Скачать презентацию Лекция 4 Рост аксона 2012 г Рост Скачать презентацию Лекция 4 Рост аксона 2012 г Рост

лекция 4-2012 рост аксона.ppt

  • Количество слайдов: 47

Лекция 4 Рост аксона. 2012 г. Лекция 4 Рост аксона. 2012 г.

Рост аксона • • Конус роста аксона Аксоны пионеры и фасцикуляция Навигация аксонов Молекулы Рост аксона • • Конус роста аксона Аксоны пионеры и фасцикуляция Навигация аксонов Молекулы навигаторы

Рост нервных волокон представляет собой сложный динамический процесс активного поиска места назначениямишени, включающий в Рост нервных волокон представляет собой сложный динамический процесс активного поиска места назначениямишени, включающий в себя как удлинение и увеличение числа ветвей, так и их резорбцию (Рамон-Кахаль, Харрисон 1910). На растущем конце аксона и дендрита возникает конус роста

Конус роста аксона Конусы роста имеют разнообразную морфологию. Рисунок Рамон. Кахаля (1890 г. ) Конус роста аксона Конусы роста имеют разнообразную морфологию. Рисунок Рамон. Кахаля (1890 г. )

Конусы роста в развивающейся коре мозга крысы. У растущего нейрона формируется несколько конусов роста. Конусы роста в развивающейся коре мозга крысы. У растущего нейрона формируется несколько конусов роста. Окраски мембранным трейсерным красителем Di. I.

Конусы роста у растущей клетки Конусы роста у растущей клетки

Культура клеток мозга эмбриона человека. Конусы роста на развивающемся нейробласте. Окраска антителами против бета-IIIТубулина. Культура клеток мозга эмбриона человека. Конусы роста на развивающемся нейробласте. Окраска антителами против бета-IIIТубулина.

Конус роста виден только при развитии и регенерации. Скорость роста - 40 мкм в Конус роста виден только при развитии и регенерации. Скорость роста - 40 мкм в час. Филлоподии отходят от ламеллярной зоны, далее располагаются органеллы: МТ, митохондрии, везикулы, ЭПР, рибосомы. В конусе роста идет активный пиноцитоз и, за счет ретроградного транспорта, происходит доставка информационных молекул к ядру. Цитохалазин блокирует полимеризацию актина и конус роста теряет активность. В конусе роста специфический белок-GAP-43. Конус роста в культуре: на плоской основе он очень тонкий; видны: широкая пластинка и многочисленные филлоподии

Цитоскелетные структуры в конусе роста В конусе роста выделяют две зоны: периферическую (Pz) и Цитоскелетные структуры в конусе роста В конусе роста выделяют две зоны: периферическую (Pz) и центральную (Cz). Периферическая часть Филлоподии- мембраны с адгезивными молекулами и рецепторами, а внутри ориентированные актиновые филаменты. Ламеллярная частьнеориентированные актиновые филаменты. Центральная часть В центральной части микротрубочки и микрофиламенты. Основание конуса ростааксон-ориентированные микротрубочки.

Схема конуса роста и его цитоплазматические структуры Схема конуса роста и его цитоплазматические структуры

Ультраструктура конуса роста. Ультраструктура конуса роста.

Филлоподии конуса роста F F Филлоподии конуса роста F F

(сеть) MT аксон (актиновые фибриллы) Распределение микротрубочек и актина в конусе роста. Скелетом аксональной (сеть) MT аксон (актиновые фибриллы) Распределение микротрубочек и актина в конусе роста. Скелетом аксональной части конуса служат микротрубочки. Скелет филлоподий и основа их подвижности - образование микрофиламентов вследствие динамической полимеризации фибрилл актина

Конус роста аксона аплизии MT MT В конусе происходит постоянная сборка молекул актина в Конус роста аксона аплизии MT MT В конусе происходит постоянная сборка молекул актина в полимер у переднего края ламеллы конуса и разборка на заднем конце полимера. Получается вроде гусеницы внутри конуса. Для движения конуса полимер актина должен быть связан с соответствующим субстратом трансмембранными рецепторными молекулами К числу белков, приемлемых в качестве субстрата, относятся белки внеклеточного матрикса ламинин-1, фибронектин с которыми клетка связывается посредством специфических поверхностных молекул (иммуноглобулины, кадгерины, интегрины).

