Neuronalne samounikanie

Rycina 2. Mechanizmy rozwoju neuronów zależne od samorozpoznania neuronów. Samounikanie zapewnia brak nakładania się gałęzi izoneuralnych i leży u podstaw składania obwodów neuronalnych.

Neuronalne samounikanie , czyli unikanie izoneuronalne , jest ważną właściwością neuronów polegającą na tendencji rozgałęzień ( dendrytów i aksonów ) wywodzących się z pojedynczej somy (zwanych także gałęziami izoneuronalnymi lub siostrzanymi) do odwracania się od siebie. Rozmieszczenie gałęzi w altankach neuronalnych jest ustalane podczas rozwoju i skutkuje minimalnym krzyżowaniem się lub nakładaniem się, gdy rozprzestrzeniają się na terytorium, co skutkuje typową morfologią pęczków neuronów (ryc. 1).

W przeciwieństwie do tego, gałęzie z różnych neuronów mogą swobodnie zachodzić na siebie. Właściwość ta wymaga, aby neurony potrafiły odróżnić „ja”, którego unikają, od gałęzi „obcych”, z którymi współistnieją. To neuronalne samorozpoznanie jest osiągane poprzez rodziny cząsteczek rozpoznających komórki, które działają jak indywidualne kody kreskowe, umożliwiając rozróżnienie dowolnej innej pobliskiej gałęzi jako „własnej” lub „obcej”.

Samounikanie zapewnia pokrycie terytoriów dendrytycznych całkowicie, a jednocześnie bez nadmiarowości, gwarantując, że gałęzie osiągną funkcjonalnie odpowiednie pokrycie terytoriów wejściowych lub wyjściowych.

Komunikacja neuronalna wymaga skoordynowanego montażu aksonów, dendrytów i synaps . Dlatego samounikanie jest niezbędne do prawidłowego okablowania neuronów i rozwoju poporodowego i wraz z układaniem neuronów (unikanie heteroneuronalne) jest kluczowym mechanizmem rozmieszczania wzorców obwodów nerwowych, który skutkuje całkowitym i nieredundantnym unerwieniem przestrzeni czuciowej lub synaptycznej.

Historia

Rycina 3. Układ nerwowy pijawki lekarskiej ( H. medicilanis )

Koncepcja neuronalnego samounikania pojawiła się około 50 lat temu. Pionierskie badania przeprowadzono na pijawce, koncentrując się na ośrodkowym układzie nerwowym i rozwoju neuronów mechanosensorycznych. Pijawki z dwóch gatunków: Hirudomedicis i Haementeria ghilianii pozostały głównym organizmem do badania kwestii neuronalnego samorozpoznawania i samounikania. U tego zwierzęcia powtarzający się segmentowy wzór układu nerwowego wraz z faktem, że liczba neuronów jest stosunkowo niewielka, a wiele z nich jest wystarczająco dużych, aby można je było rozpoznać, umożliwiły eksperymentalne badanie ogólnego problemu specyficzności neuronalnej. W 1968 roku, poprzez mapowanie aksonalnych pól receptorowych mechanoreceptorów w H. medicilalis , Nicholls i Baylor ujawnili różne typy granic między aksonami z tego samego lub różnych typów neuronów, a także między poszczególnymi neuronami. Zaobserwowali, że pola receptywne zostały podzielone na oddzielne obszary, unerwione przez różne gałęzie pojedynczej komórki. Granice te, w przeciwieństwie do granic między sąsiednimi polami różnych komórek, były gwałtowne i prawie nie zachodziły na siebie. Autorzy zasugerowali następnie mechanizm przestrzennego rozmieszczenia aksonów, w którym „włókno może silniej odpychać inne gałęzie, jeśli pochodzą z tej samej komórki, niż gdyby pochodziły z homologu, a wcale nie, jeśli pochodzą z komórki o innej modalności” . W 1976 roku Yau potwierdził swoje odkrycia i zaproponował, aby gałęzie komórki rozpoznawały się nawzajem, unikając w ten sposób wyrastania na to samo terytorium i ustanawiając odrębne obszary, które zaobserwowali Nicholls i Baylor. Było wtedy jasne, że neurony mechanosensoryczne w pijawkach wykazują samounikanie: z odpychaniem między gałęziami pochodzącymi z tej samej komórki, ale nie wykazywały unikania klas, co oznacza, że gałęzie z neuronów tego samego typu mogą się nakładać.

