Sinaptik Hücre Adezyonunun Moleküler Temeli

Sinaptik Hücre Adezyonunun Moleküler Temeli

Doç. Dr. Güvem Gümüş Akay

Ank. Üniv. Disiplinlerarası Sinirbilim Doktora Programı/

Sinapsların Moleküler Nörobiyolojisi

Sinaptik bağlantılar

• Sinir sisteminin gelişimi sırasında akson pathfinding’i takiben oluşturulur.

• Spesifik hücre adezyon molekülleri (CAMler) pre- ve postsinaptik bölgelerde birikir.

• Bu moleküller hücre içi ve hücre dışı iskele

proteinleri ile etkileşerek sinaptik farklılaşmayı başlatır.

Sinapslar

• Asimetrik, hücreler arası bağlantı bölgeleri

• Nöronal iletimin temel yapısal birimleri

• Sinaptik yapıların doğru bir biçimde

oluşturulması ve uygun bağlantı paternlerinin kurulması fonksiyonel nöronal devrelerin

kurulması için son derece önemlidir.

Sinapslar

• Üçlü yapı

– Presinaptik membran – Postsinaptik membran – Sinaptik yarık

• Kalınlaşmış bu bölgeler yüksek seviyede adeziv (yapışkan) özellik gösterir

• Adezyon sinapsların son derece önemli yapısal özelliği

• Biyokimyasal fraksinasyonlarda bile pre-ve post- sinaptik yapılar birbirlerine sıkıca tutunmuş

olarak kalır

• Sinaptik yarığı kateden bu yapılar periyodik olarak organize edilmekte ve yüksek oranda proteinöz bir materyalden oluşmaktadır.

– CAMler

• Pre- ve postsinaptik membranların uzaysal ve zamansal olarak koordineli bir biçimde

yapılandırılması, sinaptik hücre adezyonunun

sinaps gelişiminde ne kadar önemli olduğunu

göstermektedir.

• Pre- ve postsinaptik yapılarda gözlenen

karşılıklı örtüşme, yarık boyunca meydana gelen etkileşimlerin bu yapının karşılıklı

sınırlarını belirlediğini göstermektedir.

• Sinaptik yarığın düzenli bir genişliğe sahip

olması, bu yapının açıklığınının bir «moleküler cetvel» tarafından belirlendiğini

düşündürmektedir.

Sinaptogenez sırasında:

1. Aksonal büyüme konileri ve bunların dendritik

partnerleri genellikle filopodia benzeri uzantılar

yaparak ilk teması sağlarlar.

2. Özelleşmiş sinaptik membran yapıları bu temas bölgelerine yönlendirilir

– Presinaptik membran – Postsinaptik membran – Sinaptik yarık

3.

• Sinaptik veziküller

• Elektronca yoğun sinaptik yarık materyali

• Kalınlaşmış postsinaptik membranlar

• Başlangıçta 13 nm genişliğinde olan bu boşluk, 20 nm’lik sinaptik yarığa dönüşür.

• Olgun sinapslar, aktivite bağımlı olarak kendilerinin yeniden şekillenmesine neden olan ve hücre adezyonu tarafından

düzenlenen, yapısal ve fonksiyonel plastisite mekanizmalarına maruz kalır.

• https://www.youtube.com/watch?v=S5dPn5

72M5o

• Organizmanın yaşamı boyunca sinapslar

oluşturulmaya ve elimine edilmeye devam eder.

• Sinapsların oluşması ve elimine edilmesi,

omurgalı beyninin maturasyonun gerçekleştiği postnatal dönemde en aktif olarak gözlenir.

• Öğrenme ve bellek süreçlerinde rol oynamaya devam eder.

• Rejenerasyon

Sinaptik Adezyon Molekülleri

• Sinaptik yarığı geçen (kat eden) proteinlerin tümüne topluca verilen isimdir.

