Диффузная передача сигнала Лекция 4

Диффузная передача сигнала
Лекция 4
Диффузная передача сигнала
1986 год
Луиджи Агнати и Кжел Фуксе дают определение
объемной передачи (диффузия нейропередатчиков через
объем нервной ткани)
1994 год
Дмитрий Кульман описывает «спиловер» глутамата.
Часть нейропередатчика, не смотря на обратный захват,
покидает синаптическую щель и может активировать
рецепторы на соседних синапсах
1994 год
Владимир Парпура с соавторами экспериментально
продемонстрировали, что глутамат высвобождаемый
астроцитами активирует нейроны
1996 год
Мария Усович, Стивен Брикли, Марк Фаррант,
демонстрируют тоническую (постоянную) активацию
внесинаптических ГАМКА рецепторов за счет
внеклеточной ГАМК
2
Локальная диффузная передача
Определения Агнати и Фуксе
объемная передача - тип передачи не основанный на
специализированной структурной организации
передача от «точки-к-точке» - тип передачи сигнала основанный
на специализированной структурной организации (синапс,
плотный контакт)
• Агнати и Фуксе не учли локальных диффузных взаимодействий
между клетками мозга, анизотропию диффузии и захвата
нейропередатчика
локальная диффузная передача – тип передачи сигнала вне
синаптических контактов, но ограниченный и регулируемый
локальной внесинаптической организацией
3
Модуляция синаптической передачи
Лекция 4.1
Типы модуляции
• Пресинаптическая модуляция
– Снижение вероятности высвобождения нейропередатчика
(пресинаптические mGluR, ГАМКБ ГАМКА рецепторы)
– Повышение вероятности высвобождения нейропередатчика
(пресинаптические каинатные, NMDA, никотиновые рецепторы)
• Постсинаптическая модуляция
– Активация модуляторных сайтов на постсинаптических рецепторах
эндогенными модуляторами (Эндозипины – усиливают функцию
ГАМКА, глицин – функцию NMDA рецепторов)
– Активация рецепторов на постсинаптическом нейроне за
пределами данного синапса
5
Рецепторы глутамата
Схема распределения
рецепторов глутамата
(может отличаться в
зависимости от типа
синапса)
NMDA и AMPA рецепторы
сконцентрированы
постсинаптически в
активной зоне, а
метаботропные рецепторы
пресинаптически или
экстрасинаптически
Каинатные и ионотропные
экстрасинаптические
рецепторы не показаны
6
Пути активации модулирующих рецепторов
7
Спиловер
Спиловер (spill – разливаться, over – через: перелив) –
нейропередатчик покидает синаптическую щель и растекается
во внеклеточном пространстве на некоторое расстояние
8
Спиловер активирует высокоаффинные рецепторы
Зависимость максимальной
вероятности открытия
канала от расстояния до
места высвобождения
синаптического
нейропередатчика
Данные нормированы к
Po,max cleft - вероятности
высвобождения
нейропередатчика в
синаптической щели
D – коэффициент
диффузии
NMDA рецепторы обладают более высокой аффинностью и активируются
спиловером на большем расстоянии от синапса, чем AMPA рецепторы
9
Различные модели спиловера
(а) возможна
активация
высокоаффинных
рецепторов на
соседнем синапсе
(b) рецепторы на
далеких синапсах
не активируются
(с) свойство
кооперативности
10
Спиловер и внесинаптические NMDA рецепторы
•
Спонтанное (несинхронизированное) высвобождение глутамата:
транспортеры быстро захватывают нейропередатчик
•
Если высвобождение происходит синхронизовано в соседних
синапсах, то достигается достаточная концентрация глутамата
для активации внесинаптических NMDA рецепторов
11
Направленность спиловера на пресинапс
600 nm
Ножки астроцитов преимущественно находятся на стороне
постсинапса. Они обладают высокой плотностью транспортеров
глутамата, что ведет к низкой концентрации глутамата со
стороны постсинапса.
12
Модель LTP в “молчащих” синапсах
(A) “Молчащие” синапсы –
экспрессируют только NMDA,
но не AMPA рецепторы.
После LTP происходит
экспрессия AMPA рецепторов.
(B) Глутамат может растекаться
(спиловер) от одного синапса
к другому, приводя к
активации NMDA (но не
низкоаффинных AMPA)
рецепторов. Если такой
синапс был “молчащим” из-за
невозможности
пресинаптического
высвобождения, LTP приводит
к высвобождению вторичных
посредников на
пресинаптическую терминаль
и позволяет нейропередатчику
высвобождаться.