Zjawisko zostało rozpoznane, ale wiele pozostało nieznanych, w tym termin „samounikanie”, który pojawił się w latach 1982/1983 wraz z badaniami Kramera. W 1982 Kramer postulował, że aksony izoneuronalne (aksony wyrastające z tego samego neuronu), w przeciwieństwie do aksonów heteroneuronalnych, unikają się nawzajem, gdy rosną na tym samym podłożu (patrz film). Inni autorzy dalej badali fakt, że to unikanie siebie wymagałoby od neurytów zdolności rozróżniania między sobą a nie-ja, wzmacniając idee Yau. W 1983 Kramer i Kuwada proponują, że to samorozpoznanie dwóch rosnących procesów aksonalnych może być pośredniczone przez ich filopodia , które wydają się nawiązywać wzajemne kontakty. Pomysł ten został poparty badaniami Goodmana i in. (1982) w neuronach owadów, którzy postulowali, że filopodia odgrywają ważną rolę w rozpoznawaniu i wyborze aksonalnych ścieżek wzrostu. Zachowanie mechanizmu u bezkręgowców wraz z faktem, że morfologia dorosłych neuronów wydaje się spełniać regułę, sugeruje, że nienakładanie się procesów izoneuronalnych może być ogólnym zjawiskiem rozwoju neuronów. W 1985 roku Kramer i Stent dodali dane empiryczne z eksperymentalnie wywołanymi zmianami we wzorze rozgałęzień poprzez chirurgiczne zapobieganie lub opóźnianie wzrostu rozgałęzień aksonów. Jak przewidziano w propozycji samounikania, ingerencja we wzrost gałęzi aksonu pola spowodowała rozprzestrzenienie się gałęzi aksonu innego pola na to, co normalnie nie było terytorium. Zatem samounikanie neuronów odgrywa znaczącą rolę w rozwoju mechanosensorycznej struktury pola receptywnego.

Ryc. 4. Podpola aksonów mechanosensorycznych pijawki rywalizują o terytorium. Neuron mechanosensoryczny pijawki typu dzikiego z trzema oddzielnymi polami podrzędnymi unerwiającymi sąsiednie obszary naskórka (A). Jeśli stożek wzrostu jednej gałęzi zostanie zmiażdżony (B) lub opóźniony (C), rodzeństwo podpól rośnie, zajmując wolne terytorium. Uproszczone diagramy, oparte na wynikach w Kramer & Stent, 1985)

Pod koniec lat 80. zaczęto odkrywać mechanizm molekularny, który mógł być podstawą tych zjawisk. Receptory, takie jak cząsteczki adhezji komórkowej z nadrodzin kadheryny i immunoglobuliny , które pośredniczą w interakcjach między przeciwstawnymi powierzchniami komórek, oraz integryny działające jako receptory dla składników macierzy pozakomórkowej, były szeroko eksprymowane na rozwijających się neurytach .

W 1990 roku Macagno i wsp. połączyli wyniki kilku badań, ponownie podkreślając ewolucyjną konserwację ogólnych zjawisk: neurony Leech, podobnie jak neurony innych bezkręgowców i kręgowców, podlegają podczas rozwoju specyficznym interakcjom, które pozwalają na zdefiniowanie morfologie dorosłych i połączenia synaptyczne. Ta morfologia odzwierciedla rozwojowy kompromis między potencjałem wzrostu neuronu a ograniczeniami nałożonymi na ten wzrost przez czynniki wewnętrzne i zewnętrzne. Zatem mechanizm samorozpoznawania byłby przydatny nie tylko do samounikania, ale także jako środek indywidualizacji. Podczas rozwoju dochodziłoby do rywalizacji między neuronami tego samego typu o ograniczoną podaż wymaganą do wzrostu i utrzymania procesu, w której jedna komórka zyskiwałaby miejsce kosztem innych. Przywołano również interakcje hamujące, co umieściło zjawisko samorozpoznania w szerszym obrazie kierowania aksonami . Wszystkie te badania doprowadziły do wniosku, że zespół obwodów neuronowych powstał w wyniku stosunkowo niewielkiej liczby różnych sygnałów i ich receptorów, z których niektóre działają w sposób stopniowy iw różnych kombinacjach.

W 1991 roku naukowcy zdali sobie sprawę, że samounikanie występuje również w typach komórek nieneuronalnych, takich jak komórki grzebienia pijawki, które mogą podobnie tworzyć oddzielne domeny. Później zaobserwowano to również w astrocytach ssaków. Wang i Macagno w 1998 roku, ponownie nawiązując do Hirudomedicalis , przeprowadzili elegancki eksperyment, aby spróbować odpowiedzieć na wciąż nierozstrzygnięte pytanie: „W jaki sposób komórka rozpoznaje siebie i reaguje, nie rosnąc nad lub wzdłuż siebie?” Następnie autorzy zaproponowali dwa ogólne typy mechanizmów: I) Sygnały zewnętrzne: neuryty rodzeństwa wykazują czynniki molekularne identyfikujące powierzchnię, unikalne dla każdej komórki, które są zdolne do homotypowego wiązania, a zatem odpychają rodzeństwo neurytów, lub II) Sygnały wewnętrzne: synchroniczna aktywność komórek, takie jak napięcie, które jest przenoszone w komórce, pośrednicząc w dynamicznym mechanizmie hamowania wzrostu rodzeństwa. W przeciwieństwie do pierwszej hipotezy, druga wymagałaby ciągłości i komunikacji między wszystkimi częściami komórki, aby nastąpiło samounikanie. Eksperyment polegał więc na odłączeniu dendrytów jednego z neuronów i zobaczeniu, jak pozostałe przyczepione dendryty zareagowały na odłączony fragment, „czy nadal unikają nakładania się?” W rezultacie odłączona gałąź przestała być rozpoznawana przez inne gałęzie neuronu jako „ja”, co prowadziło do nakładania się dendrytów. Wyraźnym wnioskiem z badania było to, że ciągłość między wszystkimi częściami neuronu ma kluczowe znaczenie dla działania samounikania. Autorzy sugerują następnie różne mechanizmy, które wymagają ciągłości i mogą funkcjonować jako sygnał rozpoznawczy, a zatem mogą być odpowiedzialne, takie jak „aktywność elektryczna, aktywna lub pasywna, a także dyfuzja sygnałów cytoplazmatycznych biernie lub przez szybki transport aksonalny” . Pod koniec lat 90. i później w badaniach zaczęto wykorzystywać organizmy modelowe i zaczęto odkrywać molekularne mechanizmy samounikania. W 1999 roku Wu i Maniatis odkryli uderzającą organizację dużej rodziny ludzkich genów adhezji komórek nerwowych protokadheryny, które utworzyły klaster genów kodujący 58 protokadheryn. Członkowie klastra genów protokadheryny byli przekonującymi kandydatami do dostarczenia kodu molekularnego wymaganego do utrzymania rozróżnienia „ja”/nie-ja”, które prowadziło do samounikania. Zostało to później (2012) potwierdzone przez Lefebvre i wsp. w badaniu z komórek amakrynowych i komórek Purkinjego Mus musculus , że białka te ulegają ekspresji w różnych kombinacjach w poszczególnych neuronach, dostarczając w ten sposób „kodów kreskowych”, które odróżniają jeden neuron od drugiego.

W 2000 roku Schmucker i wsp., Poprzez analizy cDNA i genomiczne neuronów czuciowych z arborizacją dendrytyczną Drosophila , ujawniono istnienie wielu form cząsteczki adhezji komórkowej zespołu Downa (Dscam) . Autorzy zauważyli, że alternatywny splicing może potencjalnie wygenerować ponad 38 000 izoform Dscam i postawili hipotezę, że ta różnorodność molekularna może przyczynić się do specyficzności połączeń neuronalnych, a tym samym do samounikania.

Łącznie odkrycia dwóch dużych rodzin białek powierzchniowych komórek kodowanych przez locus Dscam1 i klastrowe loci protokadheryny (Pcdh) otworzyły drzwi do licznych współczesnych badań. Obecne badania czerpią ogromne korzyści nie tylko z powstania biologii molekularnej i genomicznej, ale także z rozwijanych od XIX wieku narzędzi bioinformatycznych.

Rysunek 6. Kalendarium ważnych odkryć dotyczących neuronalnego samounikania. Przedstawiono autorów i organizmy wykorzystane w badaniach.

Modele, struktury i rozwój samounikania

Modele zwierzęce

Samounikanie było szeroko dyskutowane wśród naukowców i przez cały czas przeprowadzano eksperymenty na kilku modelach zwierzęcych. Pierwsze eksperymenty przeprowadzono w pijawce. W 1981 Wässle próbował zrozumieć, w jaki sposób komórki zwojowe siatkówki ustalają swoje terytoria dendrytyczne u kotów. Procesy takie jak układanie płytek dendrytycznych i samounikanie są niezwykle ważne dla prawidłowego rozwoju struktur neuronalnych, aw tym konkretnym przypadku komórki zwojowe muszą pokrywać siatkówkę aby zagwarantować, że każdy punkt przestrzeni wizualnej jest rzeczywiście „widoczny”. Zauważył, że ciała komórek układają się w regularną mozaikę, a pola dendrytyczne dostosowują się do dostępnej przestrzeni. Hipoteza ta została jednak oparta na modelach matematycznych: modelu Dirichleta .

