مبانی علوم اعصاب اریک کندل؛ آزادسازی ترانسمیتر؛ سیناپسین ها، پروتئین های SNARE و سیناپتوتاگمین

Exocytosis of Synaptic Vesicles Relies on a Highly Conserved Protein Machinery

اگزوسیتوز وزیکول‌های سیناپسی به یک ماشین پروتئینی بسیار حفاظت شده متکی است

Many key proteins of synaptic vesicles as well as their interacting partners in the plasma membrane have been isolated and purified. Proteomic analysis of isolated synaptic vesicles has provided a census of the many types of proteins they contain (Figure 15-11).

بسیاری از پروتئین‌های کلیدی وزیکول‌های سیناپسی و همچنین شرکای متقابل آنها در غشای پلاسما جدا و خالص شده اند. آنالیز پروتئو‌می‌وزیکول‌های سیناپسی جدا شده سرشماری از انواع پروتئین‌های موجود در آنها ارائه کرده است (شکل ۱۵-۱۱).

Figure 15-11 Molecular components of exocytosis.

شکل ۱۵-۱۱ اجزای مولکولی اگزوسیتوز.

A. Depiction of protein constituents of a glutamatergic synaptic vesicle (and their approximate copy numbers). Proteins are shown embedded in a synaptic vesicle, drawn to scale. Components include the vesicular ATPase (V-ATPase; 1-2 per vesicle), vesicular glutamate transporter (V-GluT; ~10 per vesicle), synaptobrevin/VAMP (~70 per vesicle), synaptotagmin (~15 per vesicle) and the small GTPases Rab3 and/or Rab27. Estimates are obtained as an average over many vesicles. (Reproduced from Takamori et al. 2006. Copyright © ۲۰۰۶ Elsevier.) B. The molecular machinery mediating Ca2+triggered vesicle fusion with the presynaptic cell membrane. This depiction of a portion of a docked synaptic vesicle and the presynaptic active zone illustrates the interactions of several key functional proteins of the neurotransmitter release machinery. Right: The dotted box shows the core fusion machine, which is comprised of the SNARE proteins synaptobrevin/VAMP, syntaxin-1, and SNAP-25, along with Munc18-1. The Ca2+ sensor synaptotagmin-1 functions in coordination with complexin (shown bound to the SNARE complex). Left: The active zone protein complex also contains RIM, Munc13, and RIM-BP and a Ca2+ channel in the presynaptic plasma membrane. RIM plays a central role in this complex, coordinating multiple functions of the active zone by binding to specific target proteins: (1) vesicular Rab proteins (Rab3 and Rab27) to mediate vesicle docking; (2) Munc13 to activate vesicle priming; and (3) the Ca2+ channel, both directly and indirectly via RIM-BP, to tether Ca2+ channels within 100 nm of docked vesicles. The active zone protein complex puts into close proximity key elements that enable vesicles to dock, prime, and fuse rapidly in response to action potential-triggered Ca2+ entry near the docked vesicle. (Reproduced from Südhof 2013.)

الف. تصویری از اجزای پروتئینی یک وزیکول سیناپسی گلوتاماترژیک (و تعداد تقریبی کپی آنها). پروتئین‌ها در یک وزیکول سیناپسی جاسازی شده‌اند که به صورت مقیاس کشیده شده‌اند. اجزاء شامل ATPase تاولی (V-ATPase؛ ۱-۲ در هر وزیکول)، انتقال دهنده گلوتامات تاولی (V-GluT؛ ~ ۱۰ در هر وزیکول)، سیناپتوبروین/VAMP (~70 در هر وزیکول)، سیناپتوتاگمین (~۱۵ در هر وزیکول) و GTPases کوچک Rab3 و/یا Rab27. تخمین‌ها به صورت میانگین در بسیاری از وزیکول‌ها به دست ‌می‌آیند. (برگرفته از Takamori و همکاران ۲۰۰۶. حق چاپ © ۲۰۰۶ Elsevier.) B. ماشین مولکولی واسطه +Ca2 باعث همجوشی وزیکول با غشای سلولی پیش سیناپسی شد. این تصویر بخشی از یک وزیکول سیناپسی متصل و منطقه فعال پیش سیناپسی، برهمکنش چندین پروتئین عملکردی کلیدی دستگاه آزادکننده انتقال دهنده عصبی را نشان ‌می‌دهد. سمت راست: کادر نقطه‌دار دستگاه همجوشی هسته را نشان می‌دهد که از پروتئین‌های SNARE synaptobrevin/VAMP، syntaxin-1 و SNAP-25 به همراه Munc18-1 تشکیل شده است. سنسور Ca2+ synaptotagmin-1 در هماهنگی با کمپلکسین عمل ‌می‌کند (که به کمپلکس SNARE نشان داده شده است). سمت چپ: کمپلکس پروتئین ناحیه فعال همچنین حاوی RIM، Munc13 و RIM-BP و یک کانال +Ca2 در غشای پلاسمایی پیش سیناپسی است. RIM نقش اصلی را در این مجموعه ایفا ‌می‌کند و عملکردهای چندگانه منطقه فعال را با اتصال به پروتئین‌های هدف خاص هماهنگ ‌می‌کند: (۱) پروتئین‌های Rab تاولی (Rab3 و Rab27) برای واسطه شدن اتصال وزیکول. (۲) Munc13 برای فعال کردن پرایمینگ وزیکول. و (۳) کانال +Ca2، به طور مستقیم و غیرمستقیم از طریق RIM-BP، برای اتصال کانال‌های +Ca2 در ۱۰۰ نانومتر وزیکول‌های متصل. مجتمع پروتئین منطقه فعال عناصر کلیدی را در نزدیکی قرار ‌می‌دهد که وزیکول‌ها را قادر ‌می‌سازد تا در پاسخ به ورود +Ca2 تحریک شده با پتانسیل عمل در نزدیکی وزیکول متصل شوند، به سرعت متصل شوند، پر شوند و فیوز شوند. (برگرفته از Südhof 2013.)

Two of the most abundant proteins, synaptobrevin and synaptotagmin-1, are involved in vesicle fusion and are discussed later. Another key class of vesicle proteins are the neurotransmitter transporters (Chapter 16). These transmembrane proteins (exemplified by the glutamate transporter v-GluT) harness energy stored in the electrochemical gradient for protons to pump transmitter molecules against their concentration gradient from the cytoplasm into the vesicle. The protonmotive force is generated by a vesicular H+ pump, the V-ATPase, that pumps protons into the lumen of the vesicle from the cytoplasm, leading to an acidic vesicular pH of around 5.0.

دو تا از فراوان‌ترین پروتئین‌ها، سیناپتوبروین و سیناپتوتاگمین-۱، در همجوشی وزیکول‌ها نقش دارند و بعداً مورد بحث قرار خواهند گرفت. دسته کلیدی دیگری از پروتئین‌های وزیکول ناقل‌های انتقال دهنده عصبی هستند (فصل ۱۶). این پروتئین‌های گذرنده (نمونه‌ای با انتقال‌دهنده گلوتامات v-GluT) انرژی ذخیره‌شده در گرادیان الکتروشیمیایی برای پروتون‌ها را مهار می‌کنند تا مولکول‌های ترانسمیتر را در برابر گرادیان غلظتشان از سیتوپلاسم به داخل وزیکول پمپ کنند. نیروی محرکه پروتون توسط یک پمپ +H تاولی به نام V-ATPase ایجاد می‌شود که پروتون‌ها را از سیتوپلاسم به لومن وزیکول پمپ می‌کند و منجر به pH تاولی اسیدی در حدود ۰/۵ می‌شود.

Other synaptic vesicle proteins direct vesicles to their release sites, participate in the discharge of transmitter by exocytosis, and mediate recycling of the vesicle membrane. The protein machinery involved in these three steps has been conserved throughout evolution, in species ranging from worms to humans, and forms the basis for the regulated release of neurotransmitter. We consider each of these steps in turn.

سایر پروتئین‌های وزیکول سیناپسی، وزیکول‌ها را به سمت محل‌های رهاسازی هدایت می‌کنند، در تخلیه ترانسمیتر توسط اگزوسیتوز شرکت می‌کنند و بازیافت غشای وزیکول را واسطه می‌کنند. ماشین آلات پروتئینی درگیر در این سه مرحله در طول تکامل، در گونه‌های مختلف از کرم گرفته تا انسان، حفظ شده‌اند و اساس انتشار تنظیم‌شده انتقال‌دهنده عصبی را تشکیل می‌دهند. ما هر یک از این مراحل را به نوبه خود در نظر ‌می‌گیریم.

The Synapsins Are Important for Vesicle Restraint and Mobilization

سیناپسین‌ها برای مهار و تحرک وزیکول مهم هستند

The vesicles outside the active zone represent a reserve pool of transmitter. Paul Greengard discovered a family of proteins, synapsins, that are thought to be important regulators of the reserve pool of vesicles. Synapsins are peripheral membrane proteins that are bound to the cytoplasmic surface of synaptic vesicles. Synapsins contain a conserved central ATPase domain that accounts for most of their structure, but whose function remains unknown. In addition, synapsin-1 binds actin.

وزیکول‌های خارج از منطقه فعال نشان دهنده یک مخزن ذخیره ترانسمیتر هستند. پل گرینگارد خانواده ای از پروتئین‌ها به نام سیناپسین‌ها را کشف کرد که گمان ‌می‌رود تنظیم کننده‌های مهم ذخیره وزیکول‌ها هستند. سیناپسین‌ها پروتئین‌های غشایی محیطی هستند که به سطح سیتوپلاس‌می‌وزیکول‌های سیناپسی متصل ‌می‌شوند. سیناپسین‌ها حاوی یک دامنه مرکزی ATPase هستند که بیشتر ساختار آنها را تشکیل ‌می‌دهد، اما عملکرد آن ناشناخته باقی مانده است. علاوه بر این، synapsin-1 به اکتین متصل ‌می‌شود.

The synapsins are substrates for both protein kinase A and Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II. When the nerve terminal is depolarized and Ca2+ enters, the synapsins become phosphorylated by the kinase and are thus released from the vesicles. Strikingly, stimulation of synapsin phosphorylation, genetic deletion of synapsins or intracellular injection of a synapsin antibody leads to a decrease in the number of synaptic vesicles in the nerve terminal and a resulting decrease in the ability of a terminal to maintain a high rate of transmitter release during repetitive stimulation.

سیناپسین‌ها زیرلایه‌هایی برای هر دو پروتئین کیناز A و کیناز پروتئین وابسته به +Ca2/کالمودولین II هستند. وقتی که پایانه عصبی دپولاریزه می‌شود و +Ca2 وارد می‌شود، سیناپسین‌ها توسط کیناز فسفریله شده و بنابراین از وزیکول‌ها آزاد می‌شوند. جالب اینجاست که تحریک فسفریلاسیون سیناپسین، حذف ژنتیکی سیناپسین‌ها یا تزریق آنتی‌بادی سیناپسین به درون سلول، منجر به کاهش تعداد وزیکول‌های سیناپسی در پایانه عصبی و در نتیجه کاهش توانایی پایانه در حفظ نرخ بالای آزادسازی انتقال‌دهنده در طول تحریک‌های تکراری می‌شود.

SNARE Proteins Catalyze Fusion of Vesicles With the Plasma Membrane

پروتئین‌های SNARE ادغام وزیکول‌ها با غشای پلاسما را کاتالیز ‌می‌کنند

Because a membrane bilayer is a stable structure, fusion of the synaptic vesicle and plasma membrane must overcome a large unfavorable activation energy. This is accomplished by a family of fusion proteins now referred to as SNARES (soluble N-ethylmaleimide- sensitive factor attachment receptors) (Figure 15-12).

از آنجایی که دو لایه غشایی یک ساختار پایدار است، همجوشی وزیکول سیناپسی و غشای پلاسما باید بر انرژی فعال سازی نامطلوب زیادی غلبه کند. این کار توسط خانواده ای از پروتئین‌های همجوشی انجام ‌می‌شود که اکنون به عنوان SNARES (گیرنده‌های اتصالی حساس به فاکتور N-ethylmaleimide محلول) شناخته ‌می‌شوند (شکل ۱۵-۱۲).

SNAREs are universally involved in membrane fusion, from yeast to humans. They mediate both constitutive membrane trafficking during the movement of proteins from the endoplasmic reticulum to the Golgi apparatus to the plasma membrane, as well as synaptic vesicle trafficking important for regulated exocytosis. SNAREs have a conserved protein sequence, the SNARE motif, that is 60 residues long. They come in two forms. Vesicle SNAREs, or v-SNAREs (also referred to as R-SNARES because they contain an important central arginine residue), reside in the vesicle membranes. Target-membrane SNAREs, or t-SNAREs (also referred to as Q-SNAREs because they contain an important glutamine residue), are present in target membranes, such as the plasma membrane.

SNAREها به طور جهانی در همجوشی غشاء از مخمر گرفته تا انسان نقش دارند. آنها هم واسطه قاچاق غشای سازنده در طول حرکت پروتئین‌ها از شبکه آندوپلاس‌می‌به دستگاه گلژی به غشای پلاسما و هم قاچاق وزیکول سیناپسی مهم برای اگزوسیتوز تنظیم شده هستند. SNARE‌ها دارای یک توالی پروتئین حفاظت شده، موتیف SNARE هستند که ۶۰ باقیمانده طول دارد. آنها به دو صورت ‌می‌آیند. SNARE‌های وزیکولی یا v-SNARE (همچنین به عنوان R-SNARES شناخته ‌می‌شود زیرا حاوی یک باقیمانده مرکزی مهم آرژنین هستند)، در غشای وزیکول قرار دارند. SNAREهای غشایی هدف یا t-SNARE (همچنین به Q-SNAREها نیز گفته ‌می‌شود زیرا حاوی یک باقیمانده گلوتامین مهم هستند) در غشاهای هدف مانند غشای پلاسمایی وجود دارند.

