Overview

ELECTRICAL  AND  CHEMICAL  SIGNALING  MECHANISMS allow one nerve cell to receive and transmit information to another. This chapter focuses on the related events within neurons and other cells that are triggered by the inter- action of a chemical signal with its receptor. This intracellular processing typically begins when extracellular chemical signals (such as neurotransmitters, hormones, and trophic factors) bind to specific receptors located either on the surface or in the cytoplasm or nucleus of the target cells. Such binding activates the receptors and in so doing stimulates cascades of intracellular reactions involving GTP-binding proteins, second-messenger molecules, protein kinases, ion channels, and many other effector proteins whose modulation temporarily changes the physiological state of the target cell. These same intracellular signal transduction pathways can also cause longer-lasting changes by altering the transcription of genes, thus affecting the protein composition of the target cells on a more permanent basis. The large number of components involved in intracellular signaling pathways allows precise temporal and spatial control over the function of individual neurons, thereby enabling control and coordination of the activity of neurons that comprise neural circuits and systems.

مرور کلی

مکانیسم‌های سیگنال‌دهی الکتریکی و شیمیایی به یک سلول عصبی اجازه می‌دهند تا اطلاعات را دریافت و به سلول دیگر منتقل کند. این فصل بر رویدادهای مرتبط درون نورون‌ها و سایر سلول‌ها که توسط تعامل یک سیگنال شیمیایی با گیرنده آن ایجاد می‌شوند، تمرکز دارد. این پردازش درون سلولی معمولاً زمانی شروع می‌شود که سیگنال‌های شیمیایی خارج سلولی (مانند انتقال‌دهنده‌های عصبی، هورمون‌ها و عوامل تغذیه‌ای) به گیرنده‌های خاصی که یا روی سطح یا در سیتوپلاسم یا هسته سلول‌های هدف قرار دارند، متصل شوند. چنین اتصالی گیرنده‌ها را فعال می‌کند و با این کار آبشارهایی از واکنش‌های درون سلولی شامل پروتئین‌های متصل شونده به GTP، مولکول‌های پیام‌رسان ثانویه، پروتئین کینازها، کانال‌های یونی و بسیاری از پروتئین‌های مؤثر دیگر را تحریک می‌کند که مدولاسیون آنها به طور موقت وضعیت فیزیولوژیکی سلول هدف را تغییر می‌دهد. همین مسیرهای انتقال سیگنال درون سلولی همچنین می‌توانند با تغییر رونویسی ژن‌ها، تغییرات طولانی‌تری ایجاد کنند و در نتیجه بر ترکیب پروتئین سلول‌های هدف به طور دائمی‌تری تأثیر بگذارند. تعداد زیاد اجزای دخیل در مسیرهای سیگنالینگ درون سلولی، امکان کنترل دقیق زمانی و مکانی بر عملکرد نورون‌های منفرد را فراهم می‌کند و در نتیجه کنترل و هماهنگی فعالیت نورون‌هایی را که مدارها و سیستم‌های عصبی را تشکیل می‌دهند، امکان‌پذیر می‌سازد.

Strategies of Molecular Signaling

Chemical communication coordinates the behavior of individual nerve and glial cells in physiological processes that range from neural differentiation to learning and memory. Indeed, molecular signaling ultimately mediates and modulates all brain functions. To carry out such communication, a series of extraordinarily diverse and complex chemical signaling pathways has evolved. The preceding chapters have described in some detail the electrical signaling mechanisms that allow neurons to generate action potentials for conduction of information. Those chapters also described synaptic transmission, a special form of chemical signaling that transfers information from one neuron to another. But chemical signaling is not limited to synapses. Other well-characterized forms of chemical communication include paracrine signaling, which acts over a longer range than synaptic transmission and involves the secretion of chemical signals onto a group of nearby target cells, and endocrine signaling, which refers to the secretion of hormones into the blood- stream, where they can affect targets throughout the body (Figure 7.1).

استراتژی‌های سیگنالینگ مولکولی

ارتباط شیمیایی، رفتار سلول‌های عصبی و گلیال منفرد را در فرآیندهای فیزیولوژیکی که از تمایز عصبی تا یادگیری و حافظه متغیر است، هماهنگ می‌کند. در واقع، سیگنالینگ مولکولی در نهایت واسطه و تعدیل کننده تمام عملکردهای مغز است. برای انجام چنین ارتباطی، مجموعه‌ای از مسیرهای سیگنالینگ شیمیایی فوق‌العاده متنوع و پیچیده تکامل یافته است. فصل‌های قبلی مکانیسم‌های سیگنالینگ الکتریکی را که به نورون‌ها اجازه می‌دهند پتانسیل‌های عمل را برای هدایت اطلاعات تولید کنند، با جزئیات شرح داده‌اند. این فصل‌ها همچنین انتقال سیناپسی، نوع خاصی از سیگنالینگ شیمیایی که اطلاعات را از یک نورون به نورون دیگر منتقل می‌کند، را شرح داده‌اند. اما سیگنالینگ شیمیایی محدود به سیناپس‌ها نیست. سایر اشکال شناخته شده ارتباط شیمیایی شامل سیگنالینگ پاراکرین است که در محدوده طولانی‌تری نسبت به انتقال سیناپسی عمل می‌کند و شامل ترشح سیگنال‌های شیمیایی به گروهی از سلول‌های هدف مجاور است و سیگنالینگ غدد درون‌ریز که به ترشح هورمون‌ها به جریان خون اشاره دارد، جایی که می‌توانند بر اهداف در سراسر بدن تأثیر بگذارند (شکل 7.1).

Chemical signaling of any sort requires three components: a molecular signal that transmits information from one cell to another; a receptor molecule that transduces the information provided by the signal; and an effector molecule that mediates the cellular response (see Figure 7.1A). The part of this process that takes place within the confinesof the target cell is called intracellular signal transduction. A good example of transduction in the context of intercellular communication is the sequence of events triggered by chemical synaptic transmission (see Figure 7.1A and Chapter 5): Neurotransmitters serve as the signal, neurotransmitter receptors serve as the transducing receptor, and the effector molecule is an ion channel that is opened or closed to produce the electrical response of the postsynaptic cell. In many cases, however, synaptic transmission activates additional intracellular pathways that have a variety of functional consequences. For example, the binding of the neurotransmitter norepinephrine to its receptor activates GTP-binding proteins (see Figure 6.16B), which produces second messengers within the postsynaptic target, activates enzyme cascades, and eventually changes the chemical properties of numerous effector molecules within the affected cell.

سیگنال‌دهی شیمیایی از هر نوع، به سه جزء نیاز دارد: یک سیگنال مولکولی که اطلاعات را از یک سلول به سلول دیگر منتقل می‌کند؛ یک مولکول گیرنده که اطلاعات ارائه شده توسط سیگنال را منتقل می‌کند؛ و یک مولکول مؤثر که واسطه پاسخ سلولی است (شکل 7.1A را ببینید). بخشی از این فرآیند که در محدوده سلول هدف رخ می‌دهد، انتقال سیگنال درون سلولی نامیده می‌شود. یک مثال خوب از انتقال در زمینه ارتباط بین سلولی، توالی رویدادهایی است که توسط انتقال سیناپسی شیمیایی آغاز می‌شوند (شکل 7.1A و فصل 5 را ببینید): انتقال‌دهنده‌های عصبی به عنوان سیگنال عمل می‌کنند، گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی به عنوان گیرنده انتقال دهنده عمل می‌کنند و مولکول مؤثر یک کانال یونی است که برای تولید پاسخ الکتریکی سلول پس سیناپسی باز یا بسته می‌شود. با این حال، در بسیاری از موارد، انتقال سیناپسی مسیرهای درون سلولی اضافی را فعال می‌کند که پیامدهای عملکردی متنوعی دارند. برای مثال، اتصال نوروترانسمیتر نوراپی نفرین به گیرنده‌اش، پروتئین‌های متصل شونده به GTP را فعال می‌کند (شکل 6.16B را ببینید)، که باعث تولید پیام‌رسان‌های ثانویه در هدف پس‌سیناپسی، فعال شدن آبشارهای آنزیمی و در نهایت تغییر خواص شیمیایی مولکول‌های مؤثر متعدد در سلول آسیب‌دیده می‌شود.

FIGURE 7.1 Chemical signaling. (A) Forms of chemical communication include synaptic transmission, paracrine signaling, and endocrine signaling. (B) The essential components ofchemical signaling are: cells that initiate the process by releasing signaling molecules; specific receptors on target cells; intraccellular effector molecules; and subsequent cellular responses.

شکل ۷.۱ سیگنالینگ شیمیایی. (الف) اشکال ارتباط شیمیایی شامل انتقال سیناپسی، سیگنالینگ پاراکرین و سیگنالینگ غدد درون ریز است. (ب) اجزای ضروری سیگنالینگ شیمیایی عبارتند از: سلول‌هایی که با آزاد کردن مولکول‌های سیگنالینگ، فرآیند را آغاز می‌کنند؛ گیرنده‌های خاص روی سلول‌های هدف؛ مولکول‌های مؤثر درون سلولی؛ و پاسخ‌های سلولی بعدی.

A general advantage of chemical signaling in both intercellular and intracellular contexts is signal amplification. Amplification occurs because individual signaling reactions can generate a much larger number of molecular products than the number of molecules that initiate the reaction. In the case of norepinephrine signaling, for ex- ample, a single norepinephrine molecule binding to its receptor can generate many thousands of second-messenger molecules (such as cyclic AMP), yielding an amplification of tens of thousands of phosphates transferred to effector proteins (Figure 7.2). Similar amplification occurs in all signal transduction pathways. Because the transduction processes often are mediated by a sequential set of enzymatic reactions, each with its own amplification factor, a small number of signal molecules ultimately can activate a very large number of effector molecules. Such amplification guarantees that a physiological response is evoked in the face of other, potentially countervailing, influences.

یک مزیت کلی سیگنالینگ شیمیایی در هر دو زمینه بین سلولی و درون سلولی، تقویت سیگنال است. تقویت سیگنال به این دلیل رخ می‌دهد که واکنش‌های سیگنالینگ منفرد می‌توانند تعداد بسیار بیشتری از محصولات مولکولی را نسبت به تعداد مولکول‌هایی که واکنش را آغاز می‌کنند، تولید کنند. به عنوان مثال، در مورد سیگنالینگ نوراپی نفرین، یک مولکول نوراپی نفرین منفرد که به گیرنده خود متصل می‌شود، می‌تواند هزاران مولکول پیام‌رسان ثانویه (مانند AMP حلقوی) تولید کند و منجر به تقویت ده‌ها هزار فسفات منتقل شده به پروتئین‌های مؤثر شود (شکل 7.2). تقویت مشابهی در تمام مسیرهای انتقال سیگنال رخ می‌دهد. از آنجا که فرآیندهای انتقال اغلب توسط مجموعه‌ای متوالی از واکنش‌های آنزیمی انجام می‌شوند که هر کدام فاکتور تقویت خاص خود را دارند، تعداد کمی از مولکول‌های سیگنال در نهایت می‌توانند تعداد بسیار زیادی از مولکول‌های مؤثر را فعال کنند. چنین تقویتی تضمین می‌کند که یک پاسخ فیزیولوژیکی در مواجهه با سایر تأثیرات، که به طور بالقوه خنثی‌کننده هستند، برانگیخته می‌شود.

Another rationale for these complex signal transduction schemes is that they permit precise control of cell behavior over a wide range of times. Some molecular interactions allow information to be transferred rapidly, while others are slower and longer lasting. For example, the signaling cascades associated with synaptic transmission at neuromuscular junctions allow a person to respond to rapidly changing cues, such as the trajectory of a kicked ball, while the slower responses triggered by adrenal medullary hormones (epinephrine and norepinephrine) secreted during a challenging game produce slower and longer-lasting effects on muscle metabolism (see Chapter 21) and emotional state (see Chapter 31). To encode information that varies so widely over time, the concentration of the relevant signaling molecules must be carefully controlled. On one hand, the concentration of every signaling molecule within the signaling cascade must return to subthreshold values before the arrival of another stimulus. On the other hand, prolonged activation of the intermediates in a signaling pathway is critical for a sustained response. Having multiple levels of molecular interactions facilitates the intricate timing of these signaling events.

دلیل دیگر برای این طرح‌های پیچیده انتقال سیگنال این است که آنها امکان کنترل دقیق رفتار سلول را در طیف وسیعی از زمان‌ها فراهم می‌کنند. برخی از فعل و انفعالات مولکولی اجازه می‌دهند اطلاعات به سرعت منتقل شوند، در حالی که برخی دیگر کندتر و طولانی‌تر هستند. به عنوان مثال، آبشارهای سیگنالینگ مرتبط با انتقال سیناپسی در اتصالات عصبی-عضلانی به فرد اجازه می‌دهند تا به نشانه‌های سریع در حال تغییر، مانند مسیر توپ شوت شده، پاسخ دهد، در حالی که پاسخ‌های کندتر که توسط هورمون‌های آدرنال مدولا (اپی نفرین و نوراپی نفرین) ترشح شده در طول یک بازی چالش برانگیز ایجاد می‌شوند، اثرات کندتر و طولانی‌تری بر متابولیسم عضلات (به فصل 21 مراجعه کنید) و حالت عاطفی (به فصل 31 مراجعه کنید) ایجاد می‌کنند. برای رمزگذاری اطلاعاتی که در طول زمان بسیار متفاوت است، غلظت مولکول‌های سیگنالینگ مربوطه باید به دقت کنترل شود. از یک طرف، غلظت هر مولکول سیگنالینگ در آبشار سیگنالینگ باید قبل از رسیدن محرک دیگر به مقادیر زیرآستانه بازگردد. از طرف دیگر، فعال شدن طولانی مدت واسطه‌ها در یک مسیر سیگنالینگ برای یک پاسخ پایدار حیاتی است. داشتن سطوح چندگانه‌ی برهمکنش‌های مولکولی، زمان‌بندی پیچیده‌ی این رویدادهای سیگنالینگ را تسهیل می‌کند.

FIGURE 7.2 Amplification in signal transduction pathways. The activation of a single receptor by a signaling molecule, such as the neurotransmitter norepinephrine, can lead to the activation of numerous G-proteins inside cells. These activated proteins can bind to other signaling molecules, such as the enzyme adenylyl cyclase. Each activated enzyme molecule generates a large number of cAMP molecules. cAMP binds to and activates another family of enzymes—the protein kinases—that can phosphorylate many target proteins. Although not every step in this signaling pathway involves amplification, overall the cascade results in a tremendous increase in the potency of the initial signal.

شکل۷.۲ تقویت در مسیرهای انتقال سیگنال. فعال شدن یک گیرنده واحد توسط یک مولکول سیگنالینگ، مانند انتقال دهنده عصبی نوراپی نفرین، می‌تواند منجر به فعال شدن پروتئین‌های G متعددی در داخل سلول‌ها شود. این پروتئین‌های فعال شده می‌توانند به سایر مولکول‌های سیگنالینگ، مانند آنزیم آدنیلیل سیکلاز، متصل شوند. هر مولکول آنزیم فعال شده تعداد زیادی مولکول cAMP تولید می‌کند. cAMP به خانواده دیگری از آنزیم‌ها – پروتئین کینازها – که می‌توانند بسیاری از پروتئین‌های هدف را فسفریله کنند، متصل شده و آنها را فعال می‌کند. اگرچه هر مرحله در این مسیر سیگنالینگ شامل تقویت نمی‌شود، اما در کل، آبشار منجر به افزایش فوق‌العاده‌ای در قدرت سیگنال اولیه می‌شود.

Activation of Signaling Pathways

The molecular components of intracel- lular signal transduction pathways are always activated by a chemical signaling molecule. Such signaling molecules can be grouped into three classes: cell-impermeant, cell- permeant, and cell-associated signaling molecules (Figure 7.3). The first two classes are secreted molecules and thus can act on target cells removed from the site of signal synthesis or release. Cell-impermeant signaling molecules typically bind to receptors associated with the plasma membrane. Hundreds of secreted molecules have now been identified, including the neurotransmitters discussed in Chapter 6; proteins such as neurotrophic factors (see Chapter 23); and peptide hormones such as glucagon,Minsulin, and various reproductive hormones. These signaling molecules are typically short-lived, either because they are rapidly metabolized or because they are internalized by endocytosis once bound to their receptors.

فعال‌سازی مسیرهای سیگنالینگ

اجزای مولکولی مسیرهای انتقال سیگنال درون سلولی همیشه توسط یک مولکول سیگنالینگ شیمیایی فعال می‌شوند. چنین مولکول‌های سیگنالینگی را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: مولکول‌های سیگنالینگ غیرنفوذی سلولی، مولکول‌های سیگنالینگ مرتبط با سلول (شکل 7.3). دو دسته اول مولکول‌های ترشحی هستند و بنابراین می‌توانند بر روی سلول‌های هدف که از محل سنتز یا آزادسازی سیگنال حذف شده‌اند، عمل کنند. مولکول‌های سیگنالینگ غیرنفوذی سلولی معمولاً به گیرنده‌های مرتبط با غشای پلاسما متصل می‌شوند. اکنون صدها مولکول ترشحی شناسایی شده‌اند، از جمله انتقال‌دهنده‌های عصبی مورد بحث در فصل 6؛ پروتئین‌هایی مانند فاکتورهای نوروتروفیک (به فصل 23 مراجعه کنید)؛ و هورمون‌های پپتیدی مانند گلوکاگون، مینسولین و هورمون‌های تولید مثلی مختلف. این مولکول‌های سیگنالینگ معمولاً عمر کوتاهی دارند، یا به این دلیل که به سرعت متابولیزه می‌شوند یا به این دلیل که پس از اتصال به گیرنده‌هایشان توسط اندوسیتوز درونی می‌شوند.

FIGURE 7.3 Three classes of cell signaling molecules. (A) Cell-impermeant molecules, such as neurotransmitters, cannot readily traverse the plasma membrane of the target cell and must bind to the extracellular portion of transmembrane receptor proteins. (B) Cell-permeant molecules are able to cross the plasma membrane and bind to receptors in the cytoplasm or nucleus of target cells. (C) Cell-associated molecules are presented on the extracellular surface of the plasma membrane. These signals activate receptors on target cells only if they are directly adjacent to the signaling cell.

شکل ۷.۳ سه دسته از مولکول‌های سیگنال‌دهنده سلولی. (الف) مولکول‌های نفوذناپذیر سلولی، مانند انتقال‌دهنده‌های عصبی، نمی‌توانند به راحتی از غشای پلاسمایی سلول هدف عبور کنند و باید به بخش خارج سلولی پروتئین‌های گیرنده غشایی متصل شوند. (ب) مولکول‌های نفوذپذیر سلولی قادر به عبور از غشای پلاسمایی و اتصال به گیرنده‌های موجود در سیتوپلاسم یا هسته سلول‌های هدف هستند. (ج) مولکول‌های مرتبط با سلول در سطح خارج سلولی غشای پلاسمایی قرار دارند. این سیگنال‌ها گیرنده‌های سلول‌های هدف را تنها در صورتی فعال می‌کنند که مستقیماً در مجاورت سلول سیگنال‌دهنده باشند.

Cell-permeant signaling molecules can cross the plasma membrane to act directly on receptors that are inside the cell. Examples include numerous steroid hormones (glucocorticoids, estradiol, and testosterone), thyroid hormones (thyroxin), and retinoids. These signaling molecules are relatively insoluble in aqueous solutions and are often trans- ported in blood and other extracellular fluids by binding to specific carrier proteins. In this form, they may persist in the bloodstream for hours or even days.

مولکول‌های سیگنال‌دهنده‌ی نفوذپذیر به سلول می‌توانند از غشای پلاسما عبور کرده و مستقیماً بر گیرنده‌هایی که درون سلول هستند، تأثیر بگذارند. مثال‌ها شامل هورمون‌های استروئیدی متعدد (گلوکوکورتیکوئیدها، استرادیول و تستوسترون)، هورمون‌های تیروئید (تیروکسین) و رتینوئیدها هستند. این مولکول‌های سیگنال‌دهنده در محلول‌های آبی نسبتاً نامحلول هستند و اغلب با اتصال به پروتئین‌های حامل خاص، در خون و سایر مایعات خارج سلولی منتقل می‌شوند. در این شکل، آنها ممکن است ساعت‌ها یا حتی روزها در جریان خون باقی بمانند.