• Sadece hücre adezyonunda rol oynamazlar

• Hücreler arası trans-sinaptik iletişimde de son derece önemlidirler

Hücre Adezyon Molekülleri (CAMler)

• Hücrelerin birbirlerini tanıması

• Sinaptik temas bölgelerinin stabilizasyonu için mekanik destek oluşturma

• Sinyal molekülleri, NT reseptörleri ve aktin hücre iskeleti gibi yapıların kurulumunu sağlayarak sinaps organizasyonunu sağlama

• Sadece fiziksel adezyonda rol oynamazlar

• Aktivite-bağımlı olarak sinaps oluşumu, diken morfolojisi ve sinaptik reseptör fonksiyonunu da kontrol ederler

Bir molekülün sinaptik adezyon molekülü olabilmesi için:

• Gelişimin bir veya daha fazla evresinde sinapslarda lokalize olmalı

• Hücre-hücre etkileşiminde işlev görmeli

• Ekspresyonlarının artması ve/veya azalması sinaps oluşumu ve/veya fonksiyonunu

etkilemeli

Sinaps oluşumu çok basamaklı bir süreçtir

1. Sinaptik temasların kurulumu

2. Pre- ve post sinaptik yapıların tesis edilmesi 3. Yeni oluşmuş sinapsların işlevsel özelliklerini

kazanması

4. Sinaptik plastisitenin gözlenmesi

1. Temas Bölgelerinin Kurulması

• Oluşacak yeni sinaps bölgelerinde pre- ve

postsinaptik nöronların birbirini tanıması

2. Moleküler Kurulum

• Sinaptik veziküllerin aktif zona yönlendirilmesi

• Postsinaptik dansite elemanlarının oluşmakta olan sinaptik temas bölgesine yönlendirilmesi

• Anatomik olarak ayırdedilebilir sinaps yapısının oluşması

• Bu aşamana henüz fonksiyonel değil

3. Fonksiyonun belirlenmesi

• Sinapsların fonksiyon kazanması kendi moleküler bileşenlerinin organizasyonu ile gerçekleşir.

• Sinapsa spesifik özellikler katar

Tüm bu süreçler

• Hücre adezyon moleküllerini gerektirir

• Bir dizi spesifik protein-protein etkileşimleri aracılığı ile gerçekleşir

• Aktivite bağımlıdır

SİNAPTİK HÜCRE ADEZYONUNUN YAPI TAŞLARI:

Domainler, Özellikleri ve Fonksiyonları

• Sinaptik adezyon molekülleri, kimyasal

sinapsların tanınması, moleküler kurulumu ve özelleşmesinde rol oynamak üzere çok farklı tipte protein moleküllerini içerir.

• Adheziv ve fonksiyonel özgüllükleri

– Sınırlı sayıda değişkenlik gösteren ekstraselüler domainlere bağlıdır.

Domainler

• Tekrarlayan birimler şeklindedir

– Olası etkileşim sayısını arttırır

– Sinaptik yarığın içine doğru çıkıntı yapmasına veya yarık boyunca uzanmasına olanak sağlar

– Mekanik destek

1. İmmunoglobulin- (Ig-) domainleri

• Sıklıkla diğer Ig-domainlerine bağlanan ve hayvanlara özgü CAM’leridir.

• Homo- veya heterofilik kompleksler oluştururlar

• Çoğunlukla disülfit bağları ile stabilize edilen β- sandviç motifi içerir

• Ig-domain içeren pek çok hücre adezyon molekülü aynı zamanda benzer β- sandviç katlanmasına sahip FnIII domaini de içerir

2. Kaderin domainleri

• Tüm- β katlanması ile karakterizedir

• Proteinde her zaman, 2-3 Ca²⁺ iyonu bağlayanan bir bağlayıcı ile bağlanmış, çok sayıda kopya şeklinde bulunur.

• Ekstraselüler kaderin domainlerinde tipik kavislenmeye neden olur

• Kaderin aracılı etkileşimler Ca²⁺ bağımlıdır

• Çoğunlukla homofiliktir

3. Lamin A, Neurexin ve Seks hormonu bağlanma protein (LNS) domainleri

• Laminin G-benzeri LG-domainleri olarak da bilinir.

• Değişken kenarında korunmuş Ca

bağlanma

bölgesi içeren Lektin-benzeri β-sandviç’ten

oluşur.

• α-Nöreksinlerde ve Nöreksin-ilişkili CASPR

proteinlerinde birkaç adet LNS domaini seri halinde bulunur

• Bu domainler çoğunlukla rijit EGF-benzeri domainler arasına serpiştirilmiştir.

• Bu yapılanma nöreksin-1 α’ya iki menteşe bölgesine sahip L şeklini verir.

4. Lösin zengin tekrarlar (LRRs)

• 20-30 aminoasit uzunluğunda lösinden zengin dizi paternine sahip domainlerdir.

• Ardışık lösin tekrarlarının karakteristik amino ve karboksi uç motifleri bulunur.

• At nalı şeklinde katlanmış bir yapıya sahiptir.

• Stabilizasyonunda, yapısında bulunan lösin aminoasitlerinin hidrofobik etkileşimleri önemli rol oynar.

SİNAPTİK ADEZYON MOLEKÜLLERİ

I. NÖREKSİNLER

• İlk olarak α-latrotoksin için presinaptik reseptör olarak tanımlanmıştır

• Örümcek zehri olan alfa-latrotoksin çok yoğun sinaptik vezikül

ekzositozuna neden olur

Nöreksinler

• Presinaptik tip I membran proteinleridir.

• Büyük bir ekstraselüler kısım ve kısa bir

sitoplazmik kuyruk bölgesi içerirler.

Nöreksinler

• Omurgalılarda 3 adet nöreksin geni bulunur

– Nrx1, Nrx2 ve Nrx3

• Her bir gen biri uzun diğeri kısa olmak üzere iki izoform kodlar

– α-nöreksin ve β- nöreksin

• Pan-nöronal eksprese olurlar

α-Nöreksinler

• 6 adet LNS domaini

• Aralara serpiştirilmiş 3 adet EGF domaini

β-Nöreksinler

• Sadece 1 adet LNS domaini içerir

• Nöreksinin 6. LNS domainin özdeşidir

• Ekstraselüler bölgeyi kodlayan 5 korunmuş alternatif ayıklanma bölgesi mevcuttur.

• Çok sayıda potansiyel izoform

• Sitoplazmik domain PZD-domain bağlanma dizileri içerir

• CASK ve protein 4.1’e bağlanır

• Nöreksinler evrimsel olarak korunmuştur

• Omurgalılarda farklı nöreksin izoformları ve ayıklanma ürünleri değişken ekspresyon

gösterir

• «Recognition code»

Nöroliginler

• Nöreksin ligandları olarak tanımlanmış, tip I membran proteinleridir.

• Postsinaptik membranda yer alırlar.

• Omurgalılarda 4 farklı gen tarafından kodlanırlar

– NL1, NL2, NL3 ve NL4

• α ve β-nöreksinler tüm nöroligin tiplerine bağlanır.

• Belirli sinapslarda lokalizedir (Pan-nöronal ekspresyon yok)

– NL1: ekstatör sinapslar – NL2: inhibitör sinapslar – NL3: inhibitör sinapslar

– NL4: ekstatör ve inhibitör sinapslar

Nöroliginler

• Ekstraselüler bölgenin büyük bir kısmı esteraz- benzeri domain içerir.

• Bu domain dimer oluşturur.

• Kısa sitoplazmik kuyruk bölgesi PDZ-domain içerir

– PSD-95, diğer PDZ-içeren proteinler ve gephirin’e bağlanır

Nöreksin-Nöroligin bağlantısı

• Trans-sinaptik kompleks

• α- ve β-nöreksin aynı LNS domaini ile nöroliginle etkileşmekle birlikte beraber bağlanma özellikleri farklıdır.

• Farklı izoformların bağlanma afiniteleri değişkenlik gösterir.

• Nöreksin ve nöroliginlerin bağlanmaları alternatif ayıklanma ile sıkıca düzenlenir.

