علوم اعصاب پروس؛ مکانیسم‌های مولکولی چرخه وزیکول سیناپسی

Molecular Mechanisms of Synaptic Vesicle Cycling

Precisely how an increase in presynaptic Ca²⁺ concentration goes on to trigger vesicle fusion and neurotransmitter release is not fully understood. Molecular studies have identified and characterized the proteins found on synaptic vesicles (Figure 5.11A) and their binding partners on the presynaptic plasma membrane and cytoplasm. Most, if not all, of these proteins act at one or more steps in the synaptic vesicle cycle (Figure 5.11B).

مکانیسم‌های مولکولی چرخه وزیکول سیناپسی

اینکه دقیقاً چگونه افزایش غلظت ⁺Ca² پیش‌سیناپسی باعث ادغام وزیکول‌ها و آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی می‌شود، به‌طور کامل درک نشده است. مطالعات مولکولی پروتئین‌های موجود در وزیکول‌های سیناپسی (شکل 5.11A) و شرکای اتصال آنها در غشای پلاسمایی پیش‌سیناپسی و سیتوپلاسم را شناسایی و توصیف کرده‌اند. اکثر این پروتئین‌ها، اگر نگوییم همه، در یک یا چند مرحله از چرخه وزیکول سیناپسی عمل می‌کنند (شکل 5.11B).

FIGURE 5.11 Presynaptic proteins and their roles in synaptic vesicle cycling. (A) Model of the molecular organization of a synaptic vesicle. The cytoplasmic surface of the vesicle membrane is densely covered by proteins, only 70% of which are shown here. (B) The vesicle trafficking cycle shown in Figure 5.8E is now known to be mediated by numerous presynaptic proteins, including some of those shown in (A), with different proteins participating in different reactions. (A from Takamori et al., 2006.)

شکل ۵.۱۱ پروتئین‌های پیش‌سیناپسی و نقش آنها در چرخه وزیکول سیناپسی. (الف) مدل سازماندهی مولکولی یک وزیکول سیناپسی. سطح سیتوپلاسمی غشای وزیکول به طور متراکم توسط پروتئین‌ها پوشیده شده است که تنها 70٪ از آنها در اینجا نشان داده شده است. (ب) اکنون مشخص شده است که چرخه انتقال وزیکول که در شکل 5.8E نشان داده شده است، توسط پروتئین‌های پیش‌سیناپسی متعددی، از جمله برخی از پروتئین‌های نشان داده شده در (الف)، انجام می‌شود و پروتئین‌های مختلف در واکنش‌های مختلف شرکت می‌کنند. (الف از تاکاموری و همکاران، 2006.)

Several lines of evidence indicate that the protein synapsin, which reversibly binds to synaptic vesicles, may keep these vesicles tethered within the reserve pool by cross-linking vesicles to each other. Mobilization of these reserve pool vesicles is caused by phosphorylation of synapsin by proteins kinases, most notably the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase, type II (CaMKII; see Chapter 7), which allows synapsin to dissociate from the vesicles. Once vesicles are free from their reserve pool tethers, they make their way to the plasma membrane and are then attached to this membrane by docking reactions that involve SNARE proteins (see below). A series of priming reactions then prepares the vesicular and plasma membranes for fusion. A large number of proteins are involved in priming, including some proteins that are also involved in other types of membrane fusion events common to all cells (see Figure 5.11B). For example, two proteins originally found to be important for the fusion of vesicles with membranes of the Golgi apparatus, the ATPase NSF (NEM-sensitive fusion protein) and SNAPs (soluble NSF-attachment proteins), are also involved in priming synaptic vesicles for fusion. These two proteins work by regulating the assembly of other proteins that are called SNAREs (SNAP receptors). Many of the other proteins involved in priming—such as munc13, munc18, complexin, snapin, syntaphilin, and tomosyn— also interact with the SNAREs.

