علوم اعصاب پروس؛ نمونه‌هایی از انتقال سیگنال عصبی

Examples of Neuronal Signal Transduction

Understanding the general properties of signal transduction processes at the plasma membrane, in the cytosol, and in the nucleus makes it possible to consider how these processes work in concert to mediate specific functions in the brain. Three important signal transduction pathways illustrate some of the roles of intracellular signal transduc- tion processes in the nervous system.

نمونه‌هایی از انتقال سیگنال عصبی

درک ویژگی‌های کلی فرآیندهای انتقال سیگنال در غشای پلاسما، سیتوزول و هسته، بررسی چگونگی عملکرد هماهنگ این فرآیندها برای انجام عملکردهای خاص در مغز را ممکن می‌سازد. سه مسیر مهم انتقال سیگنال، برخی از نقش‌های فرآیندهای انتقال سیگنال درون سلولی را در سیستم عصبی نشان می‌دهند.

• NGF/Trk A. The first of these is signaling by the nerve growth factor (NGF). This protein is a member of the neurotrophin growth factor family and is required for the differentiation, survival, and synaptic connec- tivity of sympathetic and sensory neurons (see Chapter 23). NGF works by binding to a high-affinity tyrosine kinase receptor, TrkA, found on the plasma membrane of these target cells (Figure 7.13). NGF binding causes TrkA receptors to dimerize, and the intrinsic tyrosine kinase activity of each receptor then phosphorylates its partner receptor. Phosphorylated TrkA receptors trigger the ras cascade, resulting in the activation of multiple protein kinases, including MAPK. Some of these kinases translocate to the nucleus to activate transcriptional activators, such as CREB. This ras-based component of the NGF pathway is primarily responsible for inducing and maintaining differentiation of NGF-sensitive neurons. Phosphorylation of TrkA also causes this receptor to stimulate the activity of phospholipase C, which increases production of IP₃ and DAG. IP3 induces release of Ca²⁺ fromthe endoplasmic reticulum, and DAG activates PKC. These two second messengers appear to target many of the same downstream effectors as ras. Finally, ac- tivation of TrkA receptors also causes activation of other protein kinases (such as Akt kinase) that inhibit cell death. This pathway, therefore, primarily mediates the NGF-dependent survival of sympathetic and sensory neurons described in Chapter 23.

• NGF/Trk A. اولین مورد از این موارد، سیگنال‌دهی توسط فاکتور رشد عصبی (NGF) است. این پروتئین عضوی از خانواده فاکتور رشد نوروتروفین است و برای تمایز، بقا و اتصال سیناپسی نورون‌های سمپاتیک و حسی مورد نیاز است (به فصل 23 مراجعه کنید). NGF با اتصال به یک گیرنده تیروزین کیناز با میل ترکیبی بالا، TrkA، که در غشای پلاسمایی این سلول‌های هدف یافت می‌شود، عمل می‌کند (شکل 7.13). اتصال NGF باعث می‌شود گیرنده‌های TrkA دیمر شوند و سپس فعالیت تیروزین کینازی ذاتی هر گیرنده، گیرنده شریک خود را فسفریله می‌کند. گیرنده‌های TrkA فسفریله شده، آبشار ras را تحریک می‌کنند و در نتیجه فعال شدن چندین پروتئین کیناز، از جمله MAPK، رخ می‌دهد. برخی از این کینازها برای فعال کردن فعال‌کننده‌های رونویسی، مانند CREB، به هسته منتقل می‌شوند. این جزء مبتنی بر ras از مسیر NGF در درجه اول مسئول القا و حفظ تمایز نورون‌های حساس به NGF است. فسفوریلاسیون TrkA همچنین باعث می‌شود که این گیرنده فعالیت فسفولیپاز C را تحریک کند که تولید IP₃ و DAG را افزایش می‌دهد. IP₃ باعث آزاد شدن ⁺Ca² از شبکه آندوپلاسمی می‌شود و DAG PKC را فعال می‌کند. به نظر می‌رسد این دو پیام‌رسان ثانویه بسیاری از همان عوامل پایین‌دستی مانند ras را هدف قرار می‌دهند. در نهایت، فعال شدن گیرنده‌های TrkA همچنین باعث فعال شدن سایر پروتئین کینازها (مانند Akt کیناز) می‌شود که مرگ سلولی را مهار می‌کنند. بنابراین، این مسیر در درجه اول واسطه بقای وابسته به NGF نورون‌های سمپاتیک و حسی است که در فصل 23 توضیح داده شده است.