The third group of chemical signaling molecules, cell-associated signaling molecules, is arrayed on the extracellular surface of the plasma membrane. As a result, these molecules act only on other cells that are physically in contact with the cell that carries such signals. Examples include proteins such as the integrins and neural cell adhesion molecules (NCAMs) that influence axonal growth (see Chapter 23). Membrane-bound signaling molecules are more difficult to study, but are clearly important in neuronal development and other circumstances where physical contact between cells provides information about cellular identities.

گروه سوم مولکول‌های سیگنال‌دهنده‌ی شیمیایی، مولکول‌های سیگنال‌دهنده‌ی مرتبط با سلول، روی سطح خارج سلولی غشای پلاسما قرار دارند. در نتیجه، این مولکول‌ها فقط بر روی سلول‌های دیگری که از نظر فیزیکی در تماس با سلول حامل چنین سیگنال‌هایی هستند، تأثیر می‌گذارند. مثال‌ها شامل پروتئین‌هایی مانند اینتگرین‌ها و مولکول‌های چسبندگی سلول عصبی (NCAMs) هستند که بر رشد آکسون تأثیر می‌گذارند (به فصل 23 مراجعه کنید). مطالعه مولکول‌های سیگنال‌دهنده متصل به غشا دشوارتر است، اما در رشد نورونی و سایر شرایطی که تماس فیزیکی بین سلول‌ها اطلاعاتی در مورد هویت سلولی ارائه می‌دهد، به وضوح مهم هستند.

Receptor Types

Regardless of the nature of the initiating signal, cellular responses are determined by the presence of receptors that specifically bind to the signaling molecules. Binding of signal molecules causes a conformational change in the receptor, which then triggers a subsequent signaling cascade within the affected cell. The receptors for impermeant signal molecules are proteins that span the plasma membrane. The extracellular domain of such receptors includes the binding site for the signal, while the intracellular domain activates intracellular signaling cascades after the signal binds. A large number of these receptors have been identified and are grouped into families defined by the mechanism used to transduce signal binding into a cellular response (Figure 7.4).

انواع گیرنده‌ها

صرف نظر از ماهیت سیگنال آغازین، پاسخ‌های سلولی با حضور گیرنده‌هایی که به طور خاص به مولکول‌های سیگنالینگ متصل می‌شوند، تعیین می‌شوند. اتصال مولکول‌های سیگنال باعث تغییر ساختاری در گیرنده می‌شود که سپس آبشار سیگنالینگ بعدی را در سلول آسیب‌دیده آغاز می‌کند. گیرنده‌های مولکول‌های سیگنالینگ غیرنفوذی، پروتئین‌هایی هستند که در غشای پلاسمایی قرار دارند. دامنه خارج سلولی چنین گیرنده‌هایی شامل محل اتصال سیگنال است، در حالی که دامنه درون سلولی، آبشارهای سیگنالینگ درون سلولی را پس از اتصال سیگنال فعال می‌کند. تعداد زیادی از این گیرنده‌ها شناسایی شده‌اند و در خانواده‌هایی گروه‌بندی می‌شوند که توسط مکانیسم مورد استفاده برای تبدیل اتصال سیگنال به یک پاسخ سلولی تعریف شده‌اند (شکل 7.4).

Channel- linked receptors (see Figure 7.4A), also called ligand-gated ion channels (see Figure 4.8), have the receptor and transducing functions as part of the same protein molecule. Interaction of the chemical signal with the binding site of the receptor causes the opening or closing of an ion channel pore in another part of the same molecule. The resulting ion flux changes the membrane potential of the target cell and, in some cases, can also lead to entry of Ca²⁺ ions that serve as a second-messenger signal within the cell. Good examples of such receptors are the numerous ionotropic neurotransmitter receptors described in Chapter 6.

گیرنده‌های متصل به کانال (به شکل 7.4A مراجعه کنید)، که کانال‌های یونی دریچه‌دار لیگاندی نیز نامیده می‌شوند (به شکل 4.8 مراجعه کنید)، عملکردهای گیرنده و انتقال را به عنوان بخشی از همان مولکول پروتئینی دارند. برهمکنش سیگنال شیمیایی با محل اتصال گیرنده باعث باز یا بسته شدن منافذ کانال یونی در قسمت دیگری از همان مولکول می‌شود. شار یون حاصل، پتانسیل غشای سلول هدف را تغییر می‌دهد و در برخی موارد، می‌تواند منجر به ورود یون‌های Ca2+ شود که به عنوان سیگنال پیام‌رسان ثانویه در داخل سلول عمل می‌کنند. نمونه‌های خوبی از چنین گیرنده‌هایی، گیرنده‌های متعدد انتقال‌دهنده عصبی یونوتروپیک هستند که در فصل 6 توضیح داده شده‌اند.

Enzyme-linked receptors also have an extracellular binding site for chemical signals (see Figure 7.4B). The intracellular domain of such receptors is an enzyme whose catalytic activity is regulated by the binding of an extracellular signal. The great majority of these receptors are protein kinases, often tyrosine kinases, that phosphorylate intracellular target proteins, thereby changing the physiological function of the target cells. Noteworthy members of this group of receptors are the Trk family of neurotrophin receptors (see Chapter 23) and other receptors for growth factors.

گیرنده‌های متصل به آنزیم همچنین دارای یک جایگاه اتصال خارج سلولی برای سیگنال‌های شیمیایی هستند (شکل 7.4B را ببینید). دامنه درون سلولی چنین گیرنده‌هایی، آنزیمی است که فعالیت کاتالیزوری آن با اتصال یک سیگنال خارج سلولی تنظیم می‌شود. اکثریت قریب به اتفاق این گیرنده‌ها، پروتئین کینازها، اغلب تیروزین کینازها، هستند که پروتئین‌های هدف درون سلولی را فسفریله می‌کنند و در نتیجه عملکرد فیزیولوژیکی سلول‌های هدف را تغییر می‌دهند. اعضای قابل توجه این گروه از گیرنده‌ها، خانواده Trk از گیرنده‌های نوروتروفین (به فصل 23 مراجعه کنید) و سایر گیرنده‌های فاکتورهای رشد هستند.

G-protein-coupled receptors (see Figure 7.4C), also called metabotropic receptors (see Chapter 5), regulate intracellular reactions by an indirect mechanism involving an intermediate transducing molecule, called a GTP-binding protein (or G-protein). Hundreds of different G-protein-linked receptors have been identified. Well-known examples include the b-adrenergic receptor, the muscarinic type of acetylcholine receptor, and metabotropic glutamate receptors discussed in Chapter 6, as well as the receptors for odorants in the olfactory system, and many types of receptors for peptide hormones. Rhodopsins, the light-sensitive proteins of retinal photoreceptors, are another type of G-protein-linked receptor whose activating signal is photons of light, rather than a chemical signal (see Figure 11.9).

گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G (شکل 7.4C را ببینید)، که گیرنده‌های متابوتروپیک نیز نامیده می‌شوند (به فصل 5 مراجعه کنید)، واکنش‌های درون سلولی را با مکانیسم غیرمستقیمی شامل یک مولکول انتقال‌دهنده واسطه، به نام پروتئین متصل‌شونده به GTP (یا پروتئین G) تنظیم می‌کنند. صدها گیرنده مختلف مرتبط با پروتئین G شناسایی شده‌اند. نمونه‌های شناخته‌شده شامل گیرنده β-آدرنرژیک، گیرنده استیل کولین نوع موسکارینی و گیرنده‌های گلوتامات متابوتروپیک مورد بحث در فصل 6، و همچنین گیرنده‌های بو در سیستم بویایی و انواع زیادی از گیرنده‌های هورمون‌های پپتیدی هستند. رودوپسین‌ها، پروتئین‌های حساس به نور گیرنده‌های نوری شبکیه، نوع دیگری از گیرنده‌های مرتبط با پروتئین G هستند که سیگنال فعال‌کننده آنها فوتون‌های نور است، نه یک سیگنال شیمیایی (شکل 11.9 را ببینید).

Intracellular receptors are activated by cell-permeant or lipophilic signaling molecules (see Figure 7.4D). Many of these receptors lead to the activation of signaling cas- cades that produce new mRNA and protein within the target cell. Often such receptors comprise a receptor protein bound to an inhibitory protein complex. When the signaling molecule binds to the receptor, the inhibitory complex dissociates to expose a DNA-binding domain on the receptor. This activated form of the receptor can then move into the nucleus and directly interact with nuclear DNA, resulting in altered transcription. Some intracellular receptors are located primarily in the cytoplasm, while others are in the nucleus. In either case, once these receptors are activated they affect gene expression by altering DNA transcription.

گیرنده‌های درون سلولی توسط مولکول‌های سیگنالینگ نفوذپذیر به سلول یا لیپوفیل فعال می‌شوند (شکل 7.4D را ببینید). بسیاری از این گیرنده‌ها منجر به فعال شدن آبشارهای سیگنالینگ می‌شوند که mRNA و پروتئین جدیدی را در سلول هدف تولید می‌کنند. اغلب چنین گیرنده‌هایی شامل یک پروتئین گیرنده متصل به یک کمپلکس پروتئینی مهارکننده هستند. هنگامی که مولکول سیگنالینگ به گیرنده متصل می‌شود، کمپلکس مهارکننده جدا می‌شود تا یک دامنه اتصال به DNA روی گیرنده را در معرض دید قرار دهد. این شکل فعال شده گیرنده می‌تواند سپس به هسته منتقل شود و مستقیماً با DNA هسته‌ای تعامل داشته باشد و منجر به تغییر رونویسی شود. برخی از گیرنده‌های درون سلولی عمدتاً در سیتوپلاسم قرار دارند، در حالی که برخی دیگر در هسته هستند. در هر صورت، هنگامی که این گیرنده‌ها فعال می‌شوند، با تغییر رونویسی DNA بر بیان ژن تأثیر می‌گذارند.

FIGURE 7.4 Categories of cellular receptors. Cell-impermeant signaling molecules can bind to and activate channel-linked receptors (A), enzyme-linked receptors (B), or G-protein-coupled receptors (C). Cell-permeant signaling molecules activate intracellular receptors (D).

شکل۷.۴ دسته بندی گیرنده های سلولی. مولکول های سیگنالینگ نفوذناپذیر در سلول می توانند به گیرنده های متصل به کانال (A)، گیرنده های متصل به آنزیم (B) یا گیرنده های جفت شده با پروتئین G (C) متصل شده و آنها را فعال کنند. مولکول های سیگنالینگ نفوذناپذیر در سلول، گیرنده های درون سلولی (D) را فعال می کنند.

G-Proteins and Their Molecular Targets

Both G-protein-coupled receptors and enzyme-linked receptors can activate biochemical reaction cascades that ultimately modify the function of target proteins. For both of these receptor types, the coupling between receptor activation and their subsequent effects is provided by GTP-binding proteins. There are two general classes of GTP-binding proteins (Figure 7.5). Heterotrimeric G-proteins consist of three distinct subunits (a, b, and g). There are many different a, b, and g subunits, allowing a bewildering number of G-protein permutations. Regardless of the specific composition of the heterotrimeric G-protein, its a subunit binds to guanine nucleotides, either GTP or GDP. Binding of GDP then allows the a subunit to bind to the b and g subunits toform an inactive trimer. Binding of an extracellular signal to a G-protein-coupled receptor in turn allows the G-protein to bind to the receptor and causes GDP to be replaced with GTP (see Figure 7.5A). When GTP is bound to the G-protein, the a subunit dissociates from the bg complex and activates the G-protein. Following activation, both the GTP-bound a subunit and the free bg subunit complex can bind to downstream effector molecules that mediate a variety of responses in the target cell.

پروتئین‌های G و اهداف مولکولی آنها

هم گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G و هم گیرنده‌های متصل به آنزیم می‌توانند آبشارهای واکنش‌های بیوشیمیایی را فعال کنند که در نهایت عملکرد پروتئین‌های هدف را تغییر می‌دهند. برای هر دو نوع گیرنده، اتصال بین فعال شدن گیرنده و اثرات بعدی آنها توسط پروتئین‌های متصل به GTP فراهم می‌شود. دو دسته کلی از پروتئین‌های متصل به GTP وجود دارد (شکل 7.5). پروتئین‌های G هتروتریمری از سه زیر واحد مجزا (a، b و g) تشکیل شده‌اند. زیر واحدهای a، b و g مختلف زیادی وجود دارد که امکان تعداد گیج‌کننده‌ای از جایگشت‌های پروتئین G را فراهم می‌کند. صرف نظر از ترکیب خاص پروتئین G هتروتریمری، زیر واحد a آن به نوکلئوتیدهای گوانین، چه GTP و چه GDP، متصل می‌شود. اتصال GDP سپس به زیر واحد a اجازه می‌دهد تا به زیر واحدهای b و g متصل شود و یک تریمر غیرفعال تشکیل دهد. اتصال یک سیگنال خارج سلولی به یک گیرنده متصل به پروتئین G به نوبه خود به پروتئین G اجازه می‌دهد تا به گیرنده متصل شود و باعث جایگزینی GDP با GTP شود (شکل 7.5A را ببینید). هنگامی که GTP به پروتئین G متصل می‌شود، زیر واحد α از کمپلکس bg جدا شده و پروتئین G را فعال می‌کند. پس از فعال شدن، هم زیر واحد α متصل به GTP و هم کمپلکس زیر واحد β آزاد می‌توانند به مولکول‌های مؤثر پایین‌دست متصل شوند که واسطه انواع پاسخ‌ها در سلول هدف هستند.

The second class of GTP-binding proteins is the monomeric G-proteins (also called small G-proteins). These monomeric GTPases also relay signals from activated cell surface receptors to intracellular targets such as the cytoskeleton and the vesicle trafficking apparatus of the cell. The first small G-protein was discovered in a virus that causes rat sarcoma tumors and was therefore called ras. Ras helps regulate cell differentiation and proliferation by relaying signals from receptor kinases to the nucleus; the viral form of ras is defective, which accounts for the ability of the virus to cause the uncontrolled cell proliferation that leads to tumors. Ras is known to be involved in many forms of neuronal signaling, including long-term synaptic potentiation (see Chapter 8). Since the discovery of ras, a large number of small GTPases have been identified and can be sorted into five different subfamilies with different functions. For instance, some are involved in vesicletrafficking in the presynaptic terminal or elsewhere in the neuron, while others play a central role in protein and RNA trafficking in and out of the nucleus.

دسته دوم پروتئین‌های متصل شونده به GTP، پروتئین‌های G مونومری (که پروتئین‌های G کوچک نیز نامیده می‌شوند) هستند. این GTPaseهای مونومری همچنین سیگنال‌ها را از گیرنده‌های فعال سطح سلول به اهداف درون سلولی مانند اسکلت سلولی و دستگاه انتقال وزیکول سلول منتقل می‌کنند. اولین G-پروتئین کوچک در ویروسی کشف شد که باعث تومورهای سارکوم موش صحرایی می‌شود و بنابراین ras نامیده شد. Ras با انتقال سیگنال‌ها از کینازهای گیرنده به هسته، به تنظیم تمایز و تکثیر سلولی کمک می‌کند. شکل ویروسی ras ناقص است، که دلیل توانایی ویروس در ایجاد تکثیر کنترل نشده سلولی است که منجر به تومورها می‌شود. Ras در بسیاری از اشکال سیگنالینگ عصبی، از جمله تقویت سیناپسی طولانی مدت، نقش دارد (به فصل 8 مراجعه کنید). از زمان کشف ras، تعداد زیادی از GTPaseهای کوچک شناسایی شده‌اند و می‌توان آنها را در پنج زیرخانواده مختلف با عملکردهای مختلف طبقه‌بندی کرد. برای مثال، برخی در انتقال وزیکول‌ها در ترمینال پیش‌سیناپسی یا هر جای دیگری در نورون نقش دارند، در حالی که برخی دیگر نقش محوری در انتقال پروتئین و RNA به داخل و خارج هسته دارند.

Similar to heterotrimeric G-proteins, monomeric G-proteins function as molecular timers that are active in their GTP-bound state, becoming inactive when they have hydrolyzed the bound GTP to GDP (see Figure 7.5B). Mo- nomeric G-proteins are activated by replacement of bound GDP with GTP; this reaction is controlled by a group of proteins called guanine nucleotide exchange factors (GEFs). There are more than 100 GEFs, some of which specifically activate single types of monomeric G-proteins, while other can activate multiple monomeric G-proteins. GEFs, in turn, are activated by binding to activated receptors. This binding is promoted by yet another protein, termed an adaptor protein.

مشابه پروتئین‌های G هتروتریمری، پروتئین‌های G مونومری به عنوان تایمرهای مولکولی عمل می‌کنند که در حالت متصل به GTP خود فعال هستند و هنگامی که GTP متصل را به GDP هیدرولیز می‌کنند، غیرفعال می‌شوند (شکل 7.5B را ببینید). پروتئین‌های G مونومری با جایگزینی GDP متصل با GTP فعال می‌شوند. این واکنش توسط گروهی از پروتئین‌ها به نام فاکتورهای تبادل نوکلئوتید گوانین (GEF) کنترل می‌شود. بیش از 100 GEF وجود دارد که برخی از آنها به طور خاص انواع واحدی از پروتئین‌های G مونومری را فعال می‌کنند، در حالی که برخی دیگر می‌توانند چندین پروتئین G مونومری را فعال کنند. GEFها به نوبه خود با اتصال به گیرنده‌های فعال شده فعال می‌شوند. این اتصال توسط پروتئین دیگری به نام پروتئین آداپتور تقویت می‌شود.

Termination of signaling by both heterotrimeric and monomeric G-proteins is determined by hydrolysis of GTP to GDP. The rate of GTP hydrolysis is an important property of a particular G-protein and can be regulated by other proteins, termed GTPase-activating proteins (GAPs). By replacing GTP with GDP, GAPs return G-proteins to their inactive form. GAPs were first recognized as regulators of small G-proteins (see Figure 7.5B), but similar proteins are now known to regulate the a subunits of heterotrimericG-proteins (see Figure 7.5A).

پایان سیگنال‌دهی توسط پروتئین‌های G هتروتریمری و مونومری با هیدرولیز GTP به GDP تعیین می‌شود. سرعت هیدرولیز GTP یک ویژگی مهم یک پروتئین G خاص است و می‌تواند توسط پروتئین‌های دیگری به نام پروتئین‌های فعال‌کننده GTPase (GAPs) تنظیم شود. GAPها با جایگزینی GTP با GDP، پروتئین‌های G را به شکل غیرفعال خود برمی‌گردانند. GAPها ابتدا به عنوان تنظیم‌کننده‌های پروتئین‌های G کوچک شناخته شدند (شکل 7.5B را ببینید)، اما اکنون مشخص شده است که پروتئین‌های مشابه، زیر واحدهای α پروتئین‌های G هتروتریمری را تنظیم می‌کنند (شکل 7.5A را ببینید).

FIGURE 7.5 Types of GTP-binding proteins. (A) Heterotrimeric G-proteins consist of three distinct subunits (a, b, and g). Receptor activation causes the binding of the G-protein and thea subunit to exchange GDP for GTP, leading to a dissociation of the a and bg subunits. The biological actions of these G-proteins are terminated by hydrolysis of GTP, which is enhanced by GT- Pase-activating (GAP) proteins. (B) Monomeric G-proteins usesimilar mechanisms to relay signals from activated cell surface receptors to intracellular targets. The biological actions of these G-proteins depends on binding of GTP, which is activated by guanine nucleotide exchange factors (GEFs) that bind to the receptor in association with adaptor proteins, and their activity is terminated by hydrolysis of GTP, which is also regulated by GAP proteins.

شکل ۷.۵ انواع پروتئین‌های متصل شونده به GTP. (الف) پروتئین‌های G هتروتریمری از سه زیر واحد مجزا (a، b و g) تشکیل شده‌اند. فعال شدن گیرنده باعث اتصال پروتئین G و زیر واحد تئا برای تبادل GDP با GTP می‌شود که منجر به تفکیک زیر واحدهای a و bg می‌شود. اقدامات بیولوژیکی این پروتئین‌های G با هیدرولیز GTP خاتمه می‌یابد که توسط پروتئین‌های فعال‌کننده GT-Pase (GAP) تقویت می‌شود. (ب) پروتئین‌های G مونومر از مکانیسم‌های مشابهی برای انتقال سیگنال‌ها از گیرنده‌های سطح سلول فعال شده به اهداف درون سلولی استفاده می‌کنند. اقدامات بیولوژیکی این پروتئین‌های G به اتصال GTP بستگی دارد که توسط فاکتورهای تبادل نوکلئوتید گوانین (GEFs) فعال می‌شود که در ارتباط با پروتئین‌های آداپتور به گیرنده متصل می‌شوند و فعالیت آنها با هیدرولیز GTP خاتمه می‌یابد که آن نیز توسط پروتئین‌های GAP تنظیم می‌شود.

