Конус роста - Википедия - Growth cone

Изображение флуоресцентно маркированного конуса роста, отходящего от аксона F-актин (красный) микротрубочки (зеленый).

А конус роста большой актин -поддерживаемое расширение развивающейся или регенерирующей нейрит ищет его синаптический цель. Их существование было первоначально предложено испанский гистолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль на основе неподвижных изображений, которые он наблюдал под микроскоп. Он впервые описал конус роста, основанный на фиксированных клетках, как «концентрацию протоплазмы конической формы, наделенную амебоидными движениями» (Cajal, 1890).[1] Конусы роста расположены на концах нейритов, либо дендриты или же аксоны, из нервная клетка. Сенсорные, моторные, интегративные и адаптивные функции растущих аксонов и дендритов содержатся в этой специализированной структуре.

Структура

Два конуса роста с флуоресцентной меткой. Конус роста (зеленый) слева является примером «филоподиального» конуса роста, а тот, что справа - «ламеллиподиальный» конус роста. Обычно конусы роста имеют обе структуры, но их размер и количество различаются.

Морфологию конуса роста легко описать, используя руку в качестве аналогии. Отмечены тонкие продолжения конуса роста. филоподии известные как микрошипы.[2] Филоподии подобны «пальцам» конуса роста; они содержат пучки актин филаменты (F-актин), которые придают им форму и поддерживают. Филоподии - это доминирующие структуры в конусах роста, они выглядят как узкие цилиндрические выступы, которые могут выходить на несколько микрометров за край конуса роста. Филоподии связаны мембраной, содержащей рецепторы, и молекулы клеточной адгезии, которые важны для роста аксонов и руководство.

Между филоподиями - очень похожими на перепонки на руках - находятся "ламеллиподии ". Это плоские области плотной сети актина вместо связанного F-актина, как у филоподий. Они часто появляются рядом с передним краем конуса роста и располагаются между двумя филоподиями, придавая им вид" вуали ". конусы роста, новые филоподии обычно появляются из этих межфилоподийных покровов.

Конус роста описывается тремя областями: периферическим (P) доменом, переходным (T) доменом и центральным (C) доменом. Периферийный домен - это тонкая область, окружающая внешний край конуса роста. Он состоит в основном из актина на основе цитоскелет, и содержит ламеллиподии и филоподии, которые очень динамичны. Микротрубочки однако известно, что они временно проникают в периферическую область в результате процесса, называемого динамической нестабильностью. Центральный домен расположен в центре ближайшего к аксону конуса роста. Эта область состоит в основном из цитоскелета на основе микротрубочек, обычно толще и содержит много органеллы и пузырьки различных размеров. Переходный домен - это область, расположенная в тонкой полосе между центральным и периферическим доменами.

Конусы роста молекулярно специализированы, с транскриптомы и протеомы которые отличаются от тел их родительских клеток.[3] Существует много белков, связанных с цитоскелетом, которые выполняют множество функций внутри конуса роста, например, прикрепляют актин и микротрубочки друг к другу, к мембране и другим компонентам цитоскелета. Некоторые из этих компонентов включают молекулярные моторы, которые генерируют силу в конусе роста, и связанные с мембраной везикулы, которые транспортируются в конус роста и из него через микротрубочки. Некоторые примеры белков, связанных с цитоскелетом: очаровывать и филамины (связывание актина), талин (заякоривание актина), миозин (транспорт везикул) и mDia (связывание микротрубочек с актином).

