Аксональный транспорт

Активный транспорт органелл, белков и РНК по аксону уже давно интересует научный мир, ведь жизнедеятельность всего аксона, который может достигать метра в длину, зависит от процессов, происходящих в соме (теле) нейрона. В 1976 году Гриффином и коллегами было показано, что мембранные органеллы движутся по направлению к дистальному концу аксона «быстро» (до 40 см в день), а белки цитоскелета и некоторые другие — медленно (< 8 мм в день). Транспорт из сомы был назван «антероградным», а в обратном направлении — «ретроградным»; эти термины используются и по сей день. Первый необходим для транспорта новосинтезированных белков, нейромедиаторов и т. д. к пресинаптической мембране, а второй же важен, к примеру, для реакции на повреждение дистальных отделов аксона.

Микротрубочки — структуры из белка тубулина, обладающие полярностью (постоянно удлиняющийся «+» конец направлен к концу аксона, а более стабильный «–» — расположен в соме). В процессах транспорта они играют роль «рельсов», по которым «ездят» белковые моторы. С ними тесно связаны белки, ассоциированные с микротрубочками (MAP), каноническая роль которых — контроль за полимеризацией и стабилизацией микротрубочек, но также они выполняют и регуляторную роль, модулируя их связывание с моторами.

Моторные белки делятся на два больших класса: кинезины и динеины. Первые представляют собой огромное суперсемейство; более всего богата разнообразием его представителей именно нервная система: в мозге экспрессируется 38 генов кинезинов из 45 всех найденных. Кинезины делят на 14 семейств соответственно структурному и функциональному сходству, из которых кинезины 1, 2 и 3 участвуют в аксональном транспорте. Кинезины первого семейства обеспечивают быстрый транспорт широкого круга карго, включая органеллы, белки и РНК. Представители второго семейства перемещают N-кадгерин, холин-ацетилтрансферазу, бета-катенин и фодрин-положительные предшественники плазмалеммы, а кинезины-3 — предшественников синаптических везикул. Отметим, что все кинезины обеспечивают сугубо антероградный транспорт.

Кинезин-1 (или просто кинезин) — гетеротетрамер, состоящий из двух тяжелых цепей (KHC) и двух легких (KLC). Каждая тяжелая цепь имеет в составе глобулярный моторный домен, связывающий АТФ и контактирующий с микротрубочками, за которым следует «шейка», участвующая в димеризации, и «хвост», что служит для связывания с карго.

Семейство динеинов устроено намного проще: конкретно моторную субъединицу кодирует один-единственный ген, хотя и есть вариации в других субъединицах. Динеины, в отличие от кинезинов, в зависимости от контекста и структуры обеспечивают оба вида транспорта — как антероградный, к плюс-концу, так и ретроградный. Для большинства действий, выполняемых этими белками, требуется специфический активатор, динактин — высококонсервативный мультибелковый комплекс. Кинезины и динеины несколько различаются по свойствам: помимо уже указанных отличий в направленности движения, первые «сильнее» — развивают силу до 5 пиконьютонов, вторые же — до 1 пН; динеины способны к «командной работе», так как могут перемещаться в разные стороны и для эффективного движения требуется совместная деятельность нескольких белков, чего не скажешь о кинезинах.

Как показали опыты, карго в процессе движения связывается с различными типами моторных белков: к примеру, выяснилось, что даже аутофагосомы, движущиеся строго в одном направлении, связываются как с кинезинами, так и динеинами — другими словами, с противодействующими друг другу моторами. Предложено три модели взаимодействия белков: первая проста — кинезины и динеины соперничают друг с другом, и кто окажется сильнее, в ту сторону и произойдет движение; исходя из второй, моторные белки работают по очереди, а процесс строго регулируется внешними стимулами. Точка зрения авторов третьей модели находится посередине между двумя предыдущими и заключается в том, что хоть процесс взаимодействия и контролируется, но работают одновременно оба типа моторов, а эффект зависит от того, какой из них будет ингибирован сильнее. Всё больше доказательств получает именно последняя теория, и в настоящий момент, несмотря на множество белых пятен в нашем понимании процессов транспорта, сомнений не вызывают четыре положения:

1) Двигатели остаются стабильно связанными с грузом во время транспортировки, в том числе и когда они неактивны;

2) Для эффективного перемещения даже крупных (> 1 мкм) органелл вдоль микротрубочки необходим лишь небольшой набор двигателей. Эти двигатели функционируют группами, при этом возможно даже противодействие внутри этих групп;

3) Двигатели регулируются механизмами, которые могут включать в себя Rab-специфическую регуляцию, регуляцию киназами, фосфатазами и адаптерными белками (scaffolding proteins);

4) Мутации в моторах, адаптерах или регуляторах могут приводить к нейродегенерации или гибели нейронов, что согласуется с существенной ролью аксонального транспорта в поддержании гомеостаза нейронов.

Транспорт предшественников синаптических везикул (synaptic vesicle precursors, SVP) и везикул с плотным ядром (dense core vesicles, DCV), содержащих нейропептиды и нейротрофины, регулируется и осуществляется по-разному.

SVP транспортируются кинезинами третьего семейства, а именно KIF1A; было показано, что у мышей с нокаутом по соответствующему гену не происходит нормального развития синапсов. Адаптерами для них служат белки липрин-? и DENN/MADD, обладающие специфичностью к SVP и к кинезинам-3. Антероградный транспорт DCV происходит по тому же механизму, при этом регуляция осуществляется с помощью циклин-зависимой киназы 5, что активирует кинезины, обеспечивая однонаправленный транспорт. В то же время DCV, содержащие BDNF (нейротрофический фактор мозга), должны быть способны двигаться в обоих направлениях в зависимости от ситуации. С помощью ковалентных модификаций белка хантингтина (huntingtin, гентингтин) решается, куда пойдет везикула. Дефосфорилированный хантингтин увеличивает активность динеина, происходит ретроградный транспорт, а если же фосфорилируется серин в 421 положении, то активируется кинезин-1, и везикула начинает быстро передвигаться к пресинаптической терминали.

Транспорт различных сигнальных молекул, синтезируемых тканями, иннервирующимися конкретным нервом, начинается с их связывания с рецепторами на пресинаптической мембране; затем они движутся по направлению к соме нейрона. К примеру, нейротрофины связываются со своими рецепторами (TrkA, B, C, p75), происходит их эндоцитоз, затем образуются так называемые сигнальные эндосомы, транспортируемые посредством динеин-динактиновых комплексов в тело нейрона.

Митохондрии — «энергетические станции», а также депо кальция клетки, тоже движутся в обоих направлениях, в зависимости от контекста. При повышении концентрации кальция, что наблюдается в местах повышенной синаптической активности, митохондрии перестают двигаться, в свою очередь положительно модулируя высвобождение SVP, обеспечивая тем самым стабильность амплитуд возбуждающего постсинаптического потенциала. Ионы кальция связываются с митохондриальной Rho-ГТФ-азой (MIRO), связанной с адаптерными белками кинезинов-1 TRAK1 и 2, в результате чего ингибируется активность ассоциированной с ней моторной единицы кинезина-1. Белок синтафиллин, также реагирующий на повышение концентрации кальция, взаимодействует как с кинезином-1, так и с микротрубочками, что приводит к аналогичному эффекту. В то же время синтабулин, FEZ1 и некоторые другие белки повышают подвижность митохондрий, но работают ли они независимо, связаны ли с комплексом MIRO/TRAK, пока неизвестно.

Описанные карго движутся «быстро», но огромное число синтезированных сомой белков (нейрофиламентов и пр.) транспортируется медленным способом. Очень медленным: расстояние в 1 м некоторые белки проходят больше чем за три месяца; такой темп создается в силу того факта, что короткие «перебежки» чередуются с длительными паузами, хотя в движении и участвуют такие мощные моторы, как кинезин-1.

Источники:

Maday S. et al. Axonal transport: cargo-specific mechanisms of motility and regulation //Neuron. – 2014. – Т. 84. – №. 2. – С. 292-309.

Lawrence C. J. et al. A standardized kinesin nomenclature //The Journal of cell biology. – 2004. – Т. 167. – №. 1. – С. 19-22.

Комментарии: