Механизмы раздельной регуляции высвобождения и рециклинга синаптических пузырьков

Химические синапсы передают информацию в нервной системе. При электрическом возбуждении пресинаптической клетки синаптические пузырьки сливаются с её мембраной, высвобождая нейромедиаторы в синаптическую щель. Эти вещества связываются с рецепторами постсинаптической клетки, снова запуская электрический сигнал. Для долговременной работы синапсам необходимо рециклировать пузырьки для повторного использования. Профессора Карстен Дуч и Мартин Хайне из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце исследуют, как координируются высвобождение и рециклинг.

"Скорости экзоцитоза и эндоцитоза на химических синапсах должны быть скоординированы для надёжной передачи сигналов в мозге", — отмечают биологи. Вместе с доктором Ульрихом Томасом из Института нейробиологии Лейбница в Магдебурге они показали в статье в PNAS, как пространственно и временно разделённые пресинаптические кальциевые сигналы независимо регулируют экзоцитоз и эндоцитоз синаптических пузырьков.

Сосуществование разных типов потенциал-зависимых кальциевых каналов в пресинапсе

На химических синапсах входящие электрические импульсы преобразуются в химические сигналы. Кальций поступает в пресинаптическую клетку через потенциал-зависимые каналы, что приводит к экзоцитозу пузырьков из специализированного резервуара. Кальциевые сигналы также регулируют рециклинг пузырьков, но с другими временными и пространственными требованиями.

Используя генетические модификации, электрофизиологические и оптофизиологические измерения на нервно-мышечном синапсе Drosophila melanogaster, команда показала, что в пресинапсе присутствуют два типа потенциал-зависимых кальциевых каналов: Ca_v2 и Ca_v1. Они пространственно разделены:

• Ca_v2 находятся внутри активных зон пресинапса и необходимы для экзоцитоза синаптических пузырьков.
• Ca_v1 расположены вне активных зон и усиливают эндоцитоз пузырьков за счёт активности-зависимого притока кальция.

Нокаут Ca_v2 блокирует синаптическую передачу, а нокаут Ca_v1 снижает скорость эндоцитоза, усиливая синаптическую депрессию при длительной активности. Таким образом, кальциевые сигналы через две независимые популяции каналов регулируют два ключевых процесса: высвобождение и рециклинг пузырьков.

Функциональное разделение Ca_v1 и Ca_v2 с помощью кальциевого насоса

Ключевой вопрос — как разделяются кальциевые сигналы в нанометровом масштабе пресинаптического окончания, учитывая высокую диффузию кальция. Исследователи обнаружили, что функции разделены мембранно-якорным кальциевым буфером.

Ca_v2 каналы находятся в активных зонах на расстоянии 70–140 нанометров от готовых к высвобождению пузырьков, создавая строго ограниченные кальциевые нанодомены для точной передачи. Ca_v1 расположены вокруг активных зон. Теоретически, одновременный приток кальция через оба типа каналов должен создавать смешанные сигналы. Однако этого не происходит благодаря плазматической мембранной кальциевой АТФазе (PMCA).

PMCA расположена вне активных зон и изолирует их от динамической регуляции эндоцитоза, осуществляемой через Ca_v1. Поскольку Ca_v1, Ca_v2 и PMCA обнаружены и в центральных синапсах млекопитающих, эта триада белков может представлять собой консервативный механизм для раздельной активности-зависимой регуляции экзо- и эндоцитоза.

Будущие исследования

Группы Дуча и Хайне продолжат изучать взаимодействия кальциевых каналов и связанных с ними молекул. Помимо экзо- и эндоцитоза, кальциевые сигналы в пресинапсе регулируют и другие ключевые функции:

• перемещение пузырьков между специализированными резервуарами;
• контроль стабильной силы синаптической передачи, которая восстанавливается компенсаторными механизмами после нарушений (гомеостатическая пластичность).

В рамках проекта CRC 1080 "Молекулярные и клеточные механизмы нейрального гомеостаза" исследуется, как разделённые кальциевые сигналы независимо контролируют экзоцитоз, эндоцитоз, транспорт пузырьков и синаптический гомеостаз.

"Кальциевые сигналы идеально подходят для точной адаптации множества жизненно важных синаптических функций к различной нейрональной активности, но мы только начинаем понимать механизмы их независимой регуляции", — комментируют Дуч и Хайне.