Za više informacija:ali.ma@wecistanche.com

Kliknite ovdje za 1. dio

Kliknite ovdje za 3. dio

Cistanche cistanche prah koristi za zdravlje --neuroprotektivni učinak

4.3. Regulacijski mehanizmi dendrita arborisatina i formiranja kralježnice

Vezanje i reorganizacija aktina i mikrotubula okosnica su dendritične arborizacije, podržavajući širenje plazma membrane. Aktin se nalazi na rubovima dendrita i pokreće istraživačku aktivnost. Mikrotubule čine središte dendritičke osovine i učvršćuju ovu novoformiranu osovinu. Dinamički proces produžavanja, grananja, retrakcije, kao i orijentacije grana, koordiniraju brojni signalni mehanizmi. Ovi signalni mehanizmi detaljno su opisani od strane drugih autora (vidi recenzije iz [1-3]) i bit će sažeti ovdje i u tablici 1.

Polimerizacija aktinskog monomera omogućuje stvaranje aktinskih filamenata, stabiliziranih mikrotubulima, koji podupiru ekspanziju aksonskih i dendritičkih grana iz početnih mrlja aktina (recenzirao [1]). Sama interakcija aktina i mikrotubula stabilizirana je proteinima za poprečno povezivanje kao što je faktor poprečnog povezivanja mikrotubula i aktina (MACF1; [94]). Dok mikrotubulna invazija filipodija podržava formiranje grana, rastavljanje mikrotubula, regulirano ubikvitin-proteinskom ligazom 3a (Ube3a, također nazvanom E6AP ubikvitin-proteinska ligaza), jednako pridonosi povlačenju dendritičnih grana [95]. Dinamičko širenje i reorganizacija dendritičkih grana proces je koji jako ovisi o aktivnosti; stoga, to može biti inhibirano procesima koji utječu na proizvodnju ATP-a. Kao jedan primjer, prekid fisije ovisne o Drp-u će inhibirati proizvodnju mitohondrija dovoljno malih da se presele u dendritične grane i utvrđeno je da rezultira značajnim neuspjehom primarnog grananja unutar mišjih Purkinjeovih stanica unutar malog mozga (in vivo i in vitro ) [96]. Promjene u transportnim sustavima mikrotubula također mogu utjecati na grananje mijenjanjem kapaciteta za normalnu organizaciju aktina i mikrotubula (npr. [97]). S tim u vezi, postoji znatna ovisnost o translaciji proteina; stoga, promjene u transportu mRNA i lokalnom prijevodu proteina također utječuneuronskiarborizacija (prikaz [98]). Treba napomenuti da je gen fragilne X mentalne retardacije 1 (Fmr1, gen primarno poremećen u sindromu fragile X) važan regulator lokalne translacije mRNA u dendritima (recenzirao [99]).

Tablica 1. Ekstrinzični regulatori arborizacije dendrita i razvoja kralježnice.

Skraćenice: Slit1—Ligand za usmjeravanje proreza 1, Epah7—eprin receptor A7, Sema3A—semaforin 3A, NGF—nervni čimbenik rasta, BDNF—neurotrofični faktor izveden iz mozga, NT—neurotrofin, IGF1—inzulinu sličan faktor rasta 1, HGF1—hepatocit faktor rasta 1, Rac—Rac obitelj 1 mala GTPaza 1, Cdc42—ciklus stanične diobe 42, TrK—receptor tirozin kinaze, CREST—transaktivator koji reagira na kalcij, CaMKIV—protein kinaza IV ovisna o kalmodulinu, CREB—vezovanje elementa odgovora na cAMP protein.

Ekstrinzični regulatori arborizacije uključivali su signalizaciju ovisnu o kontaktu (od stanice do stanice ili s izvanstaničnim matriksom), izlučene kemoatraktante ili kemorepelentne molekule i faktore rasta. Međutim, protokadherini su velika obitelj molekula koje su uključene u regulaciju dendritičke arborizacije (i ekstenzije aksona) ovisnu o kontaktu. Konkretno je utvrđeno da grupirani protokadherini reguliraju arborizaciju putem signalizacije kroz Rho GTPaze (recenzirao [100]). Uvjetno izbacivanje y-protokaderina u mišjem mozgu rezultira poremećenom kompleksnošću dendrita, iako je učinak toga primarno relativno kasno u kortikalnom razvoju, od P18 do P28 [67]. Ovaj relativno odgođeni učinak ovisan o dobi posebno je zanimljiv jer je također dokazano da protokadherini reguliraju samoizbjegavanje dendrita unutar arbora, fenomen koji je jasno omeđen P12 [69]. Ostali proteini koji reguliraju međustanične kontakte koji utječu na dendritsku arborizaciju uključuju interakcije distroglikana, kontaktina 4 (CNTN4) i neureksina (NRXN)–neuroligina (NRLG). Pokazalo se da distroglikan, protein izvanstaničnog matriksa, stimulira rast dendritičnih stabljika u mišjem hipokampusuneuroniin vitro na način koji ovisi o proteinu kontrole diobe stanice 42 (Cdc42) GTPase [70]. CNTN4, protein povezan sa shizofrenijom i za koji se najčešće otkriva da mijenja sinaptičku funkciju, također se pokazalo da regulira arborizaciju hipokampusaneuroniu mišu [101]. Međutim, u ovom slučaju, učinak je bio relativno malen, što je vjerojatno odražavalo primarnu ulogu CNTN4 u organizaciji sinapsi i, prema tome, kasnu fazu u kojoj djeluje u razvoju. Neureksin i neuroligin su adhezijski proteini, koji su također primarno povezani sa sinaptičkim formiranjem zbog svoje prisutnosti na terminalima aksona i dendritskim bodljama. U mišjem mozgu je pokazano da su interakcije između ovih molekula važne za početnu prolaznu stabilizaciju sinapsi koje zahtijevaju aktivnost da bi se trajno stabilizirale [102]. Blokiranje ovih interakcija rezultira smanjenim rastom dendritičkog stabla kao i manjim stvaranjem sinapsi [102].

Izlučeni kemoatraktanti koji reguliraju arborizaciju dendrita uključuju semaforin 3A (Sema3A), ligand za usmjeravanje proreza 1 (Slit1) i receptor efrina A7 (EphA7). Sema3A, koji je kemorepelent za aksone, djeluje kao kemoatraktant za dendrite, podupirući rast i orijentaciju primarnog apikalnog dendrita [74] i neophodan je za sekundarno i tercijarno grananje [75]. Slit1 je još jedan izlučeni faktor, u ovom slučaju koji djeluje preko Robo receptora koji stimulira rast i grananje dendrita [71]. Zanimljivo, čini se da je EphA7 još jedna regulatorna molekula koja ima različite učinke tijekom razvoja, budući da EphA7 signalizacija ograničava rast dendrita i ranu formaciju bodlje tijekom ranog razvoja (prije P10 u miša), ali potiče stvaranje dendritičke bodlje u kasnijim razvojnim fazama [54].

Obitelj neurotrofnih čimbenika, uključujući čimbenik rasta živaca (NGF), neurotropni čimbenik izveden iz mozga (BDNF) i neurotrofin-3 i -4 (NT-3, NT-4 ), koji ima višestruku ulogu u regulaciji razvoja i funkcije mozga, također je identificiran kao doprinosneuronskiarborizacija i formiranje sinapsi. Funkcije BDNF-a u ovom su kontekstu najviše istraživane i otkriveno je da promiču dendritsku arborizaciju, primarno putem aktivacije receptora tropomiozin receptora kinaze (Trk) B (TrkB, detaljno pregledao [56]). Također je utvrđeno da NT-3, djelujući preko TrkC receptora, potiče rast arbora [81]. I zreli BDNF i NT-3 imaju ekspresiju specifičnu za razvoj i čini se da prvenstveno doprinose kasnijim fazama ekspanzije dendrita. U elegantnoj studiji, Joo et al. (2014.) pokazali su da smanjena NT-3 signalizacija, izvedena iz presinaptičkeneuronina način ovisan o aktivnosti, smanjeno produljenje dendrita od Purkinjeovih neurona do pialne površine mišjeg mozga između P7 i P14 (što rezultira poremećajem koji se nastavlja dugoročno) [81]. Međutim, drugi su istraživači pokazali sposobnost inhibicije NT-3 od E21 do P7 u miša što rezultira kortikalnim neuronima sa smanjenim apikalnim dendritima na P7 [56], sugerirajući da bi učinci specifični za dob mogli biti različiti ovisno o područje mozga ili izvor NT-3. Djelovanje BDNF-a na razvoj dendrita teže je sažeti i može biti i konstitutivno i ovisno o aktivnosti [79]. Vjerojatno je da tako pleiotropna molekula kao što je BDNF ima značajnu kompartmentalizaciju svojih signalnih i signalnih putova. U prilog ovoj ideji, nedavno je pokazano, koristeći kompartmentalizirane kulture primarnih neurona glodavaca, da se BDNF iz postsinaptičkih ciljeva može vezati na TrkB receptore na aksonima i simulirati dendritičku arborizaciju putem različitog i složenog unutarstaničnog signalnog puta [78]. ]. Čimbenik rasta hepatocita (HGF) također djeluje preko svog receptora tirozin kinaze (Met u ovom slučaju), važan je u poticanju mnogih razvojnih događaja, a otkriveno je da potiče rast i grananje dendrita [78,84]. Čimbenik rasta hepatocita (HGF) također djeluje preko svog receptora tirozin kinaze (Met u ovom slučaju), važan je za stimuliranje mnogih razvojnih događaja, a otkriveno je da potiče rast i grananje dendrita [84]. Ovo je od posebnog interesa jer je utvrđeno da je HGF, kao i kod mnogih drugih čimbenika rasta, smanjen u bolesnika s ASD-om [86]. Slično, neuregulini, članovi obitelji epidermalnog faktora rasta (EGF), povezani su s promijenjenom sinaptičkom funkcijom kod neuroloških bolesti [86]. Kao jedan primjer, pokazalo se da vezanje neuregulina 1 na EGF receptor ErbB4 mijenja elaboraciju dendrita i formiranje sinapsi u glutamatergičkom i nekom GABAergičkom primarnom hipokampusuneuroni[103].