شواهد متعددی نشان می‌دهد که پروتئین سیناپسین، که به طور برگشت‌پذیر به وزیکول‌های سیناپسی متصل می‌شود، ممکن است این وزیکول‌ها را با اتصال عرضی وزیکول‌ها به یکدیگر، در مخزن ذخیره نگه دارد. حرکت این وزیکول‌های مخزن ذخیره ناشی از فسفوریلاسیون سیناپسین توسط پروتئین کینازها، به ویژه پروتئین کیناز وابسته به ⁺Ca²/کالمودولین نوع II (CaMKII؛ به فصل 7 مراجعه کنید) است که به سیناپسین اجازه می‌دهد از وزیکول‌ها جدا شود. هنگامی که وزیکول‌ها از بندهای مخزن ذخیره خود آزاد می‌شوند، راه خود را به غشای پلاسمایی باز می‌کنند و سپس با واکنش‌های اتصال که شامل پروتئین‌های SNARE هستند (به زیر مراجعه کنید)، به این غشا متصل می‌شوند. سپس مجموعه‌ای از واکنش‌های آغازگر، غشاهای وزیکولی و پلاسما را برای ادغام آماده می‌کند. تعداد زیادی از پروتئین‌ها در آغازگر دخیل هستند، از جمله برخی از پروتئین‌هایی که در انواع دیگر رویدادهای ادغام غشایی مشترک در همه سلول‌ها نیز دخیل هستند (به شکل 5.11B مراجعه کنید). برای مثال، دو پروتئین که در ابتدا برای ادغام وزیکول‌ها با غشاهای دستگاه گلژی مهم تشخیص داده شدند، یعنی ATPase NSF (پروتئین ادغام حساس به NEM) و SNAPها (پروتئین‌های محلول اتصال NSF)، در آماده‌سازی وزیکول‌های سیناپسی برای ادغام نیز نقش دارند. این دو پروتئین با تنظیم مونتاژ پروتئین‌های دیگری که SNARE (گیرنده‌های SNAP) نامیده می‌شوند، عمل می‌کنند. بسیاری از پروتئین‌های دیگر دخیل در آماده‌سازی – مانند munc13، munc18، کمپلکسین، اسناپین، سینتافیلین و توموسین – نیز با SNAREها تعامل دارند.

One of the main purposes of priming is to organize SNARE proteins into the correct conformation for membrane fusion. One of the SNARE proteins, synaptobrevin, is in the membrane of synaptic vesicles, while two other SNARE proteins called syntaxin and SNAP-25 are found primarily on the plasma membrane. These SNARE proteins can form a macromolecular complex that spans the two membranes, thus bringing them into close apposition (Figure 5.12A). Such an arrangement is well suited to promote the fusion of the two membranes, and several lines of evidence suggest that this is what actually occurs. One important observation is that toxins that cleave the SNARE proteins block neurotransmitter release (Clinical Applications). In addition, putting SNARE proteins into artificial lipid membranes and allowing these proteins to form complexes with each other causes the membranes to fuse.

یکی از اهداف اصلی آماده‌سازی، سازماندهی پروتئین‌های SNARE در ساختار صحیح برای ادغام غشا است. یکی از پروتئین‌های SNARE، سیناپتوبرووین، در غشای وزیکول‌های سیناپسی است، در حالی که دو پروتئین SNARE دیگر به نام‌های سینتاکسین و SNAP-25 عمدتاً در غشای پلاسما یافت می‌شوند. این پروتئین‌های SNARE می‌توانند یک کمپلکس ماکرومولکولی تشکیل دهند که دو غشا را در بر می‌گیرد و بنابراین آنها را در مجاورت نزدیک قرار می‌دهد (شکل 5.12A). چنین ترتیبی برای تقویت ادغام دو غشا بسیار مناسب است و شواهد متعددی نشان می‌دهد که این همان چیزی است که در واقع اتفاق می‌افتد. یک مشاهده مهم این است که سمومی که پروتئین‌های SNARE را تجزیه می‌کنند، آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی را مسدود می‌کنند (کاربردهای بالینی). علاوه بر این، قرار دادن پروتئین‌های SNARE در غشاهای لیپیدی مصنوعی و اجازه دادن به این پروتئین‌ها برای تشکیل کمپلکس با یکدیگر، باعث ادغام غشاها می‌شود.

Because the SNARE proteins do not bind Ca²⁺, still other molecules must be responsible for Ca²⁺ regulation of neurotransmitter release. Numerous presynaptic proteins, including calmodulin, CAPS, and munc-13, are capable of binding Ca²⁺. However, it appears that Ca²⁺ regulation of neurotransmitter release usually is conferred by synaptotagmins, a family of proteins found in the membrane of synaptic vesicles (see Figure 5.12A). Synaptotagmin binds Ca²⁺ at concentrations similar to those required to trigger vesicle fusion within the presynaptic terminal, and this property allows synaptotagmin to act as a Ca²⁺ sensor that triggers vesicle fusion by signaling the elevation of Ca²⁺ within the terminal. In support of this idea, disruption of synaptotagmin in the presynaptic terminals of mice, fruit flies, squid, and other experimental animals impairs Ca²⁺-dependent neurotransmitter release. In fact, deletion of only one of the 17 synaptotagmin genes (SYT) of mice is a lethal mutation, causing the mice to die soon after birth. It is thought that Ca²⁺ binding to synaptotagmin leads to exocytosis by changing the chemical properties of synaptotagmin, thereby allowing it to insert into the plasma membrane. This causes the plasma membrane to locally curve and leads to fusion of the two membranes. Thus, SNARE proteins bring the two membranes close together, while Ca²⁺-induced changes in synaptotagmin then produce the final curvature that enables rapid fusion of these membranes (Figure 5.12B).