Each synaptic vesicle contains a v-SNARE called synaptobrevin (also called vesicle-associated membrane protein or VAMP). By contrast, the presynaptic active zone contains two types of t-SNARE proteins, syntaxin and SNAP-25. (Synaptobrevin and syntaxin have one SNARE motif; SNAP-25 has two.) The first clue that synaptobrevin, syntaxin, and SNAP-25 are all involved in fusion of the synaptic vesicle with the plasma mem- brane came from the finding that all three proteins are substrates for botulinum and tetanus toxins, bacterial proteases that are potent inhibitors of transmitter release. James Rothman then provided the crucial insight that these three proteins interact in a tight biochemical complex. In experiments using purified v-SNAREs and t-SNARES in solution, four SNARE motifs bind tightly to each other to form an α-helical coiled-coil complex (Figure 15-12B).

هر وزیکول سیناپسی حاوی یک V-SNARE به نام سیناپتوبروین است (که پروتئین غشایی مرتبط با وزیکول یا VAMP نیز نامیده ‌می‌شود). در مقابل، منطقه فعال پیش سیناپسی حاوی دو نوع پروتئین t-SNARE، syntaxin و SNAP-25 است. (سیناپتوبروین و سینتاکسین یک موتیف SNARE دارند؛ SNAP-25 دارای دو موتیف است.) اولین سرنخ مبنی بر اینکه سیناپتوبروین، سینتاکسین و SNAP-25 همگی در ادغام وزیکول سیناپسی با غشای پلاسما نقش دارند، از این یافته بدست آمد که هر سه مورد پروتئین‌ها بسترهایی برای سموم بوتولینوم و کزاز هستند، پروتئازهای باکتریایی که قوی هستند. مهارکننده‌های آزادسازی ترانسمیتر جیمز روتمن سپس بینش مه‌می‌را ارائه کرد که این سه پروتئین در یک مجتمع بیوشیمیایی فشرده با هم تعامل دارند. در آزمایش‌هایی با استفاده از v-SNAREهای خالص‌شده و t-SNARES در محلول، چهار نقوش SNARE محکم به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک کمپلکس کویل پیچ‌دار α-مارپیچ را تشکیل دهند (شکل ۱۵-12B).

How does formation of the SNARE complex drive synaptic vesicle fusion? During exocytosis, the SNARE motif of synaptobrevin on the synaptic vesicle forms a tight complex with the SNARE motifs of SNAP-25 and syntaxin on the plasma membrane (Figure 15-12B). The crystal structure of the SNARE complex suggests that this complex draws the membranes together. The ternary complex of synaptobrevin, syntaxin, and SNAP- 25 is extraordinarily stable. The energy released in its assembly is thought to draw the negatively charged phospholipids of the vesicle and plasma membranes in close apposition, forcing them into a prefusion inter- mediate state (Figure 15-12). Such an unstable state may start the formation of the fusion pore and generate the rapid opening and closing (flickering) of the fusion pore observed in electrophysiological measurements.

چگونه تشکیل کمپلکس SNARE باعث همجوشی وزیکول سیناپسی ‌می‌شود؟ در طول اگزوسیتوز، موتیف SNARE سیناپتوبروین روی وزیکول سیناپسی یک کمپلکس محکم با نقوش SNARE SNAP-25 و syntaxin روی غشای پلاسمایی تشکیل می‌دهد (شکل ۱۵-12B). ساختار کریستالی مجموعه SNARE نشان ‌می‌دهد که این کمپلکس غشاها را به هم ‌می‌کشد. کمپلکس سه تایی سیناپتوبروین، سینتاکسین و SNAP-25 فوق العاده پایدار است. تصور می‌شود که انرژی آزاد شده در مجموعه آن فسفولیپیدهای با بار منفی وزیکول و غشای پلاسما را به هم نزدیک می‌کند و آنها را به حالت میانی پیش‌فیوژن وادار می‌کند (شکل ۱۵-۱۲). چنین حالت ناپایداری ممکن است تشکیل منافذ همجوشی را آغاز کند و باز و بسته شدن سریع (سوسو زدن) منفذ همجوشی را که در اندازه‌گیری‌های الکتروفیزیولوژیکی مشاهده می‌شود، ایجاد کند.

However, the SNARES do not fully account for fusion of the synaptic vesicle and plasma membranes. Reconstitution experiments with purified proteins in lipid vesicles indicate that synaptobrevin, syntaxin, and SNAP-25 can catalyze fusion, but the in vitro reaction shows little regulation by Ca2+, and the reaction is much slower and less efficient than vesicle fusion in a real synapse. One important additional protein required for exocytosis of synaptic vesicles is Munc18 (mammalian unc18 homolog). Homologs of Munc18, referred to as SM proteins (sec1/Munc18-like proteins), are essential for all SNARE-mediated intracellular fusion reactions. Munc18 binds to syntaxin before the SNARE complex assembles. Deletion of Munc18 prevents all synaptic fusion in neurons. The core fusion machinery is thus composed of SNARE and SM proteins that are modulated by various accessory factors specific for particular fusion reactions. Finally, the synaptic SNARE complex also interacts with a small soluble protein called complexin, which suppresses the spontaneous release of transmitter but enhances Ca2+dependent evoked release.

با این حال، SNARES به طور کامل برای ادغام وزیکول سیناپسی و غشای پلاسما حساب ن‌می‌کند. آزمایش‌های بازسازی با پروتئین‌های خالص‌شده در وزیکول‌های لیپیدی نشان می‌دهد که سیناپتوبروین، سینتاکسین و SNAP-25 می‌توانند همجوشی را کاتالیز کنند، اما واکنش آزمایشگاهی تنظیم کمی توسط +Ca2 نشان می‌دهد و واکنش بسیار کندتر و کمتر از همجوشی وزیکول در یک سیناپس واقعی است. یکی از پروتئین‌های اضافی مهم مورد نیاز برای اگزوسیتوز وزیکول‌های سیناپسی Munc18 (همولوگ unc18 پستانداران) است. همولوگ‌های Munc18، که به عنوان پروتئین‌های SM (پروتئین‌های شبه sec1/Munc18) شناخته ‌می‌شوند، برای همه واکنش‌های همجوشی درون سلولی با واسطه SNARE ضروری هستند. Munc18 قبل از جمع شدن کمپلکس SNARE به syntaxin متصل ‌می‌شود. حذف Munc18 از همجوشی سیناپسی در نورون‌ها جلوگیری ‌می‌کند. بنابراین ماشین آلات همجوشی هسته ای از پروتئین‌های SNARE و SM تشکیل شده است که توسط عوامل جانبی مختلف خاص برای واکنش‌های همجوشی خاص مدوله ‌می‌شوند. در نهایت، کمپلکس SNARE سیناپسی نیز با یک پروتئین محلول کوچک به نام کمپلکسین تعامل دارد، که آزاد شدن خود به خودی ترانسمیتر را سرکوب می‌کند اما انتشار برانگیخته وابسته به +Ca2 را افزایش می‌دهد.

Figure 15-12 Formation and dissociation of the SNARE complex drives fusion of the synaptic vesicle and plasma mem- branes. (Adapted, with permission, from Rizo and Südhof 2002. Copyright©۲۰۰۲ Springer Nature.)

شکل ۱۵-۱۲ تشکیل و تفکیک کمپلکس SNARE باعث ادغام وزیکول سیناپسی و غشای پلاسما ‌می‌شود. (اقتباس شده، با اجازه، از Rizo و Südhof 2002. حق چاپ © ۲۰۰۲ Springer Nature.)

A. The SNARE cycle. 1. Synaptobrevin interacts with two plasma membrane proteins, the transmembrane protein syntaxin and the peripheral membrane protein SNAP-25. 2. The three proteins form a tight complex bringing the vesicle and presynaptic membranes in close apposition. Munc18 binds to the SNARE complex. 3. Calcium influx triggers rapid fusion of the vesicle and plasma membranes; the SNARE complex now resides in the plasma membrane. 4. Two proteins, NSF and SNAP (unrelated to SNAP-25), bind to the SNARE complex and cause it to dissociate in an ATP-dependent reaction.

A. چرخه SNARE. 1. سیناپتوبروین با دو پروتئین غشای پلاسما، سینتاکسین پروتئین گذرنده و پروتئین غشای محیطی SNAP-25 تعامل دارد. ۲. این سه پروتئین یک کمپلکس محکم را تشکیل ‌می‌دهند که وزیکول و غشای پیش سیناپسی را در کنار هم قرار ‌می‌دهند. Munc18 به مجموعه SNARE متصل ‌می‌شود. ۳. هجوم کلسیم باعث همجوشی سریع وزیکول و غشای پلاسما ‌می‌شود. کمپلکس SNARE اکنون در غشای پلاسمایی قرار دارد. ۴. دو پروتئین NSF و SNAP (مرتبط با SNAP-25) به کمپلکس SNARE متصل شده و باعث جدا شدن آن در واکنش وابسته به ATP ‌می‌شود.

B. The SNARE complex consists of a bundle of four a-helixes, one each from synaptobrevin and syntaxin and two from SNAP-25. The structure shown here is for the docked vesicle prior to fusion. (The actual structure of the transmembrane domains has not been determined, but the domains are drawn here along with the vesicle and plasma membranes for illustrative purposes.)

ب. مجموعه SNARE از یک بسته نرم افزاری از چهار مارپیچ a تشکیل شده است که هر کدام یکی از سیناپتوبروین و سینتاکسین و دو تا از SNAP-25 است. ساختار نشان داده شده در اینجا برای وزیکول متصل قبل از همجوشی است. (ساختار واقعی حوزه‌های گذرنده مشخص نشده است، اما این دامنه‌ها به همراه وزیکول و غشای پلاسمایی برای اهداف توضیحی در اینجا ترسیم شده‌اند.)

After fusion, the SNARE complex must be disassembled for efficient vesicle recycling to occur. Roth- man discovered that a cytoplasmic ATPase called NSF (N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein) binds to SNARE complexes via an adaptor protein called SNAP (soluble NSF-attachment protein, not related to the SNARE protein SNAP-25). NSF and SNAP use the energy of ATP hydrolysis to dissociate SNARE complexes, thereby regenerating free SNARE (Figure 15-12A). SNAREs and NSF also participate in the cycling of postsynaptic AMPA- type glutamate receptors in dendritic spines.

پس از ادغام، مجموعه SNARE باید جدا شود تا بازیافت وزیکول کارآمد اتفاق بیفتد. روتمن کشف کرد که یک ATPase سیتوپلاس‌می‌به نام NSF (پروتئین فیوژن حساس به N-ethylmaleimide) از طریق یک پروتئین آداپتور به نام SNAP (پروتئین محلول متصل به NSF، غیر مرتبط با پروتئین SNARE SNAP-25) به کمپلکس‌های SNARE متصل ‌می‌شود. NSF و SNAP از انرژی هیدرولیز ATP برای جداسازی کمپلکس‌های SNARE استفاده ‌می‌کنند و در نتیجه SNARE آزاد را بازسازی ‌می‌کنند (شکل ۱۵-12A). SNARE و NSF همچنین در چرخه گیرنده‌های گلوتامات نوع AMPA پس سیناپسی در خارهای دندریتیک شرکت ‌می‌کنند.

Calcium Binding to Synaptotagmin Triggers Transmitter Release

اتصال کلسیم به سیناپتوتاگمین باعث آزاد شدن ترانسمیتر ‌می‌شود

Because fusion of synaptic vesicles with the plasma membrane must occur within a fraction of a millisecond, it is thought that most proteins responsible for fusion are assembled prior to Ca2+ influx. According to this view, once Ca2+ enters the presynaptic terminal, it binds a Ca2+ sensor on the vesicle, triggering immediate fusion of the membranes.

از آنجایی که ادغام وزیکول‌های سیناپسی با غشای پلاسمایی باید در کسری از میلی‌ثانیه اتفاق بیفتد، تصور می‌شود که بیشتر پروتئین‌های مسئول همجوشی قبل از هجوم +Ca2 مونتاژ می‌شوند. بر اساس این دیدگاه، هنگا‌می‌که +Ca2 وارد پایانه پیش سیناپسی ‌می‌شود، یک حسگر +Ca2 را روی وزیکول متصل ‌می‌کند و باعث همجوشی فوری غشاها ‌می‌شود.

Members of a family of closely related proteins, the synaptotagmins, have been identified as the major Ca2+ sensors that trigger fusion of synaptic vesicles. Synaptotagmins are membrane proteins with a single N-terminal transmembrane region that anchors them to the synaptic vesicle (Figure 15-13A,B). The cytoplasmic region of each synaptotagmin protein is largely composed of two domains, the C2 domains, which are a common protein motif homologous to the Ca2+ and phospholipid-binding C2 domain of protein kinase C. The finding that the C2 domains bind not only Ca2+ but also phospholipids is consistent with their importance in Ca-dependent exocytosis. Synaptotagmin-1, -2, and -9 have been identified as Ca2+ sensors for fast and synchronous vesicle fusion. Each exhibits distinct Ca2+ binding affinities and kinetics, endowing different synapses with distinct release properties on the basis of the particular synaptotagmin isoform that is expressed. In contrast, synaptotagmin-7 mediates a slower form of Ca2+ triggered exocytosis that is important for synaptic transmission during prolonged periods of activity periods of repeated firing of action potential. All of these synaptotagmins also function as Ca2+ sensors in other forms of exocytosis, such as exocytosis in endocrine cells and the insertion of AMPA-type glutamate receptors into the postsynaptic cell membrane from a pool of intracellular vesicles during NMDA-receptor- dependent long-term potentiation.