Iako nizvodni signalni putovi nisu uspostavljeni za sve vanjske regulatore arborizacije, jasno je da postoji nekoliko zajedničkih putova koji međusobno djeluju koji u konačnici reguliraju aktin i organizaciju mikrotubula. BDNF, na primjer, dobro je dokazano da mijenja dendritičku arborizaciju putem PI3K/Akt, proteina koji veže cAMP odgovor (CREB) i drugih gena ranog odgovora kao što su Arc i Rho-GTPaze (pregledano u [79]). Ras- i Rho-GTPaze, zajedno s mnogim protein kinazama, npr. glikogen sintaza kinaza- 3 (GSK-3) i PI3K i CREB/CREB-vezujući protein (CBP) mogu se smatrati glavnim regulatorima dendritičkih arborizacija (pregledano u [2]). Ove molekule imaju brojne interakcije i mogu izravno ili neizravno utjecati na preuređenje citoskeleta. Na primjer, aktivni GSK-3 fosforilira MACF1 mijenjajući njegove interakcije s mikrotubulima i f-aktinom u vodećim rubovima proširenih neurita [94]. Knockout eksperimenti na miševima sugeriraju da je MACF1 važan tijekom cijelog razvojnog procesa, s nokautom koji rezultira povećanim brojem primarnih dendrita, ali smanjenom duljinom dendrita i abnormalnom orijentacijom dendrita kada se modificira u različitim fazama razvoja in vitro, kao i in vivo [ 94]. Alternativna metoda modificiranja ovih putova, a time i dendritične arborizacije, je preko transkripcijskih regulatora i proteina koji remodeliraju kromatin. ARD1B je primjer molekule za regulaciju kromatina koja utječe na proizvodnju cfos i Arc (putem fosforilacije CREB) i mnoge nizvodne putove koji pridonose grananju dendrita [55]. Učinci mijenjanja vezanja ARD1B u mišjem mozgu (smanjeni broj i duljina apikalnih i bazalnih dendrita, znatan poremećaj u pijalnom kontaktu, smanjeni broj i povećana nezrelost dendritičnih bodlji) složeni su, odražavajući kombinirano djelovanje ovih putova [55].

Iako su mnogi gore opisani mehanizmi neovisni o aktivnosti, veliki dio dinamičke faze reorganizacije dendrita ovisi o aktivnosti. Signalizacija nakon otpuštanja i vezanja neurotransmitera ključna je za stabilizaciju rasta dendrita i formiranje kralježnice i sinapsi, s mnogim gore opisanim signalnim molekulama i nizvodnim putovima koji su važni za uključenu reorganizaciju citoskeleta (pregledano u [2]). Sin i sur. (2002.) pokazali su u optičkom tektumu punoglavaca Xenopus da svjetlosna stimulacija povećava arborizaciju dendrita mehanizmom koji uključuje signaliziranje receptora glutamata, što rezultira smanjenom aktivnošću RhoA i povećanim signaliziranjem Rac i Cdc42 [89]. Zanimljivo je da je kasnija studija na mišu, koja je koristila uzgoj u mraku kako bi se istražili učinci ovisni o aktivnosti na arborizaciju dendrita, pokazala slične promjene, ali znatno smanjene veličine [89,104]. Ovo sugerira da bi mogle postojati razlike u vrstama ili regijama mozga u doprinosu kontrole ili arborizacije ovisne o aktivnostima. Poremećaj u procesu signalizacije neurotransmitera, stoga, jasno pridonosi neurološkom poremećaju. Transfekcija ASD-specifične mutacije GRIN2 (kodirajuća podjedinica GluN2B NMDA receptora) u subpopulaciju uzgojenihneuroniu prisutnosti divljeg tipa GluN2B pokazuje da čak i male promjene u prisutnosti ključnih gena/proteina mogu utjecati na dendritsku arborizaciju [104]. U ovom primjeru nije bilo značajne promjene u primarnim neuronima, ali je došlo do značajnog smanjenja grananja i smanjenja duljine grana na svim razinama dendritičkog stabla [104].

