Axonální doprava - Axonal transport

Axonálního transportu , také volal axoplasmic doprava nebo axoplasmic toku , je buněčný proces, zodpovědná za pohyb mitochondrií , lipidů , synaptických váčcích , proteinů a dalších organel do a z neuronu je tělo buňky , a to prostřednictvím cytoplazmy jeho axonu nazývá axoplasm . Protože některé axony jsou řádově metry dlouhé, neurony se nemohou spoléhat na difúzi, aby přenesly produkty jádra a organel na konec svých axonů. Axonální transport je také zodpovědný za pohyb molekul určených k degradaci z axonu zpět do těla buňky, kde jsou rozloženy lysozomy .

Dynein , motorický protein zodpovědný za retrográdní axonální transport, nese vezikuly a další buněčné produkty směrem k buněčným tělům neuronů. Jeho lehké řetězce váží náklad a jeho kulové hlavové oblasti svazují mikrotubuly a „palcují“ se podél ní.

Pohyb směrem k tělu buňky se nazývá retrográdní transport a pohyb směrem k synapse se nazývá anterográdní transport.

Mechanismus

Kinesin chůzi na mikrotubule . Jedná se o molekulárně biologický stroj, který využívá dynamiku proteinových domén na nanoměřítkách

Převážná většina axonálních proteinů je syntetizována v těle neuronových buněk a transportována podél axonů. Určitá translace mRNA byla prokázána v axonech. Axonální transport probíhá po celý život neuronu a je nezbytný pro jeho růst a přežití. Mikrotubuly (vyrobené z tubulinu ) probíhají po délce axonu a poskytují hlavní cytoskeletální „stopy“ pro transport. Kinesin a dynein jsou motorické proteiny, které pohybují nákladem ve směru anterográdním (dopředu od soma ke špičce axonu) a retrográdním (zpět k soma (tělo buňky)). Motorické proteiny vážou a transportují několik různých nákladů, včetně mitochondrií , cytoskeletálních polymerů , autofagosomů a synaptických vezikul obsahujících neurotransmitery .

Axonální transport může být rychlý nebo pomalý a anterográdní (pryč od těla buňky) nebo retrográdní (dopravuje materiály z axonu do těla buňky).

Rychlá a pomalá doprava

Vezikulární náklad se pohybuje relativně rychle (50–400 mm/den), zatímco transport rozpustných (cytosolických) a cytoskeletálních proteinů trvá mnohem déle (pohyb méně než 8 mm/den). Základní mechanismus rychlého axonálního transportu je chápán po celá desetiletí, ale mechanismus pomalého axonálního transportu se teprve v poslední době vyjasňuje v důsledku pokročilých zobrazovacích technik . Techniky fluorescenčního značení (např. Fluorescenční mikroskopie ) umožnily přímou vizualizaci transportu v živých neuronech. (Viz také: Anterográdní trasování .)

Nedávné studie ukázaly, že pohyb cytoskeletálních „pomalých“ nákladů je ve skutečnosti rychlý, ale na rozdíl od rychlých nákladů se často pozastavují, takže celková rychlost přepravy je mnohem pomalejší. Mechanismus je známý jako model pomalého axonálního transportu „Stop and Go“ a byl rozsáhle validován pro transport neurofilamentu cytoskeletálního proteinu. Pohyb rozpustných (cytosolických) nákladů je složitější, ale zdá se, že má podobný základ, kde se rozpustné proteiny organizují do multi-proteinových komplexů, které jsou pak transportovány přechodnými interakcemi s rychleji se pohybujícími náklady pohybujícími se v rychlém axonálním transportu. Analogií je rozdíl v přepravních sazbách mezi místními a expresními vlaky metra. Ačkoli oba typy vlaků cestují podobnými rychlostmi mezi stanicemi, místnímu vlaku trvá mnohem déle, než dojede na konec linky, protože zastaví na každé stanici, zatímco expres na cestě zastaví jen několik.

Anterográdní doprava

Anterográdní (také nazývaný „ortogradní“) transport je pohyb molekul/organel směrem ven, z buněčného těla (také nazývaného soma ) do synapse nebo buněčné membrány .