FIGURE 7.13 Mechanism of action of NGF. NGF binds to a high-af- finity tyrosine kinase receptor, TrkA, on the plasma membrane to in- duce phosphorylation of TrkA at two different tyrosine residues. These phosphorylated tyrosines serve to tether various adapter proteins or phospholipase C (PLC), which in turn activate three major signaling pathways: the PI 3 kinase pathway leading to activation of Akt kinase, the ras pathway leading to MAPK, and the PLC pathway leading to release of intracellular Ca²⁺ from the endoplasmic reticulum and activation of PKC. The ras and PLC pathways primarily stimulate processes responsible for neuronal differentiation, whereas the PI 3 kinase pathway is primarily involved in cell survival.

شکل ۷.۱۳ مکانیسم عمل NGF . NGF به یک گیرنده تیروزین کیناز با میل ترکیبی بالا، TrkA، در غشای پلاسما متصل می‌شود تا فسفوریلاسیون TrkA را در دو باقیمانده تیروزین مختلف القا کند. این تیروزین‌های فسفریله شده، پروتئین‌های آداپتور مختلف یا فسفولیپاز C (PLC) را مهار می‌کنند که به نوبه خود سه مسیر سیگنالینگ اصلی را فعال می‌کنند: مسیر   ₃ PI  کیناز که منجر به فعال شدن Akt کیناز می‌شود، مسیر ras که منجر به MAPK می‌شود، و مسیر PLC که منجر به آزاد شدن ⁺Ca² درون سلولی از شبکه آندوپلاسمی و فعال شدن PKC می‌شود. مسیرهای ras و PLC در درجه اول فرآیندهای مسئول تمایز عصبی را تحریک می‌کنند، در حالی که مسیر PI ₃ کیناز در درجه اول در بقای سلول نقش دارد.

Long-term synaptic depression (LTD). The interplay between several intracellular signals can be observed at the excit- atory synapses that innervate Purkinje cells in the cerebellum. These synapses are central to information flow through the cerebellar cortex, which coordinates motor movements (see Chapter 19). One of the synapses is between the parallel fibers (PFs) and their Purkinje cell targets: LTD is a form of synaptic plasticity that weakens these synapses (see Chapter 8). When PFs are active, they release the neurotransmitter glutamate onto the den- drites of Purkinje cells. This activates AM- PA-type receptors, which are ligand-gated ion channels (see Chapter 6), and causes a small EPSP that briefly depolarizes the Purkinje cell. In addition to this electrical signal, the glutamate released by PFs also activates metabotropic glutamate receptors. These receptors stimulate phospholi-pase C to generate two second messengers in the Purkinje cell, IP₃ and DAG (Figure 7.14). When the PF synapses alone are active, these intracellular signals are insufficient to open IP₃ receptors or to stimulate PKC.

• تضعیف سیناپسی طولانی‌مدت (LTD). تعامل بین چندین سیگنال درون سلولی را می‌توان در سیناپس‌های تحریکی که سلول‌های پورکنژ را در مخچه عصب‌دهی می‌کنند، مشاهده کرد. این سیناپس‌ها برای جریان اطلاعات از طریق قشر مخچه که حرکات حرکتی را هماهنگ می‌کند، مرکزی هستند (به فصل 19 مراجعه کنید). یکی از سیناپس‌ها بین فیبرهای موازی (PFs) و سلول‌های پورکنژ هدف آنها قرار دارد: LTD نوعی انعطاف‌پذیری سیناپسی است که این سیناپس‌ها را تضعیف می‌کند (به فصل 8 مراجعه کنید). هنگامی که PFs فعال هستند، انتقال‌دهنده عصبی گلوتامات را بر روی دندریت‌های سلول‌های پورکنژ آزاد می‌کنند. این امر گیرنده‌های نوع AM-PA را که کانال‌های یونی وابسته به لیگاند هستند، فعال می‌کند (به فصل 6 مراجعه کنید) و باعث ایجاد یک EPSP کوچک می‌شود که به طور خلاصه سلول پورکنژ را دپلاریزه می‌کند. علاوه بر این سیگنال الکتریکی، گلوتامات آزاد شده توسط PFs، گیرنده‌های گلوتامات متابوتروپیک را نیز فعال می‌کند. این گیرنده‌ها، فسفولیپاز C را تحریک می‌کنند تا دو پیام‌رسان ثانویه در سلول پورکنژ، IP3 و DAG، تولید کنند (شکل 7.14). هنگامی که سیناپس‌های PF به تنهایی فعال هستند، این سیگنال‌های درون سلولی برای باز کردن گیرنده‌های IP₃ یا تحریک PKC کافی نیستند.