Activated G-proteins alter the function of many downstream effectors. Most of these effectors are enzymes that produce intracellular second messengers. Effector enzymes include adenylyl cyclase, guanylyl cyclase, phospholipase C, and others (Figure 7.6). The second messengers produced by these enzymes trigger the complex biochemical signaling cascades discussed in the next section. Because each of these cascades is activated by specific G-protein subunits, the pathways activated by a particular receptor are determined by the specific identity of the G-protein subunits associated with it.

پروتئین‌های G فعال‌شده عملکرد بسیاری از عوامل مؤثر در پایین‌دست را تغییر می‌دهند. اکثر این عوامل مؤثر آنزیم‌هایی هستند که پیام‌رسان‌های ثانویه درون سلولی تولید می‌کنند. آنزیم‌های مؤثر شامل آدنیلیل سیکلاز، گوانیلیل سیکلاز، فسفولیپاز C و سایر موارد هستند (شکل 7.6). پیام‌رسان‌های ثانویه تولید شده توسط این آنزیم‌ها، آبشارهای سیگنالینگ بیوشیمیایی پیچیده‌ای را که در بخش بعدی مورد بحث قرار می‌گیرند، آغاز می‌کنند. از آنجا که هر یک از این آبشارها توسط زیرواحدهای خاص پروتئین G فعال می‌شوند، مسیرهای فعال شده توسط یک گیرنده خاص توسط هویت خاص زیرواحدهای پروتئین G مرتبط با آن تعیین می‌شوند.

G-proteins can also directly bind to and activate ion channels. For example, activation of muscarinic receptors by acetylcholine can open K⁺ channels, thereby reducing the rate at which the neurons fire action potentials. Such inhibitory responses are believed to be the result of bg subunits of G-proteins binding to the K⁺ channels. The activation of a subunits can also lead to the rapid closing of voltage-gated Ca²⁺ and Na⁺ channels. Because these channels carry inward currents involved in generating action potentials, closing them also makes it more difficult for target cells to fire (see Chapters 3 and 4). Thus, by directly regulating the gating of ion channels, G-proteins can influence the electrical signaling of target cells.

پروتئین‌های G همچنین می‌توانند مستقیماً به کانال‌های یونی متصل شده و آنها را فعال کنند. به عنوان مثال، فعال شدن گیرنده‌های موسکارینی توسط استیل کولین می‌تواند کانال‌های ⁺K را باز کند و در نتیجه سرعت شلیک پتانسیل عمل توسط نورون‌ها را کاهش دهد. اعتقاد بر این است که چنین پاسخ‌های مهاری نتیجه اتصال زیر واحدهای bg پروتئین‌های G به کانال‌های ⁺K است. فعال شدن زیر واحدها همچنین می‌تواند منجر به بسته شدن سریع کانال‌های ⁺Ca² و ⁺Na وابسته به ولتاژ شود. از آنجا که این کانال‌ها جریان‌های داخلی دخیل در تولید پتانسیل‌های عمل را حمل می‌کنند، بسته شدن آنها شلیک را برای سلول‌های هدف نیز دشوارتر می‌کند (به فصل‌های 3 و 4 مراجعه کنید). بنابراین، با تنظیم مستقیم دریچه کانال‌های یونی، پروتئین‌های G می‌توانند بر سیگنال‌دهی الکتریکی سلول‌های هدف تأثیر بگذارند.

In summary, the binding of chemical signals to their receptors activates cascades of signal transduction events in the cytosol of target cells. Within such cascades, G-proteins serve a pivotal function as the molecular transducing elements that couple membrane receptors to their molecular effectors within the cell. The diversity of G-proteins and their downstream targets leads to many types of physiological responses.

به طور خلاصه، اتصال سیگنال‌های شیمیایی به گیرنده‌هایشان، آبشارهایی از رویدادهای انتقال سیگنال را در سیتوزول سلول‌های هدف فعال می‌کند. در چنین آبشارهایی، پروتئین‌های G به عنوان عناصر انتقال‌دهنده مولکولی که گیرنده‌های غشایی را به عوامل مؤثر مولکولی خود در داخل سلول متصل می‌کنند، عملکرد محوری دارند. تنوع پروتئین‌های G و اهداف پایین‌دست آنها منجر به انواع مختلفی از پاسخ‌های فیزیولوژیکی می‌شود.

FIGURE 7.6 Effector pathways associated with G-protein- coupled receptors. In all three examples shown here, binding of a neurotransmitter to such a receptor leads to activation of a G-protein and subsequent recruitment of second-messenger pathways. Gs, Gq, and Gi refer to three different types of heterotrimeric G-proteins.

شکل ۷.۶ مسیرهای مؤثر مرتبط با گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G. در هر سه مثال نشان داده شده در اینجا، اتصال یک انتقال‌دهنده عصبی به چنین گیرنده‌ای منجر به فعال شدن یک پروتئین G و متعاقباً جذب مسیرهای پیام‌رسان ثانویه می‌شود. Gs، Gq و Gi به سه نوع مختلف از پروتئین‌های G هتروتریمری اشاره دارند.

Second Messengers

Neurons use many different second messengers as intracellular signals. These messengers differ in the mechanism by which they are produced and removed, as well as in their downstream targets and effects (Figure 7.7A). This section summarizes the attributes of some of the principal second messengers.

پیام‌رسان‌های ثانویه

نورون‌ها از پیام‌رسان‌های ثانویه مختلفی به عنوان سیگنال‌های درون سلولی استفاده می‌کنند. این پیام‌رسان‌ها در مکانیسم تولید و حذف خود و همچنین در اهداف و اثرات پایین‌دستی خود متفاوت هستند (شکل 7.7A). این بخش ویژگی‌های برخی از پیام‌رسان‌های ثانویه اصلی را خلاصه می‌کند.

• Calcium. The calcium ion (Ca²⁺) is perhaps the most common intracellular messenger in neurons. Indeed, few neuronal functions are immune to the influence—direct or indirect—of Ca²⁺. In all cases, information is transmit- ted by a transient rise in the cytoplasmic calcium concen- tration, which allows Ca²⁺ to bind to and activate a large number of Ca²⁺-binding proteins that serve as molecular One of the most thoroughly studied targets of Ca²⁺ is calmodulin, a Ca²⁺-binding protein abundant in the cytosol of all cells. Binding of Ca²⁺ to calmodulin activates this protein, which then initiates its effects by binding to still other downstream targets, such as pro- tein kinases. Another important family of intracellular Ca²⁺-binding proteins are the synaptotagmins, which serve as Ca²⁺ sensors during neurotransmitter release and other forms of intracellular membrane fusion (see Chapter 5).

• کلسیم. یون کلسیم (⁺Ca²) شاید رایج‌ترین پیام‌رسان درون سلولی در نورون‌ها باشد. در واقع، تعداد کمی از عملکردهای عصبی از تأثیر – مستقیم یا غیرمستقیم – ⁺Ca² مصون هستند. در همه موارد، اطلاعات با افزایش گذرا در غلظت کلسیم سیتوپلاسمی منتقل می‌شود، که به ⁺Ca² اجازه می‌دهد تا به تعداد زیادی از پروتئین‌های متصل شونده به ⁺Ca² که به عنوان گیرنده‌های مولکولی عمل می‌کنند، متصل شده و آنها را فعال کند. یکی از اهداف ⁺Ca² که به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفته است، کالمودولین است، یک پروتئین متصل شونده به ⁺Ca² که در سیتوزول همه سلول‌ها فراوان است. اتصال ⁺Ca² به کالمودولین این پروتئین را فعال می‌کند، که سپس اثرات خود را با اتصال به سایر اهداف پایین‌دستی، مانند پروتئین کینازها، آغاز می‌کند. خانواده مهم دیگری از پروتئین‌های متصل شونده به ⁺Ca² درون سلولی، سیناپتوتاگمین‌ها هستند که به عنوان حسگرهای ⁺Ca² در طول آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی و سایر اشکال همجوشی غشای درون سلولی عمل می‌کنند (به فصل 5 مراجعه کنید).

Ordinarily the concentration of Ca²⁺ ions in the cytosol is extremely low, typically 50 to 100 nanomolar (10^–9 M).

معمولاً غلظت یون‌های ⁺Ca² در سیتوزول بسیار کم است، معمولاً 50 تا 100 نانومولار (10-9 مولار).

The concentration of Ca²⁺ ions outside neurons—in the bloodstream or cerebrospinal fluid, for instance—is several orders of magnitude higher, typically several millimolar (10^–3M). This steep Ca²⁺ gradient is maintained by several mechanisms (Figure 7.7B). Most important in this main- tenance are two proteins that translocate Ca²⁺ from the cytosol to the extracellular medium: an ATPase called the calcium pump; and an Na⁺/Ca2+ exchanger, which is a protein that replaces intracellular Ca²⁺ with extracellular sodium ions (see Chapter 4). In addition to these plasma membrane mechanisms, Ca²⁺ is also pumped into the en- doplasmic reticulum and mitochondria. These organelles can thus serve as storage depots of Ca²⁺ ions that are later released to participate in signaling events. Finally, nerve cells contain other Ca²⁺-binding proteins—such as cal- bindin—that serve as Ca²⁺ buffers. Such buffers reversibly bind Ca²⁺ and thus blunt the magnitude and slow the kinetics of Ca²⁺ signals within neurons.

غلظت یون‌های ⁺Ca² در خارج از نورون‌ها – به عنوان مثال، در جریان خون یا مایع مغزی نخاعی – چندین برابر بیشتر است، معمولاً چندین میلی‌مولار (10-3M). این شیب تند ⁺Ca² توسط چندین مکانیسم حفظ می‌شود (شکل 7.7B). مهمترین عوامل در این نگهداری، دو پروتئین هستند که ⁺Ca² را از سیتوزول به محیط خارج سلولی منتقل می‌کنند: یک ATPase به نام پمپ کلسیم؛ و یک مبدل ⁺Na⁺/ Ca²، که پروتئینی است که ⁺Ca² درون سلولی را با یون‌های سدیم خارج سلولی جایگزین می‌کند (به فصل 4 مراجعه کنید). علاوه بر این مکانیسم‌های غشای پلاسما، ⁺Ca² همچنین به شبکه آندوپلاسمی و میتوکندری پمپ می‌شود. بنابراین، این اندامک‌ها می‌توانند به عنوان انبارهای ذخیره یون‌های ⁺Ca² عمل کنند که بعداً برای شرکت در رویدادهای سیگنالینگ آزاد می‌شوند. در نهایت، سلول‌های عصبی حاوی پروتئین‌های اتصال‌دهنده ⁺Ca² دیگری – مانند کالبیندین – هستند که به عنوان بافرهای ⁺Ca² عمل می‌کنند. چنین بافرهایی به طور برگشت‌پذیر به ⁺Ca² متصل می‌شوند و بنابراین شدت و سرعت سیگنال‌های ⁺Ca² را در نورون‌ها کاهش می‌دهند.

The Ca²⁺ ions that act as intracellular signals enter the cytosol by means of one or more types of Ca²⁺-permeable ion channels (see Chapter 4). These can be voltage-gated Ca²⁺ channels or ligand-gated channels in the plasma membrane, both of which allow Ca²⁺ to flow down the Ca²⁺ gradient and into the cell from the extracellular medium. In addition, other channels allow Ca²⁺ to be released from the interior of the endoplasmic reticulum into the cytosol. These intracellular Ca²⁺-releasing channels are gated, so they can be opened or closed in response to various intra- cellular signals. One such channel is the inositol trisphos- phate (IP₃) receptor. As the name implies, this channel is regulated by IP₃, a second messenger described in more detail below. A second type of intracellular Ca²⁺-releasing channel is the ryanodine receptor, named after a drug that binds to and partially opens these receptors. Among the biological signals that activate ryanodine receptors are cytoplasmic Ca²⁺ and, at least in muscle cells, depolariza- tion of the plasma membrane.

یون‌های ⁺Ca² که به عنوان سیگنال‌های درون سلولی عمل می‌کنند، از طریق یک یا چند نوع کانال یونی نفوذپذیر به ⁺Ca² وارد سیتوزول می‌شوند (به فصل 4 مراجعه کنید). این کانال‌ها می‌توانند کانال‌های ⁺Ca² وابسته به ولتاژ یا کانال‌های وابسته به لیگاند در غشای پلاسما باشند که هر دو به ⁺Ca² اجازه می‌دهند تا در شیب ⁺Ca² از محیط خارج سلولی به داخل سلول جریان یابد. علاوه بر این، کانال‌های دیگری نیز به ⁺Ca² اجازه می‌دهند تا از داخل شبکه آندوپلاسمی به داخل سیتوزول آزاد شود. این کانال‌های آزادکننده ⁺Ca² درون سلولی، دریچه‌دار هستند، بنابراین می‌توانند در پاسخ به سیگنال‌های مختلف درون سلولی باز یا بسته شوند. یکی از این کانال‌ها، گیرنده اینوزیتول تری فسفات (IP₃) است. همانطور که از نامش پیداست، این کانال توسط IP₃، یک پیام‌رسان ثانویه که در ادامه با جزئیات بیشتری توضیح داده شده است، تنظیم می‌شود. نوع دوم کانال آزادکننده ⁺Ca² درون سلولی، گیرنده رایانودین است که نام خود را از دارویی گرفته است که به این گیرنده‌ها متصل شده و تا حدی آنها را باز می‌کند. از جمله سیگنال‌های بیولوژیکی که گیرنده‌های رایانودین را فعال می‌کنند، می‌توان به ⁺Ca² سیتوپلاسمی و حداقل در سلول‌های ماهیچه‌ای، دپلاریزاسیون غشای پلاسما اشاره کرد.

These various mechanisms for elevating and removing Ca²⁺ ions allow precise control of both the timing and location of Ca²⁺ signaling within neurons, which in turn permit Ca²⁺ to control many different signaling events. For example, voltage-gated Ca²⁺ channels allow Ca²⁺ concentrations to rise very rapidly and locally within presynaptic terminals to trigger neurotransmitter release, as described in Chapter 5. Slower and more widespread rises in Ca²⁺ concentration regulate a wide variety of other responses, including gene expression in the cell nucleus.

این مکانیسم‌های مختلف برای افزایش و حذف یون‌های ⁺Ca² امکان کنترل دقیق زمان و مکان سیگنالینگ ⁺Ca² در نورون‌ها را فراهم می‌کنند، که به نوبه خود به ⁺Ca² اجازه می‌دهد تا بسیاری از رویدادهای سیگنالینگ مختلف را کنترل کند. به عنوان مثال، کانال‌های ⁺Ca² وابسته به ولتاژ اجازه می‌دهند غلظت ⁺Ca² خیلی سریع و به صورت موضعی در پایانه‌های پیش‌سیناپسی افزایش یابد تا آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی را تحریک کند، همانطور که در فصل 5 توضیح داده شده است. افزایش آهسته‌تر و گسترده‌تر غلظت ⁺Ca² طیف گسترده‌ای از پاسخ‌های دیگر، از جمله بیان ژن در هسته سلول را تنظیم می‌کند.

Cyclic nucleotides. Another important group of second messengers is the cyclic nucleotides, specifically cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and cyclic guanosine monophosphate (cGMP) (Figure 7C). Cyclic AMP is a de- rivative of the abundant cellular energy storage molecule ATP, and is produced when G-proteins activate adenylyl cyclase in the plasma membrane. Adenylyl cyclase converts ATP into cAMP by removing two phosphate groups from the ATP. Cyclic GMP is similarly produced from GTP by the action of guanylyl cyclase. Once the intracellular con- centration of cAMP or cGMP is elevated, these nucleotides can bind to two different classes of targets. The most common targets of cyclic nucleotide action are protein kinases, either the cAMP-dependent protein kinase (PKA) or the cGMP-dependent protein kinase (PKG). These enzymes mediate many physiological responses by phosphorylating target proteins, as described in the next section. In addition, cAMP and cGMP can influence neuronal signaling by binding to certain ligand-gated ion channels (see Figure 4.8D). These cyclic nucleotide-gated channels are particularly important in phototransduction and other sensory transduction processes, such as olfaction. Cyclic nucleotide signals are degraded by phosphodiesterases, enzymes that cleave phosphodiester bonds and convert cAMP into AMP or cGMP into GMP.

• نوکلئوتیدهای حلقوی. گروه مهم دیگری از پیام‌رسان‌های ثانویه، نوکلئوتیدهای حلقوی، به ویژه آدنوزین مونوفسفات حلقوی (cAMP) و گوانوزین مونوفسفات حلقوی (cGMP) هستند (شکل 7C). AMP حلقوی مشتقی از مولکول ذخیره انرژی سلولی فراوان ATP است و هنگامی تولید می‌شود که پروتئین‌های G، آدنیلیل سیکلاز را در غشای پلاسما فعال می‌کنند. آدنیلیل سیکلاز با حذف دو گروه فسفات از ATP، ATP را به cAMP تبدیل می‌کند. GMP حلقوی نیز به طور مشابه از GTP با عمل گوانیلیل سیکلاز تولید می‌شود. هنگامی که غلظت درون سلولی cAMP یا cGMP بالا می‌رود، این نوکلئوتیدها می‌توانند به دو دسته مختلف از اهداف متصل شوند. رایج‌ترین اهداف عمل نوکلئوتید حلقوی، پروتئین کینازها هستند، یا پروتئین کیناز وابسته به cAMP (PKA) یا پروتئین کیناز وابسته به cGMP (PKG). این آنزیم‌ها با فسفریله کردن پروتئین‌های هدف، همانطور که در بخش بعدی توضیح داده شده است، واسطه بسیاری از پاسخ‌های فیزیولوژیکی هستند. علاوه بر این، cAMP و cGMP می‌توانند با اتصال به کانال‌های یونی دریچه‌دار لیگاندی خاص، بر سیگنال‌دهی عصبی تأثیر بگذارند (شکل 4.8D را ببینید). این کانال‌های دریچه‌دار نوکلئوتیدی حلقوی به ویژه در انتقال نوری و سایر فرآیندهای انتقال حسی، مانند بویایی، اهمیت دارند. سیگنال‌های نوکلئوتیدی حلقوی توسط فسفودی‌استرازها، آنزیم‌هایی که پیوندهای فسفودی‌استری را می‌شکنند و cAMP را به AMP یا cGMP را به GMP تبدیل می‌کنند، تخریب می‌شوند.

Diacylglycerol and IP₃. Remarkably, membrane lipids can also be converted into intracellular second messengers (Figure 7.7D). The two most important messengers of this type are produced from phosphatidylinositol bisphosphate (PIP₂). This lipid component is cleaved by phospholipase C, an enzyme activated by certain G-proteins and by calcium Phospholipase C splits the PIP₂ into two smaller molecules, each of which acts as a second messenger. One of these messengers is diacylglycerol (DAG), a molecule that remains within the membrane and activates protein kinase C, which phosphorylates substrate proteins in both the plasma membrane and elsewhere. The other messenger is IP₃, which leaves the cell membrane and diffuses within the cytosol. IP₃ binds to IP₃ receptors, channels that release calcium from the endoplasmic reticulum. Thus, the action of IP₃ is to produce yet another second messenger (perhaps a third messenger, in this case!) that triggers an entire spectrum of reactions in the cytosol. The actions of DAG and IP₃ are terminated by enzymes that convert these two molecules into inert forms that can be recycled to pro- duce new molecules of PIP₂.

• دی‌آسیل‌گلیسرول و IP₃. نکته قابل توجه این است که لیپیدهای غشایی می‌توانند به پیام‌رسان‌های ثانویه درون سلولی نیز تبدیل شوند (شکل 7.7D). دو پیام‌رسان مهم از این نوع از فسفاتیدیل‌اینوزیتول بیس‌فسفات (PIP₂) تولید می‌شوند. این جزء لیپیدی توسط فسفولیپاز C، آنزیمی که توسط پروتئین‌های G خاصی فعال می‌شود، و توسط کلسیم فسفولیپاز C، PIP₂ را به دو مولکول کوچکتر تقسیم می‌کند که هر کدام به عنوان پیام‌رسان ثانویه عمل می‌کنند. یکی از این پیام‌رسان‌ها دی‌آسیل‌گلیسرول (DAG) است، مولکولی که در داخل غشا باقی می‌ماند و پروتئین کیناز C را فعال می‌کند، که پروتئین‌های سوبسترا را هم در غشای پلاسما و هم در جاهای دیگر فسفریله می‌کند. پیام‌رسان دیگر IP₃ است که غشای سلولی را ترک کرده و در سیتوزول منتشر می‌شود. IP₃ به گیرنده‌های IP₃ متصل می‌شود، کانال‌هایی که کلسیم را از شبکه آندوپلاسمی آزاد می‌کنند. بنابراین، عمل IP₃ تولید یک پیام‌رسان دوم دیگر (شاید در این مورد یک پیام‌رسان سوم!) است که طیف کاملی از واکنش‌ها را در سیتوزول آغاز می‌کند. اعمال DAG و IP₃ توسط آنزیم‌هایی که این دو مولکول را به اشکال بی‌اثر تبدیل می‌کنند و می‌توانند برای تولید مولکول‌های جدید PIP₂ بازیافت شوند، خاتمه می‌یابد.