13
Гетеро- и гоморецепторная модуляция
• Гоморецепторы – модулирующие рецепторы к тому же типу
нейропередатчика, который высвобождается в этом синапсе
• Ауторецепторы – гоморецепторы, которые активируются
нейропередатчиком высвобождающимся данным синапсом
• Гетерорецепторы - модулирующие рецепторы к другому типу
нейропередатчика, чем тот что высвобождается в этом синапсе
14
Пример гетерорецепторной модуляции
“Переговоры” между
ГАМКергическим и
глутаматергическим
синапсами
15
Локальная диффузная
нейропередача
Лекция 4.2
Внесинаптическая передача сигналов в мозге
Внесинаптическая
диффузная передача
1. Связь синаптически
несвязанных сетей
(в том числе
нейрональной сети с
глиальной)
2. Пластичность
(адаптация и хранение
информации)
17
Механизмы локальной диффузной передачи
астроцит
Аксоная терминаль
(расширение)
Постсинаптические
рецепторы
Синаптическая
щель
Различные источники
1. Синаптический
спиловер и
невезикулярное
высвобождение
2. Высвобождение
передатчика
нейронами и глией
Диффузия и захват
1. Расстояние
2. Анизотропия
диффузии
3. Плотность
транспортеров
Высоко-аффинные рецепторы
1. Клеточная специфичность
2. Субклеточное
распределение
3. Биофизические свойства
(медленная кинетика
десенситизации)
18
Источники внеклеточного передатчика
19
Ширина синаптической щели и внесинаптического
пространства
Щель и пространство – маленькое и большое?
Внесинаптическая щель!
300 нм
20
Диффузия
•
•
•
Геометрия, извилистость
Поправка коэффициента диффузии на наличие крупных белковых
молекул
Электродиффузия заряженных нейропередатчиков
21
Анизотропия диффузии
Анизотропия – неравномерность в различных направлениях
Параметры определяющие диффузию:
• Фракция объема = внеклеточное пространство / общий объем
• Извилистость
Поскольку они различаются в разных направлениях нервной ткани –
диффузия анизотропна
22
Обратный захват
Функции
• Прекращение синаптической передачи
(дискретизация событий)
• Сбор нейропередатчика для
последующего высвобождения
Типы
• Захват нейропередатчика связанный со
входом Na+ и выходом K+ (глутамат)
• Захват нейропередатчика связанный со
входом Na+ и Cl(ГАМК, глицин, адреналин, серотонин,
дофамин)
Захват нейропередатчиков как правило
электрогенный
• Может быть перенаправлен при
деполяризации
• Может быть механизмом высвобождения
нейропередатчика
• Может вовлекаться в цитотоксические
(нейродегенеративные) эффекты
высвобождения нейропередатчика
(глутамат)
• Транспортеры являются мишенью для
лекарственных препаратов и наркотиков
23
Синаптические и внесинаптические рецепторы
Синаптические
рецепторы
Внесинаптические
рецепторы
Плотность
Высокая
Низкая
Афинность
Низкая
Высокая
Кинетика
десенситизации
Быстрая
Медленная
Взаимодействие с
внутриклеточными
белками
Фармакологические
свойства
Связаны с
внутриклеточными
белками
удерживающими
рецептор в синапсе
(скафолд белками)
Взаимодействия не
известны
Как правило состоят из различных субъединиц
24
Гипотеза латеральной диффузии рецепторов
Происходит обмен рецепторов
между синаптическим,
внесинаптическим и
внутриклеточным
компартментами.
Даниел Шоке, 2005
Внесинаптические рецепторы
могут закрепляться в синапсах
за счет скафолд белков
Внесинаптические рецепторы
могут обмениваться с
внутриклеточным пулом путем
встраивания в мембрану и
интернализации.
Внутриклеточный пул вовлекается
в синтез рецепторов,
транспорт, рециркуляцию и
деградацию
Пулы рецепторов
• Синаптический
• Внесинаптический
• Внутриклеточный
25
Модель диффузии рецепторов в мембране
Даниел Шоке, 2005
• Модель обмена рецепторов между
дисперсным (свободная
диффузия) и кластеризованным
(ограниченное движение)
состояниями.
• Коэффициенты входа и выхода из
кластеров kon и koff: рецепторы
ходят в кластер, притягиваются
скафолд белками и отталкиваются
от цитоскелетных и
трансмембранных белков.
26
Латеральные перемещения рецепторов
• Изменение синаптической силы
• Изменение внесинаптического рецепторного пула
• Субклеточное перераспределение внесинаптических
рецепторов (передислокация)
27
Высвобождение глутамата
астроцитами
Лекция 4.3
Фотоактивация молекул
Фотоактивация молекул – перевод молекулы из неактивного
состояния в активное с помощью энергии света
УФ лазер
Свободный Ca2+
Связанный Ca2+
УФ лазер
Связанный
глутамат
Свободный
глутамат
Преимущества метода – локализованный в пространстве и времени
химический сигнал для клеток
Особенно полезен для работы с глиальными клетками, которые
не являются электровозбудимыми
29
Фотоактивация кальция в глиальных клетках
Ряд последовательных
вспышек УФ лазера –
комулятивное увеличение Са2+
•
Астроциты заполнялись связанным Ca2+, который потом активировался
с помощью УФ лазера
•
Повышение кальция детектировалось с помощью флуоресцентного
Ca2+ чувствительного индикатора
30
Увеличиение кальция в астроците приводит к увеличению
синаптическогов высвобождения ГАМК
• Наложенные записи кальциевого сигнала в астроците и запись
спонтанных синаптических ответов в расположенном рядом
нейроне
• Частота синаптических ответов в нейроне значительно
повышается
31
Астроцит высвобождает глутамат который действует на
аксональные каинатные рецепторы
УФ лазер
Запись электрической активности
В астроците поднимается концентрация кальция
Астроцит высвобождает глутамат
Глутамат диффундирует и активирует каинатные рецепторы на аксоне
ГАМКергического нейрона
Увеличивается частота потенциалов действия в аксоне и синаптическое
торможение возбуждающего нейрона
32
Тонический ГАМКергический
ток
Лекция 4.4
Режимы активации ГАМКА рецепторов
(a) Высвобождение одиночной везикулы в пресинаптической терминали активирует
только рецепторы кластеризованные непосредственно напротив. Форма тока
соответствует миниатюрному ТПСТ
(b) Потенциал действия приводит к высвобождению множества везикул из соседних
терминалей, усиливая спиловер ГАМК и активацию перисинаптических и
экстрасинаптических рецепторов. Форма тока соответствует вызванному ТПСТ.