Разветвление и разрастание аксонов

Высокодинамичный характер конусов роста позволяет им реагировать на окружающую среду, быстро меняя направление и разветвляясь в ответ на различные стимулы. Различают три стадии роста аксона, которые называются: протрузия, нагрубание и уплотнение. Во время протрузии происходит быстрое распространение филоподий и ламеллярных расширений вдоль переднего края конуса роста. Набухание происходит, когда филоподии перемещаются к боковым краям конуса роста, и микротрубочки проникают дальше в конус роста, принося пузырьки и органеллы, такие как митохондрии и эндоплазматический ретикулум. Наконец, консолидация происходит, когда F-актин на шейке конуса роста деполимеризуется и филоподии втягиваются. Затем мембрана сжимается, образуя цилиндрический стержень аксона вокруг пучка микротрубочек. Одна форма ветвления аксонов также происходит посредством того же процесса, за исключением того, что конус роста «расщепляется» во время фазы нагрубания. Это приводит к бифуркации главного аксона. Дополнительную форму ветвления аксонов называют коллатеральным (или интерстициальным) ветвлением.[4][5] Коллатеральное ветвление, в отличие от бифуркаций аксонов, включает образование новой ветви от установленного вала аксона и не зависит от конуса роста на кончике растущего аксона. В этом механизме аксон первоначально генерирует филоподий или ламеллиподий, которые после инвазии аксональными микротрубочками могут затем развиться дальше в ветвь, идущую перпендикулярно от вала аксона. Установленные коллатеральные ветви, такие как главный аксон, имеют конус роста и развиваются независимо от кончика главного аксона.

В целом, удлинение аксонов - это результат процесса, известного как рост кончика. В этом процессе новый материал добавляется к конусу роста, в то время как остальная часть аксонального цитоскелета остается неподвижной. Это происходит посредством двух процессов: динамики цитоскелета и механического напряжения. Благодаря динамике цитоскелета микротрубочки полимеризуются в конус роста и доставляют жизненно важные компоненты. Механическое напряжение возникает, когда мембрана растягивается из-за генерирования силы молекулярными двигателями в конусе роста и сильной адгезии к субстрату вдоль аксона. В целом, быстрорастущие конусы роста имеют небольшие размеры и большую степень растяжения, в то время как медленно движущиеся или приостановленные конусы роста очень большие и имеют низкую степень растяжения.

Конусы роста постоянно создаются за счет создания актиновых микрофиламентов и удлинения плазматическая мембрана через везикул слияние. Актиновые филаменты деполимеризуются и разбираются на проксимальном конце, позволяя свободным мономерам мигрировать к переднему краю (дистальному концу) актинового филамента, где они могут полимеризоваться и, таким образом, повторно прикрепляться. Актиновые филаменты также постоянно отводятся от переднего края с помощью миозин-моторного процесса, известного как ретроградный поток F-актина. Актиновые филаменты полимеризуются в периферической области и затем транспортируются обратно в переходную зону, где филаменты деполимеризуются; таким образом освобождая мономеры для повторения цикла. Это отличается от беговой дорожки с актином, поскольку движется весь белок. Если бы протеин был просто беговой дорожкой, мономеры деполимеризовались бы с одного конца и полимеризовались бы на другом, в то время как сам белок не двигался бы.

Способность к росту аксонов заключается в микротрубочках, которые расположены сразу за актиновыми филаментами. Микротрубочки могут быстро полимеризоваться и, таким образом, «зондировать» богатую актином периферическую область конуса роста. Когда это происходит, полимеризующиеся концы микротрубочек входят в контакт с участками адгезии F-актина, где белки, связанные с кончиками микротрубочек, действуют как «лиганды». Ламинины из базальная мембрана взаимодействовать с интегрины конуса роста, чтобы способствовать продвижению конуса роста. Кроме того, разрастание аксона также поддерживается за счет стабилизации проксимальных концов микротрубочек, которые обеспечивают структурную поддержку аксона.

Аксонное руководство

Основная статья: Аксонное руководство
Модель управления аксоном, опосредованного конусом роста. Слева направо эта модель описывает, как цитоскелет реагирует и реорганизуется, чтобы расти в направлении положительного стимула (+), обнаруживаемого рецепторами в конусе роста или вдали от отрицательного стимула (-).