FIGURE 7.14 Signaling at cerebellar parallel fiber synapses during long- term synaptic depression. Glutamate released by parallel fibers activates both AMPA-type and metabotropic receptors. The latter produce IP₃ and DAG in the Purkinje cell. When paired with a rise in Ca²⁺ associated with activity of climbing fi- ber synapses, the IP₃ causes Ca²⁺ to be released from the endoplasmic reticulum, while Ca²⁺ and DAG together activate protein kinase C. These signals together change the properties of AMPA receptors to produce long-term depression.

شکل ۷.۱۴ سیگنال‌دهی در سیناپس‌های فیبر موازی مخچه در طول تضعیف سیناپسی طولانی‌مدت. گلوتامات آزاد شده توسط فیبرهای موازی، هر دو گیرنده AMPA و متابوتروپیک را فعال می‌کند. گیرنده‌های متابوتروپیک، IP₃ و DAG را در سلول پورکنژ تولید می‌کنند. هنگامی که IP₃ با افزایش ⁺Ca² مرتبط با فعالیت سیناپس‌های فیبر بالارونده همراه می‌شود، باعث آزاد شدن ⁺Ca² از شبکه آندوپلاسمی می‌شود، در حالی که ⁺Ca² و DAG با هم پروتئین کیناز C را فعال می‌کنند. این سیگنال‌ها با هم خواص گیرنده‌های AMPA را تغییر می‌دهند تا تضعیف طولانی‌مدت ایجاد کنند.

LTD is induced when PF synapses are activated at the same time as the glutamatergic climbing fiber synapses that also innervate Purkinje cells. The climbing fiber synapses produce large EPSPs that strongly depolarize the membrane potential of the Purkinje cell. This depolarization allows Ca²⁺ to enter the Purkinje cell via voltage-gated Ca²⁺ channels.

LTD زمانی القا می‌شود که سیناپس‌های PF همزمان با سیناپس‌های فیبر بالارونده گلوتاماترژیک که سلول‌های پورکنژ را نیز عصب‌دهی می‌کنند، فعال شوند. سیناپس‌های فیبر بالارونده EPSPهای بزرگی تولید می‌کنند که پتانسیل غشای سلول پورکنژ را به شدت دپلاریزه می‌کنند. این دپلاریزاسیون به ⁺Ca² اجازه می‌دهد تا از طریق کانال‌های ⁺Ca² وابسته به ولتاژ وارد سلول پورکنژ شود.

When both synapses are simultaneously activated, the rise in intracellular Ca²⁺ concentration caused by the climbing fiber synapse enhances the sensitivity of IP₃ receptors to the IP₃ produced by PF synapses and allows the IP₃ recep- tors in the Purkinje cell to open. This releases Ca²⁺ from the endoplasmic reticulum and further elevates Ca²⁺ concentration locally near the PF synapses. This larger rise in Ca²⁺, in conjunction with the DAG produced by the PF synapses, activates PKC. PKC in turn phosphorylates several substrate proteins, including the AMPA-type receptors, ultimately altering trafficking of these receptors and leading to fewer AMPA-type receptors being located at the PF synapse (see Figure 8.17D). As a result, glutamate released from the PFs produces smaller EPSPs, causing LTD.

وقتی هر دو سیناپس به طور همزمان فعال می‌شوند، افزایش غلظت ⁺Ca² درون سلولی ناشی از سیناپس فیبر بالارونده، حساسیت گیرنده‌های IP₃ را به IP₃ تولید شده توسط سیناپس‌های PF افزایش می‌دهد و به گیرنده‌های IP₃ در سلول پورکنژ اجازه باز شدن می‌دهد. این امر ⁺Ca² را از شبکه آندوپلاسمی آزاد می‌کند و غلظت ⁺Ca² را به صورت موضعی در نزدیکی سیناپس‌های PF بیشتر بالا می‌برد. این افزایش بیشتر ⁺Ca²، همراه با DAG تولید شده توسط سیناپس‌های PF، PKC را فعال می‌کند. PKC به نوبه خود چندین پروتئین سوبسترا، از جمله گیرنده‌های نوع AMPA را فسفریله می‌کند و در نهایت عبور این گیرنده‌ها را تغییر می‌دهد و منجر به قرار گرفتن گیرنده‌های نوع AMPA کمتر در سیناپس PF می‌شود (شکل 8.17D را ببینید). در نتیجه، گلوتامات آزاد شده از PFها EPSPهای کوچکتری تولید می‌کند که باعث LTD می‌شود.