FIGURE 7.7 Neuronal second messengers. (A) Mechanisms responsible for producing and removing second messengers, and the downstream targets of these messengers. (B) Proteins involved in delivering calcium to the cytoplasm and in removing calcium from the cytoplasm. (C) Mechanisms for producing and degrading cyclic nucleotides. (D) Pathways involved in producing and removing diacylglycerol and IP₃.

شکل ۷.۷ پیام‌رسان‌های ثانویه عصبی. (الف) مکانیسم‌های مسئول تولید و حذف پیام‌رسان‌های ثانویه و اهداف پایین‌دست این پیام‌رسان‌ها. (ب) پروتئین‌های دخیل در رساندن کلسیم به سیتوپلاسم و حذف کلسیم از سیتوپلاسم. (ج) مکانیسم‌های تولید و تجزیه نوکلئوتیدهای حلقوی. (د) مسیرهای دخیل در تولید و حذف دی‌آسیل‌گلیسرول و IP₃.

 The intracellular concentration of these second messengers changes dynamically over time, allowing precise control over their downstream targets. These signals can also be localized to small compartments within single cells or can spread over great distances, some even spreading between cells via gap junctions (see Chapter 5). Under- standing of the complex temporal and spatial dynamics of these second-messenger signals has been greatly aided by the development of imaging techniques that visualize second messengers and other molecular signals within cells (Box 7A).

غلظت درون سلولی این پیام‌رسان‌های ثانویه به طور پویا با گذشت زمان تغییر می‌کند و امکان کنترل دقیق بر اهداف پایین‌دستی آنها را فراهم می‌کند. این سیگنال‌ها همچنین می‌توانند در بخش‌های کوچکی در سلول‌های منفرد متمرکز شوند یا در فواصل طولانی پخش شوند، برخی حتی از طریق اتصالات شکاف‌دار بین سلول‌ها پخش می‌شوند (به فصل 5 مراجعه کنید). درک دینامیک پیچیده زمانی و مکانی این سیگنال‌های پیام‌رسان ثانویه با توسعه تکنیک‌های تصویربرداری که پیام‌رسان‌های ثانویه و سایر سیگنال‌های مولکولی را در سلول‌ها تجسم می‌کنند، بسیار کمک شده است (کادر 7A).

BOX  7A   Dynamic Imaging of Intracellular Signaling

Dramatic breakthroughs in our understanding of the brain often rely on development of new experi mental techniques. This certainly has been true for our understanding of intracellular signaling in neurons, which has benefited enormously from the invention of imaging techniques that allow direct visualization of signaling processes with- in living cells. The first advance—and arguably the most significant—came from the development, by Roger Tsien and his colleagues, of the fluorescent dye fura-2 (Figure A). Calcium ions bind to fura-2 and cause the dye’s fluorescence properties to change. When fura- 2 is introduced inside cells and the cells are then imaged with a fluorescence mi- croscope, this dye serves as a reporter of intracellular Ca²⁺ concentration. Fura-2 imaging has allowed investigators to detect the spatial and temporal dynamics of the Ca²⁺ signals that trigger innumerable process within neurons and glial cells; for example, fura-2 was used to obtain the image of Ca²⁺ signaling during neurotransmitter release shown in Figure 5.10A.

جعبه ۷A  تصویربرداری پویا از سیگنالینگ درون سلولی

پیشرفت‌های چشمگیر در درک ما از مغز اغلب به توسعه تکنیک‌های تجربی جدید متکی است. این امر مطمئناً در مورد درک ما از سیگنالینگ درون سلولی در نورون‌ها نیز صادق بوده است، که از اختراع تکنیک‌های تصویربرداری که امکان تجسم مستقیم فرآیندهای سیگنالینگ را در سلول‌های زنده فراهم می‌کنند، بسیار سود برده است. اولین پیشرفت – و مسلماً مهم‌ترین آنها – از توسعه رنگ فلورسنت fura-2 توسط راجر تسین و همکارانش حاصل شد (شکل A). یون‌های کلسیم به fura-2 متصل می‌شوند و باعث تغییر خواص فلورسانس رنگ می‌شوند. هنگامی که fura-2 به داخل سلول‌ها وارد می‌شود و سپس سلول‌ها با میکروسکوپ فلورسانس تصویربرداری می‌شوند، این رنگ به عنوان گزارشگر غلظت ⁺Ca² درون سلولی عمل می‌کند. تصویربرداری Fura-2 به محققان این امکان را داده است تا دینامیک مکانی و زمانی سیگنال‌های ⁺Ca² را که فرآیندهای بی‌شماری را در نورون‌ها و سلول‌های گلیال آغاز می‌کنند، تشخیص دهند. برای مثال، از fura-2 برای به دست آوردن تصویر سیگنالینگ ⁺Ca² در طول آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی که در شکل 5.10A نشان داده شده است، استفاده شد.

Subsequent refinement of the chemical structure of fura-2 has yielded many other fluorescent Ca²⁺ indicator dyes with different fluorescence properties and different sensitivities to Ca²⁺. One of these dyes is Calcium Green, which was used to image the dynamic changes in Ca²⁺ concentration produced within the dendrites of cerebellar Purkinje cells by the intracellular messenger IP₃ (Figure B). Further developments have led to indicators for visualizing the spatial and temporal dynamics of other second-messenger signals, such as cAMP.

اصلاح بعدی ساختار شیمیایی fura-2 منجر به تولید بسیاری از رنگ‌های نشانگر ⁺Ca² فلورسنت دیگر با خواص فلورسانس متفاوت و حساسیت‌های متفاوت به ⁺Ca² شده است. یکی از این رنگ‌ها، کلسیم گرین است که برای تصویربرداری از تغییرات دینامیکی غلظت ⁺Ca² تولید شده در دندریت‌های سلول‌های پورکنژ مخچه توسط پیام‌رسان درون سلولی IP₃ (شکل B) استفاده شد. پیشرفت‌های بیشتر منجر به ایجاد شاخص‌هایی برای تجسم دینامیک مکانی و زمانی سایر سیگنال‌های پیام‌رسان ثانویه، مانند cAMP، شده است.

Another tremendous advance in the dynamic imaging of signaling process- es came from the discovery of a green fluorescent protein that was first isolated from the jellyfish Aequorea victoria by Osamu Shimomura. Green fluorescent protein, or GFP, is (as its name indicates) a protein that is brightly fluorescent (Figure C). Molecular cloning of the GFP gene allows imaging techniques to visualize expression of gene products labeled with GFP fluorescence. The first such use of GFP was in experiments with the  worm  Caenorhabditis  elegans,  in which Martin Chalfie and his colleagues rendered neurons fluorescent by inducing GFP expression in these cells. Many subsequent experiments have used ex- pression of GFP to image the structure of individual neurons in the mammalian brain (Figure D).

پیشرفت عظیم دیگری در تصویربرداری پویا از فرآیندهای سیگنالینگ، از کشف یک پروتئین فلورسنت سبز حاصل شد که اولین بار توسط اوسامو شیمومورا از عروس دریایی Aequorea victoria جدا شد. پروتئین فلورسنت سبز یا GFP (همانطور که از نامش پیداست) پروتئینی است که به شدت فلورسنت است (شکل C). کلونینگ مولکولی ژن GFP به تکنیک‌های تصویربرداری اجازه می‌دهد تا بیان محصولات ژنی برچسب‌گذاری شده با فلورسانس GFP را تجسم کنند. اولین استفاده از GFP در آزمایش‌هایی با کرم Caenorhabditis elegans بود که در آن مارتین چالفی و همکارانش با القای بیان GFP در این سلول‌ها، نورون‌ها را فلورسنت کردند. بسیاری از آزمایش‌های بعدی از بیان GFP برای تصویربرداری از ساختار نورون‌های منفرد در مغز پستانداران استفاده کرده‌اند (شکل D).

Molecular genetic strategies make it possible to attach GFP to almost any protein, thereby allowing fluorescence microscopy to image the spatial distribution of labeled proteins. In this way, it has been possible to visualize dynamic changes in the location of neuronal proteins during signaling events. Related techniques also allow visualization of the location of second-messenger signals or the biochemical activity of signaling proteins. For example, Figure 8.12 illustrates the use of this approach to monitor the activation of CaMKII during long-term synaptic potentiation.

استراتژی‌های ژنتیک مولکولی امکان اتصال GFP را به تقریباً هر پروتئینی فراهم می‌کنند و در نتیجه به میکروسکوپ فلورسانس اجازه می‌دهند تا توزیع فضایی پروتئین‌های برچسب‌گذاری شده را تصویربرداری کند. به این ترتیب، تجسم تغییرات پویا در محل پروتئین‌های عصبی در طول رویدادهای سیگنالینگ امکان‌پذیر شده است. تکنیک‌های مرتبط همچنین امکان تجسم محل سیگنال‌های پیام‌رسان ثانویه یا فعالیت بیوشیمیایی پروتئین‌های سیگنالینگ را فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، شکل 8.12 استفاده از این رویکرد را برای نظارت بر فعال شدن CaMKII در طول تقویت سیناپسی طولانی مدت نشان می‌دهد.

As was the case with fura-2, subsequent refinement of GFP has led to numerous improvements. One significant improvement, also pioneered by Roger Tsien, was the production of proteins that fluoresce in colors other than green, thus permitting the simultaneous imaging of multiple types of proteins and/or neurons. A particularly vivid demonstration of the power of multicolor imaging of fluorescent proteins can be seen in Brainbow, a technique that uses differential expression of combinations of several fluorescent proteins to label neurons with one of nearly 100 different colors (Figure E). This permits the axons of individual neurons to be identified and fol- lowed, even through the complex tangle of neuronal processes typically found in the CNS, thereby defining the circuits formed by the labeled neurons.

همانند fura-2، اصلاح بعدی GFP منجر به پیشرفت‌های متعددی شده است. یکی از پیشرفت‌های قابل توجه، که توسط راجر تسین نیز پیشگام بود، تولید پروتئین‌هایی بود که در رنگ‌هایی غیر از سبز فلورسنت می‌شوند و بنابراین امکان تصویربرداری همزمان از انواع مختلف پروتئین‌ها و/یا نورون‌ها را فراهم می‌کنند. نمایش واضحی از قدرت تصویربرداری چندرنگ از پروتئین‌های فلورسنت را می‌توان در Brainbow مشاهده کرد، تکنیکی که از بیان افتراقی ترکیبات چندین پروتئین فلورسنت برای برچسب‌گذاری نورون‌ها با یکی از تقریباً 100 رنگ مختلف استفاده می‌کند (شکل E). این امر امکان شناسایی و دنبال کردن آکسون‌های نورون‌های منفرد را فراهم می‌کند، حتی از طریق درهم‌تنیدگی پیچیده فرآیندهای عصبی که معمولاً در CNS یافت می‌شوند، و در نتیجه مدارهای تشکیل شده توسط نورون‌های برچسب‌گذاری شده را تعریف می‌کند.

Just as development of the Golgi staining technique opened our eyes to the cellular composition of the brain see Chapter 1), study of intracellular signaling in the brain has been revolutionized by fura-2, GFP, and other fluorescent tools. There is no end in sight for the potential of such imaging methods to illuminate new and important aspects of brain signaling dynamics.

همانطور که توسعه تکنیک رنگ‌آمیزی گلژی چشمان ما را به ترکیب سلولی مغز باز کرد (به فصل 1 مراجعه کنید)، مطالعه سیگنالینگ درون سلولی در مغز توسط fura-2، GFP و سایر ابزارهای فلورسنت متحول شده است. هیچ پایانی برای پتانسیل چنین روش‌های تصویربرداری برای روشن کردن جنبه‌های جدید و مهم دینامیک سیگنالینگ مغز وجود ندارد.

(A) Chemical structure of the Ca²⁺ indicator dye fura-2. (B) Imaging of changes in intracellular Ca²⁺ concentration (col- or) produced in a cerebellar Purkinje neuron by the actions of the second messenger IP₃. (C) Molecular structure of green fluorescent protein. GFP is shaped like a can, with the fluorescent moiety contained inside the can. (D) Ex- pression of GFP reveals the structure of a pyramidal neuron in the cerebral cortex. (E) Hippocampal neurons labeled with different combinations of multiple fluorescent proteins, yielding a “brainbow” of colors. (A after Grynkiewicz et al., 1985; B from Finch and Augustine, 1998; C courtesy of G.J. Augustine; D from Vidal et al., 2016; E from Livet et al., 2007.)

(الف) ساختار شیمیایی رنگ نشانگر Ca²⁺ fura-2. (ب) تصویربرداری از تغییرات غلظت ⁺Ca² درون سلولی (رنگ) تولید شده در یک نورون پورکنژ مخچه‌ای توسط عملکرد پیام‌رسان ثانویه IP₃. (ج) ساختار مولکولی پروتئین فلورسنت سبز. GFP به شکل یک قوطی است که بخش فلورسنت آن درون قوطی قرار دارد. (د) بیان GFP ساختار یک نورون هرمی در قشر مغز را نشان می‌دهد. (ه) نورون‌های هیپوکامپ که با ترکیبات مختلفی از پروتئین‌های فلورسنت متعدد برچسب‌گذاری شده‌اند و یک «کمان مغزی» از رنگ‌ها را ایجاد می‌کنند. (الف) برگرفته از گرینکیویچ و همکاران، ۱۹۸۵؛ ب) برگرفته از فینچ و آگوستین، ۱۹۹۸؛ ج) برگرفته از جی.جی. آگوستین؛ د) برگرفته از ویدال و همکاران، ۲۰۱۶؛ ه) برگرفته از لیوت و همکاران، ۲۰۰۷.)

Second-Messenger Signaling via Protein Phosphorylation

As already mentioned, second messengers typically regulate neuronal functions by modulating the phosphorylation state of intracellular proteins (Figure 7.8). Phosphorylation (the addition of phosphate groups) is a post-translational modification that rapidly and reversibly changes protein function. Proteins are phosphorylated by a wide variety of protein kinases; phosphate groups are removed by other enzymes called protein phosphatases. The importance of protein phosphorylation as a regulatory mechanism is emphasized by the fact that the human genome contains more than 500 protein kinase genes and approximately 200 protein phosphatase genes. This means that nearly 3% of the genome is directly dedicated to control of the phos- phorylation state of proteins.

سیگنال‌دهی پیام‌رسان ثانویه از طریق فسفوریلاسیون پروتئین

همانطور که قبلاً ذکر شد، پیام‌رسان‌های ثانویه معمولاً با تعدیل وضعیت فسفوریلاسیون پروتئین‌های درون سلولی، عملکردهای عصبی را تنظیم می‌کنند (شکل 7.8). فسفوریلاسیون (افزودن گروه‌های فسفات) یک اصلاح پس از ترجمه است که به سرعت و به طور برگشت‌پذیر عملکرد پروتئین را تغییر می‌دهد. پروتئین‌ها توسط طیف گسترده‌ای از پروتئین کینازها فسفریله می‌شوند؛ گروه‌های فسفات توسط آنزیم‌های دیگری به نام پروتئین فسفاتازها حذف می‌شوند. اهمیت فسفوریلاسیون پروتئین به عنوان یک مکانیسم تنظیمی با این واقعیت که ژنوم انسان حاوی بیش از 500 ژن پروتئین کیناز و تقریباً 200 ژن پروتئین فسفاتاز است، تأکید می‌شود. این بدان معناست که تقریباً 3٪ از ژنوم مستقیماً به کنترل وضعیت فسفوریلاسیون پروتئین‌ها اختصاص دارد.

FIGURE 7.8 Regulation of cellular proteins by phosphorylation. Protein kinases trans-fer phosphate groups (Pi) from ATP to serine, threonine, or tyrosine residues on substrateproteins. This phosphorylation reversibly alters the structure and function of cellular proteins. Removal of the phosphate groups is catalyzed by protein phosphatases. Both kinases and phosphatases are regulated by a variety of intracellular second messengers.

شکل ۷.۸ تنظیم پروتئین‌های سلولی توسط فسفوریلاسیون. پروتئین کینازها گروه‌های فسفات (Pi) را از ATP به باقیمانده‌های سرین، ترئونین یا تیروزین روی پروتئین‌های سوبسترا منتقل می‌کنند. این فسفوریلاسیون به طور برگشت‌پذیر ساختار و عملکرد پروتئین‌های سلولی را تغییر می‌دهد. حذف گروه‌های فسفات توسط پروتئین فسفاتازها کاتالیز می‌شود. هم کینازها و هم فسفاتازها توسط انواع پیام‌رسان‌های ثانویه درون سلولی تنظیم می‌شوند.

The degree of phosphorylation of a target protein reflects a balance between the competing actions of protein kinases and phosphatases, thereby integrating a host of cellular signaling pathways. The substrates of protein kinases and phosphatases include enzymes, neurotransmitter receptors, ion channels, and structural proteins. Protein kinases and phosphatases typically act either on the serine and threonine residues (Ser/Thr kinases or phosphatases) or on the tyrosine residues (Tyr kinases or phosphatases) of their substrates. Some of these enzymes act specifically on only one or a handful of protein targets, while others are multifunctional and have a broad range of substrate proteins.

درجه فسفوریلاسیون یک پروتئین هدف، نشان‌دهنده تعادل بین عملکردهای رقابتی پروتئین کینازها و فسفاتازها است و در نتیجه مجموعه‌ای از مسیرهای سیگنالینگ سلولی را ادغام می‌کند. سوبستراهای پروتئین کینازها و فسفاتازها شامل آنزیم‌ها، گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی، کانال‌های یونی و پروتئین‌های ساختاری هستند. پروتئین کینازها و فسفاتازها معمولاً یا بر روی باقیمانده‌های سرین و ترئونین (کینازهای Ser/Thr یا فسفاتازها) یا بر روی باقیمانده‌های تیروزین (کینازهای Tyr یا فسفاتازها) سوبستراهای خود عمل می‌کنند. برخی از این آنزیم‌ها به طور خاص فقط بر روی یک یا تعداد انگشت‌شماری از پروتئین‌های هدف عمل می‌کنند، در حالی که برخی دیگر چند منظوره هستند و طیف وسیعی از پروتئین‌های سوبسترا را دارند.

Protein Kinases

The activity of most protein kinases is regulated either by second messengers or by extracellular chemical signals such as growth factors (see Chapter 23). Typically, second mes- sengers activate Ser or Thr kinases, whereas extracellular signals activate Tyr kinases. Each protein kinase has catalytic domains responsible for transferring phosphate groups to the relevant amino acids of their target proteins. Kinases that are regulated by second messengers typically have an additional regulatory domain that inhibits the catalytic site. Binding of second messengers (such as cAMP, DAG, and Ca²⁺) to the regulatory domain removes the inhibition, al- lowing the catalytic domain to phosphorylate the substrate protein. Other kinases are activated by phosphorylation by another protein kinase; these kinases typically do not have inhibitory regulatory domains. Among the hundreds of protein kinases expressed in the brain, a relatively small number are the main regulators of neuronal signaling.