از آنجا که پروتئین‌های SNARE به ⁺Ca² متصل نمی‌شوند، هنوز مولکول‌های دیگری باید مسئول تنظیم ⁺Ca² آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی باشند. پروتئین‌های پیش‌سیناپسی متعددی، از جمله کالمودولین، CAPS و munc-13، قادر به اتصال ⁺Ca² هستند. با این حال، به نظر می‌رسد که تنظیم ⁺Ca² آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی معمولاً توسط سیناپتوتاگمین‌ها، خانواده‌ای از پروتئین‌های موجود در غشای وزیکول‌های سیناپسی، انجام می‌شود (شکل 5.12A را ببینید). سیناپتوتاگمین، ⁺Ca² را در غلظت‌هایی مشابه غلظت‌های مورد نیاز برای شروع ادغام وزیکول در ترمینال پیش‌سیناپسی متصل می‌کند و این ویژگی به سیناپتوتاگمین اجازه می‌دهد تا به عنوان یک حسگر ⁺Ca² عمل کند که با سیگنال‌دهی افزایش ⁺Ca² در ترمینال، ادغام وزیکول را آغاز می‌کند. در تأیید این ایده، اختلال در سیناپتوتاگمین در پایانه‌های پیش‌سیناپسی موش‌ها، مگس‌های میوه، ماهی مرکب و سایر حیوانات آزمایشگاهی، آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی وابسته به ⁺Ca² را مختل می‌کند. در واقع، حذف تنها یکی از 17 ژن سیناپتوتاگمین (SYT) موش‌ها یک جهش کشنده است که باعث می‌شود موش‌ها اندکی پس از تولد بمیرند. تصور می‌شود که اتصال ⁺Ca² به سیناپتوتاگمین با تغییر خواص شیمیایی سیناپتوتاگمین منجر به اگزوسیتوز می‌شود و در نتیجه به آن اجازه می‌دهد تا وارد غشای پلاسما شود. این امر باعث می‌شود غشای پلاسما به صورت موضعی خمیده شود و منجر به ادغام دو غشا شود. بنابراین، پروتئین‌های SNARE دو غشا را به هم نزدیک می‌کنند، در حالی که تغییرات القا شده توسط ⁺Ca² در سیناپتوتاگمین، انحنای نهایی را ایجاد می‌کند که ادغام سریع این غشاها را ممکن می‌سازد (شکل 5.12B).

FIGURE 5.12 Molecular mechanisms of exocytosis during neurotransmitter release. (A) Structure of the SNARE complex. The vesicular SNARE, synaptobrevin (blue), forms a helical complex with the plasma membrane SNAREs syntaxin (red) and SNAP-25 (green). Also shown is the structure of synaptotagmin, a vesicular Ca²⁺-binding protein, with bound Ca²⁺ indicated by spheres. (B) A model for Ca²⁺-triggered vesicle fusion. During docking of the synaptic vesicle, SNARE proteins on the vesicle and plasma membranes form a complex (as in A) that brings together the two membranes. Synaptotagmin binds to this SNARE complex. Subsequent binding of Ca²⁺ to synaptotagmin causes the cytoplasmic region of this protein to insert into the plasma membrane to produce the membrane curvature that catalyzes membrane fusion. (A from Sutton et al., 1998 and Madej et al., 2014; B after Zhou et al., 2015.)