Движение аксонов контролируется интеграцией его сенсорной и моторной функции (описанной выше), которая устанавливается через вторичные посредники, такие как кальций и циклические нуклеотиды. Сенсорная функция аксонов зависит от сигналов внеклеточного матрикса, которые могут быть либо привлекательными, либо отталкивающими, помогая тем самым увести аксон от определенных путей и привлечь их к их надлежащим целям назначения. Привлекательные реплики подавляют ретроградный поток актиновых филаментов и способствуют их сборке, тогда как репульсивные реплики имеют прямо противоположный эффект. Белки, стабилизирующие актин, также задействованы и необходимы для продолжения выпячивания филоподий и ламеллиподий в присутствии сигналов притяжения, тогда как белки, дестабилизирующие актин, участвуют в присутствии сигналов отталкивания.

Аналогичный процесс связан с микротрубочки. В присутствии привлекательного сигнала на одной стороне конуса роста, специфические микротрубочки нацелены на этой стороне стабилизирующими микротрубочками белками, что приводит к повороту конуса роста в направлении положительного стимула. С отталкивающими сигналами верно обратное: стабилизация микротрубочек предпочтительна на противоположной стороне конуса роста в качестве отрицательного стимула, в результате которого конус роста отворачивается от репеллента. Этот процесс в сочетании с процессами, связанными с актином, приводит к общему направленному росту аксона.

Рецепторы конуса роста обнаруживают присутствие молекул, направляющих аксоны, таких как Нетрин, Щель, Эфринс, и Семафорины. Совсем недавно было показано, что детерминанты клеточной судьбы, такие как Wnt или же Шшш также могут действовать как подсказки. Один и тот же сигнал наведения может действовать как аттрактант или репеллент, в зависимости от контекста. Ярким примером этого является Нетрин-1, который сигнализирует о притяжении через рецептор DCC и отталкивании через рецептор Unc-5. Кроме того, было обнаружено, что эти же молекулы участвуют в управлении ростом сосудов. Направление аксонов направляет начальную проводку нервной системы, а также играет важную роль в регенерация аксонов после травма, повреждение.[6]

Рекомендации

  1. ^ Рамон, Кахал S (1890). "Quelle epoque apparaissent les extensions des cellule nerveuses de la moelle epinere du poulet". Анат. Анзергер. 5: 609–613.
  2. ^ Гилберт, Скотт (2006). Биология развития (8-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Издательство Sinauer Associates, Inc. п.395. ISBN  9780878932504.
  3. ^ Пулопулос, Александрос; Мерфи, Александр Дж .; Озкан, Абдулкадир; Дэвис, Патрик; Хэтч, Джон; Киршнер, Рори; Маклис, Джеффри Д. (2019). «Субклеточные транскриптомы и протеомы развивающихся проекций аксонов в коре головного мозга». Природа. 565 (7739): 356–360. Дои:10.1038 / с41586-018-0847-у. ISSN  0028-0836. ЧВК  6484835.
  4. ^ Галло G (2011). «Цитоскелетные и сигнальные механизмы коллатерального ветвления аксонов». Дев Нейробиол. 71 (3): 201–20. Дои:10.1002 / dneu.20852. PMID  21308993.
  5. ^ Калил К., Дент Э.В. (2014). «Управление ветвями: механизмы ветвления аксонов в ЦНС развивающихся позвоночных». Nat. Преподобный Neurosci. 15 (1): 7–18. Дои:10.1038 / номер 3650. ЧВК  4063290. PMID  24356070.
  6. ^ Ю С., ван Никерк Э.А., Мерианда ТТ, Твисс Дж.Л. (2010). «Динамика аксонального транспорта мРНК и значение для регенерации периферических нервов». Экспериментальная неврология. 1. 223 (1): 19–27. Дои:10.1016 / j.expneurol.2009.08.011. ЧВК  2849851. PMID  19699200.