Do danas, istraživanje uključenosti glija u uspješno ožičenje mozga usredotočilo se na učinke astrocita i mikroglije na razini sinapsi, posebno regulirajući broj i strukturu dendritičkih kralježaka i formiranje, plastičnost i funkciju sinapsi. Postoje značajni dokazi da astrociti utječu na formiranje sinapsi kroz mješavinu mehanizama ovisnih o kontaktu i izlučenih čimbenika, uključujući trombospondin, kolesterol i ApoE, hevin, transformirajući faktor rasta (TFG)- i kondroitin sulfat proteoglikan (pregled [105,106]). Astrocit–neuronskikontakt, reguliran y-protokadherinom, čini se važnim za olakšavanje ranih faza formiranja sinapsi [68]. Čini se da je izlučeni BDNF glavni pokretač formiranja dendritičke kralježnice pod utjecajem mikroglije, a također postoje značajni dokazi o mikroglijalnoj fagocitozi pre- i postsinaptičkih elemenata kao dijela normalnog rezanja viška sinaptičkih veza, osobito onih s niskom aktivnošću ( pregledao [107]). Fagocitozu reguliraju klasični imunološki signalni sustavi, kao što su kemokini (posebno Cx3cr1) i komplement (uključujući C3 i C1q; [107-110]). Važno je, iako izvan opsega ovog pregleda, također postoje značajni podaci koji podupiru ulogu mikroglije i astrocita u regulaciji sinaptičke plastičnosti u mozgu odrasle osobe (pregled [106,107]). Dostupni su ograničeni podaci o tome doprinose li te glijalne stanice ranijim fazama razvoja neurona kao što je dendritična arborizacija, iako Yang et al. (2012) [82] su pokazali dendritsku arborizaciju ovisnu o astrocitima u mišjem mozgu. Zanimljivo je da je ova studija pokazala da je izbacivanje Fmr1 iz astrocita bilo dovoljno za induciranje smanjene arborizacije dendrita, kao rezultat prekomjerne proizvodnje NT-3 [82]. Nedavni podaci također sugeriraju da astrociti mogu reguliratineuronskiarborizacija kroz ponovljenu domenu klase A receptora lipoproteina proteina 4 povezanog s receptorom lipoproteina niske gustoće (LRP4, [111]).

5. Potencijalni zaštitni regulatorni mehanizmi i farmakoterapije

5.1. Genetski čimbenici rizika koji mijenjaju neuronsku arborizaciju i povezuju se s neurorazvojnim poremećajima

Visoka učestalost abnormalnosti dendrita i kralježnice u neurorazvojnim poremećajima posljedica je mješavine genetske osjetljivosti i promijenjenog okoliša tijekom razvoja (što je u nekim slučajevima vjerojatno odraz specifične ozljede). Mnogi od genetskih čimbenika rizika povezanih s neurorazvojnim poremećajima (i neurodegeneracijom) u interakciji su s molekularnim regulatorima razvoja dendrita koji su gore navedeni i sažeti u tablici 2. Najjasnija povezanost između genetike i neurorazvojnih poremećaja javlja se s kromosomskim brisanjem/duplikacijom (npr. metil CpG vezni protein 2, MeCP2; 22q13 itd.); međutim, kako je toliko mnogo gena pogođeno, neurobiologiju može biti teško izdvojiti (pregled u [112]). MeCP2 je transkripcijski regulator koji ima značajne učinke na razvoj mozga. Učinci ovog gena ovise o dozi i spolu: Rettov sindrom javlja se kod žena sa smanjenjem MeCP2 [112-114], a duplikacija gena rezultira povećanim rizikom od ASD-a i intelektualnih poteškoća, prvenstveno kod muškaraca (pregledano u [113]). Što se tiče arborizacije, nedostatak MeCP2 rezultira smanjenim dendritskim granama, gustoćom kralježnice i abnormalnom morfologijom kralježnice [113]. Zanimljivo, pokazalo se da proupalni citokin interleukin-1 stupa u interakciju s MeCP2 i utječe na njegovo funkcioniranje (recenzirao [115]), što je mogući mehanizam pomoću kojeg bi genetski čimbenici i okolišni čimbenici mogli djelovati kako bi povećali rizik od neurorazvojnog poremećaja .