اعضای یک خانواده از پروتئین‌های هم‌خانواده به نام سیناپتوژمین‌ها به عنوان حسگرهای عمده +Ca2 شناسایی شده‌اند که ادغام وزیکول‌های سیناپسی را تحریک می‌کنند. سیناپتوژمین‌ها پروتئین‌های غشایی هستند که دارای یک ناحیه غشایی ترنس‌ممبران N-پایینی هستند که آن‌ها را به وزیکول سیناپسی متصل می‌کند (شکل ۱۵-۱۳A,B). ناحیه سیتوپلاس‌می‌هر پروتئین سیناپتوژمین عمدتاً از دو دامنه به نام دامنه‌های C2 تشکیل شده است که یک موتیف پروتئینی مشترک هستند که با دامنه C2 پروتئین کیناز C که با +Ca2 و فسفولیپیدها ارتباط دارد، همولوژی دارد. این یافته که دامنه‌های C2 نه تنها به +Ca2 بلکه به فسفولیپیدها نیز متصل می‌شوند، با اهمیت آن‌ها در پوستانه‌زدن وابسته به Ca توافق دارد. سیناپتوژمین-۱، -۲ و -۹ به عنوان حسگرهای +Ca2 برای ادغام سریع و همزمان وزیکول‌ها شناسایی شده‌اند. هر یک دارای تمایلات و سینتیک‌های متفاوتی برای اتصال +Ca2 هستند و ویژگی‌های رهایش متفاوتی را بر اساس ایزوفورم خاص سیناپتوژمین که بیان می‌شود، به سیناپس‌های مختلف اعطا می‌کنند. در مقابل، سیناپتوژمین-۷ یک نوع کندتر از پوستانه‌زدن تحریک‌شده با +Ca2 را میانجی‌گری می‌کند که در انتقال سیناپسی در دوره‌های طولانی فعالیت، که شامل شلیک‌های مکرر پتانسیل عمل است، مهم است. تمام این سیناپتوژمین‌ها همچنین به عنوان حسگرهای +Ca2 در اشکال دیگری از پوستانه‌زدن، مانند پوستانه‌زدن در سلول‌های درون‌ریز و ورود گیرنده‌های گلوتامات نوع AMPA به غشای سلول پس‌سیناپسی از تجمعی از وزیکول‌های داخلی در طول تقویت بلندمدت وابسته به گیرنده‌های NMDA عمل می‌کنند.

Studies with mutant mice in which synaptotagmin-1 is deleted or in which its Ca2+ affinity is altered through genetic engineering provide important evidence that synaptotagmin is the physiological Ca2+ sensor. When the affinity of synaptotagmin for Ca2+ is decreased two-fold, the Ca2+ required for transmitter release is changed by the same amount. When synaptotagmin-1 is deleted in mice, flies, or worms, an action potential is no longer able to trigger fast synchronous release. However, Ca2+ is still capable of stimulating a slower form of transmitter release referred to as asynchronous release (Figure 15-13A), mediated by synaptotagmin-7. Thus, nearly all Ca-triggered neurotransmitter release depends on the synaptotagmins.

مطالعات روی موش‌های جهش‌یافته که در آن‌ها سیناپتوتاگمین-۱ حذف می‌شود یا میل ترکیبی +Ca2 آن از طریق مهندسی ژنتیک تغییر می‌کند، شواهد مه‌می‌را نشان می‌دهد که سیناپتوتاگمین حسگر فیزیولوژیکی +Ca2 است. هنگا‌می‌که میل ترکیبی سیناپتوتاگمین برای +Ca2 دو برابر کاهش ‌می‌یابد، +Ca2 مورد نیاز برای انتشار ترانسمیتر به همان میزان تغییر ‌می‌کند. وقتی synaptotagmin-1 در موش‌ها، مگس‌ها یا کرم‌ها حذف می‌شود، پتانسیل عمل دیگر قادر به انتشار سریع همزمان نیست. با این حال، +Ca2 هنوز قادر به تحریک یک فرم کندتر از انتشار ترانسمیتر است که به عنوان انتشار ناهمزمان (شکل ۱۵-13A) با واسطه سیناپتوتاگمین-۷ نامیده ‌می‌شود. بنابراین، تقریباً تمام انتشار انتقال دهنده‌های عصبی توسط کلسیم به سیناپتوتاگمین‌ها بستگی دارد.

How does Ca2+ binding to synaptotagmin trigger vesicle fusion? The two C2 domains bind a total of five Ca2+ ions, the same minimal number of Ca2+ ions required to trigger release of a quantum of transmitter (Figure 15-13B). However, as multiple synaptotagmins may be engaged to trigger release, more than five bound Ca2+ ions may be distributed among the multiple synaptotagmin molecules on a single vesicle.

چگونه Ca2+ اتصال به سیناپتوتاگمین باعث همجوشی وزیکول ‌می‌شود؟ دو حوزه C2 در مجموع پنج یون +Ca2 را به هم متصل می‌کنند، همان تعداد حداقلی از یون‌های +Ca2 مورد نیاز برای آزادسازی کوانتو‌می‌ترانسمیتر (شکل ۱۵-13B). با این حال، از آنجایی که سیناپتوتاگمین‌های متعدد ممکن است برای تحریک آزادسازی درگیر شوند، ممکن است بیش از پنج یون +Ca2 متصل در بین مولکول‌های سیناپتوتاگمین متعدد روی یک وزیکول منفرد توزیع شود.

The binding of the Ca2+ ions to synaptotagmin is thought to act as a switch, promoting the interaction of the C2 domains with phospholipids. The C2 domains of synaptotagmin also interact with SNARE proteins and complexin. Crystal structures of synap- totagmin reveal a conserved primary interface with the associated SNARE complex. In addition, a second molecule of synaptotagmin forms a tripartite interaction with the same SNARE complex and complexin. Brunger and colleagues found that both the primary SNARE complex/synaptotagmin interface and the tri- partite SNARE complex/synaptotagmin/complexin interface are essential for fast Ca2+ triggered fusion. These findings have led to the hypothesis that: (1) at rest, synaptotagmin of primed vesicles exists in a complex with partially pre-zippered SNARE proteins and complexin; (2) upon action potential-triggered Ca2+ influx, Ca2+ binds to synaptotagmin. This triggers an interaction between synaptotagmin and the plasma membrane that causes the complex to rotate en bloc, which induces complexin to partly dissociate from the SNARE complex; (3) this rotation causes a dimpling of the plasma membrane, rearrangement of its cytoplasm-facing lipids, and ultimately the fusion of plasma and vesicle membranes (Figure 15-13C). In this way, the energy of the favorable interaction of synaptotagmin, Ca2+, and the membrane can be harnessed to both relieve the complexin-mediated lock on fusion and promote the energetically unfavorable merging of a vesicle membrane with the plasma membrane.

تصور می‌شود که اتصال یون‌های +Ca2 به سیناپتوتاگمین به عنوان یک کلید عمل می‌کند و تعامل حوزه‌های C2 با فسفولیپیدها را ارتقا می‌دهد. دامنه‌های C2 سیناپتوتاگمین نیز با پروتئین‌های SNARE و کمپلکسین تعامل دارند. ساختارهای کریستالی synaptotagmin یک رابط اولیه حفاظت شده با مجموعه SNARE مرتبط را نشان ‌می‌دهد. علاوه بر این، مولکول دوم سیناپتوتاگمین یک برهمکنش سه‌جانبه با همان کمپلکس SNARE و کمپلکسین ایجاد می‌کند. Brunger و همکاران دریافتند که هم رابط SNARE کمپلکس/سیناپتوتاگمین اولیه و هم رابط SNARE کمپلکس/سیناپتوتاگمین/کمپلکسین سه بخشی برای همجوشی سریع +Ca2 ضروری هستند. این یافته‌ها به این فرضیه منجر شده‌اند که: (۱) در حالت استراحت، سیناپتوتاگمین وزیکول‌های اولیه در مجموعه‌ای با پروتئین‌های SNARE و کمپلکسین تا حدی از پیش زیپ‌دار وجود دارد. (۲) پس از هجوم‌های +Ca2 با پتانسیل عمل، +Ca2 به سیناپتوتاگمین متصل ‌می‌شود. این باعث ایجاد یک تعامل بین سیناپتوتاگمین و غشای پلاسمایی ‌می‌شود که باعث ‌می‌شود کمپلکس بصورت بلوک بچرخد، که باعث ‌می‌شود کمپلکسین تا حدی از کمپلکس SNARE جدا شود. (۳) این چرخش باعث فرورفتگی غشای پلاسمایی، بازآرایی لیپیدهای رو به سیتوپلاسم آن و در نهایت ادغام غشاهای پلاسما و وزیکول ‌می‌شود (شکل ۱۵-13C). به این ترتیب، انرژی برهمکنش مطلوب سیناپتوتاگمین، +Ca2 و غشاء را ‌می‌توان مهار کرد تا هم قفل ناشی از کمپلکسین در همجوشی را از بین ببرد و هم ادغام نامطلوب انرژی یک غشای وزیکول با غشای پلاسمایی را تقویت کند.

The Fusion Machinery Is Embedded in a Conserved Protein Scaffold at the Active Zone

ماشین فیوژن در یک داربست پروتئینی حفاظت شده در منطقه فعال تعبیه شده است.

As we have seen, a defining feature of fast synaptic transmission is that neurotransmitters are released by exocytosis at the active zone. Other types of exocytosis, such as that which occurs in the adrenal medulla, do not require a specialized domain of the plasma membrane. The active zone is thought to coordinate and regulate the docking and priming of synaptic vesicles to enable the speed and tight regulation of release. This is accomplished through a conserved set of proteins that form one large macromolecular structure at active zones.

همانطور که دیدیم، یک ویژگی تعیین کننده انتقال سریع سیناپسی این است که انتقال دهنده‌های عصبی توسط اگزوسیتوز در ناحیه فعال آزاد ‌می‌شوند. سایر انواع اگزوسیتوز، مانند آنچه در مدولای آدرنال رخ ‌می‌دهد، نیازی به یک دامنه تخصصی از غشای پلاسمایی ندارد. تصور می‌شود که منطقه فعال اتصال و پرایمینگ وزیکول‌های سیناپسی را هماهنگ و تنظیم می‌کند تا سرعت و تنظیم دقیق رهاسازی را فعال کند. این کار از طریق مجموعه ای از پروتئین‌های حفاظت شده انجام ‌می‌شود که یک ساختار ماکرومولکولی بزرگ را در مناطق فعال تشکیل ‌می‌دهند.

An exquisitely detailed view of the active zone at the frog neuromuscular junction was obtained by Jack MacMahan using a powerful ultrastructural technique called electron microscopic tomography. This technique has shown how synaptic vesicles are tethered to the membrane by a series of distinctive structural entities, termed ribs and beams, that attach to defined sites on the vesicles and to particles (pegs) in the presynaptic membrane that may correspond to voltage-gated Ca2+ channels (Figure 15-14).

یک نمای بسیار دقیق از ناحیه فعال در محل اتصال عصبی عضلانی قورباغه توسط جک مک ماهان با استفاده از یک تکنیک فراساختاری قدرتمند به نام توموگرافی میکروسکوپی الکترونی به دست آمد. این تکنیک نشان می‌دهد که چگونه وزیکول‌های سیناپسی توسط مجموعه‌ای از موجودات ساختاری متمایز، به نام دنده‌ها و پرتوها، که به مکان‌های مشخص روی وزیکول‌ها و به ذرات (پیگ‌ها) در غشای پیش سیناپسی متصل می‌شوند، به غشاء متصل می‌شوند که ممکن است با دریچه ولتاژ مطابقت داشته باشند. کانال‌های +Ca2 (شکل ۱۵-۱۴).

A key goal in understanding how the various synaptic vesicle and active zone proteins are coordinated during exocytosis is to match up the various proteins that have been identified with elements of this electron microscopic structure. Several cytoplasmic proteins have been identified that are thought to be components of a structural matrix at the active zone. These include three large cytoplasmic multidomain proteins, Munc13 (not related to the Munc18 protein discussed earlier), RIM, and RIM-binding proteins (RIM-BPs), which form a tight complex with each other and may comprise part of the ribs and beams. The binding of synaptic vesicles to RIM and Munc13 is essential for priming the vesicles for exocytosis. Phosphorylation of RIM by cAMP-dependent protein kinase is implicated in the enhancement of transmitter release associated with certain forms of long-term synaptic plasticity that may contribute to learning and memory. As we will see later, regulation of Munc13 by second messengers is involved in shorter-term forms of synaptic plasticity.