Perry i Linden (1982) jako pierwsi przedstawili wyraźne dowody na „współzawodnictwo” dendrytów w siatkówce myszy. Zniszczenie komórek zwojowych daje szansę sąsiednim komórkom na rozszerzenie ich wypustek dendrytycznych. Zaproponowali rywalizację o synapsy jako przyczynę równowagi między wzrostem a odpychaniem dendrytów.

Chociaż mysz i Drosophila są obecnie modelami używanymi do konstruowania modelu samounikania odpowiednio dla kręgowców i bezkręgowców, na przestrzeni czasu istnieje kilka przykładów tego zjawiska u innych gatunków modelowych i niemodelowych:

Żaba ( Xenopus laevis )

Neurony nerwu trójdzielnego w skórze głowy wykazują zachowania konkurencyjne i tylko wtedy, gdy jeden z nich jest całkowicie usunięty, na przykład lewy zwój nerwu trójdzielnego , pozwala neurytom prawego zwoju przekroczyć linię środkową i unerwić lewą stronę głowy. Prawidłowe unerwienie wynika z odpychającego charakteru interakcji między tymi neurytami wykrywającymi ruch, wzmacniając wszystkie przednie modele samounikania.

Złota rybka ( Carassius spp. )

Siatkówka rośnie przez całe życie poprzez dodawanie nowych neuronów na marginesie i śmierć neuronów zwojowych w centrum. Po raz kolejny udowodniono, że każda komórka wyczuwa komórki sąsiednie i może zająć miejsce pozostawione przez inne.

Zebra rybka ( Danio rerio )

Neurony nerwu trójdzielnego, które rozwinęły się 16 godzin po zapłodnieniu, są częścią obwodowego układu czuciowego i wykrywają bodźce termiczne i mechaniczne w skórze. Model „wzrostu i odpychania” powstał w wyniku złożonego topograficznego ograniczenia stożków wzrostu między neuronami nerwu trójdzielnego i Rohon-Beard .

Planaria (Dugesia japonica)

Dscam wykazują poważnie zdezorganizowaną sieć neuronową i fascykulację aksonów.

Główne struktury badań samounikania

Dwie główne struktury stosowane w badaniach samounikania to komórki zwojowe siatkówki (RGC) u myszy i neurony somatosensoryczne u Drosophila . Struktury te są wskazane jako różne modele molekularne, ponieważ główną cząsteczką zaangażowaną w samounikanie jest Dscam u bezkręgowców i protokadheryny u kręgowców.

Siatkówka myszy

Prawidłowy montaż elementów w siatkówce myszy jest zależny od prawidłowej ekspresji Dscam / DscamL1 w celu utworzenia mozaiki różnych typów komórek RGC, rozmieszczenia somy i arboryzacji dendrytów, zapewniając w ten sposób pokrycie całego obszaru widzenia przez każdy typ komórek, a dokładniej hamowanie nadmiernej fascykulacja i zlepianie się ciał komórkowych w fotoreceptorach, pręcikowych komórkach dwubiegunowych (RBC) i komórkach amakrynowych w układzie wzrokowym. Wystąpienie prawidłowego rozwarstwienia i połączenia z synapsami mówi nam o nokaucie Dscam wpływa tylko na interakcje odpychające i utrzymuje się pokrycie altan dendrytycznych i funkcjonalne wiązania.

Rzeczywiste główne wnioski opierają się na identyfikacji różnych typów neuronów siatkówki, z których każdy ma inną wartość współczynnika rozszerzenia, ujawniającą stopniowane stopnie homotypowego odpychania dendrytycznego. Przyjęta sekwencja rozwojowa to 1) określenie liczby i odstępów między komórkami, 2) kontrolowany wzrost gałęzi i 3) dopracowanie płytek dendrytycznych w celu maksymalnego pokrycia struktury. Eksperymenty ze zmutowanymi myszami dla Math5 i Brn3b (odpowiedzialne za degenerację odpowiednio 95% i 80% komórek zwojowych siatkówki) pokazują, że usunięcie komórek zwojowych nie zmniejsza typów komórek zwojowych siatkówki i że pozycja tych komórek nie jest określona przez dendrytyczne tylko interakcje homotypowe, ale dla pewnego rodzaju wewnętrznego programu genetycznego.

