استكشاف التنوع الخلوي في الخلايا العصبية

في كثير من الأحيان في علم الأحياء ، الشكل يتبع الوظيفة. على سبيل المثال ، تعتمد قدرة العصبونات على تلقي المعلومات ومعالجتها ونقلها عبر تنظيمها المستقطب في المحاور والتشعيدات. تشكل الهيكل الخلوي والبروتينات الحركية المصاحبة الخلايا وإنشاء تنظيم مكاني.الميكروسبوبات (MTs) والأكتين (بالإنجليزية: Microtubules (MTs))

وهما مكونان أساسيان من الهيكل الخلوي ، ويتم تجميعهما من خلال بلمرة الرأس إلى الذيل من متغايرات أثير α و β-tubulin و مونومرات actin ، على التوالي ، مما ينتج عنه بوليميرات غير متماثلة ، مستقطبة ذات نهايتين مختلفتين ، تدعى plus و ناقص النهايات. يمكن أن تؤدي البلمرة الخاضعة للتنظيم المكاني لـ MTs و Actin إلى التحولات المورفولوجية ، مثل البروز المحلي لغشاء البلازما ، من أجل تحريك هجرة الخلية أو تطوير امتدادات متخصصة ، مثل المحاوير أو التشعبات وفروعها. بالإضافة الى، يمكّن التباين الهيكلي من MTs والأكتين البروتينات الحركية للجهاز الخلوي (myosin، kinesin، dynein) من السير نحو نهاية محددة من الألياف. نظرًا للأبعاد القصوى والتجزئة الوظيفية للخلايا العصبية ، فإن هذا النقل النشط أمر بالغ الأهمية لفرز وتوزيع الشحنات الخلوية. وقد استخدمت الدراسات الحديثة المجهر المتقدم للكشف عن كيفية اتخاذ الهيكل الخلوي العديد من الأشكال المختلفة لتسهيل الوظائف المحلية في الخلايا العصبية (انظر الشكل).

يتم إثراء الأكتين بقوة في طرف المحاور المتنامية ، والتي يطلق عليها "مخاريط النمو" ، أثناء التطور أو التجديد ، وفي النتوءات الصغيرة على طول التشعبات ، والتي تسمى بالأشواك ، التي تؤوي معظم نقاط الاشتباك العصبي المثيرة. لذلك ، ركز البحث في كثير من الأحيان على استكشاف تنظيم الأكتين والوظيفة فيما يتعلق ثمرة axon ومنظمة متشابك واللدونة. في الآونة الأخيرة ، قدمت التقنيات التي تمكن المجهر الحيود-غير محدود رؤى جديدة مفاجئة في تنظيم الهيكل الخلوي الأوكسي محور عصبي في الخلايا العصبية. الأبرز ، هذا كشف مصفوفة دورية من الأكتين وشبكه عبر الأطياف الشريك ، بالتناوب في حلقات متباعدة ∼190 نانومتر وبصرف النظر على طول محور عصبي من الخلايا العصبية قرن آمون ( 1). وقد تم الإبلاغ عن هياكل مماثلة في جسم الخلية والتشعبات من الأنواع الفرعية العصبية المختلفة ( 2 ) ، وقد ثبت أنها توفر الدعم الميكانيكي ، والحفاظ على قطر محور عصبي ، ويمكن أن تكون بمثابة حاجز انتشار للبروتينات الغشاء ( 2 ).