Цикл фибриллярного актина в пластинке КР. Пластинка конуса роста на подложке полилизина (А) цитохолазин Цикл фибриллярного актина в пластинке КР. Пластинка конуса роста на подложке полилизина (А) цитохолазин Цитохалазин-В блокирует полимеризацию актина в новые микрофиламенты Фибриллярный актин транспортируется прочь от переднего края пластинки (B – C) цитохолазин Устранение цитохалазина восстанавливает полимеризацию актина (D – E) Актин сконцентрирован у переднего края (F)

Конус роста аксона и его поведение. Рост аксонов определяется системой факторов: 1) местом возникновения Конус роста аксона и его поведение. Рост аксонов определяется системой факторов: 1) местом возникновения аксона на нейробласте 2) физико-химическим и механическим взаимодействием со средой 3) хемотаксическими градиентами 4) узнаванием растворимых и нерастворимых сигнальных молекул в среде и на мембранах клеток.

 «Пассивный» рост аксонов. Аксон связывается с мишенью в раннем эмбриогенезе, когда расстояния между «Пассивный» рост аксонов. Аксон связывается с мишенью в раннем эмбриогенезе, когда расстояния между клетками не более 1 мм. При росте организма аксон тянется за мишенью, как паутина у паука. Так вероятно, формируются короткие внутрицентральные связи в коре, мозжечке и др. Активный рост аксонов. Ведущие факторы- поисковая активность конуса роста, ряд механических факторов субстрата для выбора пути, прокладывание пути аксоном-пионером, фасцикуляция одноименных аксонов, возникновение упорядоченной организации волокон в пучках, основанной на временных, позиционных и других факторах. Так формируются тракты спинного мозга, развиваются периферические нервы и др.

На адгезивных субстратах конус роста распластывается, формирует множество филлоподий и замедляет рост. На менее На адгезивных субстратах конус роста распластывается, формирует множество филлоподий и замедляет рост. На менее адгезивных субстратах он более компактный, имеет мало филлоподий и часто более подвижный.

Аксоны, растущие от нейронов, помещенных в культуру ткани предпочитают двигаться по адгезивной подложке. Аксоны, растущие от нейронов, помещенных в культуру ткани предпочитают двигаться по адгезивной подложке.

Различные формы конуса роста аксона ганглиозной клетки сетчатки. А- фасцикуляция; B- выбор пути; С- Различные формы конуса роста аксона ганглиозной клетки сетчатки. А- фасцикуляция; B- выбор пути; С- в области мишени; D- скорости роста

В процессе роста аксона конус роста контактирует с различными посредниками, направляющими его движение. С В процессе роста аксона конус роста контактирует с различными посредниками, направляющими его движение. С другими аксонами С нерастворимыми белками ВКМ С другими клетками

На ранних этапах развития мозга формируется система пионерских аксонов Путями для миграции конуса роста На ранних этапах развития мозга формируется система пионерских аксонов Путями для миграции конуса роста могут быть границы компартментов Cold Spring Harb Perspect Biol 2010

Навигация аксона- пионера с помощью нейронов ориентиров Нейроны Ti 1 лапки кузнечика (красным) посылают Навигация аксона- пионера с помощью нейронов ориентиров Нейроны Ti 1 лапки кузнечика (красным) посылают аксоны в ЦНС В траектории аксона есть 6 четких изгибов в местах его встречи с локальными меткамиориентирами Метками могут служить нейроны (Fe 1, Tr 1, Cx 1) Удаление Сх1 блокирует рост в ЦНС Taghert et al. , 1982.

Конус роста использует различные молекулы клеточных контактов, за счет которых он связывается с другими Конус роста использует различные молекулы клеточных контактов, за счет которых он связывается с другими клетками или белками внеклеточного матрикса. цитоплазма 5 семейств адгезивных молекул 1. Immunoglobulin (Ig) superfamily (CAMs) 2. Cadherins 3. Integrins 4. Selectins 5. Transmembrane proteoglycans цитоплазма

В процессе роста, аксоны экспрессирующие одни и те же молекулы адгезии (CAM-s) обычно фасцикулируют В процессе роста, аксоны экспрессирующие одни и те же молекулы адгезии (CAM-s) обычно фасцикулируют (собираются в пучок) друг с другом. Таким образом, единственный аксонпионер может привлекать к себе аксоны с теми же САМ (Ds. CAM) и создавать с ними специфические аксональные тракты. Для нервной системы позвоночных характерна ранняя экспрессия NCAM-s, которые встречаются в нейронах и глие.