Anterográdní pohyb jednotlivých nákladů (v transportních váčcích ) rychlých i pomalých složek podél mikrotubulů je zprostředkován kineziny . Několik kinezinů se podílí na pomalém transportu, ačkoli mechanismus generování „přestávek“ při přepravě nákladu s pomalými součástmi je stále neznámý.

Existují dvě třídy pomalého anterográdního transportu: pomalá složka a (SCa), která nese hlavně mikrotubuly a neurofilamenty v množství 0,1 až 1 milimetr denně, a pomalá složka b (SCb), která nese více než 200 různých proteinů a aktinu rychlostí až 6 milimetrů denně. Pomalá složka b, která také nese aktin, je transportována rychlostí 2–3 milimetry denně v sietnicových buněčných axonech.

Během reaktivace z latence vstupuje virus herpes simplex (HSV) do svého lytického cyklu a pomocí anterográdních transportních mechanismů migruje z neuronů ganglií dorzálních kořenových ganglií na kůži nebo sliznici, které následně ovlivňuje.

Nákladní receptor pro anterográdní transportní motory, kineziny, byl identifikován jako amyloidový prekurzorový protein (APP), rodičovský protein, který produkuje stařecké plaky nacházející se u Alzheimerovy choroby. Peptid s 15 aminokyselinami na cytoplazmatickém karboxylovém konci APP se s vysokou afinitou váže na konvenční kinesin-1 a zprostředkovává transport exogenního nákladu v obřím axonu chobotnice.

Mangan, kontrastní látka pro T 1 vážené MRI, cestuje anterográdní dopravou po stereotaxického injekci do mozku pokusných zvířat, a tím ukazuje obvod celými zobrazování mozku MR v živých zvířatech, jak propagoval Robia Pautler, Elaine doručitele a Russ Jacobs. Studie na myších s knockoutem lehkého řetězce kinesin-1 odhalily, že Mn 2+ cestuje transportem na bázi kinesinu v optickém nervu a v mozku. Transport v obou hippocampálních projekcích a v optickém nervu také závisí na APP. Transport z hippocampu do předního mozku se stárnutím snižuje a místo určení se mění přítomností plaků Alzheimerovy choroby.

Retrográdní doprava

Retrográdní transport přenáší molekuly/organely pryč od konců axonů k tělu buňky . Retrográdní axonální transport je zprostředkován cytoplazmatickým dyneinem a používá se například k odesílání chemických zpráv a produktů endocytózy směřujících k endolysosomům z axonu zpět do buňky. Rychlá retrográdní doprava, která pracuje průměrnou rychlostí in vivo přibližně 2 μm/s, může pokrývat 10–20 centimetrů za den.

Rychlý retrográdní transport vrací použité synaptické váčky a další materiály do soma a informuje soma o podmínkách na axonových terminálech. Retrográdní transport přenáší signály přežití ze synapsí zpět do těla buňky, jako je TRK, receptor nervového růstového faktoru. Některé patogeny využívají tento proces k invazi do nervového systému. Vstupují do distálních špiček na axonu a putují do soma retrográdním transportem. Mezi příklady patří tetanový toxin a herpes simplex, vzteklina a polio viry. U takových infekcí prodleva mezi infekcí a nástupem symptomů odpovídá době potřebné k tomu, aby patogeny dosáhly somaty. Virus Herpes simplex cestuje oběma směry v axonech v závislosti na svém životním cyklu, přičemž retrográdní transport dominuje polaritě pro přicházející kapsidy.

