Růstový kužel - Growth cone
Růstového vrcholu je velká aktin -supported prodloužení rozvíjející nebo regenerační neuritu hledá jeho synaptické cíl. Jejich existenci původně navrhl španělský histolog Santiago Ramón y Cajal na základě stacionárních snímků, které pozoroval pod mikroskopem . Růstový kužel na základě fixovaných buněk nejprve popsal jako „koncentraci protoplazmy kuželovitého tvaru, vybavenou améboidními pohyby“ (Cajal, 1890). Růstové kužely jsou umístěny na špičkách neuritů, buď dendritů nebo axonů , nervové buňky . V této specializované struktuře jsou obsaženy smyslové, motorické, integrační a adaptivní funkce rostoucích axonů a dendritů.
Struktura
Morfologii růstového kužele lze snadno popsat pomocí ruky jako analogie. Jemná prodloužení růstového kužele jsou špičaté filopodie známé jako mikrohroty. Filopodie jsou jako „prsty“ růstového kužele; obsahují svazky aktinových vláken (F-aktin), které jim dodávají tvar a podporu. Filopodia jsou dominantní struktury v růstových čípcích a vypadají jako úzké válcovité nástavce, které mohou přesahovat několik mikrometrů za okraj růstového kužele. Filopodie jsou spojeny membránou, která obsahuje receptory , a molekulami adheze buněk, které jsou důležité pro růst a vedení axonů .
Mezi filopodiemi - podobně jako popruhy rukou - jsou „ lamellipodia “. Jedná se o ploché oblasti husté aktinové sítě místo svázaného F-aktinu jako u filopodií. Často se objevují v sousedství náběžné hrany růstového kužele a jsou umístěny mezi dvěma filopodiemi, což jim dodává „závojovitý“ vzhled. V růstových čípcích obvykle z těchto mezi-filopodiálních závojů vycházejí nové filopodie.
Růstový kužel je popsán pomocí tří oblastí: periferní (P) doména, přechodná (T) doména a centrální (C) doména. Periferní doména je tenká oblast obklopující vnější okraj růstového kužele. Skládá se především z cytoskeletu na bázi aktinu a obsahuje vysoce dynamické lamellipodie a filopodia. O mikrotubulech je však známo, že přechodně vstupují do periferní oblasti prostřednictvím procesu nazývaného dynamická nestabilita. Centrální doména se nachází ve středu růstového kužele nejblíže k axonu. Tato oblast se skládá převážně z cytoskeletu na bázi mikrotubulů, je obecně silnější a obsahuje mnoho organel a vezikul různých velikostí. Přechodná doména je oblast umístěná v tenkém pásmu mezi centrální a periferní doménou.
Růstové kužely jsou molekulárně specializované, s transkriptomy a proteomy, které jsou odlišné od těl jejich mateřských buněčných těl. Existuje mnoho proteinů asociovaných s cytoskeletem, které v růstovém kuželu vykonávají řadu povinností, jako je ukotvení aktinu a mikrotubulů k sobě navzájem, k membráně a k dalším komponentám cytoskeletu. Některé z těchto složek zahrnují molekulární motory, které generují sílu v růstovém kuželu a vezikuly vázané na membránu, které jsou transportovány dovnitř a ven z růstového kužele prostřednictvím mikrotubulů. Některé příklady proteinů asociovaných s cytoskeletem jsou fascin a filaminy (svazování aktinu), talin (ukotvení aktinu), myosin (transport vesikulů) a mDia (propojení mikrotubulů a aktinu).
Axonovo větvení a růst
Vysoce dynamická povaha růstových kuželů jim umožňuje reagovat na okolní prostředí rychlou změnou směru a větvením v reakci na různé podněty. Existují tři fáze růstu axonů, které se nazývají: protruze, engorgement a konsolidace. Během výčnělku dochází k rychlému prodloužení filopodií a lamelárních rozšíření podél náběžné hrany růstového kužele. Engorgement následuje, když se filopodie přesunou k postranním okrajům růstového kužele, a mikrotubuly proniknou dále do růstového kužele, čímž přinesou vezikuly a organely, jako jsou mitochondrie a endoplazmatické retikulum. Nakonec dojde ke konsolidaci, když F-aktin v hrdle růstového kužele depolymerizuje a filopodie se zatáhne. Membrána se poté zmenší a vytvoří kolem svazku mikrotubulů válcovitý axonový hřídel. Stejným procesem dochází také k jedné formě větvení axonů, kromě toho, že se růstový kužel „rozštěpí“ během fáze orgasmu. To má za následek rozdvojení hlavního axonu. Další forma větvení axonů se nazývá kolaterální (nebo intersticiální) větvení; Kolaterální větvení, na rozdíl od rozdvojení axonů, zahrnuje vytvoření nové větve ze zavedeného axonového hřídele a je nezávislé na růstovém kuželu na špičce rostoucího axonu. V tomto mechanismu axon zpočátku generuje filopodium nebo lamellipodium, které se po invazi axonálními mikrotubuly může dále vyvinout do větve probíhající kolmo z axonové hřídele. Zavedené vedlejší větve, jako hlavní axon, vykazují růstový kužel a vyvíjejí se nezávisle na špičce hlavního axonu.