پروتئین کینازها

فعالیت اکثر پروتئین کینازها یا توسط پیام‌رسان‌های ثانویه یا توسط سیگنال‌های شیمیایی خارج سلولی مانند فاکتورهای رشد تنظیم می‌شود (به فصل ۲۳ مراجعه کنید). معمولاً پیام‌رسان‌های ثانویه کینازهای Ser یا Thr را فعال می‌کنند، در حالی که سیگنال‌های خارج سلولی کینازهای Tyr را فعال می‌کنند. هر پروتئین کیناز دارای دامنه‌های کاتالیزوری است که مسئول انتقال گروه‌های فسفات به اسیدهای آمینه مربوط به پروتئین‌های هدف خود هستند. کینازهایی که توسط پیام‌رسان‌های ثانویه تنظیم می‌شوند، معمولاً یک دامنه تنظیمی اضافی دارند که محل کاتالیزوری را مهار می‌کند. اتصال پیام‌رسان‌های ثانویه (مانند cAMP، DAG و ⁺Ca²) به دامنه تنظیمی، مهار را از بین می‌برد و به دامنه کاتالیزوری اجازه می‌دهد تا پروتئین سوبسترا را فسفریله کند. سایر کینازها با فسفوریلاسیون توسط پروتئین کیناز دیگری فعال می‌شوند. این کینازها معمولاً دامنه‌های تنظیمی مهاری ندارند. در میان صدها پروتئین کیناز بیان شده در مغز، تعداد نسبتاً کمی تنظیم‌کننده اصلی سیگنالینگ عصبی هستند.

cAMP-dependent protein kinase (PKA). PKA is the primary effector of cAMP action in neurons and consists of two catalytic subunits and two regulatory subunits (Figure 7.9A). cAMP activates PKA by binding to the regulatory subunits, releasing active catalytic subunits that can phosphorylate many different target proteins. Although the catalytic subunits are similar to the catalytic domains of other protein kinases, distinct amino acids allow PKA to bind to specific target proteins, thus allowing only those targets to be phosphorylated in response to intracellular cAMP signals. Signaling specificity is also achieved by using specific anchoring proteins, called A kinase anchoring proteins (AKAPs), to localize PKA activity to specific com- partments within cells.

• پروتئین کیناز وابسته به cAMP (PKA). PKA عامل اصلی عمل cAMP در نورون‌ها است و از دو زیر واحد کاتالیزوری و دو زیر واحد تنظیمی تشکیل شده است (شکل 7.9A). cAMP با اتصال به زیر واحدهای تنظیمی، PKA را فعال می‌کند و زیر واحدهای کاتالیزوری فعالی را آزاد می‌کند که می‌توانند بسیاری از پروتئین‌های هدف مختلف را فسفریله کنند. اگرچه زیر واحدهای کاتالیزوری مشابه دامنه‌های کاتالیزوری سایر پروتئین کینازها هستند، اسیدهای آمینه متمایز به PKA اجازه می‌دهند تا به پروتئین‌های هدف خاص متصل شود، بنابراین فقط به آن اهداف اجازه می‌دهد تا در پاسخ به سیگنال‌های cAMP درون سلولی فسفریله شوند. اختصاصی بودن سیگنالینگ همچنین با استفاده از پروتئین‌های لنگرانداز خاص، به نام پروتئین‌های لنگرانداز A کیناز (AKAPs)، برای محلی‌سازی فعالیت PKA در بخش‌های خاص درون سلول‌ها حاصل می‌شود.

Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase, type II (CaMKII). Ca²⁺ ions binding to calmodulin can regulate numerous protein kinases. In neurons, CaMKII is the predominant Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase; this kinase is the most abundant component of the postsynap- tic density, a structure important for postsynaptic signaling (see Box 7B). CaMKII comprises 12 subunits that are con- nected by a central association domain to form a wheel-like structure (Figure 7.9B). Each subunit contains a catalytic domain and a regulatory domain. When intracellular Ca²⁺ concentration is low, binding of the regulatory domain to the catalytic domain inhibits kinase Elevated Ca²⁺ allows Ca²⁺/calmodulin to bind to the regulatory domain, relieving its inhibition of the catalytic domain. This allows the catalytic domain to extend to form a barrel-shaped structure that can phosphorylate substrate proteins. CaM- KII substrates include ion channels and numerous proteins involved in intracellular signal transduction. The multimeric structure of CaMKII also allows neighboring subunits to phosphorylate each other, leading to sustained activation of CaMKII even after intracellular Ca²⁺ concentration returns to basal levels. This process of autophosphorylation is thought to serve as a cellular memory mechanism.

• پروتئین کیناز وابسته به ⁺Ca²/کالمودولین، نوع II (CaMKII). یون‌های ⁺Ca² که به کالمودولین متصل می‌شوند می‌توانند پروتئین کینازهای متعددی را تنظیم کنند. در نورون‌ها، CaMKII پروتئین کیناز وابسته به ⁺Ca²/کالمودولین غالب است؛ این کیناز فراوان‌ترین جزء چگالی پس‌سیناپسی است، ساختاری که برای سیگنالینگ پس‌سیناپسی مهم است (به کادر 7B مراجعه کنید). CaMKII شامل 12 زیر واحد است که توسط یک دامنه مرکزی به هم متصل شده‌اند تا یک ساختار چرخ مانند تشکیل دهند (شکل 7.9B). هر زیر واحد شامل یک دامنه کاتالیزوری و یک دامنه تنظیمی است. هنگامی که غلظت ⁺Ca² درون سلولی کم است، اتصال دامنه تنظیمی به دامنه کاتالیزوری، کیناز را مهار می‌کند. افزایش ⁺Ca² به ⁺Ca²/کالمودولین اجازه می‌دهد تا به دامنه تنظیمی متصل شود و مهار دامنه کاتالیزوری آن را کاهش دهد. این امر به دامنه کاتالیزوری اجازه می‌دهد تا گسترش یابد و یک ساختار بشکه‌ای شکل تشکیل دهد که می‌تواند پروتئین‌های سوبسترا را فسفریله کند. سوبستراهای CaM-KII شامل کانال‌های یونی و پروتئین‌های متعددی هستند که در انتقال سیگنال درون سلولی نقش دارند. ساختار چندمری CaMKII همچنین به زیرواحدهای مجاور اجازه می‌دهد تا یکدیگر را فسفریله کنند و منجر به فعال شدن پایدار CaMKII حتی پس از بازگشت غلظت ⁺Ca² درون سلولی به سطوح پایه شود. تصور می‌شود که این فرآیند خود-فسفوریلاسیون به عنوان یک مکانیسم حافظه سلولی عمل می‌کند.

Protein kinase C (PKC). Another important group of protein kinases is PKC, a diverse family of monomeric ki- nases activated by the second messengers DAG and Ca²⁺. Ca²⁺ causes PKC to move from the cytosol to the plasma membrane, where the regulatory domains of PKC then bind to DAG and to membrane phospholipids (Figure 9C). These events separate the regulatory and catalytic domains, allowing the catalytic domain to phosphorylate various protein substrates. PKC also diffuses to sites other than the plasma membrane—such as the cytoskeleton, perinuclear sites, and the nucleus—where it phosphor- ylates still other substrate proteins. Tumor-promoting compounds called phorbol esters mimic DAG and cause a prolonged activation of PKC that is thought to trigger tumor formation.

• پروتئین کیناز C (PKC). گروه مهم دیگری از پروتئین کینازها، PKC است، خانواده‌ای متنوع از کینازهای مونومری که توسط پیام‌رسان‌های ثانویه DAG و ⁺Ca² فعال می‌شوند. ⁺Ca² باعث می‌شود PKC از سیتوزول به غشای پلاسمایی منتقل شود، جایی که دامنه‌های تنظیمی PKC سپس به DAG و به فسفولیپیدهای غشایی متصل می‌شوند (شکل 9C). این رویدادها دامنه‌های تنظیمی و کاتالیزوری را از هم جدا می‌کنند و به دامنه کاتالیزوری اجازه می‌دهند تا سوبستراهای پروتئینی مختلف را فسفریله کند. PKC همچنین به مکان‌هایی غیر از غشای پلاسما – مانند اسکلت سلولی، مکان‌های اطراف هسته و هسته – منتشر می‌شود و در آنجا پروتئین‌های سوبستراهای دیگر را فسفریله می‌کند. ترکیبات محرک تومور به نام استرهای فوربول، DAG را تقلید می‌کنند و باعث فعال شدن طولانی مدت PKC می‌شوند که تصور می‌شود باعث تشکیل تومور می‌شود.

Protein tyrosine kinases. Two classes of protein kinases transfer phosphate groups to tyrosine residues on substrate Receptor tyrosine kinases are transmembrane proteins with an extracellular domain that binds to protein ligands (growth factors, neurotrophic factors, or cytokines) and an intracellular catalytic domain that phosphorylates the relevant substrate proteins. Non-receptor tyrosine ki- nases are cytoplasmic or membrane-associated enzymes that are indirectly activated by extracellular signals. Ty- rosine phosphorylation is less common than Ser or Thr phosphorylation, and it often serves to recruit signaling molecules to the phosphorylated protein. Tyrosine kinases are particularly important for cell growth and differentia- tion (see Chapters 22 and 23).

• پروتئین تیروزین کینازها. دو دسته از پروتئین کینازها گروه‌های فسفات را به باقیمانده‌های تیروزین روی سوبسترا منتقل می‌کنند. تیروزین کینازهای گیرنده، پروتئین‌های غشایی با یک دامنه خارج سلولی هستند که به لیگاندهای پروتئینی (فاکتورهای رشد، فاکتورهای نوروتروفیک یا سیتوکین‌ها) متصل می‌شوند و یک دامنه کاتالیزوری درون سلولی دارند که پروتئین‌های سوبسترا مربوطه را فسفریله می‌کنند. تیروزین کینازهای غیر گیرنده، آنزیم‌های سیتوپلاسمی یا مرتبط با غشاء هستند که به طور غیرمستقیم توسط سیگنال‌های خارج سلولی فعال می‌شوند. فسفوریلاسیون تیروزین کمتر از فسفوریلاسیون Ser یا Thr رایج است و اغلب برای جذب مولکول‌های سیگنالینگ به پروتئین فسفریله شده عمل می‌کند. تیروزین کینازها به ویژه برای رشد و تمایز سلولی مهم هستند (به فصل‌های 22 و 23 مراجعه کنید).

Mitogen-activated protein kinase (MAPK). MAPKs, also called extracellular signal-regulated kinases (ERKs), are important examples of protein kinases that are activated via phosphorylation by another protein kinase. MAPKs were first identified as participants in the control of cell growth but are now known to have many other signaling functions. MAPKs are inactive at rest but be- come activated when they are phosphorylated. In fact, MAPKs are part of a kinase cascade in which one protein kinase phosphorylates and activates the next protein kinase in the cascade. The signals that trigger these kinase cascades are often extracellular growth factors that bind to receptor tyrosine kinases that, in turn, activate monomeric G-proteins such as ras. However, MAPKs are also activated by other types of signals, such as osmotic stress and heat shock. Activation of MAPKs is caused by phosphorylation of one or more amino acids within a structure called the activation loop; phosphorylation changes the structure of the activation loop, enabling the catalytic domain of MAPK to phosphorylate downstream targets (Figure 7.9D). These targets include transcription factors—proteins that regulate gene expression (see Figure 7.12)—as well as various enzymes, including other protein kinases, and cytoskeletal proteins.

• پروتئین کیناز فعال‌شده توسط میتوژن (MAPK). MAPKها که کینازهای تنظیم‌شده با سیگنال خارج سلولی (ERKها) نیز نامیده می‌شوند، نمونه‌های مهمی از پروتئین کینازها هستند که از طریق فسفوریلاسیون توسط پروتئین کیناز دیگری فعال می‌شوند. MAPKها ابتدا به عنوان شرکت‌کنندگان در کنترل رشد سلولی شناسایی شدند، اما اکنون مشخص شده است که عملکردهای سیگنال‌دهی بسیار دیگری نیز دارند. MAPKها در حالت استراحت غیرفعال هستند، اما وقتی فسفریله می‌شوند، فعال می‌شوند. در واقع، MAPKها بخشی از یک آبشار کیناز هستند که در آن یک پروتئین کیناز، پروتئین کیناز بعدی را در آبشار فسفریله و فعال می‌کند. سیگنال‌هایی که این آبشارهای کیناز را آغاز می‌کنند، اغلب فاکتورهای رشد خارج سلولی هستند که به تیروزین کینازهای گیرنده متصل می‌شوند که به نوبه خود، پروتئین‌های G مونومری مانند ras را فعال می‌کنند. با این حال، MAPKها توسط انواع دیگری از سیگنال‌ها، مانند استرس اسمزی و شوک حرارتی نیز فعال می‌شوند. فعال شدن MAPKها ناشی از فسفوریلاسیون یک یا چند اسید آمینه در ساختاری به نام حلقه فعال‌سازی است؛ فسفوریلاسیون ساختار حلقه فعال‌سازی را تغییر می‌دهد و دامنه کاتالیزوری MAPK را قادر می‌سازد تا اهداف پایین‌دستی را فسفریله کند (شکل 7.9D). این اهداف شامل فاکتورهای رونویسی – پروتئین‌هایی که بیان ژن را تنظیم می‌کنند (شکل 7.12 را ببینید) – و همچنین آنزیم‌های مختلف، از جمله سایر پروتئین کینازها و پروتئین‌های اسکلت سلولی هستند.

FIGURE 7.9 Activation of protein kinases. (A) In the inactive state (left), the catalytic subunits of PKA are inhibited by the regulatory subunits. Binding of cAMP to the regulatory subunits relieves the in- hibition and frees the catalytic subunits to phosphorylate their targets. Black lines indicate flexible structures that connect parts of the regulatory subunit. (B) CaMKII is a large wheel-shaped structure compris- ing 12 subunits, each with a catalytic (tan/ yellow) and a regulatory (blue) domain, held together by a central association domain (green). Binding of Ca²⁺/calmodulin to the regulatory domain allows the catalytic domain to extend and phosphorylate its substrates. (C) Binding of Ca²⁺ allows lipid-binding domains of PKC (blue) to insert into the plasma membrane and bind to DAG and other membrane lipids. This change in structure and location displac- es the regulatory domain (blue) allowsthe catalytic domain of PKC (yellow) to phosphorylate its substrates. Black lines indicate flexible structures that connect the various domains of PKC. (D) Activation of MAPK is caused by phosphorylation of an activation loop (yellow) by upstream kinases. Phosphorylation of the activation loop allows the catalytic domain of MAPK to assume its active conformation and phosphorylate downstream targets. (A from pdb101.rcsb.org; B after Craddock et al., 2012; C after Leonard et al., 2011; D from Turk, 2007.)

شکل ۷.۹ فعال‌سازی پروتئین کینازها. (الف) در حالت غیرفعال (چپ)، زیرواحدهای کاتالیزوری PKA توسط زیرواحدهای تنظیمی مهار می‌شوند. اتصال cAMP به زیرواحدهای تنظیمی، مهار را تسکین داده و زیرواحدهای کاتالیزوری را برای فسفریله کردن اهدافشان آزاد می‌کند. خطوط سیاه ساختارهای انعطاف‌پذیری را نشان می‌دهند که بخش‌هایی از زیرواحد تنظیمی را به هم متصل می‌کنند. (ب) CaMKII یک ساختار چرخ‌مانند بزرگ است که از 12 زیرواحد تشکیل شده است، هر کدام دارای یک دامنه کاتالیزوری (قهوه‌ای/زرد) و یک دامنه تنظیمی (آبی) هستند که توسط یک دامنه مرکزی (سبز) به هم متصل شده‌اند. اتصال ⁺Ca²/کالمودولین به دامنه تنظیمی به دامنه کاتالیزوری اجازه می‌دهد تا گسترش یافته و سوبستراهای خود را فسفریله کند. (ج) اتصال ⁺Ca² به دامنه‌های اتصال لیپیدی PKC (آبی) اجازه می‌دهد تا وارد غشای پلاسما شوند و به DAG و سایر لیپیدهای غشایی متصل شوند. این تغییر در ساختار و مکان، دامنه تنظیمی (آبی) را جابجا می‌کند و به دامنه کاتالیزوری PKC (زرد) اجازه می‌دهد تا سوبستراهای خود را فسفریله کند. خطوط سیاه ساختارهای انعطاف‌پذیری را نشان می‌دهند که دامنه‌های مختلف PKC را به هم متصل می‌کنند. (د) فعال شدن MAPK ناشی از فسفریلاسیون یک حلقه فعال‌سازی (زرد) توسط کینازهای بالادست است. فسفریلاسیون حلقه فعال‌سازی به دامنه کاتالیزوری MAPK اجازه می‌دهد تا ساختار فعال خود را به دست آورد و اهداف پایین‌دست را فسفریله کند. (الف از pdb101.rcsb.org؛ ب پس از Craddock و همکاران، ۲۰۱۲؛ ج پس از Leonard و همکاران، ۲۰۱۱؛ د از Turk، ۲۰۰۷.)

Protein Phosphatases

Among the several different families of protein phospha- tases, the best characterized are the Ser/Thr phosphatases 1, 2A, and 2B. Like many protein kinases, these protein phos- phatases consist of both catalytic and regulatory subunits (Figure 7.10). The catalytic subunits remove phosphates from proteins. Because of the remarkable similarity of their catalytic subunits, protein phosphatases display less substrate specificity than protein kinases. Furthermore, most regulatory subunits of phosphatases do not bind to second messengers, making most protein phosphatases constitutively active. Instead, expression of different regulatory subunits determines which substrates are dephosphorylated and where the phosphatase is located within cells.

پروتئین فسفاتازها

در میان چندین خانواده مختلف پروتئین فسفاتازها، فسفاتازهای Ser/Thr 1، 2A و 2B که به بهترین شکل مشخص شده‌اند، شناخته شده‌اند. مانند بسیاری از پروتئین کینازها، این پروتئین فسفاتازها از هر دو زیرواحد کاتالیزوری و تنظیمی تشکیل شده‌اند (شکل 7.10). زیرواحدهای کاتالیزوری، فسفات‌ها را از پروتئین‌ها حذف می‌کنند. به دلیل شباهت قابل توجه زیرواحدهای کاتالیزوری آنها، پروتئین فسفاتازها نسبت به پروتئین کینازها، اختصاصیت سوبسترای کمتری نشان می‌دهند. علاوه بر این، اکثر زیرواحدهای تنظیمی فسفاتازها به پیام‌رسان‌های ثانویه متصل نمی‌شوند و باعث می‌شوند اکثر پروتئین فسفاتازها به طور دائمی فعال باشند. در عوض، بیان زیرواحدهای تنظیمی مختلف تعیین می‌کند که کدام سوبستراها دفسفریله می‌شوند و فسفاتاز در کجای سلول‌ها قرار دارد.

Protein phosphatase 1 (PP1). PP1 is a dimer consisting of one catalytic subunit and one regulatory subunit (see Figure 7.10A). PP1 activity is determined by which of the more than 200 different regulatory subunits binds to its catalytic subunit. PP1 also is regulated by phosphorylation of regulatory subunits by PP1 is one of the most prevalent Ser/Thr protein phosphatases in mammalian cells and dephosphorylates a wide array of substrate proteins. In addition to its well-studied regulation of metabolic enzymes, PP1 can also influence neuronal electrical signaling by dephosphorylating K⁺ and Ca²⁺ channels, as well as neurotransmitter receptors such as AMPA-type and NMDA-type glutamate receptors.

• پروتئین فسفاتاز ۱ (PP1). PP1 یک دایمر متشکل از یک زیر واحد کاتالیزوری و یک زیر واحد تنظیمی است (شکل ۷.۱۰A را ببینید). فعالیت PP1 توسط اینکه کدام یک از بیش از ۲۰۰ زیر واحد تنظیمی مختلف به زیر واحد کاتالیزوری آن متصل می‌شود، تعیین می‌شود. PP1 همچنین توسط فسفوریلاسیون زیر واحدهای تنظیمی توسط PP1 تنظیم می‌شود. PP1 یکی از رایج‌ترین پروتئین فسفاتازهای Ser/Thr در سلول‌های پستانداران است و طیف وسیعی از پروتئین‌های سوبسترا را دفسفریله می‌کند. علاوه بر تنظیم آنزیم‌های متابولیک که به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است، PP1 همچنین می‌تواند با دفسفریله کردن کانال‌های ⁺K و ⁺Ca² و همچنین گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی مانند گیرنده‌های گلوتامات نوع AMPA و NMDA، بر سیگنال‌دهی الکتریکی نورونی تأثیر بگذارد.

Protein phosphatase 2A (PP2A). PP2A is one of the most abundant enzymes in the brain and accounts for approximately 1% of the total amount of protein found within PP2A is a multisubunit enzyme consisting of both catalytic and regulatory subunits, as well as an additional scaffold subunit that brings together the catalytic and regulatory subunits (see Figure 7.10B). There are two different versions of the catalytic and scaffold subunits and approximately 25 different regulatory subunits. Different combinations of these three subunits yield more than 80 different versions of PP2A. PP2A has a broad range of substrates that overlap with those of PP1. One of its best-studied substrates is tau, a protein associated with microtubules in the cytoskeleton. Alzheimer’s disease is associated with excessive phosphorylation of tau, perhaps due to defects in PP2A. Alterations in PP2A activity also have been implicated in other neurodegenerative diseases, as well as in cancer and diabetes. Although PP2A is constitutively active, its activity can be regulated by phosphorylation and other post-translational modifications of both the catalytic and regulatory subunits.