Důsledky přerušení

Kdykoli je axonální transport inhibován nebo přerušen, normální fyziologie se stává patofyziologií a může dojít k akumulaci axoplazmy, nazývané axonální sféroid . Protože transport axonů může být narušen mnoha způsoby, lze axonální sféroidy pozorovat u mnoha různých tříd onemocnění, včetně genetických, traumatických, ischemických, infekčních, toxických, degenerativních a specifických onemocnění bílé hmoty zvaných leukoencefalopatie . Několik vzácných neurodegenerativních onemocnění je spojeno s genetickými mutacemi v motorických proteinech, kinesinu a dyneinu a v těchto případech je pravděpodobné, že axonální transport je klíčovým hráčem při zprostředkování patologie. Dysfunkční axonální transport je také spojen se sporadickými (běžnými) formami neurodegenerativních onemocnění, jako jsou Alzheimerova a Parkinsonova choroba . Je to hlavně kvůli četným pozorováním, že u postižených neuronů jsou vždy pozorovány velké axonální akumulace a že geny, o nichž je známo, že hrají roli v rodinných formách těchto onemocnění, mají také údajné role v normálním axonálním transportu. Existuje však jen málo přímých důkazů o zapojení axonálního transportu do posledně jmenovaných chorob a další mechanismy (například přímá synaptotoxicita) mohou být relevantnější.

Zastavení axoplazmatického toku na okraji ischemických oblastí u cévních retinopatií vede k bobtnání nervových vláken, která vedou ke vzniku měkkých exsudátů nebo skvrn z vaty.

Protože axon závisí na axoplazmatickém transportu životně důležitých proteinů a materiálů, způsobí poranění, jako je difúzní axonální poranění , které transport přeruší, degeneraci distálního axonu v procesu zvaném Wallerova degenerace . Léčiva proti rakovině, která interferují s rakovinotvorným růstem změnou mikrotubulů (které jsou nezbytné pro buněčné dělení ), poškozují nervy, protože mikrotubuly jsou nezbytné pro axonální transport.

Infekce

Viru vztekliny dosáhne centrálního nervového systému zpětnou axoplasmic toku. Tetanický neurotoxin je internalizován na neuromuskulárním spojení vazbou nidogenních proteinů a je retrográdně transportován směrem k somu v signálních endozomech. Neurotropní viry, jako jsou herpesviry, cestují uvnitř axonů pomocí buněčného transportního stroje, jak ukázala práce skupiny Elaine Bearer's. Z použití axonálního transportu je také podezření na další infekční agens. Nyní se předpokládá, že takové infekce přispívají k Alzheimerově chorobě a dalším neurodegenerativním neurologickým poruchám.