Celkově je prodloužení axonů produktem procesu známého jako růst hrotu. V tomto procesu se do růstového kužele přidává nový materiál, zatímco zbytek axonálního cytoskeletu zůstává nehybný. K tomu dochází dvěma způsoby: dynamikou založenou na cytoskeletu a mechanickým napětím. S dynamikou cytoskeletu polymerují mikrotubuly do růstového kužele a dodávají životně důležité součásti. Mechanické napětí nastává, když je membrána natažena v důsledku generování síly molekulárními motory v růstovém kuželu a silných adhezí k substrátu podél axonu. Obecně rychle rostoucí kužely růstu jsou malé a mají velký stupeň roztažení, zatímco pomalu se pohybující nebo pozastavené růstové kužely jsou velmi velké a mají nízký stupeň roztažení.
Růstové kužele jsou neustále vytvořeny výstavbou aktinových mikrofilament a rozšíření plazmatické membrány přes měchýřků fúze. Aktinová vlákna depolymerizují a rozebírají na proximálním konci, aby umožnily migraci volných monomerů na náběžnou hranu (distální konec) aktinového vlákna, kde může polymerovat a znovu se připojit. Aktinová vlákna jsou také neustále transportována pryč od náběžné hrany myosinem poháněným procesem známým jako retrográdní tok F-aktinu. Aktinová vlákna jsou polymerována v periferní oblasti a poté transportována zpět do přechodové oblasti, kde jsou vlákna depolymerována; čímž se uvolní monomery pro opakování cyklu. To se liší od běhu s aktinem, protože se pohybuje celý protein. Pokud by protein jednoduše běžel na pásu, monomery by depolymerovaly z jednoho konce a polymerovaly na druhém, zatímco samotný protein se nepohybuje.
Růstová kapacita axonů spočívá v mikrotubulech, které jsou umístěny těsně za aktinovými vlákny. Mikrotubuly mohou rychle polymerizovat a tak „sondovat“ periferní oblast růstového kuželu bohatou na aktin. Když k tomu dojde, polymerizující konce mikrotubulů se dostanou do kontaktu s místy adheze F-aktinu, kde proteiny spojené s hroty mikrotubulů působí jako „ligandy“. Lamininy z bazální membrány interagují s integriny růstového kužele na podporu dopředný pohyb růstového vrcholu. Růst axonů je navíc podporován stabilizací proximálních konců mikrotubulů, které poskytují strukturální podporu axonu.
Axon vedení
Pohyb axonů je řízen integrací jeho senzorické a motorické funkce (popsané výše), která je zajištěna prostřednictvím druhých poslů, jako jsou vápníkové a cyklické nukleotidy. Senzorická funkce axonů závisí na podnětech z extracelulární matrice, které mohou být buď atraktivní, nebo odpudivé, což pomáhá vést axon od určitých cest a přitahovat je do správných cílových destinací. Atraktivní narážky inhibují retrográdní tok aktinových vláken a podporují jejich sestavování, zatímco odpudivé narážky mají přesně opačný účinek. Aktin stabilizující proteiny jsou také zahrnuty a jsou nezbytné pro pokračující vyčnívání filopodií a lamellipodií v přítomnosti atraktivních podnětů, zatímco proteiny destabilizující aktin jsou zapojeny v přítomnosti odpudivého narážky.
Podobný proces je u mikrotubulů . V přítomnosti atraktivního tága na jedné straně růstového kužele jsou specifické mikrotubuly na této straně zaměřeny proteiny stabilizujícími mikrotubuly, což má za následek otáčení růstového kužele ve směru pozitivního stimulu. U odpudivých podnětů je opak pravdou: stabilizace mikrotubulů je upřednostňována na opačné straně růstového kužele jako negativní stimul vedoucí k odvrácení růstového kužele od repelentu. Tento proces spojený s procesy spojenými s aktinem má za následek celkový směrovaný růst axonu.
Receptory růstových kuželů detekují přítomnost naváděcích molekul axonů, jako jsou Netrin , Slit, Ephrins a Semaphorins . Nedávno bylo ukázáno, že determinanty buněčného osudu, jako je Wnt nebo Shh, mohou také působit jako vodítka. Stejné vodítko může v závislosti na kontextu působit jako atraktant nebo repelent. Typickým příkladem je Netrin-1, který signalizuje přitažlivost přes DCC receptor a odpuzování přes Unc-5 receptor. Dále bylo objeveno, že tyto stejné molekuly se podílejí na vedení růstu cév. Vedení axonů usměrňuje počáteční zapojení nervového systému a je také důležité při regeneraci axonů po zranění .