• پروتئین فسفاتاز 2A (PP2A). PP2A یکی از فراوان‌ترین آنزیم‌ها در مغز است و تقریباً 1٪ از کل پروتئین موجود در PP2A را تشکیل می‌دهد. این آنزیم چند زیر واحدی متشکل از زیر واحدهای کاتالیزوری و تنظیمی و همچنین یک زیر واحد داربستی اضافی است که زیر واحدهای کاتالیزوری و تنظیمی را گرد هم می‌آورد (شکل 7.10B را ببینید). دو نسخه مختلف از زیر واحدهای کاتالیزوری و داربستی و تقریباً 25 زیر واحد تنظیمی مختلف وجود دارد. ترکیبات مختلف این سه زیر واحد، بیش از 80 نسخه مختلف از PP2A را ایجاد می‌کند. PP2A طیف گسترده‌ای از سوبستراها را دارد که با سوبستراهای PP1 همپوشانی دارند. یکی از بهترین سوبستراهای مورد مطالعه آن، تائو است، پروتئینی مرتبط با میکروتوبول‌ها در اسکلت سلولی. بیماری آلزایمر با فسفوریلاسیون بیش از حد تائو مرتبط است، شاید به دلیل نقص در PP2A. تغییرات در فعالیت PP2A همچنین در سایر بیماری‌های نورودژنراتیو و همچنین در سرطان و دیابت نقش داشته است. اگرچه PP2A به طور دائمی فعال است، اما فعالیت آن می‌تواند توسط فسفوریلاسیون و سایر تغییرات پس از ترجمه هر دو زیرواحد کاتالیزوری و تنظیمی تنظیم شود.

Protein phosphatase 2B (PP2B). PP2B, or calcineurin, is present at high levels in neurons and comprises a catalytic subunit and a regulatory subunit (see Figure 7.10C). Un- like the activity of PP1 and PP2A, PP2B activity is acutely controlled by intracellular Ca²⁺ signaling: Ca²⁺/calmod- ulin activates PP2B by binding to the catalytic subunit and displacing the inhibitory regulatory domain, thereby activating PP2B. Even though both PP2B and CaMKII are activated by Ca²⁺/calmodulin, they generally have different molecular targets. Substrates of PP2B include a transcriptional regulator, NFAT, and ion channels. Dephosphorylation of AMPA-type glutamate receptors by PP2B is thought to play a central role in signal transduction during long-term depression of hippocampal synapses (see Chapter 8).

پروتئین فسفاتاز 2B (PP2B). PP2B یا کلسینورین، در سطوح بالایی در نورون‌ها وجود دارد و شامل یک زیر واحد کاتالیزوری و یک زیر واحد تنظیمی است (شکل 7.10C را ببینید). برخلاف فعالیت PP1 و PP2A، فعالیت PP2B به شدت توسط سیگنالینگ ⁺Ca² درون سلولی کنترل می‌شود: ⁺Ca²/کالمودولین با اتصال به زیر واحد کاتالیزوری و جابجایی دامنه تنظیمی مهاری، PP2B را فعال می‌کند و در نتیجه PP2B را فعال می‌کند. اگرچه PP2B و CaMKII هر دو توسط ⁺Ca²/کالمودولین فعال می‌شوند، اما عموماً اهداف مولکولی متفاوتی دارند. سوبستراهای PP2B شامل یک تنظیم‌کننده رونویسی، NFAT و کانال‌های یونی هستند. تصور می‌شود که دفسفوریلاسیون گیرنده‌های گلوتامات نوع AMPA توسط PP2B نقش محوری در انتقال سیگنال در طول سرکوب طولانی مدت سیناپس‌های هیپوکامپ ایفا می‌کند (به فصل 8 مراجعه کنید).

In summary, activation of membrane receptors can elicit complex cascades of enzyme activation, result- ing in second-messenger production and protein phosphorylation or dephosphorylation. These cytoplasmic signals produce a variety of physiological responses by transiently regulating enzyme activity, ion channels, cy- toskeletal proteins, and many other cellular processes. In- tracellular signaling mechanisms also serve as targets for numerous psychiatric disorders (Clinical Applications). At excitatory synapses, these signaling components are often contained within dendritic spines, which appear to serve as specialized signaling compartments within neurons (Box 7B). In addition, such signals can propagate to the nucleus and cause long-lasting changes in gene expression.

به طور خلاصه، فعال شدن گیرنده‌های غشایی می‌تواند آبشارهای پیچیده‌ای از فعال‌سازی آنزیم‌ها را ایجاد کند که منجر به تولید پیام‌رسان ثانویه و فسفوریلاسیون یا دفسفوریلاسیون پروتئین می‌شود. این سیگنال‌های سیتوپلاسمی با تنظیم موقت فعالیت آنزیم، کانال‌های یونی، پروتئین‌های اسکلت سلولی و بسیاری از فرآیندهای سلولی دیگر، پاسخ‌های فیزیولوژیکی متنوعی ایجاد می‌کنند. مکانیسم‌های سیگنال‌دهی درون سلولی همچنین به عنوان هدف برای اختلالات روانی متعدد عمل می‌کنند (کاربردهای بالینی). در سیناپس‌های تحریکی، این اجزای سیگنال‌دهی اغلب در داخل خارهای دندریتی قرار دارند که به نظر می‌رسد به عنوان محفظه‌های سیگنال‌دهی تخصصی در نورون‌ها عمل می‌کنند (کادر 7B). علاوه بر این، چنین سیگنال‌هایی می‌توانند به هسته منتشر شوند و باعث تغییرات طولانی‌مدت در بیان ژن شوند.

FIGURE 7.10 Types of protein phosphatases. (A) Structure of PP1, consisting of a catalytic subunit (red) bound to spinophilin (blue), a regulatory subunit found in dendritic spines. (B) PP2A is a trimeric enzyme that has a scaffold subunit (yellow), in addition to the catalytic (red) and regulatory (blue) subunits common to other phosphatases. (C) The activity of PP2B, or calcineurin, is regu- lated by Ca²⁺/calmodulin. In the absence of Ca²⁺/calmodulin (left), part of the regulatory subunit blocks the active site of the catalytic subunit, preventing phosphatase activity.Binding of Ca²⁺/calmodulin to the regulatorysubunit relieves this blockade, allowing PP2B to dephosphorylate its substrate proteins. (A from Bollen et al., 2010; B from Cho and Xu, 2007; C after Li et al., 2011.)

شکل ۷.۱۰ انواع پروتئین فسفاتازها. (الف) ساختار PP1، متشکل از یک زیر واحد کاتالیزوری (قرمز) متصل به اسپینوفیلین (آبی)، یک زیر واحد تنظیمی که در خارهای دندریتی یافت می‌شود. (ب) PP2A یک آنزیم تریمری است که علاوه بر زیر واحدهای کاتالیزوری (قرمز) و تنظیمی (آبی) که در سایر فسفاتازها مشترک است، یک زیر واحد داربستی (زرد) نیز دارد. (ج) فعالیت PP2B یا کلسینورین توسط ⁺Ca²/کالمودولین تنظیم می‌شود. در غیاب ⁺Ca²/کالمودولین (چپ)، بخشی از زیر واحد تنظیمی، جایگاه فعال زیر واحد کاتالیزوری را مسدود می‌کند و از فعالیت فسفاتاز جلوگیری می‌کند. اتصال ⁺Ca²/کالمودولین به زیر واحد تنظیمی، این انسداد را برطرف می‌کند و به PP2B اجازه می‌دهد تا پروتئین‌های سوبسترای خود را دفسفریله کند. (الف از بولن و همکاران، ۲۰۱۰؛ ب از چو و شو، ۲۰۰۷؛ ج از لی و همکاران، ۲۰۱۱.)

CLINICAL  APPLICATIONS

Molecular Basis of Psychiatric Disorders

Defective molecular signaling at synapses has been strongly implicated in a number of psychiatric diseases, including psychoses, mood disorders, and anxiety disorders. In fact, our knowledge of synaptic signaling mechanisms has played a fundamental role in advancing our understanding of these disorders and in developing thera-peutic strategies to treat them.

کاربردهای بالینی

اساس مولکولی اختلالات روانپزشکی

سیگنال‌دهی مولکولی معیوب در سیناپس‌ها به شدت در تعدادی از بیماری‌های روانپزشکی، از جمله روان‌پریشی، اختلالات خلقی و اختلالات اضطرابی نقش دارد. در واقع، دانش ما از مکانیسم‌های سیگنال‌دهی سیناپسی نقش اساسی در پیشرفت درک ما از این اختلالات و توسعه استراتژی‌های درمانی برای درمان آنها داشته است.

Psychoses

Patients suffering from psychoses have a loss of contact with reality; this can include both positive symptoms, such as hallucinations and delusions, as well as negative symptoms such as apathy. The most prevalent form of psychosis is schizophrenia, which affects approximately 1% of the world’s population. Antagonists of dopamine receptors serve as antipsychotic drugs that reduce the pos- itive symptoms of many schizophrenia patients. First-generation antipsychotic drugs include chlorpromazine, haloperi- dol, and fluphenazine. These drugs produce a number of side effects, most notably motor control problems—including tremors and immobility—that are also as- sociated with dopamine-deficiency disorders such as Parkinson’s disease (see Chapter 18). Much effort has gone into developing more effective antipsychotic drugs that have fewer side effects. The resulting second-generation antipsychot- ic drugs, such as clozapine, melperone, and olanzapine, reportedly cause fewer motor control problems but can produce other side effects such as weight gain and diabetes.

روان‌پریشی

بیمارانی که از روان‌پریشی رنج می‌برند، ارتباط خود را با واقعیت از دست می‌دهند؛ این می‌تواند شامل علائم مثبت مانند توهم و هذیان و همچنین علائم منفی مانند بی‌تفاوتی باشد. شایع‌ترین نوع روان‌پریشی، اسکیزوفرنی است که تقریباً 1٪ از جمعیت جهان را تحت تأثیر قرار می‌دهد. آنتاگونیست‌های گیرنده‌های دوپامین به عنوان داروهای ضد روان‌پریشی عمل می‌کنند که علائم مثبت بسیاری از بیماران اسکیزوفرنی را کاهش می‌دهند. داروهای ضد روان‌پریشی نسل اول شامل کلرپرومازین، هالوپریدول و فلوفنازین هستند. این داروها عوارض جانبی متعددی ایجاد می‌کنند، به ویژه مشکلات کنترل حرکتی – از جمله لرزش و بی‌حرکتی – که با اختلالات کمبود دوپامین مانند بیماری پارکینسون نیز مرتبط هستند (به فصل 18 مراجعه کنید). تلاش‌های زیادی برای توسعه داروهای ضد روان‌پریشی مؤثرتر که عوارض جانبی کمتری دارند، انجام شده است. طبق گزارش‌ها، داروهای ضد روان‌پریشی نسل دوم حاصل، مانند کلوزاپین، ملپرون و اولانزاپین، مشکلات کنترل حرکتی کمتری ایجاد می‌کنند، اما می‌توانند عوارض جانبی دیگری مانند افزایش وزن و دیابت ایجاد کنند.

While the fact that dopamine receptor blockers ameliorate some symptoms implicates dopamine signaling defects in schizophrenia, the pathogenesis of schizophrenia remains unknown. Studiesof twins indicate that the heritability of schizophrenia is 80%. This strong genetic linkage has motivated studies that have identified mutations in more than 100 schizophrenia susceptibility genes. Several schizophrenia-associated genes encode proteins involved in dopami- nergic signaling. These include the type 2 dopamine receptor (DRD2); catechol-O-methyltransferase (COMT ), an enzyme that degrades dopamine; as well as intracellular signal transduction molecules such as a regulatory subunit of PP1 (DARPP-32); another protein phos- phatase, calcineurin (PPP3CC); and a GAP for G-protein signaling (RGS4). Still other schizophrenia-associated genes encode other types of neurotransmitter receptors, such as the 5-HT2a receptor (HTR2A), nicotinic acetylcholine receptors (CHRNA7), a receptor for vasoactive intestinal peptide (VIPR2), and a recep- tor for dopamine-like trace amino acids (TAAR6). Another schizophrenia susceptibility gene is the D-amino acid oxidase activator (DAOA). This activates D-amino acid oxidase (DAO), an enzyme that metabolizes D-serine, an activator of NMDA receptors. Finally, numerous other schizophrenia-associated genes are associated with brain or synapse development. These include Disrupted in Schizophrenia 1 (DISC1), dysbindin (DTNBP1), neuregulin (NRG1), the C4 complement factors (C4A and C4B), the AKT1 protein kinase (AKT1) and the Armadillo repeat gene deleted in Velo-Cardio-Facial syn- drome (ARVCF).

اگرچه این واقعیت که مسدودکننده‌های گیرنده دوپامین برخی از علائم را بهبود می‌بخشند، نقص سیگنالینگ دوپامین در اسکیزوفرنی را نشان می‌دهد، اما پاتوژنز اسکیزوفرنی هنوز ناشناخته است. مطالعات روی دوقلوها نشان می‌دهد که وراثت‌پذیری اسکیزوفرنی 80٪ است. این پیوند ژنتیکی قوی، مطالعاتی را برانگیخته است که جهش‌هایی را در بیش از 100 ژن مستعد اسکیزوفرنی شناسایی کرده‌اند. چندین ژن مرتبط با اسکیزوفرنی، پروتئین‌های دخیل در سیگنالینگ دوپامینرژیک را رمزگذاری می‌کنند. این موارد شامل گیرنده دوپامین نوع 2 (DRD2)؛ کات-اکول-O-متیل ترانسفراز (COMT)، آنزیمی که دوپامین را تجزیه می‌کند؛ و همچنین مولکول‌های انتقال سیگنال درون سلولی مانند زیر واحد تنظیمی PP1 (DARPP-32)؛ پروتئین فسفاتاز دیگری به نام کلسینورین (PPP3CC)؛ و یک GAP برای سیگنالینگ پروتئین G (RGS4) است. با این حال، سایر ژن‌های مرتبط با اسکیزوفرنی، انواع دیگری از گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی مانند گیرنده 5-HT2a (HTR2A)، گیرنده‌های استیل کولین نیکوتینی (CHRNA7)، گیرنده‌ای برای پپتید روده‌ای وازواکتیو (VIPR2) و گیرنده‌ای برای اسیدهای آمینه کمیاب شبیه دوپامین (TAAR6) را رمزگذاری می‌کنند. یکی دیگر از ژن‌های مستعدکننده اسکیزوفرنی، فعال‌کننده D-آمینو اسید اکسیداز (DAOA) است. این ژن، D-آمینو اسید اکسیداز (DAO)، آنزیمی که D-سرین، فعال‌کننده گیرنده‌های NMDA، را متابولیزه می‌کند، فعال می‌کند. در نهایت، بسیاری از ژن‌های مرتبط با اسکیزوفرنی دیگر با رشد مغز یا سیناپس مرتبط هستند. این موارد شامل اختلال در اسکیزوفرنی ۱ (DISC1)، دیس‌بایندین (DTNBP1)، نورگولین (NRG1)، فاکتورهای مکمل C4 (C4A و C4B)، پروتئین کیناز AKT1 (AKT1) و ژن تکرار آرمادیلو که در سندرم ولو-کاردیو-فاسیال (ARVCF) حذف شده است، می‌شود.

These studies indicate that schizo-phrenia is a complex disorder that results from the interaction of many genes, as well as other factors such as traumatic brain injury. Collectively, these factors produce defects in synapse formation and regulation that yield the alterations in brain dopamine signaling that underlie at least some of the symptoms of schizophrenia.

این مطالعات نشان می‌دهد که اسکیزوفرنی یک اختلال پیچیده است که از تعامل بسیاری از ژن‌ها و همچنین عوامل دیگری مانند آسیب‌های مغزی ناشی می‌شود. در مجموع، این عوامل نقص‌هایی در تشکیل و تنظیم سیناپس ایجاد می‌کنند که منجر به تغییراتی در سیگنالینگ دوپامین مغز می‌شود که حداقل برخی از علائم اسکیزوفرنی را تشکیل می‌دهد.

Mood disorders

As their name indicates, mood (or affective) disorders are characterized by prolonged elevation or lowering of a patient’s mood. The two most prevalent types of mood disorders are depression and bipolar disorder.

اختلالات خلقی

همانطور که از نامشان پیداست، اختلالات خلقی (یا عاطفی) با افزایش یا کاهش طولانی مدت خلق و خوی بیمار مشخص می‌شوند. دو نوع شایع اختلالات خلقی، افسردگی و اختلال دوقطبی هستند.

Depression, also called major de- pressive disorder, is associated with a low mood that persists for 2 weeks or longer. Approximately 17% of the world’spopulation experiences depression sometime in their lives, with women be- ing afflicted at approximately twice the rate of men. The three major classes of antidepressant drugs all influence ami- nergic synaptic transmission. Inhibitors of monoamine oxidase (MAO), such as phenelzine, block the breakdown of amines, whereas tricyclic antidepressants, such as desipramine, block the reuptake of norepinephrine and other amines. The extraordinarily popular antidepressant fluoxetine (Prozac) selectively blocks the reuptake of serotonin without affecting the reuptake of catecholamines, such as dopamine. Amphetamine is a stimulant that also is used to treat some depressive disorders; this drug has multiple actions, including stimulation of norepinephrine release from nerve terminals.

افسردگی، که اختلال افسردگی اساسی نیز نامیده می‌شود، با خلق و خوی بدی همراه است که به مدت ۲ هفته یا بیشتر ادامه می‌یابد. تقریباً ۱۷٪ از جمعیت جهان در برهه‌ای از زندگی خود افسردگی را تجربه می‌کنند و زنان تقریباً دو برابر مردان به آن مبتلا می‌شوند. سه دسته اصلی داروهای ضد افسردگی همگی بر انتقال سیناپسی آمینرژیک تأثیر می‌گذارند. مهارکننده‌های مونوآمین اکسیداز (MAO)، مانند فنلزین، تجزیه آمین‌ها را مسدود می‌کنند، در حالی که داروهای ضد افسردگی سه حلقه‌ای، مانند دزیپرامین، بازجذب نوراپی نفرین و سایر آمین‌ها را مسدود می‌کنند. داروی ضد افسردگی فوق‌العاده محبوب فلوکستین (پروزاک) به طور انتخابی بازجذب سروتونین را مسدود می‌کند بدون اینکه بر بازجذب کاتکول آمین‌ها، مانند دوپامین، تأثیر بگذارد. آمفتامین محرکی است که برای درمان برخی از اختلالات افسردگی نیز استفاده می‌شود. این دارو دارای چندین اثر است، از جمله تحریک آزادسازی نوراپی نفرین از پایانه‌های عصبی.

Although the genetic heritability of depression is significant—approximately 30-40%—there have been relatively few genetic studies of depression. Among the depression-associated gene mu- tations identified thus far, several are associated with synaptic molecular signaling: the beta subunit of CaMKII (CAMK2B),  synapse-associated  protein 102 (DLG3), a membrane-associated guanylate kinase found at glutamater- gic synapses, and MAPK phosphatase-1 (DUSP1), a negative regulator of MAPK signaling. The relationship between these genetic defects and the actions of antidepressant drugs is not yet clear.

اگرچه وراثت‌پذیری ژنتیکی افسردگی قابل توجه است – تقریباً 30-40٪ – مطالعات ژنتیکی نسبتاً کمی در مورد افسردگی انجام شده است. در میان جهش‌های ژنی مرتبط با افسردگی که تاکنون شناسایی شده‌اند، چندین مورد با سیگنال‌دهی مولکولی سیناپسی مرتبط هستند: زیر واحد بتای CaMKII (CAMK2B)، پروتئین مرتبط با سیناپس 102 (DLG3)، یک کیناز گوانیلات مرتبط با غشاء که در سیناپس‌های گلوتاماترژیک یافت می‌شود، و MAPK فسفاتاز-1 (DUSP1)، یک تنظیم‌کننده منفی سیگنال‌دهی MAPK. رابطه بین این نقص‌های ژنتیکی و عملکرد داروهای ضد افسردگی هنوز مشخص نیست.

