Секрет специфики синапса

 

 ГОУ ВПО

Санкт-Петербургский Государственный  Политехнический Университет

Физико-механический факультет

Кафедра Биофизики

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему:

«Секрет специфики синапса»

 

 

                                                                                                         

 

 

 

  Выполнила:

 студентка 2 курса гр.2052/2         

                                       Крицкая Д.В.     

                                                Научный руководитель : 

Доктор физико-математических наук

                                                                                         Тимковский А.Л. 

Санкт-Петербург 2011

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . 3

 

1. Индукция LTP . . . . .  .          .         .           .        4
2. Применение методики FRET    . . . .          .          .          .         4

3.  Особенности проведения исследования и измерений . . .          4

4. Результаты исследования .         . . . . .           .          .        5
5. Актуальные вопросы . . . . . . . . 6

 

Заключение  . . . . . . . . . . . 7

 

Summary       .         .          .          .          .          .          .          .         .          .          .          8

 

Список использованной литературы . . . . . . .          9

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Память – результат  нервной деятельности, представляющий собой упрочнение синаптической связи между дендритом одного нейрона и аксоном другого. Как именно происходит этот процесс запоминания? Авторы статьи проводят для этого исследование нейронной активности в реальном времени.

Формирование памяти почти  наверняка достигается в синаптических  соединениях между нейронами  посредством процесса долговременного  потенцирования (LTP), посредством чего синаптическая связь между двумя одновременно активными нейронами становится сильнее. Одна из причин использования LTP для объяснения биологического основания формирования памяти - замечательная синаптическая специфичность: только активизированные синапсы усиливаются, а соседние, расположенные на том же самом нейроне всего на микрометр или два дальше, остаются не активизированы. Ли и др. рассматривали нейроны, используя продвинутую флуоресценцентную микроскопию, чтобы окончательно продемонстрировать молекулярное основание специфики синапса LTP.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Индукция LTP

Решающим ферментом для  вызова LTP является CaMKII. Выпуск глутамата, нейромедиатора, от дендрита пресинаптического нейрона, приводит к деполяризации аксона постсинаптического нейрона, таким образом уменьшается зависимый от напряжения блок рецепторов глутамата NMDA-типа на постсинаптическом нейроне, что позволяет ионам кальция (Ca²⁺) войти в него. Увеличенная внутриклеточная концентрация Ca²⁺ приводит к активации CaMKII, который фосфорилируется, таким образом оставаясь активным даже после того, как концентрация Ca²⁺ восстановилась до нормальной. Поэтому индукция LTP предотвращается или антагонистами NMDA-рецептора или ингибиторами CaMKII.

2. Применение методики FRET

Для изображения активации CaMKII в реальном времени в живых нейронах ,skf использована методика FRET. Во FRET, зависимой от интервала энергетической передачи и от флуоресцентной интенсивности молекулы-донора. Ли и др. измененили сигнальную молекулу CaMKII на основе белка Camuia, у которого есть донор fluorophore присоединенный на одном конце и акцептор fluorophore на другом. При активации CaMKII донорно-акцепторная пара двигается обособленно, приводя к уменьшенному FRET. Авторы далее используют улучшенный Camuia с ярко-зеленым флуоресцентным белком (GFP) в качестве донора и не флуоресцентный fluorophore в качестве акцептора, названный REACh. Таким образом, должны быть проверены только изменения в эмиссии GFP, что позволяет испускаемым фотонам быть собранными в более широком спектральном пятне.

3. Особенности проведения исследования и измерений

Вместо того чтобы измерять интенсивность флюоресценции, Ли и др. измеряли флюоресценцию донора  fluorophore на протяжении всего свечения. Когда CaMKII является бездействующим, REACh в одном конце Camuia, расположен достаточно близко, чтобы подавить эмиссию GFP и сократить продолжительность ее флюоресценции. С REACh, удаляющейся после активации CaMKII, время флюоресценции GFP продлевается (см. рис.). Время жизни GFP в возбужденном состоянии составляет меньше 2 наносекунд, поэтому должны быть поставлены чрезвычайно краткие (< 100 фемтосекунд) вспышки высокоэнергетического света, и должны использоваться датчики эмиссии фотона высокой производительности, чтобы измерить время между возбуждением и прибытием испускаемого фотона.

Наконец, чтобы достигнуть соответствующего пространственного разрешения и обнаружить как можно больше испускаемых фотонов авторы использовали двухфотонную микроскопию. Этот подход был особенно выгоден из-за своего превосходного пространственного разрешения, поскольку эксперименты должны были быть выполнены в относительно густых для LTP слоях мозговой ткани. Идея состояла в том, чтобы вызвать LTP в единственном малом выпячивании на дендритных концах нейронов, которые являются местами синаптической коммуникации и увеличиваются в ответ на LTP. Чтобы достигнуть такой специфики Ли и др. использовали фотовозбуждение, в ответ на которое локально выпускаются, содержащиеся в клетке глутаматные молекулы.

4. Результаты исследования

Во время флюоресценции наблюдался острый выброс Camuia, соответствующий активации CaMKII. Важно, что увеличение времени флюоресценции было ограничено только фотостимулируемым дендритным выпячиванием, то есть произошла активация CaMKII - определенного синапса (см. рис.). Предотвратить увеличение времени флюоресценции с Camuia можно использовав антагонист NMDA-рецептора, что показывает, что активация CaMKII вызывается вступлением Ca²⁺ через рецепторы NMDA. Важны, как структурные и физиологические изменения, лежащие в основе LTP, сохранявшиеся в течение многих часов увеличенного времени флюоресценции Camuia, так и период, в течение которого CaMKII оставался активным: меньше 2 минут. Этот промежуток времени на несколько порядков величины короче, чем предложенный при предыдущих биохимических измерениях, которые указали, что CaMKII остается активным в течение многих часов после NMDA-опосредуемого-рецептором втекания Ca²⁺.

И Ca²⁺, и CaMKII могут свободно находиться в цитоплазме. Что составляет специфику активации этого фермента? Почему CaMKII, рассеянный к соседним синапсам и триггеру LTP, локально не активизируется? С локальным фотостимулом уровни Ca²⁺ возвращаются к покоящейся концентрации в пределах нескольких сотен миллисекунд, учитывая местоположение нервных синапсов на дендритных окончаниях, это слишком короткое время для транспортировки Ca²⁺ к соседним выростам дендрита, и активизации там CaMKII (см. рис.).

Протяжённость активизированного CaMKII ограничивается не только его уровнем инактивации, но также и его низкой подвижностью. Используя фотоактивную GFP разновидность fluorophore, авторы измерили диффузию CaMKII из дендритного выпячивания по затуханию флюоресценции. После фотохимического катализа флюоресценция уменьшалась, поскольку фермент рассеивался из синапса. Затухание заняло 10 минут вероятно потому что CaMKII связан с другими белками внутри нейрона. Таким образом быстрый уровень инактивации CaMKII, вместе с ее намного более медленным уровнем диффузии, ограничивает деятельность CaMKII стимулируемым синапсом (см. рис.).

Постсинаптическая деполяризация  в отсутствие глутаматного возбуждения  может также активизировать CaMKII в выросте дендрита, открывая L-тип Ca²⁺ каналов, которые, в целом не вносят значительный вклад в вызванное деполяризацией увеличение уровня Ca²⁺. Авторы предполагают, что там возможны различные объединения CaMKII в дендритных выпячиваниях, которые активизируются притоком Ca²⁺ через различные пути. Только бассейн CaMKII, активизированный после NMDA-опосредуемого-рецептором втекания Ca²⁺, может вызвать LTP, возможно потому что только смежные молекулы CaMKII закреплены, чтобы приспособить субстраты.

5. Актуальные вопросы

Важно принять во внимание, что могут быть условия, в которых LTP действительно включает коммуникацию со смежными синапсами. Протокол, который  использовали Ли и коллеги, несколько  отличается от моделей высокочастотного возбуждения (100 Гц), которые обычно используются, чтобы вызвать LTP. Удивительно, как мало мы знаем о пространственной модели внутриклеточной диффузии Ca²⁺ после такого возбуждения, уже не говоря о приблизительной активации CaMKII. Внутриклеточные Ca²⁺ буферные молекулы в активизированном синапсе, вероятно, станут насыщенными высокочастотными моделями возбуждения, приводя к большей возможности избежать выпуска Ca²⁺ из дендритного выпячивания и, возможно, поспособствуют активации CaMKII в соседних синапсах. Действительно, интенсивная активация рецепторов NMDA приводит к протяжённости активации CaMKII вдоль стимулируемых дендритов нейронов, сохраненных в культуре. Кроме того индукция потенцирования в одном синапсе увеличивает вероятность того, что синапсы на расстоянии в десять микрометров от стимулируемого синапса станут самостоятельно активироваться, возможно из-за протяженности малого фермента ГТФазы Ras. Будет интересно, определить специфику синапса ключевых оснований CaMKII и исполнительных элементов Ras, которые в конечном счете ответственны за длительное хранение памяти. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Данная работа продемонстрировала молекулярное основание специфики  синапса и LTP, определила основные механизмы взаимодействий. Были сформулированы задачи дальнейшего изучения ролей структурных единиц и процессов, их связывающих.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Summary

 

Memory formation is achieved at the synaptic junctions between neurons through the process of long-term potentiation (LTP), whereby synaptic communication between two simultaneously active neurons becomes stronger. One of the many attractions of LTP for explaining the biological basis of memory formation is that it displays remarkable synapse specificity: only synapses that are activated become strengthened, and neighbouring synapses located only a micrometre or two away on the same neuron remain unaffected^.A crucial enzyme for triggering LTP is CaMKII. Release of glutamate, a neurotransmitter, from the presynaptic neuron leads to depolarization of the postsynaptic neuron, thus relieving the voltage-dependent block of the NMDA-type glutamate receptors on the postsynaptic neuron, and allowing calcium ions (Ca²⁺) to enter it. The increased intracellular Ca²* concentration leads to activation of CaMKII, which then phosphorylates itself, thereby remaining active even after the Ca^2,concentration has fallen back to normal. Induction of LTP is therefore prevented either by NMDA-receptor antagonists or by CaMKII inhibitors'.

A fast rate of CaMKII inactivation, together with its much slower rate of diffusion, restricts CaMKII activity to the stimulated synapse.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

Scott M. Thompson and Hayley A. Mattison - « Secret of synapse specificity», стр. 296-297,  NATURE|Vol 458|19 March2009.