كما تم تحديد الهياكل القائمة على الأكتين أخرى، مثل بقع الأكتين الغنية أو "النقاط الساخنة" في محاور الخلايا العصبية قرن آمون ( 2 - 4 ).وقد تورطت nucleators أكتين مختلفة في تكوينها ( 3 ، 4 ) ، وبعيدا عن جسم الخلية ، فإنها غالبا ما تتشكل حول الإندوسومات ثابتة (حويصلات الفرز بين الخلايا) ( 4 ). ومن المثير للاهتمام ، أن خيوط الأكتين الأكثر طولا وديناميكية ، والتي تسمى مسارات الأكتين ، تخرج من هذه البقع الأكتينية القاصية ( 4)). كيف هذه الهياكل الأكتين المختلفة تسهم في النقل داخل الخلايا ليست مفهومة تماما. يمكن لبروتينات Myosin-V motor معارضة النقل المحاورى عن طريق توصيل الشحنات على رقع الأكتين القريبة ، وبالتالي تعمل كمرشح للنقل المحاورى ( 3 ، 5)). ليس من المعروف ما إذا كان الميوسين قادرون أيضًا على نقل الحركة الاتجاهية على مسارات الأكتين. علاوة على ذلك ، لا يُعرف إلا القليل عن التنظيم الدقيق للأكتين في النبضة ، وهو الموقع الذي يتم فيه إطلاق الحويصلات المحتوية على الناقل العصبي من أجل الإشارة الداخلية. هناك حاجة لمزيد من العمل لحل مزيد من بنية نانو الهيكل الخلوي للأكتين العصبية ، بما في ذلك قطبية الخيوط ، التي تحدد اتجاه البروتينات الحركية ، وتوزيع بروتينات الأكتين الرابطة التي يمكن أن تقوم بتكوين أو تثبيت أو تجميع أو تقويض الأكتين لخلق التنوع الوظيفي بين شبكات أكتين مختلفة.

غالباً ما تكون MTs أطول من خيوط الأكتين وتسهل النقل بعيد المدى مدفوعة ببروتينات kinesin و dynein motor ( 6 ). على الرغم من أن كل MT تتكون من متغايرات أثير α و β-tubulin ، يمكن أن يتولد التنوع من خلال دمج أنماط مختلفة من الأنسولين ، وتوظيف البروتينات المرتبطة بـ MT ، (MAPs) ، والتعديلات اللاحقة للترجمة (PTMs) ، مثل detyrosination ، polyglutamylation ، و acetylation ( 6 ). وبالفعل ، فإن الهيكل الخلوي العصبي من MT متغاير ويتميز بخاصية MTs ديناميكية يتم تحويلها إلى جانب MTs ثابتة يتم تعديلها بشكل كبير. وقد أدى ذلك إلى فرضية شفرة توبيولين ، التي تقترح أن التنوع الوراثي والكيميائي للـ تولولين ينظم خصائص MT وعملها ( 6)). على سبيل المثال ، يمكن لـ PTM تغيير الخواص الميكانيكية لـ MTs ( 7 ) أو تغيير ربط MAPs ( 6 ، 8) ، والذي بدوره يمكن أن يؤثر على استقرار MT أو تنشيط بروتينات المحرك المحددة. وبالتالي ، من خلال تجنيد بروتينات المحرك التي تفضل مجموعات فرعية محددة من MT ، يمكن أن تضمن الشحنات التسليم إلى المقصورة المناسبة ، مثل المحاور ، أو التشعبات ، أو العمود الفقري المتشابه ، أو مخروط النمو. وعلاوة على ذلك ، تستعين المتلازمة المغنطيسية الديناميكية ببروتينات معينة في نهاياتها المتزايدة التي يمكنها ، على سبيل المثال ، إنشاء شبكات إشارات محلية تعزز إعادة تشكيل الأكتين وتؤدي إلى نمو أو تفرع ( 6)). ومع ذلك ، في معظم الحالات ، لا تزال الوظائف المحددة لمختلف مجموعات MT غير معروفة. بالإضافة إلى ذلك ، كيف MTs مع خصائص مختلفة تظهر وتعايش غير واضح.