Растущие аксоны собираются в пучкифасцикулируют. Много собранных вместе аксонов формируют волоконные тракты и нервы. Растущие аксоны собираются в пучкифасцикулируют. Много собранных вместе аксонов формируют волоконные тракты и нервы. На развивающейся личинке дрозофилы установлена роль САМ- фасциклина II в процессе фасцикуляции аксонов (Grenningloh et al. 1991).

При подходе к области мишени аксон выходит из пучка и направляется к клеткам мишени. При подходе к области мишени аксон выходит из пучка и направляется к клеткам мишени. У дрозофилы дефасцикуляция регулируется генами Beat-1 a, являющимися антиадгезивными факторами.

Топографическое картирование связей в сетчатке. Sidekicks- гомофильные CAMs, которые синтезируются в пресинапсе биполяров и Топографическое картирование связей в сетчатке. Sidekicks- гомофильные CAMs, которые синтезируются в пресинапсе биполяров и амакриновых клеток сетчатки

В навигации аксона участвуют растворимые и нерастворимые компоненты внеклеточного матрикса: Хеморепелленты и атрактанты; Ламинин В навигации аксона участвуют растворимые и нерастворимые компоненты внеклеточного матрикса: Хеморепелленты и атрактанты; Ламинин и фибронектин; Морфогены.

Гипотеза хемоаффинности предложена Роджером Сперри в 1943 году на основании экспериментов с поворотом глаза Гипотеза хемоаффинности предложена Роджером Сперри в 1943 году на основании экспериментов с поворотом глаза у лягушки. Два фактора были выделены в 1995 году Ephrin-A 5 и Ephrin-A 2

Молекулы - навигаторы: аттрактанты/репелленты, дистантные/контактные Дистантные Контактные Молекулы - навигаторы: аттрактанты/репелленты, дистантные/контактные Дистантные Контактные

Навигация аксона обеспечивается ограниченным числом хемотрофических молекул, которые являются членами консервативных семейств лиганд/рецепторных сигнальных Навигация аксона обеспечивается ограниченным числом хемотрофических молекул, которые являются членами консервативных семейств лиганд/рецепторных сигнальных систем. 1. Semaphorins и их рецепторы Plexin- Neurophilin; 2. Netrins и их рецепторы DCC - позвоночные, беспозвоночные 3. Ephrins и их рецепторы Eph; 4. Slits и их рецепторы Robo. К навигаторам относится и часть морфогенов: BMP 7; SHH; FGF 8; WNT; NGF. Unc 5 -

Секреторные молекулы-ориентиры и трансмембранные рецепторы Семафорины восемь типов (1 вирусный), чаще репелленты Часть семафоринов Секреторные молекулы-ориентиры и трансмембранные рецепторы Семафорины восемь типов (1 вирусный), чаще репелленты Часть семафоринов – секреторные, и нейрофилины служат их связыванию с мембраной аксона. Молекулы тех и других содержат сходный домен sema Плексины играют роль рецепторов, либо сигнальных молекул в сочетании с нейрофилинами

Секреторные молекулы-ориентиры и трансмембранные рецепторы Нетрины и Слиты активны вблизи оси симметрии организма, где Секреторные молекулы-ориентиры и трансмембранные рецепторы Нетрины и Слиты активны вблизи оси симметрии организма, где они выступают либо аттрактантами, либо репеллентами - в зависимости от типа рецепторов конуса роста. Эфрины не связаны с осью симметрии. Лиганды Рецепторы -Ig -EGF -Fn Позвон беспозвон

Механизмы роста пионерских аксонов Механизмы роста пионерских аксонов

Семафорин-3 А задаёт направление роста аксонов у пирамидных нейронов коры мозга Sema -/WT У Семафорин-3 А задаёт направление роста аксонов у пирамидных нейронов коры мозга Sema -/WT У нормальных мышей семафорин 3 А, экспрессируется у пиальной поверхности и направляет аксоны пирамид вглубь белого вещества коры, действуя как репеллент (и в то же время как аттрактант по отношению к апикальным дендритам) У мышей, мутантных по семафорину 3 А, аксоны растут беспорядочно в разных направлениях (C и D – общая картина роста многих аксонов) (Из Polleux et al. , 1998)

Семафорин 3 А участвует в фасцикуляции аксонов, которые образуют нервы В норме нервы растут Семафорин 3 А участвует в фасцикуляции аксонов, которые образуют нервы В норме нервы растут плотными пучками волокон, как на левых образцах (А и С). У мышей, мутантных по семафорину, нервы образуют рыхлые жгуты (В и D)

Семафорин регулирует последовательность событий В норме семафорин удерживает обонятельные волокна цыплёнка от преждевременного врастания Семафорин регулирует последовательность событий В норме семафорин удерживает обонятельные волокна цыплёнка от преждевременного врастания в обонятельную луковицу в течение нескольких дней Обонятельные волокна мутантного по семафорину цыплёнка растут раньше положенного срока и промахиваются мимо нужной мишени – обонятельной луковицы, т. к. в ней нет еще специфических сигналов.