یک هدف کلیدی در درک اینکه چگونه وزیکول‌های سیناپسی مختلف و پروتئین‌های ناحیه فعال در طول اگزوسیتوز هماهنگ می‌شوند، مطابقت دادن پروتئین‌های مختلفی است که با عناصر این ساختار میکروسکوپی الکترونی شناسایی شده‌اند. چندین پروتئین سیتوپلاس‌می‌شناسایی شده اند که تصور ‌می‌شود اجزای یک ماتریکس ساختاری در ناحیه فعال هستند. اینها شامل سه پروتئین سیتوپلاس‌می‌چند دامنه ای بزرگ، Munc13 (غیر مرتبط با پروتئین Munc18 که قبلاً بحث شد)، RIM، و پروتئین‌های متصل شونده به RIM (RIM-BPs)، که یک کمپلکس محکم با یکدیگر تشکیل ‌می‌دهند و ممکن است بخشی از دنده‌ها و پرتوها را تشکیل دهند. . اتصال وزیکول‌های سیناپسی به RIM و Munc13 برای آماده سازی وزیکول‌ها برای اگزوسیتوز ضروری است. فسفوریلاسیون RIM توسط پروتئین کیناز وابسته به cAMP در افزایش انتشار ترانسمیتر مرتبط با اشکال خاصی از انعطاف پذیری سیناپسی طولانی مدت که ممکن است به یادگیری و حافظه کمک کند، دخیل است. همانطور که بعدا خواهیم دید، تنظیم Munc13 توسط پیام رسان‌های دوم در اشکال کوتاه مدت شکل پذیری سیناپسی دخیل است.

RIM binds the synaptic vesicle proteins Rab3 and Rab27, members of the family of low-molecular-weight guanosine triphosphatases (GTPases). Rab3 and Rab27 proteins transiently associate with synaptic vesicles as a GTP-bound Rab3 complex (Figure 15-11B). The binding of RIM to Rab3 or Rab27 is thought to tether synaptic vesicles to the active zone during the vesicle cycle prior to SNARE-complex assembly. Moreover, RIM and RIM-BP together mediate the recruitment of Ca2+ channels to the active zone, allowing tight coupling of Ca2+ influx to vesicle release. This general machinery is conserved through evolution and is present in invertebrates, although with modifications.

RIM به پروتئین‌های وزیکول سیناپسی Rab3 و Rab27، اعضای خانواده گوانوزین تری فسفاتازهای با وزن مولکولی کم (GTPases) متصل ‌می‌شود. پروتئین‌های Rab3 و Rab27 به طور موقت با وزیکول‌های سیناپسی به عنوان یک کمپلکس Rab3 متصل به GTP مرتبط ‌می‌شوند (شکل ۱۵-11B). تصور می‌شود که اتصال RIM به Rab3 یا Rab27 باعث اتصال وزیکول‌های سیناپسی به ناحیه فعال در طول چرخه وزیکول قبل از مونتاژ SNARE-complex می‌شود. علاوه بر این، RIM و RIM-BP با هم واسطه جذب کانال‌های +Ca2 به منطقه فعال هستند و اجازه می‌دهند تا هجوم +Ca2 به رهاسازی وزیکول متصل شود. این ماشین عمو‌می‌از طریق تکامل حفظ ‌می‌شود و در بی مهرگان وجود دارد، اگرچه با تغییراتی.

At the Drosophila neuromuscular junction, Sigrist and colleagues identified another protein, Bruchpilot, as a major component of the electron-dense active zone “T-bar” structure; Bruchpilot is associated with the fly homolog of RIM-binding protein, which also serves to recruit Ca2+ channels to active zones in Drosophila. As coordinators of both presynaptic Ca2+ channels and synaptic vesicles, these proteins act as essential regulators of presynaptic release in the fly. In Caenorhabditis elegans, RIM plays a central role for the same processes.

در محل اتصال عصبی عضلانی مگس سرکه، سیگریست و همکارانش پروتئین دیگری به نام Bruchpilot را به عنوان یکی از اجزای اصلی ساختار “T-bar” ناحیه فعال متراکم الکترونی شناسایی کردند. Bruchpilot با مگس همولوگ پروتئین متصل شونده به RIM مرتبط است، که همچنین برای جذب کانال‌های +Ca2 به مناطق فعال در مگس سرکه عمل می‌کند. این پروتئین‌ها به عنوان هماهنگ کننده کانال‌های +Ca2 پیش سیناپسی و وزیکول‌های سیناپسی، به عنوان تنظیم کننده‌های ضروری رهاسازی پیش سیناپسی در مگس عمل ‌می‌کنند. در Caenorhabditis elegans، RIM نقش اصلی را برای همان فرآیندها ایفا ‌می‌کند.

Figure 15-13 (Opposite) Synaptotagmin mediates Ca2+ dependent transmitter release by forming a protein complex that favors vesicle fusion.

شکل ۱۵-۱۳ (مقابل) سیناپتوتاگمین با تشکیل یک کمپلکس پروتئینی که به همجوشی وزیکول کمک ‌می‌کند، انتشار ترانسمیتر وابسته به +Ca2 را واسطه ‌می‌کند.

A. Fast Ca2+-triggered transmitter release is absent in mutant mice lacking synaptotagmin-1. Recordings show excitatory postsynaptic currents evoked in vitro by stimulation of cultured hippocampal neurons from wild-type mice and from mutant mice in which synaptotagmin-1 has been deleted by homologous recombination (1). Neurons from wild-type mice show large, fast excitatory postsynaptic currents evoked by presynaptic action potentials, reflecting the fact that synaptic transmission is dominated by the rapid synchronous release of transmitter from a large number of synaptic vesicles. In the bottom trace (2), where the synaptic current is shown at a highly expanded scale, one can see that a small, prolonged phase of asynchronous release of transmitter follows the fast phase of synchronous release. During this slow phase, there is a prolonged increase in frequency of individual quantal responses. In neurons from a mutant mouse, a presynaptic action potential triggers only the slow asynchronous phase of release; the rapid synchronous phase has been abolished. (Reproduced, with permission, from Geppert et al., 1994).

الف. انتشار ترانسمیتر سریع +Ca2 در موش‌های جهش یافته فاقد سیناپتوتاگمین-۱ وجود ندارد. ضبط‌شده جریان‌های پس سیناپسی تحریکی را نشان می‌دهد که در شرایط آزمایشگاهی با تحریک نورون‌های هیپوکامپ پرورش‌یافته از موش‌های نوع وحشی و از موش‌های جهش‌یافته که در آنها سیناپتوتاگمین-۱ با نوترکیبی همولوگ حذف شده است، برانگیخته شده‌اند (۱). نورون‌های موش‌های نوع وحشی، جریان‌های پس سیناپسی تحریک‌کننده بزرگ و سریعی را نشان می‌دهند که توسط پتانسیل‌های عمل پیش‌سیناپسی برانگیخته می‌شوند، که منعکس‌کننده این واقعیت است که انتقال سیناپسی تحت سلطه انتشار همزمان سریع ترانسمیتر از تعداد زیادی وزیکول سیناپسی است. در ردپای پایینی (۲)، جایی که جریان سیناپسی در مقیاس بسیار گسترده نشان داده شده است، ‌می‌توان مشاهده کرد که فاز کوچک و طولانی رهاسازی ناهمزمان ترانسمیتر، فاز سریع رهاسازی سنکرون را دنبال ‌می‌کند. در طول این مرحله آهسته، افزایش طولانی مدت در فرکانس پاسخ‌های کمی فردی وجود دارد. در نورون‌های موش جهش یافته، یک پتانسیل عمل پیش سیناپسی تنها فاز ناهمزمان آهسته رهاسازی را تحریک ‌می‌کند. فاز همزمان سریع لغو شده است. (بازتولید، با اجازه، از Geppert و همکاران، ۱۹۹۴).

B. The X-ray crystal structure synaptotagmin. B1. A ribbon diagram shows that the C2A domain binds three Ca2+ ions and the C2B domain two Ca2+ ions. The blue arrows show ẞ-strands. There are two short a-helixes (orange) at the C-terminus of the C2B domain. The structures of the other regions of synaptotagmin have not yet been determined and are drawn here for illustrative purposes. The membrane and structures are drawn to scale. (Adapted, with permission, from Fernandez et al., 2001). B2. The X-ray crystal structure of synaptotagmin (light blue) bound to the SNARE complex (synaptobrevin, syntaxin and SNAP-25) and complexin. The transmembrane domain of synaptotagmin is not shown. (Adapted, with permission, from Zhou et al, 2017.)

ب. ساختار کریستالی اشعه ایکس سیناپتوتاگمین. B1. نمودار روبانی نشان ‌می‌دهد که دامنه C2A سه یون +Ca2 و حوزه C2B دو یون +Ca2 متصل ‌می‌کند. فلش‌های آبی رشته‌های ẞ را نشان ‌می‌دهند. دو مارپیچ a کوتاه (نارنجی) در انتهای C دامنه C2B وجود دارد. ساختار سایر مناطق سیناپتوتاگمین هنوز مشخص نشده است و برای اهداف توضیحی در اینجا ترسیم شده است. غشاء و ساختارها به صورت مقیاس کشیده شده اند. (اقتباس، با اجازه، از فرناندز و همکاران، ۲۰۰۱). B2. ساختار کریستالی اشعه ایکس سیناپتوتاگمین (آبی روشن) به کمپلکس SNARE (سیناپتوبروین، سینتاکسین و SNAP-25) و کمپلکسین متصل است. دامنه گذر غشایی سیناپتوتاگمین نشان داده نشده است. (اقتباس شده، با اجازه، از ژو و همکاران، ۲۰۱۷.)

C. Zippering of the synaptotagmin-complexin-SNARE complex mediates vesicle fusion. Top, in the absence of Ca2+, the α-helixes of the SNARE complex and complexin, with the bound synaptotagmin, are only partially zippered. Middle, binding of Ca2 to the C2A and C2B domains of synaptotagmin allows them to interact with the plasma membrane, applying force to bring the vesicle and plasma membranes closer together. Bottom, synaptotagminmediated proximity and the final zippering of the complexin- SNARE-synaptotagmin complex triggers membrane fusion. (Adapted, with permission, from Zhou et al., 2017.)

ج. زیپ کردن کمپلکس سیناپتوتاگمین-کمپلکسین-SNARE واسطه همجوشی وزیکول است. بالا، در غیاب‌های Ca2+، α-مارپیچ‌های کمپلکس SNARE و کمپلکسین، با سیناپتوتاگمین محدود، فقط تا حدی زیپ دارند. وسط، اتصال Ca2 به حوزه‌های C2A و C2B سیناپتوتاگمین به آنها اجازه ‌می‌دهد تا با غشای پلاسمایی تعامل داشته باشند و برای نزدیک کردن وزیکول و غشای پلاسما به یکدیگر نیرو اعمال کنند. پایین، نزدیکی با واسطه سیناپتوتاگمین و زیپ نهایی کمپلکس کمپلکس-SNARE-سیناپتوتاگمین باعث همجوشی غشاء ‌می‌شود. (اقتباس شده، با اجازه، از ژو و همکاران، ۲۰۱۷.)

Figure 15-14 Synaptic vesicles at the active zone. The images are obtained from electron microscopic tomography. (Reproduced, with permission, from Harlow et al. 2001. Copyright © ۲۰۰۱ Springer Nature.)

شکل ۱۵-۱۴ وزیکول‌های سیناپسی در ناحیه فعال. تصاویر از توموگرافی میکروسکوپی الکترونی به دست آمده است. (تکثیر شده، با اجازه، از‌هارلو و همکاران ۲۰۰۱. حق چاپ © ۲۰۰۱ Springer Nature.)

A. Vesicles are tethered to filamentous proteins of the active zone. Three distinct filamentous structures are resolved: pegs, ribs, and beams. Ribs protruding from the vesicles are attached to long horizontal beams, which are anchored to the membrane by vertical pegs.

الف. وزیکول‌ها به پروتئین‌های رشته ای ناحیه فعال متصل ‌می‌شوند. سه ساختار رشته ای متمایز حل ‌می‌شود: میخ‌ها، دنده‌ها و تیرها. دنده‌های بیرون زده از وزیکول‌ها به تیرهای افقی بلندی متصل ‌می‌شوند که توسط میخ‌های عمودی به غشاء متصل ‌می‌شوند.

B. Ribs and beams superimposed on a freeze fracture view of intramembranous particles at the active zone show how the ribs are aligned with the particles, some of which are presumed to be voltage-gated Ca2+ channels. Scale bar = 100 nm.

ب. دنده‌ها و پرتوهایی که روی نمای شکستگی انجمادی ذرات درون غشایی در ناحیه فعال قرار گرفته اند، نشان ‌می‌دهند که چگونه دنده‌ها با ذرات همسو شده اند، که برخی از آنها فرض ‌می‌شود کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ هستند. نوار مقیاس = 100 نانومتر.

C. A model for the structure of the active zone shows the relation between synaptic vesicles, pegs, ribs, and beams.

ج- مدلی برای ساختار ناحیه فعال، رابطه بین وزیکول‌های سیناپسی، میخ‌ها، دنده‌ها و تیرها را نشان ‌می‌دهد.

Modulation of Transmitter Release Underlies Synaptic Plasticity

مدولاسیون انتشار ترانسمیتر زیربنای پلاستیک سیناپسی است

The effectiveness of chemical synapses can be modulated dramatically and rapidly-by several-fold in a matter of seconds and this change can be maintained for seconds, to hours, or even days or longer, a property called synaptic plasticity.

اثربخشی سیناپس‌های شیمیایی را می‌توان به طور چشمگیری و به سرعت چندین برابر در عرض چند ثانیه تعدیل کرد و این تغییر را می‌توان برای چند ثانیه، تا ساعت‌ها یا حتی روزها یا بیشتر حفظ کرد، خاصیتی به نام پلاستیسیته سیناپسی.