(c) Небольшая концентрация ГАМК находится во внеклеточном пространстве. Она
ведет к тонической активации высокоаффинных внесинаптических рецепторов.34
Срезы гиппокампа
+ Отсутствуют артефакты
связанные с дыханием и
сердцебиением как in vivo
CA 1
+ контролируемые условия
(температура, фармакология,
ионный состав)
DG
CA 3
+ возможность записи с
множественными электродами
+ сохраняется геометрия
внеклеточного пространства (в
отличие от культур клеток)
35
Записи с целой клетки с режиме фиксации потенциала
1. Идентификация клетки
2. Фиксация потенциала и ионов
Amplifier
150 mM [Cl-]o
CA1
-60 mV
Cl- GABAA
receptors
CA3
DG
15 mM [Cl-]
EGABA  ECl  -80 mV
-60 mV
GABAA
receptors
Cl-
150 mM [Cl-]
EGABA  ECl  0 mV
IR-DIC image
36
Регистрация спонтанных ТПСТ
Фармакологическая изоляция
ГАМКергических ТПСТ
100 пA
Антагонисты
0.5 с
D-APV (50 μM) – NMDA рецепторы
NBQX (25 μM) –AMPA/каинатные
рецепторы
+ пикротоксин (PTX, 100 mM)
CGP52432 (5 μM) – ГАМКB рецепторы
37
Измерение ГАМКергического тонического тока
контроль
100 mM PTX
Тонический ток
100 pA
0.5 s
Тонический ток регистрируется как изменение тока фиксации
нейронов при добавлении антагонистов ГАМКА рецепторов
38
Semyanov et al. Nature Neurosci. 2003
Тонический ток изменяет передаточную
характеристику нейронов
control, I inject = 15 pA
AP freq, norm
picrotoxin, 100 mM
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
50 mV
0.5 s
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ihold, pA
39
Semyanov et al. Nature Neurosci. 2003
Как регулируется тонический ток
Все нейроны мозга имеют разную величину тонического тока,
которая регулируется:
•
•
•
•
Высвобождением ГАМК
Обратным захватом ГАМК
Наличием или отсутствием внесинаптических ГАМК рецепторов
Плотностью рецепторов и их биофизическими свойствами
40
Тонический ток влияет на прохождение сигнала в
нейрональной сети
В гиппокампе тонический ток отсутствует в принципиальных нейронах,
но есть в тормозных интернейронах
Снижение во внеклеточной концентрации ГАМК
++
Снижение тонического торможения интернейронов
Увеличение синаптического торможения
принципиальных нейронов
41
Semyanov et al. Nature Neurosci. 2003
Модуляция экстрасинаптических ГАМКА рецепторов
нейроактивными стероидами
Нейроактивные стероиды синтезируются нейронами и глией или
генерируются в результате метаболизма прекурсоров на
переферии.
42
Нейростероидогенез
Глиальный нейростероидогенез:
Холестерол захватывается митохондриями
Прегненолон
Прогестерон
5α-дигидропрогестерон (5α-DHP)
3α,5α- тертагидропрогестерон (3α,5α-THP; аллопрегнанолон)
3α,5α-THP высвобождается глиальными клетками и модулирует
внесинаптические ГАМКА рецепторы.
Другой стероид аллотетрагидродеоксикортикостерон (THDOC)
синтезируется как переферически, так же и в мозге из
предшественников.
43
Модуляция экстрасинаптических ГАМКА рецепторов
нейроактивными стероидами
Низкие концентрации THDOC увеличивают величину тонического
тока в гранулярных нейронах мозжечка, но оказывают
небольшой эффект на ТПСТ
44
Свойства ГАМКергического тонического тока
•
Суммарный заряд переносимый тоническим током может значительно
превышать суммарный заряд переносимый ТПСТ
•
Тонический ток обеспечивает шунтирующее торможение
•
Обладает клеточной специфичностью, что играет важную роль в
регуляции прохождения сигналов в нейронной сети
•
Эндогенные модуляторы могут изменять величину тонического тока
45