Hücre-temelli deneyler ile sinaps oluşumunun araştırılması

• Bir nöron, nöroligin eksprese eden bir non- nöronal hücre ile temas ettiğinde bu hücrede

presinaptik belirteçlerin membrana yönlenmesine neden olmaktadır.

• Bir nöron, nöreksin eksprese eden non-nöronal

hücre ile temas ettiğinde postsinaptik belirteçlerin membrana yönlenmesine neden olmaktadır.

• Nöroligin’in aşırı ekspresyonu

(overexpression):

Nöronal sinaps

yoğunluğunda dramatik bir artış

– Nöroligin-1: eksitatör – Nöroligin-2: inhibitör

• Transgenik farelerde nöroligin-1 aşırı

ekspresyonu: Sinaps yoğunluğunda artış.

• Nöroligin-1 delesyonu:

Sinaps yoğunluğunda değişiklik yok

α-Nöreksinler ve Nöroliginlerin yaşamsal işlevleri

Nöreksin KO fare çalışmaları

• Her 3 α -nöreksin için kombine KO:

• Letal

• NT salınmasında şiddetli bozulma

• Beyin kökü kesitlerinde ve kültüre edilen kortikal hücrelerde glutamaterjik sinaptik iletim tamamen ortadan kalkıyor

• Sinaps yoğunluğunda anlamlı bir azalma yok

• Postsinaptik NMDA reseptör işlevinde değişiklikler

• İkili α-nöreksin KO:

• Hayvanlar erişkin döneme ulaşıyor ancak inhibitör sinaps yoğunluğunda azalma var

• Eksitatör sinaps

yoğunluğunda değişme yok

– Tek alfa-nöreksin KO:

• Yaşayabiliyor

• Nöreksin-1α KO fareler:

Hipokampüste azalmış

eksitatör iletim ve davranış bozukluğu

• Tüm bu bilgi verici çalışmalara rağmen nöreksinlerin kesin fonksiyonları tam olarak anlaşılabilmiş değil

• Ca²⁺ kanalları ve NT salımından sorumlu diğer bileşenlerin presinaptik uca yönlendirilmesi

• Postsinaptik yapıların kurulumu

• Moleküler mekanizma ???

Nöroligin KO fare çalışmaları

• Üçlü NL-1, NL-2 ve NL-3 KO FARELER :

– Perinatal letalite – Sinaptik iletim yok – Nöreksinlere benzer

biçimde sinaps

yoğunluğunda belirgin bir değişiklik yok

• Sinaps yapısının organize edilmesi

• NL-1 KO fareler

– Eksitatör sinapsaların kuvveti azalıyor

– NMDA- / AMPA-reseptör aracılı yanıt oranında

azalma

• NL-2 KO fareler:

– İnhibitör sinaptik iletim azalıyor

Özet

• Nrxn ve Nlgn KO farelerde sinaps sayısında artma ya da azalma yok

• Sinaps fonksiyonu etkileniyor

• Sinapsın oluşmasında değil kurulum ve

fonksiyonda önemli

• Sinaptik aktivite

– N-kaderinin dendritik dikenlere yönelmesine – Postsinaptik yapıların lokalizasyonuna

– Gelişen ve olgun sinapslarda LTP sırasında meydana gelen yapısal değişimlerin stabilizasyonuna

neden olur.

• Sinaptik yarık boyunca etki göstererek presinaptik plastisiteyi de düzenler.

• Presinaptik N-kaderin adezyonunun azalması vezikül geri dönüşümünü etkiler

N-Kaderin

III. KADERİNLER

• Klasik kaderin molekülleri, yapısı en iyi bilinen hücre adezyon molekülleridir

• 5 adet ekstraselüler kaderin tekrar domaini içeririer

• Amino terminal EC1 domaini trans olarak adezyona aracılık eder.