Synaptic strength can be modified presynaptically, by altering the release of neurotransmitter, postsynaptically, by modulating the response to transmitter (as discussed in Chapter 13), or both. Long-term changes in presynaptic and postsynaptic mechanisms are crucial for the refinement of synaptic connections during development (Chapter 49) and for storing information during learning and memory (Chapters 53 and 54). Here, we focus on how synaptic strength can be changed through modulation of the amount of transmitter released. In principle, changes in transmitter release can be mediated by two different mechanisms: changes in Ca2+ influx or changes in the amount of transmitter released in response to a given Ca2+ concentration. As we will see later, both types of mechanisms contribute to different forms of plasticity.

قدرت سیناپسی را ‌می‌توان به صورت پیش سیناپسی، با تغییر آزادسازی انتقال دهنده عصبی، پس از سیناپسی، با تعدیل پاسخ به ترانسمیتر (همانطور که در فصل ۱۳ مورد بحث قرار گرفت) یا هر دو تغییر داد. تغییرات طولانی مدت در مکانیسم‌های پیش سیناپسی و پس سیناپسی برای اصلاح اتصالات سیناپسی در طول توسعه (فصل ۴۹) و برای ذخیره اطلاعات در طول یادگیری و حافظه (فصل ۵۳ و ۵۴) بسیار مهم است. در اینجا، ما بر چگونگی تغییر قدرت سیناپسی از طریق مدولاسیون مقدار ترانسمیتر آزاد شده تمرکز ‌می‌کنیم. در اصل، تغییرات در انتشار ترانسمیتر را ‌می‌توان با دو مکانیسم مختلف واسطه کرد: تغییر در هجوم +Ca2 یا تغییر در مقدار ترانسمیتر آزاد شده در پاسخ به غلظت معین +Ca2. همانطور که بعدا خواهیم دید، هر دو نوع مکانیسم به اشکال مختلف پلاستیسیته کمک ‌می‌کنند.

Synaptic strength is often altered by the pattern of activity of the presynaptic neuron. Trains of action potentials produce successively larger postsynaptic currents at some synapses and successively smaller currents in others (Figure 15-15A). A decrease in the size of the postsynaptic response to repeated stimulation is referred to as synaptic depression (Figure 15-15A, upper); the opposite, enhancement of transmission with repeated stimulation, is called synaptic facilitation or potentiation (Figure 15-15A, lower, 15-15E). Various synapses exhibit these disparate forms of short-term synaptic plasticity-sometimes overlapping and sometimes with one predominating-resulting in characteristic patterns of short-term dynamics in individual synapse types (Figure 15-15A).

قدرت سیناپسی اغلب توسط الگوی فعالیت نورون پیش سیناپسی تغییر ‌می‌کند. قطارهای پتانسیل عمل در برخی از سیناپس‌ها جریان‌های پس سیناپسی پی در پی بزرگتر و در برخی دیگر جریان‌های متوالی کوچکتری تولید ‌می‌کنند (شکل ۱۵-15A). کاهش در اندازه پاسخ پس سیناپسی به تحریک مکرر به عنوان افسردگی سیناپسی شناخته ‌می‌شود (شکل ۱۵-15A، بالا). برعکس، افزایش انتقال با تحریک مکرر، تسهیل یا تقویت سیناپسی نامیده ‌می‌شود (شکل ۱۵-15A، پایین، ۱۵-15E). سیناپس‌های مختلف این شکل‌های متفاوت از انعطاف‌پذیری سیناپسی کوتاه‌مدت را نشان می‌دهند – گاهی با هم تداخل دارند و گاهی اوقات با یکی غالب می‌شوند – که منجر به الگوهای مشخصه پویایی کوتاه‌مدت در انواع سیناپس‌ها می‌شود (شکل ۱۵-15A).

Whether a synapse facilitates or depresses often is determined by the probability of release in response to the first action potential of a train. Synapses with an initial high probability of release normally undergo depression because the high rate of release transiently depletes docked vesicles at the active zone. Synapses with an initial low probability of release undergo synaptic facilitation, in part because the buildup in intracellular Ca2+ during the train increases the probability of release (see later). The importance of release probability in controlling the sign of plasticity can be seen by the effect of genetic mutations. Synapses formed by hippocampal neurons in cell culture have an initially high release probability and so normally depress in response to 20-Hz stimulation. However, a mutation that reduces by approximately two-fold the Ca2+ binding affinity of synaptotagmin-1, thus reducing the initial probability of release, converts the depressing synapse into a facilitating one (Figure 15-15B).

اینکه یک سیناپس غالباً تسهیل ‌می‌شود یا فرو ‌می‌ریزد، با احتمال رها شدن در پاسخ به اولین پتانسیل عمل یک قطار تعیین ‌می‌شود. سیناپس‌هایی که احتمال رهاسازی اولیه بالایی دارند، معمولاً دچار افسردگی می‌شوند، زیرا سرعت بالای رهش به طور موقت وزیکول‌های متصل به ناحیه فعال را تخلیه می‌کند. سیناپس‌هایی که احتمال رهاسازی اولیه آنها کم است، تحت تسهیل سیناپسی قرار می‌گیرند، تا حدی به این دلیل که تجمع +Ca2 داخل سلولی در طول قطار، احتمال رها شدن را افزایش می‌دهد (بعدا را ببینید). اهمیت احتمال رهاسازی در کنترل علامت پلاستیسیته را ‌می‌توان با تأثیر جهش‌های ژنتیکی مشاهده کرد. سیناپس‌هایی که توسط نورون‌های هیپوکامپ در کشت سلولی تشکیل می‌شوند، در ابتدا احتمال آزادسازی بالایی دارند و بنابراین معمولاً در پاسخ به تحریک ۲۰ هرتز کاهش می‌یابند. با این حال، جهشی که تقریباً دو برابر میل اتصال Ca2+ سیناپتوتاگمین-۱ را کاهش ‌می‌دهد، بنابراین احتمال انتشار اولیه را کاهش ‌می‌دهد، سیناپس افسرده کننده را به یک سیناپس تسهیل کننده تبدیل ‌می‌کند (شکل ۱۵-15B).

Mechanisms that affect the concentration of free Ca2+ in the presynaptic terminal also affect the amount of transmitter released. For example, the buildup of inactivation of certain voltage-gated K+ channels during high-frequency firing leads to a gradual increase in the duration of the action potential. Prolongation of the action potential increases the time that voltage-gated Ca2* channels stay open, which leads to enhanced entry of Ca2+ and a subsequent increase in transmitter release, resulting in a larger postsynaptic potential (Figure 15-15C).

مکانیسم‌هایی که بر غلظت +Ca2 آزاد در پایانه پیش‌سیناپسی تأثیر می‌گذارند، بر میزان ترانسمیتر آزاد شده نیز تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، غیرفعال شدن برخی کانال‌های +K دارای ولتاژ در طول شلیک با فرکانس بالا منجر به افزایش تدریجی مدت زمان پتانسیل عمل می‌شود. طولانی شدن پتانسیل عمل، زمان باز ماندن کانال‌های +Ca2دار با ولتاژ را افزایش می‌دهد، که منجر به افزایش ورود +Ca2 و افزایش متعاقب آن در آزادسازی ترانسمیتر می‌شود و در نتیجه پتانسیل پس سیناپسی بزرگ‌تری ایجاد می‌کند (شکل ۱۵-15C).

Most studies of the functional implications of short- term synaptic dynamics have been performed in vitro or are based on computational results. However, recent in vivo experiments are beginning to shed light on the behavioral importance of short-term plasticity. For example, in vivo recordings in rodents from thalamocortical synapses have suggested that synaptic depression may contribute to sensory adaptation during repeated whisker stimulation. The time course of this sensory adaptation parallels the attenuation of cortical spiking to whisker stimulation and the synaptic depression of EPSPs at thalamocortical synapses (Figure 15-15D).

اکثر مطالعات پیامدهای عملکردی دینامیک سیناپسی کوتاه مدت در شرایط آزمایشگاهی یا بر اساس نتایج محاسباتی انجام شده است. با این حال، آزمایش‌های in vivo اخیر شروع به روشن کردن اهمیت رفتاری انعطاف‌پذیری کوتاه‌مدت کرده‌اند. برای مثال، ضبط‌های in vivo در جوندگان از سیناپس‌های تالاموکورتیکال نشان داده‌اند که افسردگی سیناپسی ممکن است به سازگاری حسی در طی تحریک مکرر سبیل کمک کند. دوره زمانی این انطباق حسی با تضعیف spiking قشر مغز به تحریک سبیل و فرورفتگی سیناپسی EPSPs در سیناپس‌های تالاموکورتیکال موازی است (شکل ۱۵-15D).

High-frequency stimulation of the presynaptic neuron, which in some cells can generate up to 500 to 1,000 action potentials per second, is called tetanic stimulation. Such intense stimulation can cause dramatic changes in synaptic strength. The increase in size of the EPSP during tetanic stimulation is called potentiation; the increase that persists after tetanic stimulation is called posttetanic potentiation (Figure 15-15E). In contrast to synaptic facilitation, which lasts milliseconds to seconds, posttetanic potentiation usually lasts several minutes, but it can persist for an hour or more at some synapses.

تحریک نورون پیش سیناپسی با فرکانس بالا که در برخی سلول‌ها ‌می‌تواند بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ پتانسیل عمل در ثانیه ایجاد کند، تحریک کزاز نامیده ‌می‌شود. چنین تحریک شدیدی ‌می‌تواند تغییرات چشمگیری در قدرت سیناپسی ایجاد کند. افزایش اندازه EPSP در طول تحریک کزاز، تقویت نامیده ‌می‌شود. افزایشی که پس از تحریک کزاز ادامه ‌می‌یابد، تقویت پس از کزاز نامیده ‌می‌شود (شکل ۱۵-15E). بر خلاف تسهیل سیناپسی که از میلی ثانیه تا ثانیه طول ‌می‌کشد، تقویت پس از کزاز معمولاً چندین دقیقه طول ‌می‌کشد، اما ‌می‌تواند برای یک ساعت یا بیشتر در برخی از سیناپس‌ها باقی بماند.

Synapses utilize a complex containing Munc13 and RIM, two of the active zone proteins discussed earlier, to counteract vesicle depletion during high-frequency stimulation. The rise in presynaptic Ca2+ during tetanic stimulation activates phospholipase C, which produces inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) and diacylglycerol. Diacylglycerol directly interacts with a protein domain on Munc13 called the C1 domain (homologous to the diacylglycerol-binding domain in protein kinase C but distinct from the C2 domain of synaptotagmin), thereby accelerating the rate of synaptic vesicle recycling. At the same time, IP, causes additional release of Ca from intracellular stores, and the increase in Ca2+ further activates Munc13 by binding to its C2 domain, which resembles the C2 domain of synaptotagmin but acts as an agent of short-term synaptic plasticity.

سیناپس‌ها از یک کمپلکس حاوی Munc13 و RIM، دو تا از پروتئین‌های ناحیه فعال که قبلاً بحث شد، برای مقابله با تخلیه وزیکول در طول تحریک با فرکانس بالا استفاده ‌می‌کنند. افزایش +Ca2 پیش سیناپسی در طی تحریک کزاز، فسفولیپاز C را فعال ‌می‌کند که اینوزیتول ۱،۴،۵-تری فسفات (IP3) و دی آسیل گلیسرول تولید ‌می‌کند. دی اسیل گلیسرول به طور مستقیم با یک دامنه پروتئینی در Munc13 به نام دامنه C1 (همسان با دامنه اتصال به دی آسیل گلیسرول در پروتئین کیناز C اما متمایز از دامنه C2 سیناپتوتاگمین) در تعامل است، در نتیجه سرعت بازیافت وزیکول سیناپسی را تسریع ‌می‌کند. در همان زمان، IP باعث آزاد شدن اضافی کلسیم از ذخایر درون سلولی ‌می‌شود و افزایش +Ca2 با اتصال به دامنه C2 خود، که شبیه به دامنه C2 سیناپتوتاگمین است، اما به عنوان یک عامل انعطاف پذیری سیناپسی کوتاه مدت عمل ‌می‌کند، Munc13 را بیشتر فعال ‌می‌کند.

Activity-Dependent Changes in Intracellular Free Calcium Can Produce Long-Lasting Changes in Release

تغییرات وابسته به فعالیت در کلسیم آزاد داخل سلولی ‌می‌تواند تغییرات طولانی مدت در آزادسازی ایجاد کند.

Several Ca2+ dependent mechanisms contribute to longer-lasting changes in transmitter release that persist after a high-frequency tetanus is terminated. Normally the rise in Ca2+ in the presynaptic terminal in response to an action potential is rapidly buffered by cytoplasmic Ca2+-binding proteins and mitochondria. Calcium ions are also actively transported out of the neuron by pumps and transporters. However, during tetanic stimulation, so much Ca2+ flows into the axon terminals that the Ca2+ buffering and clearance systems can become saturated.

چندین مکانیسم وابسته به +Ca2 به تغییرات طولانی‌تر در انتشار ترانسمیتر کمک می‌کنند که پس از پایان کزاز با فرکانس بالا ادامه می‌یابد. به طور معمول افزایش +Ca2 در پایانه پیش سیناپسی در پاسخ به پتانسیل عمل به سرعت توسط پروتئین‌های +Ca2 و میتوکندری سیتوپلاس‌می‌بافر می‌شود. یون‌های کلسیم نیز به طور فعال توسط پمپ‌ها و انتقال دهنده‌ها به خارج از نورون منتقل ‌می‌شوند. با این حال، در طول تحریک کزاز، مقدار زیادی +Ca2 به پایانه‌های آکسون جریان می‌یابد که سیستم‌های بافر و پاکسازی +Ca2 می‌توانند اشباع شوند.

This leads to a temporary excess of Ca2+ called residual Ca2+. The residual free Ca2+ enhances synaptic transmission for many minutes or longer by activating certain enzymes that are sensitive to enhanced levels of resting Ca”, including the Ca/calmodulin-dependent protein kinases. Activation of such Ca2+ dependent enzymatic pathways is thought to increase the priming of synaptic vesicles in the terminals. Here, then, is the simplest kind of cellular memory! The presynaptic cell can store information about the history of its activity in the form of residual free Ca2+ in its terminals (or residual Ca2+ bound to sensor proteins).

این منجر به افزایش موقتی +Ca2 به نام +Ca2 باقیمانده ‌می‌شود. +Ca2 آزاد باقیمانده انتقال سیناپسی را برای چند دقیقه یا بیشتر با فعال کردن آنزیم‌های خاصی که به سطوح افزایش یافته کلسیم در حال استراحت حساس هستند، از جمله پروتئین کینازهای وابسته به Ca/calmodulin افزایش ‌می‌دهد. تصور ‌می‌شود که فعال شدن چنین مسیرهای آنزی‌می‌وابسته به +Ca2 باعث افزایش پرایمینگ ‌می‌شود. از وزیکول‌های سیناپسی در پایانه‌ها، در اینجا، ساده ترین نوع حافظه سلولی است اطلاعات مربوط به تاریخچه فعالیت خود را به شکل +Ca2 آزاد باقیمانده در پایانه‌های خود ذخیره ‌می‌کند (یا +Ca2 باقیمانده متصل به پروتئین‌های حسگر).

This Ca2+ acts by multiple pathways that have different half-times of decay. In Chapter 13, we saw how posttetanic potentiation at certain synapses is followed by an even longer-lasting process (also initiated by Ca2+ influx), called long-term potentiation, which can last for many hours or even days. The importance of long-term potentiation for learning and memory will be considered in Chapters 53 and 54.

این +Ca2 توسط مسیرهای متعددی عمل ‌می‌کند که نیمه زمان‌های پوسیدگی متفاوتی دارند. در فصل ۱۳، دیدیم که چگونه تقویت پس از کزاز در سیناپس‌های خاص با یک فرآیند طولانی‌تر (همچنین با هجوم +Ca2 آغاز شد)، به نام تقویت طولانی‌مدت، که می‌تواند برای چندین ساعت یا حتی روزها ادامه داشته باشد، دنبال می‌شود. اهمیت تقویت طولانی مدت برای یادگیری و حافظه در فصل‌های ۵۳ و ۵۴ مورد توجه قرار خواهد گرفت.

Axo-axonic Synapses on Presynaptic Terminals Regulate Transmitter Release

سیناپس‌های آکسو آکسونیک در پایانه‌های پیش سیناپسی، آزادسازی ترانسمیتر را تنظیم ‌می‌کنند

Synapses are formed on axon terminals as well as the cell body and dendrites of neurons (see Chapter 13). Although axosomatic synaptic actions affect all branches of the postsynaptic neuron’s axon (because they affect the probability that the neuron will fire an action potential), axo-axonic actions selectively control individual terminals of the axon. One important action of axo-axonic synapses is to increase or decrease Ca2+ influx into the presynaptic terminals of the postsynaptic cell, thereby enhancing or depressing transmitter release, respectively.

سیناپس‌ها روی پایانه‌های آکسون و همچنین بدن سلولی و دندریت‌های نورون‌ها تشکیل ‌می‌شوند (به فصل ۱۳ مراجعه کنید). اگرچه اعمال سیناپسی آکسوسوماتیک بر تمام شاخه‌های آکسون نورون پس سیناپسی تأثیر می‌گذارد (زیرا احتمال شلیک پتانسیل عمل توسط نورون را تحت تأثیر قرار می‌دهد)، اقدامات آکسو-آکسون به طور انتخابی پایانه‌های منفرد آکسون را کنترل می‌کنند. یکی از اقدامات مهم سیناپس‌های آکسو آکسون افزایش یا کاهش هجوم +Ca2 به پایانه‌های پیش سیناپسی سلول پس سیناپسی است که در نتیجه به ترتیب باعث افزایش یا کاهش انتشار ترانسمیتر ‌می‌شود.

As we saw in Chapter 13, when one neuron releases transmitter that hyperpolarizes the cell body (or dendrites) of another, it decreases the likelihood that the postsynaptic cell will fire; this action is called postsynaptic inhibition. In contrast, when a neuron forms synapses on the axon terminal of another cell, it can reduce the amount of transmitter that will be released by the postsynaptic cell onto a third cell; this action is called presynaptic inhibition (Figure 15-16A). Other axo-axonic synaptic actions can increase the amount of transmitter released by the postsynaptic cell; this action is called presynaptic facilitation (Figure 15-16B). Both presynaptic inhibition and facilitation can occur in response to activation of ionotropic or metabotropic receptors in the membrane of the presynaptic terminals.

همانطور که در فصل ۱۳ دیدیم، هنگا‌می‌که یک نورون ترانسمیتر ای را آزاد ‌می‌کند که بدن سلولی (یا دندریت) دیگری را هیپرپلاریزه ‌می‌کند، احتمال شلیک سلول پس سیناپسی را کاهش ‌می‌دهد. این عمل را مهار پس سیناپسی ‌می‌نامند. در مقابل، هنگا‌می‌که یک نورون سیناپس‌هایی را در پایانه آکسون سلول دیگر تشکیل می‌دهد، می‌تواند میزان ترانسمیتر‌ای را که توسط سلول پس سیناپسی بر روی سلول سوم آزاد می‌شود کاهش دهد. این عمل مهار پیش سیناپسی نامیده ‌می‌شود (شکل ۱۵-16A). سایر اقدامات سیناپسی آکسو آکسونیک ‌می‌تواند میزان ترانسمیتر آزاد شده توسط سلول پس سیناپسی را افزایش دهد. این عمل تسهیل پیش سیناپسی نامیده ‌می‌شود (شکل ۱۵-16B). هم مهار و هم تسهیل پیش سیناپسی ‌می‌تواند در پاسخ به فعال شدن گیرنده‌های یونوتروپیک یا متابوتروپیک در غشای پایانه‌های پیش سیناپسی رخ دهد.

The best-analyzed mechanisms of presynaptic inhibition and facilitation are found in invertebrate neurons and vertebrate mechanoreceptor neurons (whose axons project to neurons in the spinal cord). Three mechanisms for presynaptic inhibition have been identified in these cells. One depends on the activation of inhibitory interneurons that form axo-axonic synapses on the sensory neuron presynaptic terminals, where they activate ionotropic GABA receptor-channels. Because the Cl reversal potential in the presynaptic terminals is relatively positive, the increased Cl conductance resulting from activation of GABA channels depolarizes the presynaptic terminal. This voltage change, termed the primary afferent depolarization, is thought to inactivate voltage-gated Na+ channels, reducing the amplitude of the presynaptic action potential, which decreases the activation of voltage-gated Ca2+ channels and thereby decreases the amount of transmitter release.

بهترین مکانیسم‌های تحلیل‌شده مهار و تسهیل پیش‌سیناپسی در نورون‌های بی‌مهرگان و نورون‌های گیرنده مکانیکی مهره‌داران (که آکسون‌های آنها به نورون‌های نخاع می‌تابد) یافت می‌شود. سه مکانیسم برای مهار پیش سیناپسی در این سلول‌ها شناسایی شده است. یکی به فعال شدن نورون‌های بازدارنده ای بستگی دارد که سیناپس‌های آکسو آکسونیک را در پایانه‌های پیش سیناپسی نورون حسی تشکیل ‌می‌دهند، جایی که آنها کانال‌های گیرنده GABA یونوتروپیک را فعال ‌می‌کنند. از آنجایی که پتانسیل برگشت کلر در پایانه‌های پیش سیناپسی نسبتا مثبت است، افزایش رسانایی کلر ناشی از فعال شدن کانال‌های GABA، پایانه پیش سیناپسی را دپولاریزه ‌می‌کند. تصور می‌شود که این تغییر ولتاژ، که دپلاریزاسیون آوران اولیه نامیده می‌شود، کانال‌های +Na دردار ولتاژ را غیرفعال می‌کند و دامنه پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی را کاهش می‌دهد، که فعال شدن کانال‌های +Ca2 دردار ولتاژ را کاهش می‌دهد و در نتیجه میزان آزاد شدن ترانسمیتر را کاهش می‌دهد.

Figure 15-15 (Opposite) Diversity of short-term plasticity in the central nervous system.

شکل ۱۵-۱۵ (مقابل) تنوع شکل پذیری کوتاه مدت در سیستم عصبی مرکزی.

A. Excitatory postsynaptic currents (EPSCs) were recorded from a cerebellar Purkinje neuron under voltage clamp in response to repetitive stimulation of either the climbing fiber (CF) or parallel fiber (PF) inputs to the Purkinje cells. In both cases EPSCs were recorded while afferents were stimulated 10 times at 50 Hz. Note that the CF EPSC depresses whereas the PF EPSC facilitates during repetitive stimulation. (Reproduced, with permission, from Dittman et al. 2000. Copyright © ۲۰۰۰ Society for Neuroscience.)

الف. جریان‌های پس سیناپسی تحریکی (EPSCs) از یک نورون پورکنژ مخچه تحت گیره ولتاژ در پاسخ به تحریک مکرر ورودی‌های فیبر بالا رونده (CF) یا فیبر موازی (PF) به سلول‌های پورکنژ ثبت شد. در هر دو مورد EPSCs ثبت شد در حالی که آوران‌ها ۱۰ بار در ۵۰ هرتز تحریک شدند. توجه داشته باشید که CF EPSC کاهش ‌می‌یابد در حالی که PF EPSC در طول تحریک مکرر تسهیل ‌می‌شود. (تکثیر شده، با اجازه، از Dittman و همکاران. ۲۰۰۰. حق چاپ © ۲۰۰۰ Society for Neuroscience.)

B. EPSCs were recorded from hippocampal neurons in culture during stimulation at 20 Hz. EPSC size was normalized by dividing each response by peak amplitude of first EPSC in each individual train. The EPSC depresses in neurons cultured from wild-type mice (WT) whereas the EPSC facilitates in neurons from mice harboring a mutated form of synaptotagmin-1 that reduces its Ca2* binding affinity (Syt1 mutant, R233Q). (Reproduced, with permission, from Fernandez-Chacon et al. 2001. Copyright © ۲۰۰۱ Springer Nature.)

B. EPSCs از نورون‌های هیپوکامپ در کشت در طول تحریک در ۲۰ هرتز ثبت شد. اندازه EPSC با تقسیم هر پاسخ بر دامنه پیک اولین EPSC در هر قطار فردی عادی شد. EPSC در نورون‌های کشت‌داده‌شده از موش‌های نوع وحشی (WT) کاهش می‌یابد در حالی که EPSC در نورون‌های موش‌هایی که دارای شکل جهش‌یافته سیناپتوتاگمین-۱ هستند که میل اتصال Ca2* آن را کاهش می‌دهد، تسهیل می‌کند (جهش یافته Syt1، R233Q). (تکثیر، با اجازه، از Fernandez-Chacon و همکاران. ۲۰۰۱. حق چاپ © ۲۰۰۱ Springer Nature.)

C. The action potential recorded at the presynaptic terminals of dentate gyrus granule neurons broadens progressively during a 2-s long train of 50 Hz stimulation. This results in enhanced synaptic transmission from the granule neurons onto their CA3 post- synaptic target. The 1st, 25th, 50th, and 100th action potentials are shown. These action potential waveforms were then used as the command waveforms (Vcomm, top) to voltage clamp the presynaptic nerve terminal (“action potential clamp”), eliciting the voltage-gated Ca2+ current (I_ca) recorded in the terminal (middle) and the EPSCs in a postsynaptic CA3 neuron (bottom). As the action potential, waveform increases in duration, the duration of I_ca increases, increasing the amplitude of the EPSCs. (Adapted, with permission, from Geiger and Jonas, 2000. Copyright © ۲۰۰۰ Cell Press.)

پ. پتانسیل عمل ثبت شده در پایانه‌های پیش سیناپسی نورون‌های گرانول شکنج دندانه دار به تدریج در طول یک قطار طولانی ۲ ثانیه با تحریک ۵۰ هرتز گسترش ‌می‌یابد. این منجر به افزایش انتقال سیناپسی از نورون‌های گرانول به هدف پس سیناپسی CA3 آنها ‌می‌شود. پتانسیل‌های عمل ۱، ۲۵، ۵۰ و ۱۰۰ نشان داده شده است. این شکل موج‌های پتانسیل عمل سپس به عنوان شکل‌های موج فرمان (Vcomm، بالا) برای بستن ولتاژ پایانه عصب پیش‌سیناپسی (“گیره پتانسیل عمل”) استفاده شد، و جریان +Ca2 دردار ولتاژ (Ica) ثبت شده در ترمینال (وسط) و EPSCها در یک نورون CA3 پس سیناپسی (پایین). با افزایش پتانسیل عمل، مدت زمان شکل موج افزایش ‌می‌یابد، مدت زمان Ica افزایش ‌می‌یابد و دامنه EPSC‌ها افزایش ‌می‌یابد. (اقتباس شده، با اجازه، از گایگر و جوناس، ۲۰۰۰. حق چاپ © ۲۰۰۰ Cell Press.)

D. Simultaneous extracellular multiunit recordings of action potentials from thalamus and barrel cortex (second and third traces from top) during a train of 4-Hz mechanical stimulation of the primary whisker (top trace). Cortical and thalamic responses both depress during stimulation, although cortical responses depress faster. Intracellular voltage responses of a cortical neuron in a whisker barrel to 4-Hz stimulation of the primary whisker (bottom two traces). The first of the two traces shows responses to successive whisker stimuli in one train. Time scale same as top traces. The bottom trace shows an expanded view of the first four responses to whisker stimulation in three separate trains. Note there is variability from trial to trial in the spiking responses to the second and third stimuli in the train, likely due to the probabilistic nature of transmitter release. (Reproduced from Chung et al. 2002. Copyright © ۲۰۰۲ Cell Press.)

D. ضبط همزمان چند واحدی خارج سلولی از پتانسیل‌های عمل از تالاموس و قشر بشکه ای (رد دوم و سوم از بالا) در طی یک قطار تحریک مکانیکی ۴ هرتز سبیل اولیه (رد بالا). پاسخ‌های قشر و تالاموس هر دو در طول تحریک کاهش می‌یابند، اگرچه پاسخ‌های قشری سریع‌تر کاهش می‌یابند. پاسخ‌های ولتاژ درون سلولی یک نورون قشر مغز در یک بشکه سبیل به تحریک ۴ هرتز سبیل اولیه (دو ردپای پایین). اولین مورد از دو ردیابی پاسخ به محرک‌های پی در پی سبیل در یک قطار را نشان ‌می‌دهد. مقیاس زمانی مانند ردیابی بالا. ردپای پایین نمای گسترده ای از چهار پاسخ اول به تحریک سبیل در سه قطار جداگانه را نشان ‌می‌دهد. توجه داشته باشید که از آزمایشی به آزمایش دیگر در پاسخ‌های spiking به محرک‌های دوم و سوم در قطار، احتمالاً به دلیل ماهیت احتمالی انتشار ترانسمیتر، تنوع وجود دارد. (برگرفته از Chung et al. 2002. Copyright © ۲۰۰۲ Cell Press.)

E. A brief burst of high-frequency stimulation leads to sustained enhancement in transmitter release. The time scale of the experimental records here has been compressed (each presynaptic and postsynaptic potential appears as a single line indicating its amplitude). A stable excitatory postsynaptic potential (EPSP) of around 1 mV is produced when the presynaptic neuron is stimulated at a relatively low rate of one action potential per second. The presynaptic neuron is then stimulated for a few seconds at a higher rate of 50 action potentials per second. During this tetanic stimulation, the EPSP increases in size because of enhanced transmitter release, a phenomenon known as potentiation. After several seconds of stimulation, the presynaptic neuron is returned to the initial rate of stimulation (one per second). However, the EPSPs remain enhanced for minutes and, in some cells, for several hours. This persistent increase is called posttetanic potentiation.

E. یک انفجار کوتاه از تحریک با فرکانس بالا منجر به افزایش پایدار در انتشار ترانسمیتر ‌می‌شود. مقیاس زمانی رکوردهای تجربی در اینجا فشرده شده است (هر پتانسیل پیش سیناپسی و پس سیناپسی به عنوان یک خط منفرد ظاهر ‌می‌شود که دامنه آن را نشان ‌می‌دهد). یک پتانسیل پس سیناپسی تحریکی پایدار (EPSP) در حدود ۱ میلی ولت زمانی تولید ‌می‌شود که نورون پیش سیناپسی با نرخ نسبتاً پایین یک پتانسیل عمل در ثانیه تحریک شود. سپس نورون پیش سیناپسی برای چند ثانیه با سرعت بالاتر ۵۰ پتانسیل عمل در ثانیه تحریک ‌می‌شود. در طول این تحریک کزاز، اندازه EPSP به دلیل افزایش انتشار ترانسمیتر افزایش ‌می‌یابد، پدیده ای که به عنوان تقویت شناخته ‌می‌شود. پس از چند ثانیه تحریک، نورون پیش سیناپسی به سرعت اولیه تحریک (یک در ثانیه) باز ‌می‌گردد. با این حال، EPSP‌ها برای چند دقیقه و در برخی سلول‌ها برای چندین ساعت تقویت ‌می‌شوند. این افزایش مداوم، تقویت پس از کزاز نامیده ‌می‌شود.

The other two mechanisms for presynaptic inhibition both result from the activation of presynaptic G protein-coupled metabotropic receptors. One type of action results from the modulation of ion channels. As we saw in Chapter 14, the By-subunit complex of G proteins can simultaneously close voltage-gated Ca2+ channels and open K+ channels. This decreases the influx of Ca2+ and enhances repolarization of the presynaptic terminal following an action potential, thus diminishing transmitter release. A second type of G protein- dependent action depends on a direct action by the By-subunit complex on the release machinery itself, independent of any changes in ion channel activity or Ca2+ influx. This second action is thought to involve a decrease in the Ca2+ sensitivity of the release machinery.

دو مکانیسم دیگر برای مهار پیش سیناپسی هر دو ناشی از فعال شدن گیرنده‌های متابوتروپیک همراه با پروتئین G پیش سیناپسی هستند. یک نوع عمل ناشی از مدولاسیون کانال‌های یونی است. همانطور که در فصل ۱۴ دیدیم، مجموعه زیر واحدهای پروتئین‌های G ‌می‌توانند به طور همزمان کانال‌های +Ca2 دارای ولتاژ را ببندند و کانال‌های +K را باز کنند. این امر هجوم +Ca2 را کاهش می‌دهد و رپلاریزاسیون پایانه پیش‌سیناپسی را به دنبال پتانسیل عمل افزایش می‌دهد، در نتیجه انتشار ترانسمیتر را کاهش می‌دهد. نوع دوم عمل وابسته به پروتئین G به یک عمل مستقیم توسط کمپلکس By-subunit بر روی خود ماشین آزادسازی، مستقل از هرگونه تغییر در فعالیت کانال یونی یا هجوم +Ca2 بستگی دارد. تصور می‌شود که این اقدام دوم شامل کاهش حساسیت +Ca2 دستگاه رهاسازی می‌شود.

In contrast, presynaptic facilitation can be caused by enhanced influx of Ca2+. In certain molluscan neurons, serotonin acts through cAMP-dependent protein phosphorylation to close K channels in the presynaptic terminal (including the Aplysia S-type K+ channel discussed in Chapter 14). This action increases the duration of the presynaptic action potential, thereby increasing Ca” influx by enabling the voltage-dependent Ca2+ channels to remain open for a longer period. In other cells, activation of presynaptic ionotropic receptors increases transmitter release. Activation of pre- synaptic Ca-permeable ionotropic receptor-channels, including presynaptic NMDA-type glutamate receptors, can increase release by directly enhancing Ca2+ influx. Activation of presynaptic ionotropic receptor- channels that are not permeable to Ca2+ can indirectly increase presynaptic Ca2+ levels by depolarizing the terminal and activating voltage-gated Ca channels.

در مقابل، تسهیل پیش سیناپسی ‌می‌تواند با افزایش هجوم +Ca2 ایجاد شود. در نورون‌های نرم تن خاص، سروتونین از طریق فسفوریلاسیون پروتئین وابسته به cAMP برای بستن کانال‌های K در پایانه پیش سیناپسی (شامل کانال +K نوع Aplysia S که در فصل ۱۴ بحث شد) عمل ‌می‌کند. این عمل باعث افزایش مدت زمان پتانسیل عمل پیش سیناپسی ‌می‌شود و در نتیجه هجوم کلسیم را افزایش ‌می‌دهد و کانال‌های +Ca2 وابسته به ولتاژ را قادر ‌می‌سازد برای مدت طولانی باز بمانند. در سلول‌های دیگر، فعال شدن گیرنده‌های یونوتروپ پیش سیناپسی باعث افزایش آزادسازی ترانسمیتر ‌می‌شود. فعال شدن پیش سیناپسی کانال‌های گیرنده یونوتروپیک نفوذپذیر کلسیم، از جمله گلوتامات نوع NMDA پیش سیناپسی گیرنده‌ها می‌توانند با افزایش مستقیم هجوم +Ca2، رهایش را افزایش دهند. فعال‌سازی کانال‌های گیرنده یونوتروپ پیش‌سیناپسی که نسبت به +Ca2 نفوذپذیر نیستند، می‌توانند به‌طور غیرمستقیم سطوح +Ca2 پیش سیناپسی را با دپلاریز کردن پایانه و فعال کردن کانال‌های کلسیم دارای ولتاژ افزایش دهند.

Figure 15-16 Axo-axonic synapses can inhibit or facilitate transmitter release by the presynaptic cell.

شکل ۱۵-۱۶ سیناپس‌های آکسو آکسون ‌می‌توانند آزادسازی ترانسمیتر توسط سلول پیش سیناپسی را مهار یا تسهیل کنند.

A. An inhibitory neuron (c,) forms a synapse on an axon terminal of neuron a. Release of transmitter by cell c, activates metabotropic receptors on the terminal, thus inhibiting the Ca2+ current in the terminal and reducing the amount of transmitter released by cell a onto cell b. The reduction of transmitter release from cell a in turn reduces the amplitude of the excitatory postsynaptic potential in cell b, a process termed presynaptic inhibition.

الف. یک نورون بازدارنده (c,) سیناپسی را در انتهای آکسون نورون a تشکیل ‌می‌دهد. آزاد شدن ترانسمیتر توسط سلول c، گیرنده‌های متابوتروپیک را در ترمینال فعال ‌می‌کند، بنابراین جریان +Ca2 در ترمینال را مهار ‌می‌کند و مقدار ترانسمیتر آزاد شده توسط سلول a را روی سلول b کاهش ‌می‌دهد. کاهش انتشار ترانسمیتر از سلول a به نوبه خود باعث کاهش دامنه پتانسیل پس سیناپسی تحریکی در سلول b ‌می‌شود، فرآیندی که به آن مهار پیش سیناپسی ‌می‌گویند.

B. A facilitating neuron (c_۲) forms a synapse on an axon terminal of neuron a. Release of transmitter by cell c_۲ activates metabotropic receptors on the terminal, thus decreasing a K+ current in the terminals and thereby prolonging the action potential and increasing Ca2+ influx into cell a. This increases transmitter release from cell a onto cell b, thereby increasing the size of the EPSP in cell b, a process termed presynaptic facilitation.

ب. یک نورون تسهیل کننده (c2) سیناپسی را در پایانه آکسون نورون a تشکیل ‌می‌دهد. آزاد شدن ترانسمیتر توسط سلول c2 باعث فعال شدن گیرنده‌های متابوتروپیک در ترمینال ‌می‌شود، بنابراین جریان +K در پایانه‌ها کاهش ‌می‌یابد و در نتیجه پتانسیل عمل طولانی ‌می‌شود و هجوم +Ca2 به سلول a افزایش ‌می‌یابد. این امر باعث افزایش انتشار ترانسمیتر از سلول a به سلول b ‌می‌شود، در نتیجه اندازه EPSP در سلول b افزایش ‌می‌یابد، فرآیندی که تسهیل پیش سیناپسی نامیده ‌می‌شود.

Thus, presynaptic terminals are endowed with a variety of mechanisms that allow for the fine-tuning of the strength of synaptic transmission. Although we know a fair amount about the mechanisms of short- term changes in synaptic strength-changes that last seconds, minutes, and hours-we are only beginning to learn about their functional roles. The mechanisms that support changes that persist for days, weeks, and longer also remain mysterious. These long-term changes often require alterations in gene expression and growth of presynaptic and postsynaptic structures in addition to alterations in Ca2+ influx and enhancement of transmitter release from existing terminals. We will discuss how such changes may contribute to different forms of long-term learning and memory in Chapters 53 and 54.

بنابراین، پایانه‌های پیش سیناپسی دارای مکانیسم‌های مختلفی هستند که امکان تنظیم دقیق قدرت انتقال سیناپسی را فراهم ‌می‌کند. اگرچه ما مقدار زیادی در مورد مکانیسم‌های تغییرات کوتاه مدت در قدرت سیناپسی – تغییرات که ثانیه‌ها، دقیقه‌ها و ساعت‌ها طول ‌می‌کشد – ‌می‌دانیم، ما تازه شروع به یادگیری در مورد نقش‌های عملکردی آنها کرده ایم. مکانیسم‌هایی که از تغییراتی پشتیبانی می‌کنند که برای روزها، هفته‌ها و طولانی‌تر باقی می‌مانند نیز مرموز باقی می‌مانند. این تغییرات طولانی مدت اغلب به تغییرات در بیان ژن و رشد ساختارهای پیش سیناپسی و پس سیناپسی علاوه بر تغییرات در هجوم +Ca2 و افزایش انتشار ترانسمیتر از پایانه‌های موجود نیاز دارند. ما در فصل ۵۳ و ۵۴ بحث خواهیم کرد که چگونه چنین تغییراتی ممکن است به اشکال مختلف یادگیری و حافظه بلند مدت کمک کند.

Highlights

نکات برجسته

۱. Chemical neurotransmission is the primary mechanism by which neurons communicate, and process information; it occurs throughout the nervous system. Release of neurotransmitter is stimulated by a series of electrical and biochemical processes in the presynaptic nerve terminal.

۱. انتقال عصبی شیمیایی مکانیسم اولیه ای است که نورون‌ها با آن ارتباط برقرار ‌می‌کنند و اطلاعات را پردازش ‌می‌کنند. در سراسر سیستم عصبی رخ ‌می‌دهد. انتشار انتقال دهنده عصبی توسط یک سری فرآیندهای الکتریکی و بیوشیمیایی در پایانه عصبی پیش سیناپسی تحریک ‌می‌شود.

۲. Neurotransmitter release is steeply dependent on depolarization of the presynaptic terminal. While the action potential is controlled by sodium and potassium conductances, it is the depolarization itself, rather than opening of either voltage-gated sodium or potassium channels, that triggers release.

۲. انتشار انتقال دهنده عصبی به شدت به دپلاریزاسیون پایانه پیش سیناپسی وابسته است. در حالی که پتانسیل عمل توسط رسانایی‌های سدیم و پتاسیم کنترل ‌می‌شود، این خود دپلاریزاسیون است، به جای باز شدن کانال‌های سدیم یا پتاسیم دارای ولتاژ، که باعث آزاد شدن ‌می‌شود.

۳. Depolarization of the presynaptic terminal opens voltage-gated Ca channels (VGCCs), resulting in Ca2* influx. These channels are concentrated at presynaptic “active zones,” very close to the sites at which release occurs. The relationship between Ca2+ influx and neurotransmitter release is tightly coupled and steeply nonlinear. The peak Ca2+ entry lags slightly behind the peak of the action potential and quickly produces a marked rise in the rate of transmitter release.

۳. دپولاریزاسیون ترمینال پیش سیناپسی، کانال‌های کلسیم دارای ولتاژ (VGCCs) را باز ‌می‌کند، که منجر به هجوم Ca2* ‌می‌شود. این کانال‌ها در “مناطق فعال” پیش سیناپسی، بسیار نزدیک به مکان‌هایی که رهاسازی در آنها رخ ‌می‌دهد، متمرکز شده اند. رابطه بین هجوم +Ca2 و انتشار ناقل عصبی به شدت همراه و به شدت غیرخطی است. پیک ورودی +Ca2 کمی‌از اوج پتانسیل عمل عقب است و به سرعت افزایش قابل توجهی در نرخ رهاسازی ترانسمیتر ایجاد ‌می‌کند.

۴. VGCCs are heterogeneous-five classes have been described with distinct biophysical, biochemical, and pharmacological properties. Multiple classes of VGCCs can contribute to neurotransmitter release at individual nerve terminals and are targets of disease-causing mutations. P/Q- and N-type Ca2+ channels are particularly prominent at active zones in the central nervous system.

۴. VGCC‌ها ناهمگن هستند – پنج کلاس با خواص بیوفیزیکی، بیوشیمیایی و فارماکولوژیکی مشخص توصیف شده اند. چندین کلاس از VGCC‌ها ‌می‌توانند به آزادسازی انتقال دهنده‌های عصبی در پایانه‌های عصبی فردی کمک کنند و هدف جهش‌های بیماری زا هستند. کانال‌های +Ca2 نوع P/Q و N به ویژه در مناطق فعال در سیستم عصبی مرکزی برجسته هستند.

۵. Chemical transmission generally involves the release of quantal packets of neurotransmitter, with a quantum corresponding to the contents of a single synaptic vesicle. Under conditions that decrease transmitter release, such as lowered extracellular Ca2+, a presynaptic action potential triggers the probabilistic release of a few quanta, which produce postsynaptic responses of variable amplitude that are integral multiples of the unitary response to a single quantum, interspersed by complete failures of transmission.

انتقال شیمیایی معمولاً شامل آزادسازی بسته‌های کمی از انتقال‌دهنده‌های عصبی است، که هر بسته مربوط به محتوای یک وزیکول سیناپسی است. در شرایطی که آزادسازی انتقال‌دهنده کاهش می‌یابد، مانند کاهش +Ca2 خارج‌سلولی، یک پتانسیل عمل پیش‌سیناپسی آزادسازی احتمالی چند کمیت را تحریک می‌کند که پاسخ‌های پس‌سیناپسی با دامنه متغیر را تولید می‌کند که ضرب‌درهای صحیح پاسخ واحد به یک کمیت است و با شکست‌های کامل انتقال در هم می‌آمیزد.

۶. The unitary events are driven by the fusion of individual synaptic vesicles of relatively homogeneous size and transmitter content. Visualized as small, clear, spherical membrane organelles, single vesicles contain thousands of small- molecule neurotransmitters. Other neurotransmitters, including the biogenic amines and neuropeptides, are packaged into a distinct class of larger, dense-core vesicles that mediate slower forms of synaptic transmission. A typical presynaptic terminal in the mammalian central nervous system involved in fast synaptic transmission contains 100 to 200 vesicles. A small number of vesicles dock along the presynaptic membrane of the active zone and are the most ready to fuse.

۶. رویدادهای واحد توسط ادغام وزیکول‌های سیناپسی فردی با اندازه و محتوای ترانسمیتر نسبتاً همگن هدایت ‌می‌شوند. وزیکول‌های منفرد که به‌عنوان اندامک‌های غشایی کوچک، شفاف و کروی دیده می‌شوند، حاوی هزاران انتقال‌دهنده عصبی مولکول‌های کوچک هستند. سایر انتقال‌دهنده‌های عصبی، از جمله آمین‌های بیوژنیک و نوروپپتیدها، در یک کلاس مجزا از وزیکول‌های بزرگ‌تر و با هسته متراکم بسته‌بندی می‌شوند که میانجی اشکال کندتر انتقال سیناپسی هستند. یک پایانه پیش سیناپسی معمولی در سیستم عصبی مرکزی پستانداران درگیر در انتقال سریع سیناپسی شامل ۱۰۰ تا ۲۰۰ وزیکول است. تعداد کمی از وزیکول‌ها در امتداد غشای پیش سیناپسی ناحیه فعال قرار ‌می‌گیرند و آماده ترین برای جوش خوردن هستند.

۷. At many synaptic connections, the amplitude of a postsynaptic potential can be described as a product of multiple factors: (1) the number of presynaptic sites occupied by a readily releasable vesicle (n), (2) the release probability of individual sites (p), and (3) the size of the postsynaptic response to the release of a single vesicle (a). On individual trials, the number of vesicles released can be described by a binomial distribution reflecting the likelihood of release of zero, one, two, or more vesicles, as if we were to count the number of heads when n coins were being flipped.

۷. در بسیاری از اتصالات سیناپسی، دامنه یک پتانسیل پس سیناپسی را ‌می‌توان به عنوان محصول عوامل متعدد توصیف کرد: (۱) تعداد مکان‌های پیش سیناپسی که توسط یک وزیکول به راحتی آزاد شدنی اشغال شده است (n)، (۲) احتمال انتشار مکان‌های جداگانه (p)، و (۳) اندازه پاسخ پس سیناپسی به آزاد شدن یک وزیکول منفرد (a). در آزمایش‌های فردی، تعداد وزیکول‌های آزاد شده را می‌توان با توزیع دوجمله‌ای توصیف کرد که احتمال انتشار صفر، یک، دو یا چند وزیکول را منعکس می‌کند، به‌طوری‌که گویی می‌خواهیم تعداد سرها را هنگام ورق زدن n سکه بشماریم.

۸. Exocytosis, the process by which vesicles fuse with the presynaptic membrane, and endocytosis, the process that retrieves vesicles, occur in rapid succession in nerve terminals and other secretory structures. These events are evident in morphological studies and are studied in real time by electrical measurements of membrane surface area.

۸. اگزوسیتوز، فرآیندی که طی آن وزیکول‌ها با غشای پیش سیناپسی ترکیب ‌می‌شوند، و اندوسیتوز، فرآیندی که وزیکول‌ها را بازیابی ‌می‌کند، به سرعت در پایانه‌های عصبی و سایر ساختارهای ترشحی رخ ‌می‌دهد. این رویدادها در مطالعات مورفولوژیکی مشهود هستند و در زمان واقعی با اندازه‌گیری‌های الکتریکی سطح غشا مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

۹. Exocytosis is mediated by evolutionarily conserved SNARE proteins. Together, the presynaptic plasma membrane proteins syntaxin and SNAP-25 and the synaptic vesicle membrane protein synaptobrevin contribute to the SNARE complex, a set of four helical domains. Formation of this complex is critical for vesicle fusion as shown by the ability of various neurotoxins to block transmitter release through the cleavage of SNARE proteins. SNARE complex assembly is modulated by a family of SM proteins, exemplified by Munc18.

۹. اگزوسیتوز توسط پروتئین‌های SNARE حفظ شده توسط تکامل انجام ‌می‌شود. با هم، پروتئین‌های غشای پلاسمایی پیش سیناپسی syntaxin و SNAP-25 و پروتئین غشای وزیکول سیناپسی synaptobrevin به مجموعه SNARE، مجموعه ای از چهار حوزه مارپیچ، کمک ‌می‌کنند. تشکیل این کمپلکس برای همجوشی وزیکول حیاتی است همانطور که با توانایی نوروتوکسین‌های مختلف برای جلوگیری از انتشار ترانسمیتر از طریق برش پروتئین‌های SNARE نشان داده شده است. مجموعه کمپلکس SNARE توسط خانواده ای از پروتئین‌های SM تعدیل ‌می‌شود که نمونه آن Munc18 است.

۱۰. Synaptotagmins, such as synaptotagmin-1 (syt1), are abundant vesicular proteins that act as Ca2+ sensors for regulation of vesicle release. Syt1 binds multiple Ca2+ ions and thus forms a close asso- ciation with the plasma membrane following Ca2+ influx. By binding to the SNARE complex even before the rise in presynaptic Ca2+, it may enable that complex to cause fusion quickly.

۱۰. Synaptotagmin‌ها، مانند synaptotagmin-1 (syt1)، پروتئین‌های وزیکولی فراوانی هستند که به عنوان حسگرهای +Ca2 برای تنظیم انتشار وزیکول عمل ‌می‌کنند. Syt1 به چندین یون +Ca2 متصل ‌می‌شود و بنابراین ارتباط نزدیکی با غشای پلاسمایی به دنبال هجوم +Ca2 ایجاد ‌می‌کند. با اتصال به کمپلکس SNARE حتی قبل از افزایش +Ca2 پیش سیناپسی، ممکن است آن کمپلکس را قادر سازد تا به سرعت همجوشی ایجاد کند.

۱۱. Synaptic vesicle exocytosis is exquisitely precise and rapid because its molecular machinery is embedded in an active zone protein scaffold consisting of RIM, RIM-BP, and Munc-13. The complex: 1. Tethers vesicles to the plasma membrane through binding of RIM to Rab3 and Rab27 vesicle proteins; 2. Recruits calcium channels to the vicinity of tethered vesicles via binding to RIM and RIM-BP; and 3. Facilitates SNARE complex assembly via interaction with Munc13. The active zone complex also mediates many forms of short- and long-term synaptic plasticity.

۱۱. اگزوسیتوز وزیکول سیناپسی بسیار دقیق و سریع است زیرا ماشین آلات مولکولی آن در داربست پروتئین منطقه فعال متشکل از RIM، RIM-BP و Munc-13 تعبیه شده است. مجموعه: ۱. وزیکول‌ها را از طریق اتصال RIM به پروتئین‌های وزیکول Rab3 و Rab27 به غشای پلاسمایی متصل ‌می‌کند. ۲. از طریق اتصال به RIM و RIM-BP، کانال‌های کلسیم را در مجاورت وزیکول‌های متصل به کار ‌می‌گیرد. و ۳. مونتاژ مجتمع SNARE را از طریق تعامل با Munc13 تسهیل ‌می‌کند. مجموعه منطقه فعال همچنین بسیاری از شکل‌های انعطاف‌پذیری سیناپسی کوتاه‌مدت و بلندمدت را واسطه می‌کند.

۱۲. Rapid endocytosis of vesicle membranes after release enables fast recycling of vesicles for a continuous supply during prolonged stimulation.

۱۲. اندوسیتوز سریع غشاهای وزیکول پس از رهاسازی، امکان بازیافت سریع وزیکول‌ها را برای عرضه مداوم در طی تحریک طولانی مدت فراهم ‌می‌کند.

۱۳. Synaptic terminals are diverse and vary in their release properties. Active zone scaffolding proteins differ across synapses and species, as does expression of presynaptic Ca2+ channels and synaptotagmins. At some synapses, vesicles and Ca2+ channels appear aligned by an intricate structural network.

۱۳. پایانه‌های سیناپتیک متنوع هستند و از نظر خواص آزادسازی متفاوت هستند. پروتئین‌های داربست منطقه فعال در سیناپس‌ها و گونه‌ها متفاوت هستند، همانطور که بیان کانال‌های +Ca2 پیش سیناپسی و سیناپتوتاگمین‌ها نیز متفاوت است. در برخی از سیناپس‌ها، وزیکول‌ها و کانال‌های +Ca2 توسط یک شبکه ساختاری پیچیده در یک راستا به نظر ‌می‌رسند.

۱۴. Transmitter release can be modulated intrinsically or extrinsically as an aspect of synaptic plasticity. Synaptic strength can be strongly influenced intrinsically by the pattern of firing in phenomena known as “depression” and “facilitation.” In addition, extrinsic neuromodulators can alter the dynamics of release by regulation of Ca2+ channels or events downstream of Ca2+ entry.

۱۴. آزادسازی ترانسمیتر را ‌می‌توان به صورت ذاتی یا بیرونی به عنوان جنبه ای از شکل پذیری سیناپسی مدوله کرد. قدرت سیناپسی را ‌می‌توان به شدت تحت تأثیر الگوی شلیک در پدیده‌هایی به نام «افسردگی» و «تسهیل» قرار داد. علاوه بر این، نورومدولاتورهای بیرونی ‌می‌توانند دینامیک انتشار را با تنظیم کانال‌های +Ca2 یا رویدادهای پایین دست ورودی +Ca2 تغییر دهند.