Viz také

Reference

  1. ^ Sabry J, O'Connor TP, Kirschner MW (červen 1995). „Axonální transport tubulinu v Ti1 průkopnických neuronech in situ“ . Neuron . 14 (6): 1247–56. doi : 10,1016/0896-6273 (95) 90271-6 . PMID  7541635 .
  2. ^ a b c d Oztas E (2003). „Neuronální trasování“ (PDF) . Neuroanatomie . 2 : 2–5. Archivováno (PDF) z originálu dne 2005-10-25.
  3. ^ Karp G, van der Geer P (2005). Buněčná a molekulární biologie: koncepty a experimenty (4. vyd.). John Wiley. p. 344 . ISBN 978-0-471-46580-5.
  4. ^ a b Bear MF, Connors BW, Paradso MA (2007). Neuroscience: zkoumání mozku (3. vyd.). Lippincott Williams & Wilkins. p. 41 . ISBN 978-0-7817-6003-4.
  5. ^ Giustetto M, Hegde AN, Si K, Casadio A, Inokuchi K, Pei W, Kandel ER, Schwartz JH (listopad 2003). „Axonální transport eukaryotického translačního faktoru prodloužení faktoru 1 alfa mRNA spojuje transkripci v jádru s dlouhodobým usnadněním synapsí“ . Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických . 100 (23): 13680–5. Bibcode : 2003PNAS..10013680G . doi : 10,1073/pnas.1835674100 . PMC  263873 . PMID  14578450 .
  6. ^ Si K, Giustetto Si K, Giustetto M, Etkin A, Hsu R, Janisiewicz AM, Miniaci MC, Kim JH, Zhu H, Kandel ER (prosinec 2003). "Neuronální izoforma CPEB reguluje lokální syntézu proteinů a stabilizuje dlouhodobé usnadnění specifické pro synapsu v aplysii" . Buňka . 115 (7): 893–904. doi : 10,1016/s0092-8674 (03) 01021-3 . PMID  14697206 . S2CID  15552012 .
  7. ^ Maday, Sandro; Twelvetrees, Alison E .; Moughamian, Armen J .; Holzbaur, Erika LF (říjen 2014). „Axonální doprava: Mechanismy pohyblivosti a regulace specifické pro náklad“ . Neuron . 84 (2): 292–309. doi : 10,1016/j.neuron.2014.10.019 . PMC  4269290 . PMID  25374356 .
  8. ^ a b c d Roy S, Zhang B, Lee VM, Trojanowski JQ (leden 2005). „Axonální transportní defekty: společné téma u neurodegenerativních chorob“. Acta Neuropathologica . 109 (1): 5–13. doi : 10,1007/s00401-004-0952-x . PMID  15645263 . S2CID  11635065 .
  9. ^ Brown A (březen 2003). „Axonální transport membránových a nemembránových nákladů: jednotná perspektiva“ . The Journal of Cell Biology . 160 (6): 817–21. doi : 10.1083/jcb.200212017 . PMC  2173776 . PMID  12642609 .
  10. ^ Scott DA, Das U, Tang Y, Roy S (květen 2011). „Mechanistická logika, která je základem axonálního transportu cytosolických proteinů“ . Neuron . 70 (3): 441–54. doi : 10,1016/j.neuron.2011.03.022 . PMC  3096075 . PMID  21555071 .
  11. ^ Roy S, Winton MJ, Black MM, Trojanowski JQ, Lee VM (březen 2007). „Rychlý a přerušovaný kotransport pomalých proteinů složky b“ . The Journal of Neuroscience . 27 (12): 3131–8. doi : 10.1523/JNEUROSCI.4999-06.2007 . PMC  6672457 . PMID  17376974 .
  12. ^ Kuznetsov AV (2011). „Analytické řešení rovnic popisujících pomalý axonální transport na základě hypotézy stop-and-go“ . Central European Journal of Physics . 9 (3): 662–673. Bibcode : 2011CEJPh ... 9..662K . doi : 10,2478/s11534-010-0066-0 .
  13. ^ Holandský DJ, Miranda-Saksena M, Boadle RA, Armati P, Cunningham AL (říjen 1999). „Anterográdní transport proteinů viru herpes simplex v axonech periferních lidských fetálních neuronů: studie imunoelektronové mikroskopie“ . Journal of Virology . 73 (10): 8503–11. doi : 10.1128/JVI.73.10.8503-8511.1999 . PMC  112870 . PMID  10482603 .
  14. ^ Satpute-Krishnan P, DeGiorgis JA, Conley MP, Jang M, Bearer EL (říjen 2006). „Peptidový PSČ postačující pro anterográdní transport v proteinu amyloidového prekurzoru“ . Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických . 103 (44): 16532–7. Bibcode : 2006PNAS..10316532S . doi : 10,1073/pnas.0607527103 . PMC  1621108 . PMID  17062754 .