In short, transmission at Purkinje cell syn- apses produces brief electrical signals and chemical signals that last much longer. The temporal interplay between these signals al- lows LTD to occur only when both PF and climbing fiber synapses are active. The actions of IP3, DAG, and Ca²⁺ also are restricted to small parts of the Purkinje cell dendrite, which is a more limited spatial range than the EPSPs, which spread throughout the entire dendrite and cell body of the Purkinje cell. Thus, in con- trast to the electrical signals, the second-messenger signals can impart information about the location of active synapses and allow LTD to occur only in the vicinity of active PFs.

به طور خلاصه، انتقال در سیناپس‌های سلول‌های پورکنژ، سیگنال‌های الکتریکی کوتاه و سیگنال‌های شیمیایی تولید می‌کند که بسیار طولانی‌تر دوام می‌آورند. تعامل زمانی بین این سیگنال‌ها اجازه می‌دهد LTD تنها زمانی رخ دهد که هر دو سیناپس PF و فیبر بالارونده فعال باشند. عملکرد IP₃، DAG و ⁺Ca² نیز به بخش‌های کوچکی از دندریت سلول پورکنژ محدود می‌شود، که محدوده مکانی محدودتری نسبت به EPSPها دارد که در کل دندریت و جسم سلولی سلول پورکنژ پخش می‌شوند. بنابراین، برخلاف سیگنال‌های الکتریکی، سیگنال‌های پیام‌رسان ثانویه می‌توانند اطلاعاتی در مورد محل سیناپس‌های فعال ارائه دهند و اجازه دهند LTD فقط در مجاورت PFهای فعال رخ دهد.

• Phosphorylation of tyrosine hydroxylase. A third example of intracellular signaling in the nervous system is the regulation of the enzyme tyrosine hydroxylase. Tyrosine hydroxylase governs the synthesis of the catecholamine neurotransmitters: dopamine, norepinephrine, and epinephrine (see Chap- ter 6). Several signals, including electrical activity, other neurotransmitters, and NGF, increase the rate of catecholamine synthesis by increasing the catalytic activity of tyrosine hydroxylase (Figure 15). The rapid increase of tyrosine hydroxylase activity is largely due to phosphorylation of this enzyme.

• فسفوریلاسیون تیروزین هیدروکسیلاز. سومین مثال از سیگنالینگ درون سلولی در سیستم عصبی، تنظیم آنزیم تیروزین هیدروکسیلاز است. تیروزین هیدروکسیلاز سنتز انتقال‌دهنده‌های عصبی کاتکول‌آمین: دوپامین، نوراپی نفرین و اپی نفرین را کنترل می‌کند (به فصل 6 مراجعه کنید). چندین سیگنال، از جمله فعالیت الکتریکی، سایر انتقال‌دهنده‌های عصبی و NGF، با افزایش فعالیت کاتالیزوری تیروزین هیدروکسیلاز، سرعت سنتز کاتکول‌آمین را افزایش می‌دهند (شکل 15). افزایش سریع فعالیت تیروزین هیدروکسیلاز تا حد زیادی به دلیل فسفوریلاسیون این آنزیم است.

Tyrosine hydroxylase is a substrate for several protein kinases, including PKA, CaMKII, MAPK, and PKC. Phosphorylation causes conformational changes that increase the catalytic activity of tyrosine hydroxylase. Stimuli that elevate cAMP, Ca²⁺, or DAG can all increase tyrosine hydroxylase activity and thus increase the rate of catecholamine biosynthesis. This regulation by several different signals allows for close control of tyrosine hydroxylase activity and illustrates how several different pathways can converge to influence a key enzyme involved in synaptic transmission.

تیروزین هیدروکسیلاز سوبسترای چندین پروتئین کیناز، از جمله PKA، CaMKII، MAPK و PKC است. فسفوریلاسیون باعث تغییرات ساختاری می‌شود که فعالیت کاتالیزوری تیروزین هیدروکسیلاز را افزایش می‌دهد. محرک‌هایی که ⁺cAMP، Ca² یا DAG را افزایش می‌دهند، همگی می‌توانند فعالیت تیروزین هیدروکسیلاز را افزایش داده و در نتیجه سرعت بیوسنتز کاتکول‌آمین را افزایش دهند. این تنظیم توسط چندین سیگنال مختلف، امکان کنترل دقیق فعالیت تیروزین هیدروکسیلاز را فراهم می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه چندین مسیر مختلف می‌توانند برای تأثیرگذاری بر یک آنزیم کلیدی دخیل در انتقال سیناپسی همگرا شوند.

