizálás: dinamikus / stabil MT nukleáció: g-tubulin (centroszóma); hasítás (katanin, spastin) +TIPs (+end tracking proteins): APC, DCX - axon - poszt-transzlációs módosítások (Tyr, Ac, P i ) - kötegelt elrendezés (főleg axonban) axon, dist. dendrit: + vég disztálisan prox. dendrit: + / - vég vegyesen - sokféle, spec. MAP

28 Neuronális MTs icrotubule organization and organelle distribution in axons and dendrites. Axons have tau-bound microtubules of uniform rientation, whereas dendrites have microtubule-associated protein 2 (MAP2)-bound microtubules of mixed orientation. Dendrites also ontain organelles that are not found in axons, such as rough endoplasmic reticulum, polyribosomes and Golgi outposts.

29 A neuronális vázfehérjék mikrotubulus asszociált fehérjék (MAPs) - HMW MAPs (>1300 KDa) MAP1: axon, dendrit; MAP2: dendrit oldalkarok mikrofilamentumokhoz - tau morfológia, neuronális plaszticitás [neurofibrillary tangles] Katanin MT stabilizálás P i inaktiválja disztális axonban defoszforilált

30 Neuronális MTs Microtubule organization in developing axons. The organization and regulation of microtubules in a stage 3 hippocampal pyramidal neuron. Dynamic (blue) microtubules predominate in minor processes (short, unbranched neurites) and at the distal end of the axon and collateral branches, whereas stable (purple) microtubules are enriched in the proximal part of the axon. Inset a shows kataninmediated release of microtubules nucleated at the centrosome. Short polymers are transported along microtubules by motors such as dynein. Inset b shows the transport of tubulin dimers or oligomers to the growth cone by a complex of kinesin family member 5C (KIF5C) and collpasin response mediator protein 2 (CRMP2; also known as DPYSL2). On entering the axonal growth cone microtubules splay, bend, loop, bundle or get captured at the cell cortex. Inset c illustrates the dynamic behaviour of splayed microtubules. Proteins such as CRMP2 promote microtubule assembly, whereas microtubuleassociated protein 1B (MAP1B) contributes to the maintenance of microtubule dynamics and KIF2 and stathmin induce microtubule depolymerization. Inset d shows the protein machinery that is involved in microtubule capture (see also Supplementary information S1 (table)). Inset e shows how tau protects microtubules from katanin-induced severing, thereby contributing to microtubule stabilization and preventing excessive collateral branching. In the axon shaft, the formation of collateral branches is regulated by the action of microtubule severing proteins such as spastin. APC, adenomatous polyposis coli; apkc, atypical protein kinase C (also known as PRKCI); CLASP, cytoplasmic linker associated protein; CLIP170, CAP-GLY domain containing linker protein 170 (also known as CLIP1); EB, end-binding protein; IQGAP1, IQ motif containing GTPase activating protein 1.

31 A neuronális vázfehérjék mikrofilamentumok (aktin) nm hossz, 4-6 nm átmérő - preszinaptikus terminális, dendrittüske, növekedési kúp, kortikális (plazmamembrán alatti) hálózat - pre/posztszinapszis: barbed end a plazmamembrán felé - barbed-end capping (ezrin, radexin, moezin): Ranvier befűződés rögzítés; ECM komponensekhez is - közvetett kötődés (spektrin, dystrophyin, a-actinin) kortikális hálózat, PSD, receptorok, ioncsatornák - igen plasztikus vázrendszer-elem, nincs jelentős axon-dendrit különbség az eloszlásában

32 A neuronális vázfehérjék intermedier filamentumok - néhány mm hossz, 8-12 nm átmérő - lamin (magmembrán; type V) + citoplazma Type III: vimentin, GFAP Type IV: neurofilament (NF), nestin - NFH ~ KDa - NFM ~ KDa - NFL ~60-70 KDa - stabil szerkezet: morfológia biztosítása NF: oldalkarok, erősen foszforilálva (NFH, NFM főleg axonban) nagy térigény -> axon átmérő - mutáció, sérülés: neuropatológiás folyamatok

33 A neuronális motorfehérjék szállítás (cargo): - vezikula - multiprotein komplex - organellum - RNS granulum - citoszkeletális elemek anterográd / retrográd MT / aktin kinezin / dynein / miozin

34 A neuronális motorfehérjék axon kinezin szupercsalád (KIFs) - >45 gén, 14 osztály N-KIFs (N-term. motor domén): ált. MT+ vég felé C-KIFs (C-term. motor domén): ált. MT- vég felé KIF2A, 2C: MT depolimerizáció kinezin-1 kinezin-3 kinezin-2 - cargo kötés ált. közvetett: polarizált transzport Rab GTPázok szinaptikus vezikula prekurzorok adaptor fehérjék

35 A neuronális motorfehérjék kinezin szupercsalád (KIFs) - cargo kötés ált. közvetett: polarizált transzport állvány (scaffold) fehérjék - az interakció a transzport típusát is befolyásolja! - cargo kötés szabályozása foszforiláció Rab-ok szabályozása (GAP?) Ca 2+ szint