  15. ^ Seamster PE, Loewenberg M, Pascal J, Chauviere A, Gonzales A, Cristini V, Bearer EL (říjen 2012). „Kvantitativní měření a modelování interakcí nákladu a motoru během rychlého transportu v živém axonu“ . Fyzikální biologie . 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, Bearer EL (duben 2012). „Deficity v axonálním transportu v obvodech založených na hippocampu a vizuální dráze u vyřazených zvířat APP svědčených MRI vylepšenou o mangan“ . 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 (říjen 2018). „Změny funkčních obvodů ve stárnoucím mozku a dopad mutované exprese APP“ . Neurobiologie stárnutí . 70 : 276–290. doi : 10,1016/j.neurobiolaging.2018.06.018 . PMC  6159914 . PMID  30055413 .
  18. ^ Gibbs KL, Kalmar B, Sleigh JN, Greensmith L, Schiavo G (leden 2016). „In vivo zobrazování axonálního transportu v myších motorických a senzorických neuronech“ . Journal of Neuroscience Methods . 257 : 26–33. doi : 10,1016/j.jneumeth.2015.09.018 . PMC  4666412 . PMID  26424507 .
  19. ^ Sleigh J, Schiavo G (2016). „Starší, ale ne pomalejší: stárnutí nemění dynamiku axonálního transportu signálních endozomů in vivo“ . Záležitosti . 2 odst. doi : 10.19185/záležitosti.201605000018 .
  20. ^ Cui B, Wu C, Chen L, Ramirez A, Bearer EL, Li WP, Mobley WC, Chu S (srpen 2007). „Jeden po druhém, živé sledování axonálního transportu NGF pomocí kvantových teček“ . Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických . 104 (34): 13666–71. Bibcode : 2007PNAS..10413666C . doi : 10,1073/pnas.0706192104 . PMC  1959439 . PMID  17698956 .
  21. ^ Saladin, Kenneth. Anatomie a fyziologie: Jednota formy a funkce. Šestý. New York: McGraw-Hill, 2010. 445. Tisk.
  22. ^ Bearer EL, Breakefield XO, Schuback D, Reese TS, LaVail JH (červenec 2000). „Retrográdní axonální transport viru herpes simplex: důkaz jednotného mechanismu a role tegumentu“ . Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických . 97 (14): 8146–50. Bibcode : 2000PNAS ... 97.8146B . doi : 10,1073/pnas.97.14.8146 . PMC  16684 . PMID  10884436 .
  23. ^ Maday S, Twelvetrees AE, Moughamian AJ, Holzbaur EL (říjen 2014). „Axonální doprava: mechanismy motility a regulace specifické pro náklad“ . Neuron . 84 (2): 292–309. doi : 10,1016/j.neuron.2014.10.019 . PMC  4269290 . PMID  25374356 .
  24. ^ Sleigh JN, Rossor AM, Fellows AD, Tosolini AP, Schiavo G (prosinec 2019). „Axonální transport a neurologické onemocnění“ . Nat Rev Neurol . 15 (12): 691–703. doi : 10,1038/s41582-019-0257-2 . PMID  31558780 . S2CID  203437348 .
  25. ^ Mitrabhakdi E, Shuangshoti S, Wannakrairot P, Lewis RA, Susuki K, Laothamatas J, Hemachudha T (listopad 2005). „Rozdíl v neuropatogenetických mechanismech u lidské zuřivé a paralytické vztekliny“. Journal of Neurological Sciences . 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 (listopad 2014). „Vstup toxinu tetanu. Nidogeny jsou terapeutické cíle pro prevenci tetanu“ (PDF) . Věda . 346 (6213): 1118–23. doi : 10,1126/věda.1258138 . PMID  25430769 . S2CID  206560426 .
  27. ^ Satpute-Krishnan P, DeGiorgis JA, Bearer EL (prosinec 2003). „Rychlý anterográdní transport viru herpes simplex: role amyloidového prekurzorového proteinu Alzheimerovy choroby“ . Stárnoucí buňka . 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 (březen 2011). „Virus Herpes simplex tančí s amyloidovým prekurzorovým proteinem při výstupu z buňky“ . PLOSTE JEDEN . 6 (3): e17966. Bibcode : 2011PLoSO ... 617966C . doi : 10,1371/journal.pone.0017966 . PMC  3069030 . PMID  21483850 .
  29. ^ Nositel EL, Satpute-Krishnan P (září 2002). „Role cytoskeletu v životním cyklu virů a intracelulárních bakterií: dráhy, motory a polymerační stroje“ . Aktuální drogové cíle. Infekční poruchy . 2 (3): 247–64. doi : 10,2174/1568005023342407 . PMC  3616324 . PMID  12462128 .
  30. ^ Itzhaki RF, soustruh R, Balin BJ, Ball MJ, Bearer EL, Braak H, et al. (2016). „Mikrobi a Alzheimerova choroba“ . Journal of Alzheimer's Disease . 51 (4): 979–84. doi : 10,3233/JAD-160152 . PMC  5457904 . PMID  26967229 .
  31. ^ „Žádné místo jako asfalt pro tyto odolné mikroby“. Nový vědec . 206 (2757): 15. 2010. doi : 10,1016/s0262-4079 (10) 60991-8 .