N-Kaderin

• Beyinde bulunan klasik kaderin

• Homofilik etkileşim

• Sinapsların çevresinde lokalize

• Sinaps sayısını kontrol etmez ve sinaps oluşumunda rol oynamaz

• Sinaps gelişiminde düzenleyici bir rolü olduğu düşünülmekte

Sinapslarda diğer kaderin-ilişkili proteinler

• Drosophila: Flamingo (omurgalı homoloğu CELSR)

– Çok sayıda kaderin tekrarı içerir

– Hücre polaritesi ve sinaps spesifitesinde rol oynar

• Protokaderinler:

– Ɣ-protokaderinler

– Kısmen de olsa sinaptik

– Spinal kordaki internöronların postnatal canlılığı için gerekli

• Kalsinteninler:

– Fonksiyon?

IV. SynCAM proteinleri (Cadm / Nektin- benzeri moleküller)

• Sinaptik CAM

• Eksitatör sinaps sayısında artışı destekler

• 3 adet ekstraselüler Ig- domain, 1 adet

transmemran domain ve intraselüler FERM- ve PDZ-bağlanma motifleri

• Beyinde yüksek oranda eksprese olurlar

• Pre- ve postsinaptik bölgelerde lokalizedirler

SynCAM 1

• Gelişen nöronlarda, aksonal büyüme konilerinin yüzeyinde lokalizedir

• Büyüme konilerindeki «temas algılayıcısı (contact sensor)» na benzer biçimde akso-dendritik temas bölgelerinde hızlıca kararlı adezyon kompleksleri şeklinde yapılanır

• Bu bölgede sinaptik belirteçlerin toplanmasına neden olur

• Homo- ve heterofilik etkileşim gösterir

SynCAM1

• Transgenik fare modelleri

• Artmış SynCAM1 ekspresyonu: Fonksiyonel eksitatör sinaps sayısında artış

• Sinaptik yapının sürdürülmesi

• SynCAM1 kaybı

– Eksitatör sinaps sayısında azalma – İletimde azalma

– Sinaptik membran yapılarının kısa süreli varlığı

SynCAM1

• Olgun sinapslarda LTD’nin negatif düzenleyicisi

• Uzaysal öğrenmede etkili

• Nöronal ağların kurulması ve plastisitesinde önemli

– Göz-spesifik yanıtların adaptif değişiklikleri sırasında, görme

korteksinde alışılmadık ekspresyon değişikliklerinin gözlenmesi

– Yaralanmayı takiben spinal kord motor nöronlarında restrasyon sırasında yüksek oranda

ekspresyon değişikliğinin gözlenmesi

• SynCAM 2 ve SynCAM 3

– Benzer işlevler

V. LAR ailesinin Reseptör Fosfo-Tirozin Fosfatazları (RPTP)

• LAR (Leukocyte-associated receptor), RPTP-σ ve RPTP-δ

• Ekstraselüler domainleri 3 adet Ig-domain, 8 adet fibronektin tip III tekrarı içerir

• LAR-tip RPTPler hücre içi bağlanma partnerleri alfa liprin’e bağlanarak sinaps oluşumunda rol oynarlar

• Ekstraselüler olarak iki ligandı tanımlanmıştır

– Netrin-G ligandı

– Nörotrofin reseptörü TrkC

VI. Diğer Ig-domain proteinleri

• Contactin’ler

• NCAM/L1 ailesi

VII. LRR Proteinleri

• LRRTMler

• Netrin-G ligandları (NGLler)

• Sinaptik adezyon benzeri moleküller (SALMler a.k.a. Lrfn)

Netrin-G1 ve Netrin-G2 Ligandları

• Netrin G1 ve G2, Netrin izoformalarıdır

• Omurgalılara özgüdür

• Aksonal membrana GPI-çapası ile tutunurlar.

• NGL’ler netrin-G1’e bağlanabilmeleri nedeni ile tanımlanmış ve isimlendirilmişlerdir.

• LRRC4 olarak da bilinirler

• Omurgalılarda NGL1-3

• Tip I membran proteinleridirler

• Ekstraselüler LRR dizisi, 1 adet Ig-domain,

transmembran bölge ve PSD-95’e bağlanabilen kısa bir sitoplazmik kuyruk bölgesi içerirler

• Postsinaptik membranlara lokalizedir.