Консервативная функция нетринов Нетрины отвечают за симметричный рост аксонов к осевой вентральной линии у Консервативная функция нетринов Нетрины отвечают за симметричный рост аксонов к осевой вентральной линии у позвоночных и у червей У позвоночных клетки базальной пластинки выделяют нетрин-1 У нематоды это белок нетрин UNC-6 Shh Базальная пластинка Развивающийся спинной мозг позвоночного Нематода C. elegans

Рецепторы Robo отвечают на сигналы Slit, идущие от базальной пластинки Нетрин активирует рецепторы DCC Рецепторы Robo отвечают на сигналы Slit, идущие от базальной пластинки Нетрин активирует рецепторы DCC конуса, направляя его к средней линии При пересечении средней линии, в аксоне активируется рецептор Robo, который отвечает на репеллент Slit, выделяемый пластинкой. Robo блокирует DCC (рецепторы нетрина) связывая их цитоплазматические домены Аксоны нейронов разных типов поворачивают вдоль пластинки на разном удалении от нее, реагируя на градиент концентрации Slit благодаря сочетанию разных Robo Первыми поворачивают аксоны с одним Robo. Вслед за ними – Robo +Robo 3. Еще дальше – Robo + Robo 2 + Robo 3 Базальная пластинка

Миграция интернейронов в кору мозга Slit 1 и slit 2 репелленты для нейробластов срединного Миграция интернейронов в кору мозга Slit 1 и slit 2 репелленты для нейробластов срединного возвышения

Последовательная смена средств навигации ведёт к установлению нужных связей Как зрительные (V), так и Последовательная смена средств навигации ведёт к установлению нужных связей Как зрительные (V), так и моторные (M) нейроны 5 -го слоя коры начинают расти к стволу мимо ряда будущих мишеней (А), позже давая к ним коллатерали (В) Конечная картина складывается путём избирательного элиминирования сегментов сообразно функциональной специфике нейрона

В ходе формирования специфических связей аксон формирует избыточные промежуточные связи, которые затем элиминируются. В ходе формирования специфических связей аксон формирует избыточные промежуточные связи, которые затем элиминируются.

-CAM (Ds. CAM, Sdk) поверхностные белки определяют взаимодействие между нейронами (a) Cell surface proteins -CAM (Ds. CAM, Sdk) поверхностные белки определяют взаимодействие между нейронами (a) Cell surface proteins mediate interactions between neurons. Interactions between neuronal processes are mediated by direct contact between cell surface molecules. Binding between the extracellular regions of cell surface proteins is translated to changes in the cytoplasmic domain and elicits intracellular signaling events (black arrows), which lead to directed changes in neurite motility through cytoskeletal rearrangements. (b) Cell surface protein interactions have different signaling outputs. (c) Discrete steps underlying contact-dependent repulsion. First, recognition cell surfacemolecules expressed on opposing neurites bind to each other. Next, intracellular signaling promotes downregulation of receptor binding and activation of cytoskeletal rearrangementsthat promote repulsion. Two mechanisms have been described to mediate dissociation: proteolytic cleavage of the interacting molecules (shown) and endocytosis (not shown). Hattori et al. Annu Rev Cell Dev Biol. 2009

 • Ростом аксона in vivo управляют одновременно многие факторы. • Один и тот • Ростом аксона in vivo управляют одновременно многие факторы. • Один и тот же фактор вызывает разный ответ в разных нейронах (семафорин: отталкивает аксоны и привлекает дендриты одних; фасцикулирует других; придерживает рост третьих), а в одном и том же нейроне – в разное время или в зависимости от субстрата (комиссуральные нейроны). • Это позволяет конусу роста достичь далёкой мишени, сменяя характер ответа на локальные и далёкие маркёры • Молекулы клеточной адгезии CAMs определяют прецизионное взаимодействие между нейронами с формированием синаптических контактов

Dscam Is Required Cell Autonomously for Self-Avoidance in All da Neurons Cell 129, 593– Dscam Is Required Cell Autonomously for Self-Avoidance in All da Neurons Cell 129, 593– 604, May 4, 2007