FIGURE 7.15 Regulation of tyrosine hydroxylase by protein phosphoryla- tion. Tyrosine hydroxylase governs the synthesis of the catecholamine neurotransmitters and is stimulated by several intracellular signals. In the example shown here, neuronal electrical activity (1) causes influx of Ca²⁺ (2). The resultant rise in intracellular Ca²⁺ concentration (3) activates protein kinases (4), which phosphorylates tyrosine hydroxylase (5), stimulating catecholamine synthesis (6). This increased synthesis in turn increases the release of catecholamines (7) and enhances the postsynaptic response produced by the synapse (8).

شکل ۷.۱۵ تنظیم تیروزین هیدروکسیلاز توسط فسفوریلاسیون پروتئین. تیروزین هیدروکسیلاز سنتز انتقال‌دهنده‌های عصبی کاتکول‌آمین را کنترل می‌کند و توسط چندین سیگنال درون سلولی تحریک می‌شود. در مثالی که در اینجا نشان داده شده است، فعالیت الکتریکی نورونی (1) باعث ورود Ca²⁺ (2) می‌شود. افزایش حاصل در غلظت ⁺Ca² درون سلولی (3) پروتئین کینازها (4) را فعال می‌کند که تیروزین هیدروکسیلاز را فسفریله می‌کنند (5) و سنتز کاتکول‌آمین را تحریک می‌کنند (6). این افزایش سنتز به نوبه خود آزادسازی کاتکول‌آمین‌ها (7) را افزایش می‌دهد و پاسخ پس‌سیناپسی تولید شده توسط سیناپس را تقویت می‌کند (8).

Summary

Diverse signal transduction pathways exist within all neu- rons. Activation of these pathways typically is initiated by chemical signals such as neurotransmitters and hor- mones, which bind to receptors that include ligand-gated ion channels, G-protein-coupled receptors, and tyro- sine kinase receptors. Many of these receptors activateeither heterotrimeric or monomeric G-proteins that reg- ulate intracellular enzyme cascades and/or ion channels. A common outcome of the activation of these receptors is the production of second messengers, such as cAMP, Ca²⁺, and IP3, that bind to effector proteins. Particularly important effectors are protein kinases and phosphatasesthat regulate the phosphorylation state of their substrates, and thus their function. These substrates can be metabolic enzymes or other signal transduction molecules, such as ion channels, protein kinases, or transcription factors that regulate gene expression. Examples of such transcription factors include CREB, steroid hormone receptors, and c-fos. This plethora of molecular components allows intracellular signal transduction pathways to generate responses over a wide range of times and distances, greatly augmenting and refining the information-processing ability of neuro- nal circuits and, ultimately, brain systems.

خلاصه

مسیرهای انتقال سیگنال متنوعی در تمام نورون‌ها وجود دارد. فعال شدن این مسیرها معمولاً توسط سیگنال‌های شیمیایی مانند انتقال‌دهنده‌های عصبی و هورمون‌ها آغاز می‌شود که به گیرنده‌هایی شامل کانال‌های یونی دریچه‌دار لیگاندی، گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G و گیرنده‌های تیروزین کیناز متصل می‌شوند. بسیاری از این گیرنده‌ها، پروتئین‌های G هتروتریمری یا مونومری را فعال می‌کنند که آبشارهای آنزیمی درون سلولی و/یا کانال‌های یونی را تنظیم می‌کنند. نتیجه مشترک فعال شدن این گیرنده‌ها، تولید پیام‌رسان‌های ثانویه مانند ⁺cAMP، Ca² و IP₃ است که به پروتئین‌های مؤثر متصل می‌شوند. مؤثرترین پروتئین‌ها، پروتئین کینازها و فسفاتازها هستند که وضعیت فسفوریلاسیون سوبستراهای خود و در نتیجه عملکرد آنها را تنظیم می‌کنند. این سوبستراها می‌توانند آنزیم‌های متابولیک یا سایر مولکول‌های انتقال سیگنال مانند کانال‌های یونی، پروتئین کینازها یا فاکتورهای رونویسی باشند که بیان ژن را تنظیم می‌کنند. نمونه‌هایی از چنین فاکتورهای رونویسی شامل CREB، گیرنده‌های هورمون استروئیدی و c-fos هستند. این فراوانی اجزای مولکولی به مسیرهای انتقال سیگنال درون سلولی اجازه می‌دهد تا پاسخ‌هایی را در طیف وسیعی از زمان‌ها و فواصل ایجاد کنند و توانایی پردازش اطلاعات مدارهای عصبی و در نهایت سیستم‌های مغزی را تا حد زیادی افزایش و بهبود بخشند.

ADDITIONAL READING