Dendrytyczne neurony arboryzacji

Drosophila melanogaster jest modelem do eksperymentów na wielu neuronach dendrytycznych (MD) , które tworzą stereotypowy wzór obwodowego układu nerwowego. Dendrytyczne neurony arboryzacyjne są głównym podtypem grupy neuronów MD i przedstawiają silnie rozgałęzione dendryty pod naskórkiem . Sugimura i in. pokazał neurony dendrytycznej arboryzacji (da) , które stabilizują kształt swoich gałęzi we wczesnych stadiach larwalnych i inne, które kształtują się przez cały cykl życia.

Podobnie jak inne typy komórek zaangażowane w procesy zależne od samorozpoznania (takie jak samounikanie i kafelkowanie, patrz rysunek 2), te neurony da mogą wypełniać puste przestrzenie pozostawione przez sąsiednie komórki i ten proces wypełniania jest wyzwalany przez utratę lokalnych izoneuralne kontakty hamujące.

Oko larwy

Ponieważ Drosophila jest jednym z najlepiej zbadanych modeli neuronalnych mechanizmów samorozpoznawania, możemy znaleźć kilka wyników uzyskanych w stadiach larwalnych. Jednym z najbardziej godnych uwagi przykładów jest nieprawidłowy rozwój altan dendrytycznych w oku larwy ( narząd Bolwiga ) z powodu mutacji nokautowej Dscam.

Rozwój

Liczne modele i struktury o różnym czasie rozwoju i cyklach życia są wykorzystywane w badaniach samounikania. Dlatego pewne konflikty pojawiają się, gdy próbujemy określić ścisłą fazę rozwojową występowania tych zjawisk. Początkowy pomysł był taki, że na pewnym wczesnym etapie rozwoju komórki nerwowe kontaktują się ze sobą i organizują swoją dystrybucję, ale kilka badań wykazało, że unikanie samego siebie jest również obecne w dorosłym życiu.

Aby rozwiązać to pytanie, idealnie byłoby monitorować rozwój dendrytyczny neuronów od ich narodzin do dojrzewania u całych zwierząt.

U Drosophila badania obejmują zarówno fazę larwalną, jak i dorosłą, a liczba godzin po zniesieniu jaj jest wyznacznikiem prawidłowej budowy płytek dendrytycznych w neuronach czuciowych. Na wczesnym etapie poczwarki te neurony przycinają wszystkie swoje dendryty. Później z każdego neuronu wyrasta zupełnie nowy dendryt do dorosłej funkcji. Podczas gdy dendryty są przebudowywane, aksony pozostają w dużej mierze nienaruszone, a wszystkie te fazy ulegną negatywnemu wpływowi w przypadku zakłócenia właściwości samounikania.

Egzony domen Dscam mogą ulegać różnej ekspresji w zależności od fazy cyklu życiowego muchy. Splicing eksonu 9 jest regulowany czasowo, przy czym tylko kilka sekwencji eksonu 9 przyczynia się do powstawania izoform wczesnych zarodków, a pozostałe możliwe sekwencje eksonu 9 stają się bardziej rozpowszechnione wraz z wiekiem. Wyniki te dowodzą, że niezależnie od tysięcy izoform , które można wygenerować, różnorodność jest nadal kontrolowana czasowo i przestrzennie.

W siatkówce myszy większość komórek zwojowych rodzi się w E17 (stadium embrionalne/dzień 17) . W tym wieku siatkówka osiągnęła 25% swojej dojrzałej wielkości

Molekularne podstawy samounikania

Badania komórkowe samounikania sugerują, że każdy leżący u podstaw mechanizm molekularny musi wymuszać solidne i selektywne rozpoznawanie powierzchni komórki zależne od kontaktu tylko między siostrzanymi gałęziami i musi łączyć rozpoznawanie ze zmianami w zachowaniu stożka wzrostu . Niedawne badania mające na celu zdefiniowanie molekularnych podstaw zależnych od kontaktu interakcji homotypowych doprowadziły do identyfikacji dwóch dużych rodzin białek powierzchniowych komórek, kodowanych przez locus cząsteczki adhezji komórkowej zespołu Drosophila Downa 1 ( Dscam1 ) i skupioną protokadherynę (Pcdh) loci u ssaków. Białka te, z różnymi domenami zewnątrzkomórkowymi i wspólnymi cytoplazmatycznymi domniemanymi wewnątrzkomórkowymi domenami sygnalizacyjnymi, są w stanie zapewnić różnorodne swoistości rozpoznawania dla szerokiej gamy różnych neurytów , nadając neuronom unikalną tożsamość powierzchni komórki, która pozwala neuronom odróżnić siebie od obcego. Dodatkowe receptory na powierzchni własnej zaangażowane w samounikanie obejmują członka nadrodziny immunoglobulin Turtle, który działa w niektórych Drosophila da w celu wymuszenia odstępów między gałęziami końcowymi.

Bezkręgowce

DSCAM1

W kilku badaniach powiązano Drosophila Dscam1 z samounikaniem się dendrytów i aksonów oraz odstępami między procesami w różnych populacjach neuronów, w tym aksonach ciała grzyba , dendrytach neuronów projekcji węchowej (PN) i dendrytach neuronów arboryzacji dendrytycznej (da). przyciąganie/adhezja i tworzenie synaps w różnych układach.

Dscam1 koduje członka nadrodziny immunoglobulin (Ig), który u Drosophila może generować do 19 008 białek z różnymi ektodomenami . W testach wiązania Dscams wykazują interakcje homofilne specyficzne dla izoform, ale między różnymi, ale blisko spokrewnionymi izoformami występuje niewielka interakcja .

Dscam1 kontroluje samounikanie

Samorozpoznawanie za pośrednictwem Dscam1 jest niezbędne do unikania siebie między siostrzanymi neurytami Hughes i in. (2007) poinformowali, że utrata funkcji Dscam w neuronach da spowodowała nadmierne samokrzyżowanie się dendrytów z tego samego neuronu. Nadekspresja Dscam zmusiła odpowiednie dendryty do oddzielenia się od siebie. Na podstawie tych danych Dscam powoduje brak samounikania siostrzanych dendrytów. Dlatego bezpośrednie interakcje homofilne Dscam-Dscam specyficzne dla izoformy muszą skutkować zdarzeniami transdukcji sygnału, które prowadzą do odpychania dendrytów wyrażających identyczne izoformy Dscam. Ta konwersja początkowej interakcji powierzchni komórki zależnej od Dscam w odpychającą odpowiedź, która prowadzi do separacji dendrytów w neuronach da, jest wspierana przez Matthewsa i in. (2007) w badaniu, które wykazało, że ektopowa ekspresja identycznych izoform Dscam na dendrytach różnych komórek promowała wzrost z dala od siebie. Autorzy sugerują również, że identyczne izoformy Dscam uległy ekspresji w dwóch populacjach komórek in vitro indukowało ich agregację w sposób specyficzny dla izoformy, pokazując, że Dscam zapewnia komórkom zdolność rozróżniania różnych powierzchni komórek. Co więcej, ekspresja pojedynczych cząsteczek Dscam1 pozbawionych większości ich cytoplazmatycznego ogona zapobiegła ektopowej segregacji gałęzi i zamiast tego doprowadziła do pozornie stabilnej adhezji między dendrytami. Łącznie wyniki te wspierają prosty model bezpośredniej roli Dscam w samorozpoznawaniu, w którym identyczne ektodomeny Dscam na powierzchniach izoneuronalnych dendrytów rozpoznają się nawzajem i indukują kolejny sygnał odpychający, w którym pośredniczą domeny w ogonie cytoplazmatycznym (ryc. 7).

Rozpoznanie homofilne zapewnia molekularną podstawę samounikania

Aby sprawdzić, czy homofilne wiązanie izoform Dscam1 jest wymagane do samounikania, Wu i współpracownicy wygenerowali pary izoform chimerycznych, które wiążą się ze sobą (heterofilowe), ale nie ze sobą (homofilne). Te izoformy nie wspierały samounikania. Natomiast koekspresja komplementarnych izoform w obrębie tego samego neuronu przywróciła samounikanie. Dane te ustalają, że rozpoznanie między Dscam1 na przeciwległych powierzchniach neurytów tej samej komórki zapewnia molekularną podstawę samounikania.

Różnorodność w locus Dscam1 jest niezbędna do samorozpoznania

Różnorodność izoform Dscam w poszczególnych neuronach nie jest wymagana do samounikania...