في العديد من أنواع الخلايا ، يتم إنشاء MT من قبل مركز تنظيم MT (MTOC) ، مثل المركز المركزي ، حيث توجد مجمعات γ-tubulin ring (γ-TuRCs) و MAPs أخرى تشبه الأنبوبة مثل الهياكل التي تستطيل بسرعة من خلال البلمرة في الزائد النهاية. ينتج عن هذا صفيف شعاعي ، مع معظم MTs تشير نحو محيط الخلية. في مثل هذه الخلايا ، يؤدي dynein الموجه بنهاية طرفية إلى النقل إلى الوراء نحو مركز الخلية ، في حين يتم نقل النقل الموجه إلى الخارج بواسطة أفراد عائلة kinesin الموجه في الغالب إلى الطرف الموجه. ومع ذلك ، في المركز العصبي في تطوير الخلايا العصبية centrosome يفقد بسرعة دورها MTOC ، مما يوحي بأن معظم MTs الأنوية في جميع أنحاء الخلية بأكملها ( 9 ). يتطلب تكوين MT المحلي آليات لتثبيت الاستقرار في النهايات الشفافة ( 6) ، والتي يمكن تحقيقها عن طريق نواتج التعقب (MT) من الهياكل التي تظل مثبتة بها. على سبيل المثال ، تم اقتراح البؤر الاستيطانية "غولجي" كمواقع محتملة لنواة ذرات noncentrosomal في عصبونات ذبابة الفاكهة ( Drosophila melanogaster ) ، على الرغم من أن التلاعب الفعال في هذه البُنى لم يغير تنظيم MT ( 10 ). يتطلب فهم ولادة ومصير MTS العصبية تشريح التردد ، والتوزيع المكاني ، وآليات التنوي MT المحلي. في النظم التي تحتوي على أعداد صغيرة من MT ، مثل المحاوير في دودة الديدان الخيطية Caenorhabditis elegans ، قد يكشف التحليل الدقيق لأنماط الكثافة ، التي تم استخدامها مؤخرًا لتحديد كثافة طول MT وطولها ، أحداث التنوي ( 11). ومع ذلك ، بالنسبة لمصفوفات MT الأكثر كثافة ، هناك حاجة إلى تطوير علامات الخلايا الحية التي تسلط الضوء على التنوي.

يتطلب التنوي المحلي أيضًا آليات إضافية للتحكم في التوجه الصحيح للـ MTS التي تم تكوينها حديثًا داخل الهيكل الخلوي الحالي. لأن اتجاه MT يحدد اتجاهية البروتينات الحركية ، يمكن للمرء أن يفترض أن النقل البعيد المدى الفعال يتطلب أن معظم MTs في حجرة الخلوية لها توجهات مماثلة. وبالفعل ، فإن الـ MTs موجّهة إلى حد بعيد في نهاية المحاور في نهاية المحاور ، مما يضمن أن تنشيط الكينيسين يؤدي إلى نقل البضائع بشكل تدريجي ، في حين أن النقل الرجعي يحركه dynein. وقد أظهر العمل الأخير أن هذا التنظيم الموحد يعتمد على معقد الأوجمين ، الذي يمكن أن يضع γ-TuRCs على طول MTs الموجودة بحيث يكون MTs المنوي حديثًا له نفس الاتجاه ( 12). بالإضافة إلى ذلك ، فإن TRIM46 (الزخرف الثلاثي رقم 46) مهم لتوليد حزم MT متوازية بالقرب من الجزء الأولي محوار (AIS) ، وهي منطقة متخصصة تشارك في توليد إمكانات العمل وترشيح بروتينات الغشاء والشحنات داخل الخلايا ( 13 ).

تحميل باوربوينت أمثلة لتنويع شبكة الهيكل الخلوي في الخلايا العصبية

النبيبات الموجبة ذات الاتجاه المعاكس (MTs) في التشعبات لها خصائص مختلفة وتوظيف بروتينات محركية مختلفة ذات نهاية موجّهة. يتم إنشاء منظمة MT متوازية في محور عصبي من خلال تجميع TRIM46 في الجزء الأولي محوار ومن قبل التنوي الموجه بوساطة augmin. يتم تنظيم الأكتين في المحوار في الحلقات التي توفر الدعم الميكانيكي ، بالإضافة إلى بقع (مقترنة بجنين داخلي) أو النقاط الساخنة ومسارات أطول قد تسهم في النقل الاتجاهي.الجرافيك: ن. DESAI / العلوم