• NGL1 ve NGL2’nin presinaptik netrin-G1 ve netrin- G2’ye; NGL3’ün de LAR-tip RPTPlara bağlandığı

düşünülmektedir.

• Netrin-G2 veya NGL2 KO fareler: Hayatta kalabiliyor, fertil ve hafif davranış değişikliği gösteriyor

• Fonksiyon: Düzenleyici sinyalizasyon sistemi olarak işlev gördükleri düşünülüyor.

SALMler

• Omurgalılarda 5 adet SALM geni

• Tip I membran proteinleri

• Amino terminalinde LRR domaini, tek Ig-domain ve fibronektin III domain, transmembran bölge ve

sitoplazmik kuyruk bölgesi

• SALM-1 ve SALM-3: PSD95

SALMler

• Ekstraselüler bölgede SALM-4 ve -5 homofilik kompleksler oluştururlar

• SALM’lerin bir kısmı AMPA- ve/veya NMDA-tip glutamat reseptörleri ile etkileşime girebilir

• Nöronal gelişim ve nörit filizlenmesinde rol oynayabilecekleri düşünülmekte.

• Sinapslardaki kesin rolleri ?

Eksitaör Sinaps Gelişiminde Tirozin Kinaz Reseptör Sinyalizasyonu

• Klasik CAM’lerine ilave olarak transmembran reseptör tirozin kinazlarıjnda sinaps

gelişiminde rol oynadığı bilinmektedir.

Eph/Eph reseptörleri

• EphB reseptör tirozin kinazlar

– Ephrin ligandlarının bağlanması ile postsinaptik sinyal oluştururlar

• EphB1 ve B3 ikili delesyonu sinaps yoğunluğunda belirgin azalma ve dendritik dikenlerde morfolojik değişiklikler

• Hücre iskeletinin yeniden şekillendirilmesi üzerinden sinaptik fonksiyonu düzenlerler

• RhoA ve Rac gibi Rho ailesi GTPaz’lar üzerinden postsinaptik dendritik dikenlerde aktin hücre iskeletinde şekil değişikliğine neden olurlar

Trk Reseptörleri

• Nörotrofin

sinyalizasyonuna aracılık ederler

• Uygun sinaps sayısı ve ince yapılanması için gereklidirler

• Aktivite-bağımlı olarak sinapslarda yapısal ve işlevsel değişiklikleri düzenlerler

• İnsülin reseptörü

• ErbB reseptörleri

İlave Yüzey Etkileşimleri

• İntegrinler:

– Sinaps matürasyonu – Sinaps fizyolojisi

Trans-sinaptik etkileşimler klasik CAM’lerine sınırlı değildir.

• Pentraksinler

• Ekstraselüler olarak AMPA reseptörlerine bağlanarak eksitatör sinaps gelişimini düzenlerler.

ÖZET

Sinaps oluşumu:

• Sinapsların sınırlarını belirleyen ve sinaptik bileşenlerin karşılıklı gelmesini,

• Oluşmuş sinapsların olgunlaşmasını

sağlayacak mekanizmaların varlığını gerektirir.

Hücre adezyon molekülleri, sinyal iletim proteinleri

• Cevaplanmayı bekleyen sorular:

– Bu proteinler gerçekten in vivo ortamda da sinaps oluşumu için gerekli yönergeyi oluşturuyor mu?

– Bu trans-sinaptik etkileşimler aslında farklı moleküler etkileşimlerin kooperatif bir etkisi midir?

– Bu etkileşimler olgun bir sinapsta plastisiteyi ve sürdürülebilirliği nasıl etkiliyor?

– Bu moleküllerin işlevleri kesin olarak belirli midir? Yoksa bir sinapsın ömrü boyunca değişiyor olabilir mi?

– Bu proteinler hangi hücre içi sinyal iletim yollarını kullanmaktadır?

SİNAPTİK HÜCRE ADEZYONU VE BEYİN HASTALIKLARI

• Nörolojik

• Nörogelişimsel