36 A kinezin szupercsalád

37 A neuronális motorfehérjék dynein szupercsalád - citoplazmás dynein > 1,5 MDa fehérje komplex - axonémás / csillós dynein - ált. MT- vég felé; axonban retrográd transzport - cargo-kötés az asszociált fehérjekomplexen (dynaktin) keresztül - vetélkedés a cargo kötésért: pl. a BDNF vezikula-transzport iránya az adaptor foszforiláltságától függ

38 A neuronális motorfehérjék miozin szupercsalád - 18 osztály; neuronban miozin V - aktinon vándorol - cargo-kötés az asszociált fehérjekomplexen keresztül - cargo-kötés ált. Ca 2+ függő dendrittüske

39 Transport inside the brain: The basic mechanisms of neuronal trafficking. Hoogenraad Lab

40 A lassú axonális transzport axon növekedés, regeneráció sebességét szabja meg SCa (slow component a): citoszkeletális struktúrák - NF, MT mm/nap [0,001 0,01 mm/s] SCb (slow component b): citoplazmás fehérjék - aktin, tubulin monomer, enzimek mm/nap [0,02 0,04 mm/s] ált. stop-and-go mozgás egyirányú, anterográd KIF5: Hsc-70 adaptor miozin Va: NF-L dynein: MT (ezekhez NF is köthet)

41 A lassú axonális transzport Figure 2.8 Slow axonal transport represents the delivery of cytoskeletal and cytoplasmic constituents to the periphery. Cytoplasmic proteins are synthesized on free polysomes and organized for transport as cytoskeletal elements or macromolecular complexes (1). Microtubules are formed by nucleation at the microtubuleorganizing center near the centriolar complex (2) and then released for migration into axons or dendrites. Slow transport appears to be unidirectional with no net retrograde component. Studies suggest that cytoplasmic dynein may move microtubules with their plus ends leading (3). Neurofilaments may move on their own or may hitchhike on microtubules (4). Once cytoplasmic structures reach their destinations, they are degraded by local proteases (5) at a rate that allows either growth (in the case of growth cones) or maintenance of steady-state levels. The different composition and organization of cytoplasmic elements in dendrites suggest that different pathways may be involved in delivery of cytoskeletal and cytoplasmic materials to dendrites (6). In addition, some mrnas are transported into dendrites, but not into axons.

42 A gyors axonális transzport vezikuláris szállítás: mitokondrium, membránreceptor, szinaptikus vezikula, neuropeptid, neurotrofinok, vírusok... anterográd és retrográd is mm/nap [1 4 mm/s] (retrográd transzport lassabb) KIF1, 5: mitokondrium miozin Va: szinaptikus vezikula, szekréciós granulum, mrns rögök dynein: szignaling endoszóma (pl. NGF- TrkA); BDNF; Rab5 endoszóma, miozin V (retrográd)

43 A gyors axonális transzport Figure 2.9 Fast axonal transport represents transport of membrane-associated materials, having both anterograde and retrograde components. For anterograde transport, most polypeptides are synthesized on membrane-bound polysomes, also known as rough endoplasmic reticulum (1), and then transferred to the Golgi for processing and packaging into specific classes of membrane-bound organelles (2). Proteins following this pathway include both integral membrane proteins and secretory polypeptides in the vesicle lumen. Cytoplasmic peripheral membrane proteins such as kinesins are synthesized on free polysomes. Once vesicles are assembled and appropriate motors associate with them, they move down the axon at a rate of mm per day (3). Different membrane structures are delivered to different compartments and may be regulated independently. For example, dense core vesicles and synaptic vesicles are both targeted for presynaptic terminals (4), but release of vesicle contents involves distinct pathways. After vesicles merge with the plasma membrane, their protein constituents are taken up in coated vesicles via the receptor-mediated endocytic pathway and delivered to a sorting compartment (5). After proper sorting into appropriate compartments, membrane proteins are either committed to retrograde axonal transport or recycled (6). Retrograde moving organelles are morphologically and biochemically distinct from anterograde vesicles. These larger vesicles have an average velocity about half that of anterograde transport. The retrograde pathway is an important mechanism for delivery of neurotrophic factors to the cell body. Material delivered by retrograde transport typically fuses with cell body compartments to form mature lysosomes (7), where constituents are recycled or degraded. However, neurotrophic factors and neurotrophic viruses act at the level of the cell body and escape this pathway. Vesicle transport also occurs into dendrites (8), but less is known about this process.