W 2004 roku Zhan i in. opublikował badanie, w którym zbadano funkcję różnorodności Dscam, oceniając izoformy Dscam wyrażane przez rozwijające się neurony ciała grzyba (MB) , a także zdolność poszczególnych izoform do ratowania fenotypów utraty funkcji Dscam i konsekwencje o ekspresji ektopowej pojedynczych izoform Dscam. Wykazali, że różne podtypy neuronów MB wyrażają różne macierze izoform Dscam i że utrata Dscam1 w tych neuronach prowadzi do niepowodzenia w separacji gałęzi, fenotypu, który można uratować poprzez ekspresję pojedynczych arbitralnych izoform w pojedynczych neuronach. Również w neuronach da pojedyncze arbitralnie wybrane izoformy uratowały fenotyp samounikania zerowego Dscam1. Wyniki te prowadzą do wniosku, że różnorodność Dscam1 nie jest wymagana w poszczególnych neuronach do samounikania.

... ale różnorodność izoform Dscam wyrażanych przez neurony różnych typów jest niezbędna do rozróżnienia neurytów własnych i obcych

Aby sprawdzić, czy segregacja gałęzi siostrzanych wymaga sąsiednich aksonów ciała grzyba do ekspresji różnych zestawów izoform Dscam, Hattori et al. (2009) zredukowali cały repertuar ektodomen Dscam do zaledwie jednej izoformy, stosując rekombinację homologiczną i zbadali morfologię ciała grzyba u Dscam . ^pojedynczych i kontrolnych zwierząt W większości ciał grzybów analizowanych, jeden z dwóch płatów był całkowicie nieobecny, aw kilku pozostałych próbkach jeden płat był znacznie cieńszy od drugiego. Ten dominujący fenotyp wskazuje, że defekty nie wynikają z utraty jednej izoformy, ale raczej z obecności tej samej izoformy na wszystkich aksonach. Badania te doprowadziły do wniosku, że każdy neuron wyraża zestaw izoform Dscam1 znacznie różniący się od swoich sąsiadów i że dla sąsiednich neuronów kluczowe znaczenie ma ekspresja różnych izoform Dscam, ale specyficzna tożsamość izoform wyrażanych w pojedynczym neuronie jest nieważna, ponieważ dopóki gałęzie siostrzane wyrażają identyczny zestaw izoform, aby umożliwić homotypowe odpychanie między nimi.

Tysiące izoform są wymagane do prawidłowego samorozpoznania

Później Hattori i in. (2009) przyjęli strategię zastępowania genomu w celu wytworzenia zmutowanych zwierząt, w których liczba potencjalnych izoform Dscam1 była ograniczona. Ich celem było określenie, ile izoform było potrzebnych, aby neuryty nie rozpoznały w niewłaściwy sposób i nie unikały neurytów niebędących własnymi neurytami. Wzory rozgałęzień poprawiły się wraz ze wzrostem potencjalnej liczby izoform, niezależnie od tożsamości izoform. Podsumowując, wielkość puli izoform wymaganej do silnego rozróżnienia między sobą a obcymi jest w tysiącach.

Podsumowując, tożsamość izoform między gałęziami tego samego neuronu prowadzi do rozpoznania przez region zewnątrzkomórkowy i odpychania, w którym pośredniczy wewnątrzkomórkowy ogon Dscam1. Ponieważ izoformy Dscam1 wyrażane w różnych neuronach da prawdopodobnie będą różne, dendryty różnych neuronów da nie rozpoznają niewłaściwie obcego jako własnego. Tak więc białka Dscam1 są wymagane do samounikania i zapewniają kod molekularny, za pomocą którego neuryty rozróżniają własne dendryty od dendrytów sąsiednich komórek (ryc. 7).

kręgowce

DSCAM i DSCAML1

Samounikanie zostało dopiero niedawno zbadane w rozwoju mózgu kręgowców, głównie w kontekście wzorcowania neurytów w wewnętrznych warstwach splotowatych (IPL). W przeciwieństwie do Drosophila , mysie DSCAM są typowymi cząsteczkami powierzchniowymi komórek, pozbawionymi masywnego alternatywnego splicingu muchy, której ulega ortologiczna Dscam1. Więc chociaż DSCAM mogą zachowywać konserwatywną funkcję pośredniczenia w samounikaniu u kręgowców, brak różnorodności molekularnej jasno pokazuje, że nie odgrywają one roli w samorozpoznawaniu.

Dscamy działają raczej w celu zanegowania interakcji specyficznych dla typu komórki niż aktywnego promowania odpychania w neurytach kręgowców

Biorąc pod uwagę, że Dscam i Dscaml1 mają nienakładające się wzorce ekspresji w siatkówce myszy, przy czym Dscam ulega ekspresji w podzbiorze komórek amakrynowych i większości komórek zwojowych siatkówki (RGC), a Dscaml1 ulega ekspresji w obwodzie pręcika, Fuerst i in. (2009) zbadali populacje komórek zwojowych siatkówki u myszy Dscam ^-/- , a ponadto ocenili anatomię siatkówki w obwodzie pręcika przy użyciu allelu Dscaml1 z nokautem pułapki genowej . W przypadku braku któregokolwiek z genów komórki, które normalnie go wyrażały, wykazywały nadmierne pęczki dendrytów i zlepianie się ciał komórkowych. Odkrycia te doprowadziły do wniosku, że Dscam i Dscaml1 zapobiegają nadmiernej adhezji, głównie poprzez maskowanie specyficznych dla typu komórek interakcji adhezyjnych między dendrytami z tej samej klasy komórek, zamiast aktywnego promowania odpychania między nimi. Tak więc, przy braku różnorodności, DSCAM ssaków nie zapewniają komórkom zdolności do rozróżnienia między ich własnymi procesami a procesami wszystkich innych komórek, w tym procesów z komórek tego samego typu. Zamiast tego DSCAM działa w celu zanegowania interakcji specyficznych dla typu komórki, które są promowane przez inne cząsteczki rozpoznające.

Protokadheryna

Nowsze badania wykazały, że myszy wykorzystują inną rodzinę cząsteczek rozpoznających komórki: zgrupowane protokadheryny (Pcdhs) , w strategii podobnej do Dscam1 muchy, aby regulować samounikanie. Chociaż zarówno zgrupowane geny Pcdhs, jak i Dscam1 generują rodziny białek z różnymi ektodomenami połączonymi ze wspólną domeną cytoplazmatyczną, sposób generowania zgrupowanych różnorodności odpowiedników Pcdhs i muchy Dscam1 jest wyraźnie różny. Różnorodność Pcdh jest w dużej mierze generowana przez wybór alternatywnego promotora, w przeciwieństwie do alternatywnego składania. Liczba izoform Pcdhs jest różna u różnych gatunków kręgowców, ale łącznie jest ich zazwyczaj rzędu 50.

Rozpoznawanie homofilne specyficzne dla izoformy

Przekonujące dowody na dyskretne specyficzności wiązania różnych zgrupowanych izoform Pcdhs zostały odkryte w 2010 roku przez Schreinera i Weinera, którzy potwierdzili, że Pcdhs promują rozpoznawanie homofilne specyficzne dla izoform. Podczas gdy liczba izoform Pcdh blednie w porównaniu z liczbą izoform Dscam1, heterooligomeryzacja Pcdh znacznie zwiększa liczbę dyskretnych specyficzności wiązania kodowanych przez locus. Pcdhs są wymagane do samodzielnego unikania

Aby znaleźć role Pcdh-γ w unikaniu siebie, Lefebvre i in. (2012) skupili się na interneuronie siatkówki , amakrynowej komórce starburst (SAC), która wyraża Pcdh-γs i wykazuje dramatyczną dendrytyczną samounikanie. Użyli systemu Cre-Lox do usunięcia wszystkich domen zmiennych locus Pcdh-γ w rozwijającej się siatkówce i potwierdzili, że dendryty powstające z pojedynczego SAC często krzyżowały się ze sobą, a czasem tworzyły luźne wiązki, podobnie jak w przypadku usuwania Dscam1 z da neuronów (Rysunek 8).

Różnorodność Pcdh jest niezbędna do samorozpoznania

Ponadto Lefebvre i współpracownicy ocenili wymóg różnorodności izoform w zależnym od Pcdh-γ unikaniu. Wykazali, że pojedyncze arbitralnie wybrane izoformy uratowały defekty samounikania Pcdh-γ i że ekspresja tej samej izoformy w sąsiednich SAC zmniejszyła nakładanie się między nimi. Ich wyniki wskazują, że zróżnicowanie wydaje się leżeć u podstaw dyskryminacji ja/obcy, prawdopodobnie dlatego, że jest mało prawdopodobne, aby sąsiednie neurony wyrażały te same izoformy, a zatem mogą swobodnie wchodzić w interakcje. Dlatego różnorodność izoform umożliwia SAC odróżnić dendryty izoneuronalne od heteroneuronalnych. Podobnie jak w przypadku Dscam1 , samounikanie w SAC nie opiera się na określonej izoformie, ale raczej wymaga, aby użycie izoformy różniło się w sąsiednich komórkach. Tak więc wydaje się, że dwie gromady rekrutowały różne cząsteczki, aby pośredniczyć w podobnych, złożonych strategiach samorozpoznania, promując w ten sposób unikanie siebie.

Zobacz też