شکل ۵.۱۲ مکانیسم‌های مولکولی اگزوسیتوز در طول آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی. (الف) ساختار کمپلکس SNARE. SNARE وزیکولی، سیناپتوبرووین (آبی)، یک کمپلکس مارپیچی با سینتاکسین غشای پلاسمایی SNAREها (قرمز) و SNAP-25 (سبز) تشکیل می‌دهد. همچنین ساختار سیناپتوتاگمین، یک پروتئین متصل شونده به ⁺Ca² وزیکولی، با ⁺Ca² متصل که با کره نشان داده شده است، نشان داده شده است. (ب) مدلی برای همجوشی وزیکول ناشی از ⁺Ca². در طول اتصال وزیکول سیناپسی، پروتئین‌های SNARE روی وزیکول و غشاهای پلاسمایی یک کمپلکس (مانند شکل A) تشکیل می‌دهند که دو غشا را به هم نزدیک می‌کند. سیناپتوتاگمین به این کمپلکس SNARE متصل می‌شود. اتصال بعدی ⁺Ca² به سیناپتوتاگمین باعث می‌شود ناحیه سیتوپلاسمی این پروتئین وارد غشای پلاسما شود تا انحنای غشایی را ایجاد کند که همجوشی غشا را کاتالیز می‌کند. (الف از ساتون و همکاران، ۱۹۹۸ و مادج و همکاران، ۲۰۱۴؛ ب از ژو و همکاران، ۲۰۱۵.)

Still other proteins appear to be involved at the endocytosis steps of the synaptic vesicle cycle (Figure 5.13). The most important protein involved in endocytotic budding of vesicles from the plasma membrane is clathrin. Clathrin has a unique structure that is called a triskelion because of its three-legged appearance; these triskelia can assemble to form a cagelike coating around the vesicle membrane (see Figure 5.13A). Several adaptor proteins, such as AP-2 and AP-180, connect clathrin to the proteins and lipids of this membrane. These adaptor proteins, as well as other proteins such as amphiphysin, epsin, and Eps-15, help assemble individual triskelia into structures that resemble geodesic domes (see Figure 5.13A, bottom). Such domelike structures form coated pits that initiate membrane budding, increasing the curvature of the budding membrane until it forms a coated vesicle-like structure that remains connected to the plasma membrane via a narrow lipid stalk (Figure 5.13C). Another protein, called dynamin, forms a ringlike coil that surrounds the lipid stalk (see Figure 5.13B). This coil causes the final pinching-off of membrane that severs the stalk and completes the production of coated vesicles. Coated vesicles then are transported away from the plasma membrane by the cytoskeletal protein actin. This allows the clathrin coats to be removed by an ATPase, Hsc70, with another protein, auxilin, serving as a co-factor that recruits Hsc70 to the coated vesicle. Other proteins, such as synaptojanin, are also important for vesicle uncoating. Uncoated vesicles can then continue their journey through the recycling process, eventually becoming refilled with neurotransmitter due to the actions of neurotransmitter transporters in the vesicle membrane. These transporters exchange protons within the vesicle for neurotransmitter; the acidic interior of the vesicle is produced by a proton pump that also is located in the vesicle membrane.

به نظر می‌رسد پروتئین‌های دیگری نیز در مراحل اندوسیتوز چرخه وزیکول سیناپسی دخیل هستند (شکل 5.13). مهمترین پروتئین دخیل در جوانه زدن اندوسیتوزی وزیکول‌ها از غشای پلاسما، کلاترین است. کلاترین ساختار منحصر به فردی دارد که به دلیل ظاهر سه‌پایه‌اش، تریسکیلیون نامیده می‌شود. این تریسکیلیاها می‌توانند برای تشکیل یک پوشش قفس‌مانند در اطراف غشای وزیکول جمع شوند (شکل 5.13A را ببینید). چندین پروتئین آداپتور، مانند AP-2 و AP-180، کلاترین را به پروتئین‌ها و لیپیدهای این غشا متصل می‌کنند. این پروتئین‌های آداپتور، و همچنین پروتئین‌های دیگری مانند آمفیفیزین، اپسین و Eps-15، به جمع شدن تریسکیلیاهای منفرد در ساختارهایی شبیه گنبدهای ژئودزیک کمک می‌کنند (شکل 5.13A، پایین را ببینید). چنین ساختارهای گنبدی شکلی، گودال‌های پوشش‌داری را تشکیل می‌دهند که جوانه‌زنی غشاء را آغاز می‌کنند و انحنای غشاء جوانه‌زده را افزایش می‌دهند تا زمانی که یک ساختار وزیکول‌مانند پوشش‌دار تشکیل شود که از طریق یک ساقه لیپیدی باریک به غشای پلاسمایی متصل می‌ماند (شکل 5.13C). پروتئین دیگری به نام دینامین، یک کلاف حلقه‌ای شکل تشکیل می‌دهد که ساقه لیپیدی را احاطه می‌کند (شکل 5.13B را ببینید). این کلاف باعث جدا شدن نهایی غشاء می‌شود که ساقه را جدا کرده و تولید وزیکول‌های پوشش‌دار را تکمیل می‌کند. سپس وزیکول‌های پوشش‌دار توسط پروتئین اسکلت سلولی اکتین از غشای پلاسمایی دور می‌شوند. این امر به پوشش‌های کلاترین اجازه می‌دهد تا توسط یک ATPase، Hsc70، با پروتئین دیگری به نام اکسیلین که به عنوان یک کوفاکتور عمل می‌کند و Hsc70 را به وزیکول پوشش‌دار جذب می‌کند، برداشته شوند. پروتئین‌های دیگری مانند سیناپتوجنین نیز برای از بین بردن پوشش وزیکول مهم هستند. وزیکول‌های بدون پوشش می‌توانند سفر خود را از طریق فرآیند بازیافت ادامه دهند و در نهایت به دلیل عملکرد ناقل‌های انتقال‌دهنده عصبی در غشای وزیکول، دوباره با انتقال‌دهنده عصبی پر شوند. این ناقل‌ها پروتون‌ها را در داخل وزیکول با انتقال‌دهنده عصبی مبادله می‌کنند؛ فضای داخلی اسیدی وزیکول توسط یک پمپ پروتون تولید می‌شود که آن هم در غشای وزیکول قرار دارد.