44 Az axonban zajló transzportfolyamatok

45 Az axonban zajló transzportfolyamatok Figure 2.10 Axonal dynamics in a myelinated axon from the peripheral nervous system (PNS). Axons are in a constant flux with many concurrent dynamic processes. This diagram illustrates a few of the many dynamic events occurring at a node of Ranvier in a myelinated axon from the PNS. Axonal transport moves cytoskeletal structures, cytoplasmic proteins, and membrane-bound organelles from the cell body toward the periphery (from right to left). At the same time, other vesicles return to the cell body by retrograde transport (retrograde vesicle). Membrane-bound organelles are moved along microtubules by motor proteins such as the kinesins and cytoplasmic dyneins. Each class of organelles must be directed to the correct functional domain of the neuron. Synaptic vesicles must be delivered to a presynaptic terminal to maintain synaptic transmission. In contrast, organelles containing sodium channels must be targeted specifically to nodes of Ranvier for saltatory conduction to occur. Cytoskeletal transport is illustrated by microtubules (rods in the upper half of the axon) and neurofilaments (bundle of rope-like rods in the lower half of the axon) representing the cytoskeleton. They move in the anterograde direction as discrete elements and are degraded in the distal regions. Microtubules and neurofilaments interact with each other transiently during transport, but their distribution in axonal cross sections suggests that they are not stably cross-linked. In axonal segments without compact myelin, such as the node of Ranvier or following focal demyelination, a net dephosphorylation of neurofilament side arms allows the neurofilaments to pack more densely. Myelination is thought to alter the balance between kinase (K indicates an active kinase; k is an inactive kinase) and phosphatase (P indicates an active phosphatase; p is an inactive phosphatase) activity in the axon. Most kinases and phosphatases have multiple substrates, suggesting a mechanism for targeting vesicle proteins to specific axonal domains. Local changes in the phosphoryation of axonal proteins may alter the binding properties of proteins. The action of synapsin I in squid axoplasm suggests that dephosphorylated synapsin cross-links synaptic vesicles to microfilaments. When a synaptic vesicle encounters the dephosphorylated synapsin and actin-rich matrix of a presynaptic terminal, the vesicle is trapped at the terminal by inhibition of further axonal transport, effectively targeting the synaptic vesicle to a presynaptic terminal. Similarly, a sodium channel-binding protein may be present at nodes of Ranvier in a high-affinity state (i.e., dephosphorylated). Transport vesicles for nodal sodium channels (Na channel vesicle) would be captured upon encountering this domain, effectively targeting sodium channels to the nodal membrane. Interactions between cells could in this manner establish the functional architecture of the neuron.

46 A dendritikus transzport lokális fehérjeszintézis is, bidirekcionális transzport rövidebb távon dendrit-specifikus motor: - KIF17: NMDA receptorok - KIFC2 (C-KIF); MT- vég: multivezikuláris testek axonban is előforduló motor: - KIF5: AMPA, GABA receptorok; mrns - dynein: Rab5, 7 endoszóma; glicin receptor - miozin Va, Vb: AMPA receptor akkor hogyan különülnek el pl. az axonális / dendritikus membrán-receptorok? - smart és dumb motorfehérjék - a butáknak a szelektív endocitózis segít...

47 Ábrák

48 A lassú axonális transzport Figure 2.8 Slow axonal transport represents the delivery of cytoskeletal and cytoplasmic constituents to the periphery. Cytoplasmic proteins are synthesized on free polysomes and organized for transport as cytoskeletal elements or macromolecular complexes (1). Microtubules are formed by nucleation at the microtubule-organizing center near the centriolar complex (2) and then released for migration into axons or dendrites. Slow transport appears to be unidirectional with no net retrograde component. Studies suggest that cytoplasmic dynein may move microtubules with their plus ends leading (3). Neurofilaments may move on their own or may hitchhike on microtubules (4). Once cytoplasmic structures reach their destinations, they are degraded by local proteases (5) at a rate that allows either growth (in the case of growth cones) or maintenance of steady-state levels. The different composition and organization of cytoplasmic elements in dendrites suggest that different pathways may be involved in delivery of cytoskeletal and cytoplasmic materials to dendrites (6). In addition, some mrnas are transported into dendrites, but not into axons.

49 A gyors axonális transzport Figure 2.9 Fast axonal transport represents transport of membrane-associated materials, having both anterograde and retrograde components. For anterograde transport, most polypeptides are synthesized on membrane-bound polysomes, also known as rough endoplasmic reticulum (1), and then transferred to the Golgi for processing and packaging into specific classes of membrane-bound organelles (2). Proteins following this pathway include both integral membrane proteins and secretory polypeptides in the vesicle lumen. Cytoplasmic peripheral membrane proteins such as kinesins are synthesized on free polysomes. Once vesicles are assembled and appropriate motors associate with them, they move down the axon at a rate of mm per day (3). Different membrane structures are delivered to different compartments and may be regulated independently. For example, dense core vesicles and synaptic vesicles are both targeted for presynaptic terminals (4), but release of vesicle contents involves distinct pathways. After vesicles merge with the plasma membrane, their protein constituents are taken up in coated vesicles via the receptormediated endocytic pathway and delivered to a sorting compartment (5). After proper sorting into appropriate compartments, membrane proteins are either committed to retrograde axonal transport or recycled (6). Retrograde moving organelles are morphologically and biochemically distinct from anterograde vesicles. These larger vesicles have an average velocity about half that of anterograde transport. The retrograde pathway is an important mechanism for delivery of neurotrophic factors to the cell body. Material delivered by retrograde transport typically fuses with cell body compartments to form mature lysosomes (7), where constituents are recycled or degraded. However, neurotrophic factors and neurotrophic viruses act at the level of the cell body and escape this pathway. Vesicle transport also occurs into dendrites (8); less is known about this process.