في ثمار الديدان والديدان ، يكون للشعيرات أيضا مجموعة MT متجانسة ، ولكنها موجهة متناقضة بالنسبة للمحور المحوري. في مثل هذه الأنظمة ، تقود سيارة كينيسين النقل الانتقائي للمحور المحوري ، في حين أن داينن يقود النقل إلى التشعب ( 14 ). بشكل ملحوظ ، في التشعبات من خلايا الثدييات MTs لديها اتجاهات مختلطة. كيف يمكن للبروتينات الحركية أن تتنقل في مثل هذه الشبكة لتضمن استمرار النقل الاتجاهي؟ تناول العمل الأخير هذا السؤال من خلال إدخال تقنية جديدة فائقة الدقة تسمى "PAINT-PAINT" (تراكم النقاط للتصوير في طبوغرافية نانوية) ، والتي مكنت من رسم خرائط كل من اتجاهات MT و PTM ( 15). وكشف ذلك أنه على الرغم من أن التوجهات متساوية بشكل عام ، تتجمع MTs محليًا في حزم ذات توجه أكثر تناسقًا. وهذا يضمن أن البروتينات الحركية ستستمر في الغالب في الاتجاه الذي تمليه اتجاه الحزمة ، حتى عندما تنتقل من وقت لآخر إلى نظام MTs المجاور. بالإضافة إلى ذلك ، تم توجيه MTs المستقرة والمعدلة في الغالب إلى نهاية الطرف الخارج ، في حين كانت MTs الديناميكية موجهة في الغالب خارج نهاية ( 15)). ولأن هذه المجموعات الفرعية MT تسهل النقل بواسطة كينسينات متميزة ، فإن هذا يخلق تحيزًا داخليًا أو خارجيًا شاملًا لأنواع كينسين مختلفة ذات نهاية موجّهة مختلفة. في حين أن kinesin-1 سينتقل في الغالب إلى الداخل عبر MTs مستقر ، فإن kinesin-3 سينتقل للخارج عبر الـ MTs الحيوية. هذه النتائج تفسر سبب قيام بعض الكينسينات بنقل الحمولات إلى المحاور فقط ، بينما يستهدف البعض الآخر المحاوير والتشريطات.

على الرغم من هذه الرؤى الهامة ، لا تزال بعض بروتينات المحركات تتفاعل بشكل انتقائي مع MTs محددة دون حل. يمكن للبروتينات المحركة التعرف على توليفات معينة من PTM و / أو MAPs أو ميزات معينة للشبكة MT. إن التقدم الأخير في تنقية أنسولين الأنسولين وإعادة تكوين مختلف PTMs يسمح الآن بإثارة التأثيرات التفاضلية لـ PTMs و MAPs على ديناميات MT ، والميكانيكا ، والنقل القائم على MT ( 7 ، 8 ، 16)). ومن المؤمل أن تؤدي تجارب إعادة التحكم المختبرية في المختبر إلى فهم هيكلي لانتقائية البروتينات الحركية. قد توفر التجارب المماثلة أيضًا تلميحات للآليات التي يتم من خلالها إنشاء تغاير MT. لماذا يتم تعديل واستقرار بعض الـ MTs والبعض الآخر لا؟ كيف يمكن أن يكون MTs ذات الخصائص الكيميائية المختلفة لها اتجاهات معاكسة؟ يتطلب حل هذه الأسئلة أيضًا رؤية ديناميكيات التطوير لمجموعات فرعية مختلفة من MT ، سواء في النطاق الزمني للدوران الأحادي MT (دقائق إلى ساعات) ، وكذلك المقياس الزمني لتمايز dendrite (عدة أيام). وهنا ، فإن وضع علامات على التصوير بالخلية الحية لمختلف المجموعات الفرعية سيوفر فرصًا جديدة ومثيرة.

على الرغم من أن الأكتين والـ MTs غالباً ما يتم دراستها بشكل مستقل ، إلا أنها غالباً ما تكون متصلة بشكل وظيفي وتترابط أيضاً مع هياكل أخرى من الهيكل الخلوي ، مثل الخلايا العصبية neurofilaments و septins ، التي تكون وظائفها أقل استكشافاً بكثير. بالإضافة إلى ذلك ، غالباً ما تتفاعل مكونات الهيكل الخلوي مع عضيات مختلفة ، بما في ذلك إندوسومات ، وجهاز جولجي ، والشبكة الإندوبلازمية. كيف تساهم مثل هذه التفاعلات في تشكيل المقصورة الخاصة للإطار الخلوي العصبي غير المتجانس أو التواصل بين العضيات هو موضوع مهم للدراسات المستقبلية. على الرغم من أن دراسات الثدييات الخلوية تركزت إلى حد كبير على الخلايا العصبية المستزرعة المفصلية ، سيكون من المهم استكشاف شكل ووظيفة الهيكل الخلوي في أنظمة نموذجية أكثر سلامة في الجسم الحي.

http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse

هذه مقالة توزع تحت شروط ترخيص Default Journal Journal .