Patients with bipolar disorder have moods that alternate between depression and mania, an abnormally elevated mood state; this led to the previous designation of manic depression. Less than 1% of the population suffers from bipolar disorder. The drugs most frequently used to treat bipolar disorder are the antipsychotic compounds that alter dopaminergic or serotonerigic synaptic transmission.

بیماران مبتلا به اختلال دوقطبی خلق و خویی دارند که بین افسردگی و شیدایی، یک حالت خلقی غیرطبیعی بالا، در نوسان است؛ این امر منجر به طراحی قبلی افسردگی مانیک شد. کمتر از 1٪ از جمعیت از اختلال دوقطبی رنج می‌برند. داروهایی که اغلب برای درمان اختلال دوقطبی استفاده می‌شوند، ترکیبات ضد روان‌پریشی هستند که انتقال سیناپسی دوپامینرژیک یا سروتونرژیک را تغییر می‌دهند.

Genetically, bipolar disorder has many parallels to schizophrenia. First, like schizophrenia, the genetic heritability of bipolar disorder is very high (80–90%). Also similar to schizophrenia, bipolar disorder seems to be a complex disease that is associated with numerous gene defects, some of which are also found in schizophrenic patients. Several of these genes encode proteins associated with dopaminergic or serotonergic signaling: MAO (MAOA) and catechol-O-methyltransferase  (COMT),  the  two  major enzymes involved in dopamine degra- dation (see Chapter 6), as well as the G-protein receptor kinase (GRK3), which is also involved in dopamine metabo- lism, as well as the plasma membrane transporter responsible for clearing 5-HT from the synaptic cleft (5HTT). Several other genes are associated with glutamatergic synaptic transmission, such as NMDA receptors (GRIN2B), the synapse organizing proteins synapse-associated protein 102 (DLG3) and PSD-95 (DLG4; see Box 7B), D-amino acid oxidase activator (DAOA) and CaMKII (CAMK2B). Also im-plicated are proteins involved in synapse development, such as the brain-derived neurophic factor (BDNF; see Chapter 23), Disrupted in Schizophrenia 1 (DISC1) and neuregulin (NRG1). Finally, bipolar dis- order is also associated with mutations in voltage-gated chloride (VDAC1 and VDAC2) and calcium (CACNG2) chan- nels.

از نظر ژنتیکی، اختلال دوقطبی شباهت‌های زیادی به اسکیزوفرنی دارد. اولاً، مانند اسکیزوفرنی، وراثت‌پذیری ژنتیکی اختلال دوقطبی بسیار بالا است (80-90٪). همچنین مشابه اسکیزوفرنی، به نظر می‌رسد اختلال دوقطبی یک بیماری پیچیده است که با نقص‌های ژنی متعددی مرتبط است که برخی از آنها در بیماران اسکیزوفرنی نیز یافت می‌شوند. چندین مورد از این ژن‌ها پروتئین‌های مرتبط با سیگنالینگ دوپامینرژیک یا سروتونرژیک را رمزگذاری می‌کنند: MAO (MAOA) و کاتکول-O-متیل-ترانسفراز (COMT)، دو آنزیم اصلی دخیل در تخریب دوپامین (به فصل 6 مراجعه کنید)، و همچنین گیرنده پروتئین G کیناز (GRK3)، که در متابولیسم دوپامین نیز نقش دارد، و همچنین ناقل غشای پلاسمایی که مسئول پاکسازی 5-HT از شکاف سیناپسی (5HTT) است. چندین ژن دیگر با انتقال سیناپسی گلوتاماترژیک مرتبط هستند، مانند گیرنده‌های NMDA (GRIN2B)، پروتئین‌های سازمان‌دهنده سیناپس، پروتئین مرتبط با سیناپس 102 (DLG3) و PSD-95 (DLG4؛ به کادر 7B مراجعه کنید)، فعال‌کننده D-آمینو اسید اکسیداز (DAOA) و CaMKII (CAMK2B). همچنین پروتئین‌های دخیل در توسعه سیناپس، مانند فاکتور نوروفیک مشتق از مغز (BDNF؛ به فصل 23 مراجعه کنید)، اختلال در اسکیزوفرنی 1 (DISC1) و نورگولین (NRG1) نیز در این امر دخیل هستند. در نهایت، اختلال دوقطبی نیز با جهش در کانال‌های کلرید وابسته به ولتاژ (VDAC1 و VDAC2) و کلسیم (CACNG2) مرتبط است.

In summary, although the pathogenesis of bipolar disorder remains unclear, the genetic and psychotherapeutic links between biopolar disorder and schizophrenia suggest that both disorders share some common origins.

به طور خلاصه، اگرچه پاتوژنز اختلال دوقطبی هنوز مشخص نیست، پیوندهای ژنتیکی و روان‌درمانی بین اختلال زیستی-قطبی و اسکیزوفرنی نشان می‌دهد که هر دو اختلال ریشه‌های مشترکی دارند.

Anxiety disorders

Anxiety disorders are estimated to afflict 10–35% of the population, making them the most common psychiatric problem. Similar to depression, the prevalence of anxiety disorders is approximately twice as high in females as in males. Two of the major forms of pathological anxiety— panic disorder and generalized anxiety disorder—differ in their durations.

اختلالات اضطرابی

تخمین زده می‌شود که اختلالات اضطرابی ۱۰ تا ۳۵ درصد از جمعیت را تحت تأثیر قرار می‌دهد و آنها را به شایع‌ترین مشکل روانپزشکی تبدیل می‌کند. مشابه افسردگی، شیوع اختلالات اضطرابی در زنان تقریباً دو برابر مردان است. دو نوع اصلی اضطراب پاتولوژیک – اختلال هراس و اختلال اضطراب فراگیر – از نظر مدت زمان متفاوت هستند.

Panic disorder is associated with sud- den, and often unprovoked, attacks of fear that are associated with changes in heart rate and other responses associated with panic. Agents used to treat panic disorder include drugs that affect aminergic transmission, such as MAO inhibitors and blockers of serotonin re- ceptors. Although a heritability of approximately 40% suggests a significant genetic component to panic disorder, there have been few genetic studies of panic disorder. Two initial genetic asso- ciations indicate mutations in a membrane-associated regulatory subunit of PP1 (TMEM132D) and catechol-O-methyl- transferase (COMT ), consistent with the efficacy of drugs that affect aminergic transmission.

اختلال پانیک با حملات ناگهانی و اغلب بی‌دلیل ترس همراه است که با تغییرات در ضربان قلب و سایر پاسخ‌های مرتبط با پانیک همراه است. داروهایی که برای درمان اختلال پانیک استفاده می‌شوند شامل داروهایی هستند که بر انتقال آمینرژیک تأثیر می‌گذارند، مانند مهارکننده‌های MAO و مسدودکننده‌های گیرنده‌های سروتونین. اگرچه وراثت‌پذیری تقریباً 40٪ نشان دهنده یک مؤلفه ژنتیکی قابل توجه برای اختلال پانیک است، اما مطالعات ژنتیکی کمی در مورد اختلال پانیک انجام شده است. دو ارتباط ژنتیکی اولیه، جهش‌هایی را در یک زیر واحد تنظیمی مرتبط با غشاء PP1 (TMEM132D) و کاتکول-O-متیل-ترانسفراز (COMT) نشان می‌دهند که با اثربخشی داروهایی که بر انتقال آمینرژیک تأثیر می‌گذارند، سازگار است.

Generalized anxiety disorder causes bouts of extreme anxiety that can persist for weeks or longer and are associated with other symptoms, such as restlessness or difficulties in concentrat- ing. The most effective drugs for treat- ment of generalized anxiety disorder are agents that increase the efficacy of inhibitory  transmission at synapses employing GABAA receptors. Examples of these anxiolytic drugs include benzodiazepines, such as chlordiazepoxide (Librium), and diazepam (Valium; see Chapter 5 and Clinical Applications, Chapter 2). Generalized anxiety disorder has a heritability of 30–40%, again indicating a genetic contribution to this disease. Among the sparse genetic studies to date, the most promising links to generalized anxiety disorder are mutations in the gene encoding glutamat- ic acid decarboxylase (GAD2), the enzyme responsible for synthesis of GABA. This fits well with the clinical effective- ness of the benzodiazepines in treating generalized anxiety disorder.

اختلال اضطراب فراگیر باعث حملات اضطراب شدید می‌شود که می‌تواند هفته‌ها یا بیشتر ادامه یابد و با علائم دیگری مانند بی‌قراری یا مشکلات تمرکز همراه است. مؤثرترین داروها برای درمان اختلال اضطراب فراگیر، داروهایی هستند که اثربخشی انتقال مهاری در سیناپس‌ها را با استفاده از گیرنده‌های GABAA افزایش می‌دهند. نمونه‌هایی از این داروهای ضد اضطراب شامل بنزودیازپین‌ها، مانند کلردیازپوکساید (لیبریوم) و دیازپام (والیوم) هستند؛ به فصل 5 و کاربردهای بالینی، فصل 2 مراجعه کنید. اختلال اضطراب فراگیر دارای وراثت‌پذیری 30 تا 40 درصد است که دوباره نشان دهنده سهم ژنتیکی در این بیماری است. در میان مطالعات ژنتیکی پراکنده تا به امروز، امیدوارکننده‌ترین ارتباط با اختلال اضطراب فراگیر، جهش در ژن کدکننده گلوتاماتیک اسید دکربوکسیلاز (GAD2)، آنزیم مسئول سنتز GABA، است. این موضوع به خوبی با اثربخشی بالینی بنزودیازپین‌ها در درمان اختلال اضطراب فراگیر مطابقت دارد.

In conclusion, psychiatric disorders are complex,  both  in  terms  of  their mechanisms as well as their symptoms. While some therapies are effective in treating some of the symptoms of these disorders, in no case do we currently have a comprehensive molecular explanation for any psychiatric disorder. The common theme linking these disorders is defects in synaptic molecular signaling, most prominently involving aminergic transmission, but also glutamatergic and GABAergic transmission as well. Eventually, these molecular clues will lead to elucidation of the causes of psychiatric disorders.

در نتیجه، اختلالات روانی، چه از نظر مکانیسم‌ها و چه از نظر علائم، پیچیده هستند. در حالی که برخی از روش‌های درمانی در درمان برخی از علائم این اختلالات مؤثر هستند، در حال حاضر هیچ توضیح مولکولی جامعی برای هیچ اختلال روانی نداریم. موضوع مشترکی که این اختلالات را به هم مرتبط می‌کند، نقص در سیگنالینگ مولکولی سیناپسی است که برجسته‌ترین آن شامل انتقال آمینرژیک، و همچنین انتقال گلوتاماترژیک و گاباارژیک است. در نهایت، این سرنخ‌های مولکولی منجر به روشن شدن علل اختلالات روانی خواهد شد.

BOX  7B ◊  Dendritic Spines

Many excitatory synapses in the brain involve microscopic dendritic protrusions known as spines (Figure A). Spines are distinguished by the presence of globular tips called spine heads, which serve as the postsynaptic site of innervation by presynaptic terminals. Spine heads are con- nected to the main shafts of dendrites by narrow links called spine necks (Figure B). Just beneath the site of contact between presynaptic terminals and spine heads are intracellular structures called postsynaptic densities. The number, size, and shape of spines are quite variable along some dendrites (Figure C). At least in some cases, spine shape can change dynamically over time (see Figure 8.15), and is altered in several neurodegener- ative disorders (such as Alzheimer’s dis- ease) and psychiatric disorders (such as autism and schizophrenia).

جعبه ۷ب ◊ خارهای دندریتیک

بسیاری از سیناپس‌های تحریکی در مغز شامل برآمدگی‌های دندریتیک میکروسکوپی هستند که به عنوان خار شناخته می‌شوند (شکل الف). خارها با وجود نوک‌های کروی به نام سرهای خار متمایز می‌شوند که به عنوان محل عصب‌دهی پس سیناپسی توسط پایانه‌های پیش‌سیناپسی عمل می‌کنند. سرهای خار توسط پیوندهای باریکی به نام گردن خار به شفت‌های اصلی دندریت‌ها متصل می‌شوند (شکل ب). درست در زیر محل تماس بین پایانه‌های پیش‌سیناپسی و سرهای خار، ساختارهای درون سلولی به نام تراکم‌های پس سیناپسی وجود دارند. تعداد، اندازه و شکل خارها در امتداد برخی از دندریت‌ها کاملاً متغیر است (شکل ج). حداقل در برخی موارد، شکل خار می‌تواند به مرور زمان به صورت پویا تغییر کند (به شکل ۸.۱۵ مراجعه کنید) و در چندین اختلال عصبی دژنراتیو (مانند بیماری آلزایمر) و اختلالات روانی (مانند اوتیسم و ​​اسکیزوفرنی) تغییر می‌کند.

Since the earliest description of these structures by Santiago Ramón y Cajal in the late 1800s, dendritic spines have fascinated generations of neuroscientists and have inspired much speculation about their function. One of the earliest conjectures was that the narrow spine neck electrically isolates synapses from the rest of the neuron. However, the most recent measurements indicate that EPSPs can spread from some spine heads to dendrites with little attenuation.

از زمان اولین توصیف این ساختارها توسط سانتیاگو رامونی کاخال در اواخر دهه ۱۸۰۰، خارهای دندریتیک نسل‌های زیادی از دانشمندان علوم اعصاب را مجذوب خود کرده‌اند و الهام‌بخش گمانه‌زنی‌های زیادی در مورد عملکرد آنها بوده‌اند. یکی از اولین حدس‌ها این بود که گردن باریک خار، سیناپس‌ها را از بقیه نورون به صورت الکتریکی جدا می‌کند. با این حال، جدیدترین اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که EPSPها می‌توانند از برخی سرهای خار به دندریت‌ها با تضعیف کمی گسترش یابند.

Another  theory—currently  the  most popular functional concept—postulates that spines create biochemical compartments. This idea is based on the idea that the spine neck could impede diffusion of biochemical signals from the spine head the rest of the dendrite. Several obser- vations are consistent with this notion. First, measurements show that the spine neck does indeed serve as a barrier to dif- fusion, in some cases slowing the rate of molecular movement by a factor of 100 or more. Second, spines are found at excit- atory synapses, where it is known that synaptic transmission generates many diffusible signals, most notably the second messenger Ca²⁺. Finally, fluorescence imaging shows that synaptic Ca²⁺ signals can indeed be restricted to dendritic spines in some circumstances (Figure D).

نظریه دیگر – که در حال حاضر محبوب‌ترین مفهوم عملکردی است – فرض می‌کند که خارها محفظه‌های بیوشیمیایی ایجاد می‌کنند. این ایده بر این اساس است که گردن خار می‌تواند مانع انتشار سیگنال‌های بیوشیمیایی از سر خار به بقیه دندریت شود. چندین مشاهده با این مفهوم سازگار است. اول، اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که گردن خار در واقع به عنوان مانعی برای انتشار عمل می‌کند و در برخی موارد سرعت حرکت مولکولی را تا ۱۰۰ برابر یا بیشتر کاهش می‌دهد. دوم، خارها در سیناپس‌های تحریکی یافت می‌شوند، جایی که مشخص است انتقال سیناپسی سیگنال‌های قابل انتشار زیادی ایجاد می‌کند، به ویژه پیام‌رسان دوم ⁺Ca². در نهایت، تصویربرداری فلورسانس نشان می‌دهد که سیگنال‌های سیناپسی ⁺Ca² در برخی شرایط می‌توانند در واقع به خارهای دندریتی محدود شوند (شکل D).

Nevertheless, there are counterargumentstothehypothesisthatspinesprovide relatively isolated biochemical compart- ments. For example, it is known that other second messengers, such as IP₃, as well as other signaling molecules, can diffuse out of the spine head and into the dendritic shaft. This difference in diffusion presumably is due to the fact that such signals last longer than Ca²⁺ signals, allowing them sufficient time to overcome  the diffusion barrier of the spine neck. Another relevant point is that postsyn- aptic Ca²⁺ signals are highly localized, even at excitatory synapses that do not have spines. Thus, in at least some instances, spines are neither necessary nor sufficient for localization of synaptic second-messenger signaling.

با این وجود، استدلال‌های مخالفی علیه این فرضیه وجود دارد که خارها بخش‌های بیوشیمیایی نسبتاً ایزوله‌ای را فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، مشخص است که سایر پیام‌رسان‌های ثانویه، مانند IP₃، و همچنین سایر مولکول‌های سیگنال‌دهنده، می‌توانند از سر خار به داخل تنه دندریتی منتشر شوند. این تفاوت در انتشار احتمالاً به این دلیل است که چنین سیگنال‌هایی بیشتر از سیگنال‌های ⁺Ca² دوام می‌آورند و به آنها زمان کافی برای غلبه بر مانع انتشار گردن خار را می‌دهند. نکته مرتبط دیگر این است که سیگنال‌های ⁺Ca² پس سیناپسی، حتی در سیناپس‌های تحریکی که خار ندارند، بسیار موضعی هستند. بنابراین، حداقل در برخی موارد، خارها برای محلی‌سازی سیگنال‌دهی سیناپسی پیام‌رسان ثانویه نه لازم هستند و نه کافی.

A final and less controversial idea is that the purpose of spines is to serve as reservoirs where signaling proteins— such as the downstream molecular targets of second-messenger signals— can be concentrated. Consistent with this possibility, glutamate receptors are highly concentrated on spine heads, and the postsynaptic density comprises dozens of proteins involved in intracel- lular signal transduction (Figure E). Ac- cording to this view, the spine head is the destination for these signaling molecules during the assembly of synaps-es, as well as the target of the second messengers that are produced by the local activation of glutamate receptors. Spines also can trap molecules that are diffusing along the dendrite, which could be a means of concentrating these molecules within spines.

ایده نهایی و کمتر بحث‌برانگیز این است که هدف خارها، خدمت به عنوان مخازنی است که پروتئین‌های سیگنال‌دهنده – مانند اهداف مولکولی پایین‌دست سیگنال‌های پیام‌رسان ثانویه – می‌توانند در آنها متمرکز شوند. مطابق با این احتمال، گیرنده‌های گلوتامات به شدت روی سرهای خار متمرکز شده‌اند و تراکم پس‌سیناپسی شامل ده‌ها پروتئین دخیل در انتقال سیگنال درون سلولی است (شکل E). طبق این دیدگاه، سر خار، مقصد این مولکول‌های سیگنال‌دهنده در طول مونتاژ سیناپس‌ها و همچنین هدف پیام‌رسان‌های ثانویه‌ای است که توسط فعال‌سازی موضعی گیرنده‌های گلوتامات تولید می‌شوند. خارها همچنین می‌توانند مولکول‌هایی را که در امتداد دندریت پخش می‌شوند، به دام بیندازند، که می‌تواند وسیله‌ای برای تمرکز این مولکول‌ها در داخل خارها باشد.

Although the function of dendritic spines remains enigmatic, Cajal undoubtedly would be pleased at the enormous amount of attention that these tiny synaptic structures continue to command, and the real progress that has been made in understanding the variety of tasks of which they are capable.

اگرچه عملکرد خارهای دندریتیک همچنان مبهم است، اما کاخال بدون شک از توجه زیادی که این ساختارهای سیناپسی کوچک همچنان به خود جلب می‌کنند و پیشرفت واقعی که در درک وظایف متنوعی که قادر به انجام آن هستند، حاصل شده است، خوشحال خواهد شد.

(A) Cajal’s classic drawings of dendritic spines. Left, dendrites of cortical pyramidal neu- rons. Right, higher-magnification images of several different types of dendritic spines. (B) Electron micrograph of an excitatory synapse in the hippocampus. Green arrow indicates postsynaptic density. (C) Reconstruction of a small region of the dendrite of a hippocampal pyramidal neuron, revealing a remarkable diversity in spine structure. Red struc- tures indicate postsynaptic densities within each spine. (B from Harris and Weinberg, 2012; C from http://synapseweb.clm.utexas.edu/atlas; reprinted with permission from J. Spacek.)

(الف) نقاشی‌های کلاسیک کاخال از خارهای دندریتیک. چپ، دندریت‌های نورون‌های هرمی قشری. راست، تصاویر با بزرگنمایی بالاتر از چندین نوع مختلف خارهای دندریتیک. (ب) تصویر میکروسکوپی الکترونی از یک سیناپس تحریکی در هیپوکامپ. فلش سبز نشان دهنده تراکم پس سیناپسی است. (ج) بازسازی ناحیه کوچکی از دندریت یک نورون هرمی هیپوکامپ، که تنوع قابل توجهی در ساختار خار را نشان می‌دهد. ساختارهای قرمز نشان دهنده تراکم‌های پس سیناپسی در هر خار هستند. (B از هریس و واینبرگ، ۲۰۱۲؛ C از http://synapseweb.clm.utexas.edu/atlas؛ با اجازه جی. اسپیسک بازنشر شده است.)

