Sinaptik Plastisite:
NMDA Reseptör-Bağımlı LTP ve LTD
Doç. Dr. Güvem Gümüş Akay
Ank. Üniv. Disiplinlerarası Sinirbilim Doktora Programı/
Sinapsların Moleküler Nörobiyolojisi
Uzun-süreli Sinaptik Plastisite
• Sinaptik iletimin etkinliğinde uzun süreli gözlenen deneyim-bağımlı değişikliği ifade eden genel bir terimdir.
1) Uzun süreli potensiyasyon (LTP) 2) Uzun süreli depresyon (LTD)
– NMDA reseptörü aracılığı ile olan daha detayları ile bilinmektedir.
LTP ve LTD
• Öğrenme ve bellek olaylarının hücresel temelini oluşturmaktadır.
• Moleküler ve hücresel mekanizmaları
– Sinaptik plastisite için gerekli değişikliğin oluşturulması (induction)
– İfade bulma mekanizmaları (expression, saatler) – Sürdürülme mekanizmalaraı (maintenance, günler)
NMDAR-bağımlı LTP
• En iyi karakterize edilmiş formu hipokampüsün CA3 ve CA1 piramidal nöronları arasında meydana gelmektedir.
Sinaptik İletim
• Sinaptik vezikül içeriğinin ekzositoz ile salımasını takiben NT’ler için
– Sinaptik yarığa hızla difüzyon
– Postsinaptik membrandaki spesifik resptörlerine bağlanma
• Sinaptik yarıkta yüksek konsantrasyonda NT bulunması çok kısa bir zaman periyodu için söz konusudur.
İyonotropik Reseptörler
• Doğrudan ligand-kapılı iyon kanallarıdır
• NT salınmasını takiben hızlıca yanıt verirler
MSS’de en yaygın NT’ler
• Eksitatör: Glutamat
• İnhibitör: GABA
AMPA-Tip ve NMDA-Tip Glutamat Reseptörleri
• AMPARs ve NMDARs
• Her ikisi de iyonotropik reseptörlerdir
• Na+ ve K+’a geçirgendir
• Aktivasyonları sonucunda
– Güçlü bir Na + girişi – Zayıf bir K + çıkışı
– Sonuç: Postsinaptik nöronun depolarizasyonu
• Glutamaterjik iletimde asıl yükü taşıyan: AMPAR
• Hızlı ve büyük bir sinaptik sinyal
AMPARs
• 4 gen: GRIA1-4
• Her AMPAR izoformu 4 altbirimden oluşur
– GluA1, GluA2, GluA3 ve GluA4 – Homomerik/ heteromerik
• Çoğu AMPAR’de GluA2 altbirimi bulunur
GluA2’de RNA Editing
• Transkripsiyonu takiben meydana gelen «RNA editing» sonucu Gln (Q) Arg (R)
• Bu aşama kalite kontrolde son derece önemli
• GluA2 içeren AMPAR’leri Ca2+’u geçirmez
NMDARs
• Dinlenme membran potansiyeline yakın bir negatif membran potansiyeli söz konusu olduğunda;
Mg2+ iyonları NMDAR’ın poruna girer ve diğer bütün iyonların geçişine engel olur
• Depolarizasyonun meydana gelmesi ile birlikte
• Mg2+ pordan uzaklaştırılır
• Na+, K+ ve Ca2+ iyonları pordan geçiş yapabilir
• Pozitif potansiyel söz konusu olduğunda NMDA reseptörleri maksimum geçirgenlik gösterir
NMDARs
• Kinetikleri AMPAR’lerine göre daha yavaştır
• Glu’ın salınmasından sonra NMDAR’lar daha yavaş aktive olurlar
• Glu salınımından sonra daha uzun süre açık kalırlar (yüzlerce milisaniye)
– AMPAR’larda bu süre birkaç milisaniye
NMDARs
• Sadece Glu bağlandığında ve postsinaptik nöron depolarize olduğunda olduğunda akım iletebilirler
• Başka bir ifade ile NMDAR’ların açılabilmesi için pre- ve postsinaptik nöronların aktif olması gereklidir.
İyonotoropik Glu Reseptörleri
• Tek başlarına işlev göremezler
• PSD’deki pekçok proteinle interaksiyon halindedir
• Bu proteinler
– Reseptör fonksiyonunu modüle eder
– Membrana dahil edilme ve membrandan uzaklaştırılma
Stargazin
• TARP (Transmembran AMPAR regülatör protein) ailesi üyesidir
• Pek çok AMPAR’da yardımcı faktör olarak bulunur
• Reseptörün iletim, kinetik ve düzenleme aktivitelerini etkiler
PICK1
• Diğer bir TARP ailesi üyesi
• Membranda reseptör sayısının düzenlenmesi
• Altbirim spesifitesi söz konusu
• GluA2
• Membran lokalizasyonları oldukça dinamik
• Sinaptik plastisite
İyonotropik Glu Reseptörleri
• İşlevlerinin büyük bir çoğunluğu postsinaptik
• Presinaptik aksonal butonlarda da mevcut
• NT salınınımının düzenlenmesinde rol oynarlar
• Kendi bulundukları sinapstan veya komşu sinapstan salınan Glu ile aktive olurlar:
Homo/heterofilik modulasyon
• NT salınmasını inhibe/aktive etmeleri bir sinapstan diğerine farklılık gösterir
LTP ve LTD
LTP’nin başlatılması
• Pre- ve postsinaptik
nöron eş zamanlı aktive olmalı
• Presinaptik butondan Glu salındığında,
NMDAR’ların tamamen Mg2+’dan
arındırılabilmesi için postsinaptik nöronun depolarize olması
gerekir
• Bu şekilde aynı anda deplarizasyon ve Glu bağlanmasının sonucu olarak NMDAR’lardan Ca2+ girişi maksimum seviyede gerçekleşir
• Sinaptik etkinliği
değiştirmekten sorumlu hücre içi sinyal iletim
yolakları aktive olur
LTD’nin başlatılması
• Postsinaptik nöronda herhangi bir aktivasyon olmaksızın
presinaptik nöronun
tekrarlanan ancak kısa süreli aktivitesi söz konusudur
• Dinlenme halindeki bir
nöronda Ca2+’un içeri girişi söz konusudur
• NMDAR’ların Mg2+ tarafından bloke edilemesi tam değildir
• Bu nedenle, düşük frekanslı sinaptik uyarıma sırasında, sinaptik uyarıma cevaben, dikkate değer ölçüde Ca2+
hücre içerisine giriş yapar
• Büyük bir ihtimalle NMDAR- bağımlı olarak az da olsa
Ca2+’un hücre içerisine girmesi ve bu olayın tekrar ederek
meydana gelmesi LTD’nin
başlamasına neden olmaktadır.