FIGURE 5.13 Molecular mechanisms of endocytosis following neurotransmitter release. (A) Individual clathrin triskelia assemble together to form membrane coats involved in membrane budding during endocytosis. (B) Dynamin forms ringlike coils around the lipid stalks of budding membranes; these rings disconnect vesicle membrane from plasma membrane during endocytosis. (C) A model for membrane budding during endocytosis. Following addition of synaptic vesicle membrane during exocytosis, clathrin triskelia attach to the vesicular membrane. Adaptor proteins, such as AP-2 and AP180, aid their attachment. Polymerization of clathrin causes the membrane to curve and constrict, allowing dynamin to pinch off the coated vesicle. Subsequent uncoating of the vesicle, by Hsc70 and auxilin, yields a recycled synaptic vesicle. (A fromFotin et al., 2004; B from Ruebold et al., 2015; C after Shupliakov et al., 2010.)

شکل ۵.۱۳ مکانیسم‌های مولکولی اندوسیتوز پس از آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی. (الف) کلاترین تریسکیلیاهای منفرد با هم جمع می‌شوند تا پوشش‌های غشایی دخیل در جوانه‌زنی غشا در طول اندوسیتوز را تشکیل دهند. (ب) دینامین، حلقه‌های حلقه‌ای شکل را در اطراف ساقه‌های لیپیدی غشاهای جوانه‌زننده تشکیل می‌دهد؛ این حلقه‌ها غشای وزیکول را از غشای پلاسما در طول اندوسیتوز جدا می‌کنند. (ج) مدلی برای جوانه‌زنی غشا در طول اندوسیتوز. پس از اضافه شدن غشای وزیکول سیناپسی در طول اگزوسیتوز، کلاترین تریسکیلیا به غشای وزیکولی متصل می‌شود. پروتئین‌های آداپتور، مانند AP-2 و AP180، به اتصال آنها کمک می‌کنند. پلیمریزاسیون کلاترین باعث انحنا و انقباض غشا می‌شود و به دینامین اجازه می‌دهد تا وزیکول پوشش‌دار را جدا کند. برداشتن پوشش بعدی وزیکول، توسط Hsc70 و اکسیلین، یک وزیکول سیناپسی بازیافتی ایجاد می‌کند. (الف از فوتین و همکاران، ۲۰۰۴؛ ب از روبولد و همکاران، ۲۰۱۵؛ ج از شوپلیاکوف و همکاران، ۲۰۱۰.)

In summary, a complex cascade of proteins, acting in a defined temporal and spatial order, allows neurons to secrete transmitters. This molecular cascade underlies the powerful ability of the brain to use its synapses to process and store information.

به طور خلاصه، آبشاری پیچیده از پروتئین‌ها، که با نظم زمانی و مکانی مشخصی عمل می‌کنند، به نورون‌ها اجازه می‌دهند تا فرستنده‌هایی ترشح کنند. این آبشار مولکولی، زیربنای توانایی قدرتمند مغز در استفاده از سیناپس‌هایش برای پردازش و ذخیره اطلاعات است.

CLINICAL  APPLICATIONS

Disorders That Affect the Presynaptic Terminal