(D)Localized Ca²⁺ signal (green) pro- duced in the spine of a hippocampal pyramidal neuron following activation of a glutamatergic synapse. (E) Postsynaptic densities include dozens of signal transduction molecules, including glu- tamate receptors (AMPA-type [AMPAR], NMDA-type [NMDAR], mGluR), other ion channels such as K⁺ channels, and many intracellular signal transduction molecules, most notably the protein kinase CaMKII. Cytoskeletal elements, such as actin and its numerous binding partners, also are prominent and help create the structure of dendritic spines. (D after Sabatini et al., 2002; E after Sheng and Kim, 2011.)

(د) سیگنال ⁺Ca² موضعی (سبز) که پس از فعال شدن سیناپس گلوتاماترژیک در خار یک نورون هرمی هیپوکامپ تولید می‌شود. (ه) تراکم‌های پس‌سیناپسی شامل ده‌ها مولکول انتقال سیگنال، از جمله گیرنده‌های گلوتامات (نوع AMPA [AMPAR]، نوع NMDA [NMDAR]، mGluR)، سایر کانال‌های یونی مانند کانال‌های ⁺K و بسیاری از مولکول‌های انتقال سیگنال درون سلولی، به ویژه پروتئین کیناز CaMKII، است. عناصر اسکلت سلولی، مانند اکتین و شرکای اتصال متعدد آن، نیز برجسته هستند و به ایجاد ساختار خارهای دندریتیک کمک می‌کنند. (د، برگرفته از Sabatini و همکاران، ۲۰۰۲؛ ه، برگرفته از Sheng و Kim، ۲۰۱۱.)

Nuclear Signaling

Second messengers elicit prolonged changes in neuronal function by pro- moting the synthesis of new RNA and protein. The resulting accumulation of new proteins requires at least 30 to 60 minutes, a time frame that is orders of magnitude slower than the responses mediated by ion fluxes or phosphorylation. Likewise, the reversal of such events requires hours to days. In some cases, genetic “switches” can be “thrown” to permanently alter a neu- ron, as occurs in neuronal differentia- tion (see Chapter 22).

سیگنالینگ هسته‌ای

پیام‌رسان‌های ثانویه با تحریک سنتز RNA و پروتئین جدید، تغییرات طولانی‌مدتی را در عملکرد نورون‌ها ایجاد می‌کنند. تجمع پروتئین‌های جدید حاصل حداقل به 30 تا 60 دقیقه زمان نیاز دارد، بازه زمانی‌ای که چندین برابر کندتر از پاسخ‌های ناشی از جریان‌های یونی یا فسفوریلاسیون است. به همین ترتیب، معکوس کردن چنین رویدادهایی به ساعت‌ها تا روزها زمان نیاز دارد. در برخی موارد، می‌توان «سوئیچ‌های» ژنتیکی را «وارد» کرد تا یک نورون را به طور دائم تغییر دهند، همانطور که در تمایز نورونی رخ می‌دهد (به فصل 22 مراجعه کنید).

The amount of protein present in cells is determined primarily by the rate of transcription of DNA into RNA (Figure 7.11). The first step in RNA synthesis is the decondensation of the structure of chromatin to provide binding sites for the RNA polymerase complex and for transcriptional activator proteins, also called transcription factors. Transcriptional activator proteins attach to binding sites that are present on the DNA mole-cule near the start of the target gene sequence; they also bind to other proteins that promote unwrapping of DNA. The net result of these actions is to allow RNA polymerase, an enzyme complex, to assemble on the promoter region of the DNA and begin transcription. In ad- dition to clearing the promoter for RNA polymerase, activator proteins can stimulate transcription by interacting with the RNA polymerase complex or by interacting with other activator proteins that influence the polymerase.

مقدار پروتئین موجود در سلول‌ها در درجه اول توسط سرعت رونویسی DNA به RNA تعیین می‌شود (شکل 7.11). اولین مرحله در سنتز RNA، عدم تراکم ساختار کروماتین برای فراهم کردن جایگاه‌های اتصال برای کمپلکس RNA پلیمراز و پروتئین‌های فعال‌کننده رونویسی، که فاکتورهای رونویسی نیز نامیده می‌شوند، است. پروتئین‌های فعال‌کننده رونویسی به جایگاه‌های اتصالی که روی مولکول DNA نزدیک به ابتدای توالی ژن هدف وجود دارند، متصل می‌شوند. آن‌ها همچنین به پروتئین‌های دیگری که باز شدن DNA را تقویت می‌کنند، متصل می‌شوند. نتیجه نهایی این اقدامات، اجازه دادن به RNA پلیمراز، یک کمپلکس آنزیمی، برای تجمع در ناحیه پروموتر DNA و شروع رونویسی است. پروتئین‌های فعال‌کننده علاوه بر پاکسازی پروموتر برای RNA پلیمراز، می‌توانند با تعامل با کمپلکس RNA پلیمراز یا با تعامل با سایر پروتئین‌های فعال‌کننده‌ای که بر پلیمراز تأثیر می‌گذارند، رونویسی را تحریک کنند.

Intracellular signal transduction cascades regulate gene expression by converting transcriptional activator proteins from an inactive state to an active state in which they are able to bind to DNA. This conversion comes about in several ways. The following sections briefly summarize three key activator proteins and the mechanisms that allow them to regulate gene expression in response to signaling events.

آبشارهای انتقال سیگنال درون سلولی، بیان ژن را با تبدیل پروتئین‌های فعال‌کننده رونویسی از حالت غیرفعال به حالت فعال که در آن قادر به اتصال به DNA هستند، تنظیم می‌کنند. این تبدیل از چندین طریق انجام می‌شود. بخش‌های زیر به طور خلاصه سه پروتئین فعال‌کننده کلیدی و مکانیسم‌هایی را که به آنها اجازه می‌دهد بیان ژن را در پاسخ به رویدادهای سیگنالینگ تنظیم کنند، خلاصه می‌کنند.

FIGURE 7.11 Steps in the transcription of DNA into RNA. Condensed chromatin (left) is decondensed into a beads-on-a-DNA-string array (right) in which an upstream activator site (UAS) is free of proteins and is bound by a sequence-specific transcriptional activator protein (a transcription factor). The transcriptional activator protein then binds co-activator complexes that enable the RNA polymerase with its associated factors to bind at the start site of transcription and initiate RNA synthesis.

شکل ۷.۱۱ مراحل رونویسی DNA به RNA. کروماتین متراکم (چپ) به یک آرایه رشته‌ای از مهره‌ها روی DNA (راست) تبدیل می‌شود که در آن یک جایگاه فعال‌کننده بالادست (UAS) عاری از پروتئین است و توسط یک پروتئین فعال‌کننده رونویسی اختصاصی توالی (یک فاکتور رونویسی) متصل می‌شود. سپس پروتئین فعال‌کننده رونویسی به کمپلکس‌های فعال‌کننده مشترک متصل می‌شود که RNA پلیمراز را به همراه فاکتورهای مرتبط با آن قادر می‌سازد تا در محل شروع رونویسی متصل شوند و سنتز RNA را آغاز کنند.

• CREB. The cAMP response element binding pro- tein, usually abbreviated CREB, is a ubiquitous transcrip- tional activator (Figure 7.12). CREB is typically bound to its binding site on DNA (called the cAMP response element, or CRE), either as a homodimer or bound to another, closely related transcription factor. In unstimulated cells, CREB is not phosphorylated and has little or no transcriptional activity. However, phosphorylation of CREB greatly otentiates transcription. Several signaling pathways are capable of causing CREB to be phosphorylated. Both PKA and the ras pathway, for example, can phosphorylate CREB. CREB can also be phosphorylated in response to increased intracellular calcium, in which case the CRE site is also called the CaRE (calcium response element) site. The calcium-dependent phosphorylation of CREB is primarily caused by Ca²⁺/calmodulin kinase IV (a relative of CaM- KII) and by MAPK, which leads to prolonged CREB phosphorylation. CREB phosphorylation must be maintained long enough for transcription to ensue, even though neuronal electrical activity only transiently raises intracellular calcium concentration. Such signaling cascades can poten- tiate CREB-mediated transcription by inhibiting a protein phosphatase that dephosphorylates CREB. CREB is thus an example of the convergence of multiple signaling pathways onto a single transcriptional activator.

• CREB. پروتئین متصل شونده به عنصر پاسخ دهنده به cAMP، که معمولاً به اختصار CREB نامیده می‌شود، یک فعال‌کننده رونویسی فراگیر است (شکل 7.12). CREB معمولاً به محل اتصال خود روی DNA (که عنصر پاسخ cAMP یا CRE نامیده می‌شود) متصل می‌شود، چه به صورت یک همودیمر و چه به صورت متصل به یک فاکتور رونویسی دیگر که ارتباط نزدیکی با آن دارد. در سلول‌های تحریک نشده، CREB فسفریله نمی‌شود و فعالیت رونویسی کمی دارد یا اصلاً ندارد. با این حال، فسفوریلاسیون CREB رونویسی را به میزان زیادی تقویت می‌کند. چندین مسیر سیگنالینگ قادر به فسفریله شدن CREB هستند. به عنوان مثال، هم PKA و هم مسیر ras می‌توانند CREB را فسفریله کنند. CREB همچنین می‌تواند در پاسخ به افزایش کلسیم داخل سلولی فسفریله شود، که در این صورت محل CRE، محل CaRE (عنصر پاسخ کلسیم) نیز نامیده می‌شود. فسفوریلاسیون وابسته به کلسیم CREB در درجه اول توسط ⁺Ca²/کالمودولین کیناز IV (یکی از بستگان CaM-KII) و توسط MAPK ایجاد می‌شود که منجر به فسفوریلاسیون طولانی مدت CREB می‌شود. فسفوریلاسیون CREB باید به اندازه کافی طولانی حفظ شود تا رونویسی انجام شود، حتی اگر فعالیت الکتریکی نورونی فقط به طور گذرا غلظت کلسیم داخل سلولی را افزایش دهد. چنین آبشارهای سیگنالینگ می‌توانند رونویسی با واسطه CREB را با مهار پروتئین فسفاتازی که CREB را دفسفریله می‌کند، تقویت کنند. بنابراین CREB نمونه‌ای از همگرایی مسیرهای سیگنالینگ متعدد به یک فعال‌کننده رونویسی واحد است.

Many genes whose transcription is regulated by CREB have been identified. CREB-sensitive genes include the im- mediate early gene, c-fos (see below), the neurotrophin BDNF see Chapter 23), the enzyme tyrosine hydroxylase (which is important for synthesis of catecholamine neurotransmitters; see Chapter 6), and many neuropeptides (including soma- tostatin, enkephalin, and corticotropin-releasing hormone). CREB also is thought to mediate long-lasting changes in brain function. For example, CREB has been implicated in spatial learning, behavioral sensitization, long-term memory of odorant-conditioned behavior, and long-term synaptic plasticity (see Chapters 8, 25, and 26).

بسیاری از ژن‌هایی که رونویسی آنها توسط CREB تنظیم می‌شود، شناسایی شده‌اند. ژن‌های حساس به CREB شامل ژن اولیه‌ی فوری، c-fos (به پایین مراجعه کنید)، نوروتروفین BDNF به فصل ۲۳ مراجعه کنید)، آنزیم تیروزین هیدروکسیلاز (که برای سنتز انتقال‌دهنده‌های عصبی کاتکول‌آمین مهم است؛ به فصل ۶ مراجعه کنید) و بسیاری از نوروپپتیدها (از جمله سوماتوستاتین، انکفالین و هورمون آزادکننده‌ی کورتیکوتروپین) هستند. همچنین تصور می‌شود که CREB واسطه‌ی تغییرات طولانی‌مدت در عملکرد مغز است. به عنوان مثال، CREB در یادگیری فضایی، حساسیت رفتاری، حافظه‌ی طولانی‌مدت رفتار شرطی‌شده با بو و انعطاف‌پذیری سیناپسی طولانی‌مدت نقش دارد (به فصل‌های ۸، ۲۵ و ۲۶ مراجعه کنید).

FIGURE 7.12 Transcriptional regulation by CREB. Multiple signaling pathways converge by activating kinases that phosphorylate CREB. These include PKA, Ca²⁺/calmodulin kinase IV, and MAPK. Phosphorylation of CREB allows it to bind co-activators (not shown in the figure), which then stimulate RNA polymerase to begin synthesis of RNA. RNA is then processed and exported to the cytoplasm, where it serves as mRNA for translation into protein.

شکل ۷.۱۲ تنظیم رونویسی توسط CREB. مسیرهای سیگنالینگ متعدد با فعال کردن کینازهایی که CREB را فسفریله می‌کنند، به هم می‌رسند. این مسیرها شامل ⁺PKA، Ca²/کالمودولین کیناز IV و MAPK هستند. فسفوریلاسیون CREB به آن اجازه می‌دهد تا به فعال‌کننده‌های کمکی (که در شکل نشان داده نشده‌اند) متصل شود، که سپس RNA پلیمراز را برای شروع سنتز RNA تحریک می‌کنند. سپس RNA پردازش شده و به سیتوپلاسم صادر می‌شود، جایی که به عنوان mRNA برای ترجمه به پروتئین عمل می‌کند.

Nuclear receptors. Nuclear receptors for membrane-permeant ligands also are transcriptional activators. The receptor for glucocorticoid hormones illustrates one mode of action of such In the absence of glucocorticoid hormones, the receptors are located in the cytoplasm. Binding of glucocorticoids causes the receptor to unfold and move to the nucleus, where it binds a specific recognition site on the DNA. This DNA binding activates the relevant RNA polymerase complex to initiate transcription and subsequent gene expression. Thus, a critical regulatory event for steroid receptors is their translocation to the nu- cleus to allow DNA binding.

• گیرنده‌های هسته‌ای. گیرنده‌های هسته‌ای برای لیگاندهای غشایی نیز فعال‌کننده‌های رونویسی هستند. گیرنده هورمون‌های گلوکوکورتیکوئیدی یکی از روش‌های عمل چنین گیرنده‌هایی را نشان می‌دهد. در غیاب هورمون‌های گلوکوکورتیکوئیدی، گیرنده‌ها در سیتوپلاسم قرار دارند. اتصال گلوکوکورتیکوئیدها باعث می‌شود که گیرنده باز شود و به هسته منتقل شود، جایی که به یک جایگاه تشخیص خاص روی DNA متصل می‌شود. این اتصال به DNA، کمپلکس RNA پلیمراز مربوطه را فعال می‌کند تا رونویسی و بیان ژن بعدی را آغاز کند. بنابراین، یک رویداد تنظیمی حیاتی برای گیرنده‌های استروئیدی، انتقال آنها به هسته برای اتصال به DNA است.

The receptor for thyroid hormone (TH) illustrates a second mode of regulation. In the absence of TH, the receptor is bound to DNA and serves as a potent repressor of transcription. Upon binding TH, the receptor undergoes a conformational change that ultimately opens the promoter for polymerase binding. Hence, TH binding switches the receptor from being a repressor to being an activator of transcription. Several hormones regulate gene expression via such nuclear receptors.

گیرنده هورمون تیروئید (TH) حالت دوم تنظیم را نشان می‌دهد. در غیاب TH، گیرنده به DNA متصل می‌شود و به عنوان یک مهارکننده قوی رونویسی عمل می‌کند. پس از اتصال TH، گیرنده دچار تغییر ساختاری می‌شود که در نهایت پروموتر را برای اتصال پلیمراز باز می‌کند. از این رو، اتصال TH گیرنده را از یک مهارکننده به یک فعال‌کننده رونویسی تبدیل می‌کند. چندین هورمون بیان ژن را از طریق چنین گیرنده‌های هسته‌ای تنظیم می‌کنند.

• c-fos. A different strategy of gene regulation is apparent in the function of the transcriptional activator protein c-fos. In resting cells, c-fos is present at a very low concentration. Stimulation of the target cell causes c-fos to be synthesized, and the amount of this protein rises dramatically over 30 to 60 minutes. Therefore, c-fos is considered to be an immediate early gene because its synthesis is directly triggered by the stimulus. Once synthesized, c-fos protein can act as a transcriptional activator to induce synthesis of second-order genes. These are termed delayed response genes because their activity is delayed by the fact that an immediate early gene—c-fos, in this case—must be activated first.

• c-fos. یک استراتژی متفاوت تنظیم ژن در عملکرد پروتئین فعال‌کننده رونویسی c-fos آشکار است. در سلول‌های در حال استراحت، c-fos در غلظت بسیار کمی وجود دارد. تحریک سلول هدف باعث سنتز c-fos می‌شود و مقدار این پروتئین طی 30 تا 60 دقیقه به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. بنابراین، c-fos به عنوان یک ژن اولیه فوری در نظر گرفته می‌شود زیرا سنتز آن مستقیماً توسط محرک آغاز می‌شود. پروتئین c-fos پس از سنتز می‌تواند به عنوان یک فعال‌کننده رونویسی برای القای سنتز ژن‌های مرتبه دوم عمل کند. اینها ژن‌های پاسخ تأخیری نامیده می‌شوند زیرا فعالیت آنها به این دلیل به تأخیر می‌افتد که ابتدا یک ژن اولیه فوری – در این مورد c-fos – باید فعال شود.

Multiple signals converge on c-fos, activating different transcription factors that bind to at least three distinct sites in the promoter region of the gene. The regulatory region of the c-fos gene contains a bind- ing site that mediates transcriptional induction by cytokines and ciliary neurotropic factor. Another site is targeted by growth factors such as neurotrophins through ras and protein kinase C, and a CRE/CaRE that can bind to CREB and thereby respond to cAMP or calcium entry resulting from electrical activity. In addition to synergistic interactions among these c-fos sites, transcriptional signals can be integrated by con- verging on the same activator, such as CREB.

سیگنال‌های متعدد روی c-fos همگرا می‌شوند و فاکتورهای رونویسی مختلفی را فعال می‌کنند که حداقل به سه جایگاه مجزا در ناحیه پروموتر ژن متصل می‌شوند. ناحیه تنظیمی ژن c-fos حاوی یک جایگاه اتصال است که واسطه القای رونویسی توسط سیتوکین‌ها و فاکتور نوروتروپیک مژگانی است. جایگاه دیگری توسط فاکتورهای رشدی مانند نوروتروفین‌ها از طریق ras و پروتئین کیناز C هدف قرار می‌گیرد و یک CRE/CaRE که می‌تواند به CREB متصل شود و در نتیجه به cAMP یا ورود کلسیم ناشی از فعالیت الکتریکی پاسخ دهد. علاوه بر تعاملات هم‌افزایی بین این جایگاه‌های c-fos، سیگنال‌های رونویسی می‌توانند با همگرایی روی یک فعال‌کننده مشابه، مانند CREB، ادغام شوند.

Nuclear signaling events typically result in the generation of a large and relatively stable complex composed of a functional transcriptional activator protein, additional proteins that bind to the activa- tor protein, and the RNA polymerase and associated proteins bound at the start site of transcription. Most of the relevant signaling events act to “seed” this complex by generating an active transcriptional activator protein by phosphorylation, by inducing a conformational change in the activator upon ligand binding, by fostering nuclear localization, by removing an inhibitor, or simply by making more activator protein.

رویدادهای سیگنالینگ هسته‌ای معمولاً منجر به تولید یک کمپلکس بزرگ و نسبتاً پایدار متشکل از یک پروتئین فعال‌کننده رونویسی عملکردی، پروتئین‌های اضافی که به پروتئین فعال‌کننده متصل می‌شوند و RNA پلیمراز و پروتئین‌های مرتبط متصل به محل شروع رونویسی می‌شوند. اکثر رویدادهای سیگنالینگ مربوطه با تولید یک پروتئین فعال‌کننده رونویسی فعال از طریق فسفوریلاسیون، با القای تغییر ساختاری در فعال‌کننده پس از اتصال لیگاند، با تقویت محلی‌سازی هسته‌ای، با حذف یک مهارکننده یا به سادگی با ساخت پروتئین فعال‌کننده بیشتر، به عنوان “بذر” این کمپلکس عمل می‌کنند.

Examples of Neuronal Signal Transduction

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

نمونه‌هایی از انتقال سیگنال عصبی

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Summary

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

خلاصه

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

ADDITIONAL READING