• Hücre, sinaptik bağlantıyı güçlendirme ya da baskılama arasında karar verecek
mekanizmalara sahip olmalıdır.
Öne sürülen en eski modele göre Ca2+ girişine bağlı olarak
– LTP/LTD’nin uyarılması
– Sinaptik iletimin gücünde herhangi bir değişiklik olmaması
kararında en önemli değişken: Uyarımın şiddeti veya postsinaptik hücrenin depolarizasyonu
• Presinaptik/Postsinaptik hücre?
• Salınan NT miktarı?
• NT’lerin bağlanacağı reseptörler?
Presinaptik
• Eğer LTP (veya LTD) artmış (veya azalmış) NT miktarı tarafından oluşturuluyor ise
• Postsinaptik hücrenin bir şekilde presinaptik hücre ile haberleşerek onun fonksiyonunu modife etmesi gerekir
• Retrograde sinyal molekülleri?
• Çok sayıda deney…
Postsinaptik
LTP, postsinaptik membrana daha fazla AMPAR eklenmesi
LTD, postsinaptik membrandan daha fazla AMPAR uzaklaştırılması
ile ilişkilidir
• AMPAR’lar oldukça hareketli
• Sitoplazma ve hücre membranı arasında bir geridönüşüm söz konusu
• AMPAR’ların membrana eklenmesi: SNARE-aracılı ekzositoz
• AMPAR’ların membrandan uzaklaştırılması: Klatrin aracılı endositoz
Son çalışmalar
•LTP ve LTD sırasında AMPAR’ların ekzo ve
endositozla mobilizasyonunun doğrudan sinaptik lokalizasyonda meydana gelmediğini
•Perisinaptik bölgede meydana geldiğini ve PSD’ye lateral difüzyonla ulaştığını
desteklemektedir.
AMPAR trafiği
• Çok sayıda PSD proteini, AMPAR’lar ile etkileşerek bu reseptörlerin trafiğinde rol oynamaktadır
• AMPAR farklı altbirimleri de trafikte önemlidir
• LTP sırasında membrana ilave edilen AMPAR’lar çoğunlukla GluA2/GluA2 hetromerleri
• LTP sırasında GluA2-içeren AMPAR’ların,
GluA2-içermeyen ile değiştirildiği gösterilmiş
• GluA2-içermeyen AMPAR’ların iletkenlği daha yüksek
• Böylece reseptörler sayı olarak aynı kalsa bile
daha kuvvetli iletim gerçekleşebilir
LTP ve LTD’yi tetikleyen sinyal yolakları
• Pre ve postsinaptik nöronların birbiri ile tutarlı olarak aktive olması Ca
2+’un NMDAR’lar
aracılığı ile hücre içerisine girişine neden olur.
• Giren Ca
2+miktarına bağlı olarak oluşan sinyal
AMPAR’ların sinaptik membrana eklenmesine
veya membrandan uzaklaştırılmasına neden
olur
LTD, LTP’nin tam tersi olduğuna göre
• Sizce hangi enzimler??
• Kalsiyum-Kalmodulin bağımlı protein fosfataz:
Kalsinörin
• Protein fosfataz I (PP1)
• Kalsinörin’in Ca
2+’a olan afinitesi daha yüksek
• Bu nedenle az seviyede Ca
2+söz konusu
olduğunda CaMKII’denönce Kalsinörin aktif hale gelir
• LTD indüklenir
• Protein fosfatazlara ilave olarak
• Kaspaz 3
• AMPAR’ların lizozomal/proteozoamal parçalanması
– Membrana geri dönmemeli
LTP ve LTD’nin sürdürülmesi
• AMPAR’lar PSD’ye çok sayıda iskele proteini ile demirlemiş durumdadır
• İskele proteinleri ile etkileşimleri bu reseptörlerin başta aktin olmak üzere diğer hücre iskeleti elemanları ile de bağlantısını sağlar
LTP ile birlikte
• Dolayısıyla AMPAR’ların membrana eklenmesi sinapsların ince yapısını etkiler
• LTP oluşmaya başlayan dendiritik dikenler
– Genişler
– Daha geniş PSD
– Perforasyon dösteren PSD – Fazla sayıda SER ve SA
LTP ile birlikte
• Dakikalar içinde dendritik şaft boyunca yeni dikenler oluşur
• Diken yoğunluğu artar
• Çoklu dikenli sinaps yapıları meydana gelir
