Sinapsların İnce Yapısına Genel Bakış

Sinapsların İnce Yapısına
Genel Bakış
Doç. Dr. Güvem Gümüş Akay
Ank. Üniv. Disiplinlerarası Sinirbilim Doktora Programı/
Sinapsların Moleküler Nörobiyolojisi
• Sinir hücreleri arasında bilgi transferinin yapısal
temeli ?
• 19.yy’ın sonları: Gümüş Boyama Tekniği
Sinaps
• Verrall, Sherrington
• Syn: together + Haptein: to clasp
• Nöronal / Retiküler teori
Sinapsların Mikroanatomisi
• Tip I / Asimetrik sinapslar/Eksitatör
• Tip II / Simetrik sinapslar/İnhibitör
http://synapses.clm.utexas.edu
Eksitatör sinapslar: Dentritler ve dendritik dikenler
İnhibitör sinapslar: Hücre gövdesi (soma) ve akson
başlangıç segmentleri
Nöropil
• Dendritler, aksonlar ve astroglial yapılar ince keçe gibi
gözenekli bir yapı (Nöropil) oluşturur.
• Sinaptik etkileşimlerin çoğu bu yapıda görülür.
• Hücre gövdesi sayı olarak azdır.
Sinaptik Nöropil’in
Organizasyonu
Dendritler
Aksonlar
Aksogliyal Yapılar
Presinaptik bileşenler
•
•
•
•
Aksonal butonlar
Aktif zon
Presinaptik veziküller
Diğer aksonal bileşenler
Aksonal Butonlar
• Hipokampal alan CA1, striatum radiatum’da
eksitatör aksospinöz sinapslar, ince ve
genellikle miyelinsiz aksonlar tarafından
oluşturulmuş tipik sinaps örneklerini oluşturur.
• Presinaptik aksonların büyük bir çoğunluğu
CA3 piramidal hücrelerden köken alır ve CA1
piramidal hücrelerin apikal dendritik dikenleri
ile sinaps yaparlar.
Aksonal Butonlar
• Herbir akson nöropil boyunca dokuma yapar
ve sinaps yapacağı bölgede nörotransmitter
yüklü vezikülleri içeren aksonal butonları
oluşturur.
Aksonal butonlar
• ~%75
• ~%21
• ~%4
Sadece bir sinaptik bağlantı
Çoklu sinaptik bağlantı (Multisinaptik)
Postsinaptik partneri yok
Olgun hipokampüste hızlı sinaptogenezin olduğu
koşullarda, postsinaptik partnerler mevcut aksonal butonlarla
sinaps oluştururlar.
Böylelikle de novo presinaptik aksonal buton
oluşturulmasına gerek kalmaksızın daha fazla multisinaptik
buton meydana gelir.
Multisinaptik butonların gelişim sürecindeki rolleri??
Aksonal butonlar
• Aksonların bir bölümü de beyin boyunca farklı
tipte sinaptik bağlantılar oluştururlar.
• Örn: Dentat girusun granül hürelerinin «mossy
fiber» aksonları çok geniş presinaptik butonlara
sahiptir ve CA3 piramidal hücrelerin proksimal
dendritlerindeki çok sayıda dendritik diken ile
sinaps yaparlar.
Aksonal butonlar
• Serebellar korteksteki aksonlar çok değişik tipte sinaps
oluştururlar.
• Serebellar granül hücreleri, çok sayıda purkinje hücresi
ile aksospinöz sinaps oluşturan tek bir paralel fiber
oluştururlar.
• Nucleus olivarius inferior’dan köken alan bir climbing
fiber sadece bir Purkinje hücresinin proksimal dentritik
şaftı boyunca çok sayıda aksonal buton oluşturur.
Aktif Zon
• Sinaptik veziküllerin membrana tutunduğu ve NT
salımının gerçekleştiği, özelleşmiş presinaptik
membran bölgesidir.
• PSD’nin hemen karşısında yer alır.
• EM’de elektronca yoğun bölgeler olarak gözlenir.
Aktif Zon
• Aktif zonla ilişkili olarak presinaptik yapıya
dahil olan sitoplazmik «yoğun
projeksiyonlar» bulunmaktadır.
• Fonksiyon ?
• Bazı sinapslarda bu yapılar özellelmiş
«sinaptik şerit» oluştururlar.
• Veziküllerin membrana tutunması ve NT
salınmasında rol oynadıkları
düşünülmektedir.
Aktif Zon
• Doku kültürlerinde kriyoelektron tomografi tekniği ile
gerçekleştirilen çalışmalar, aktif zonda var olan
kompleks filament ağ yapısının NT salınması sırasına
boyutsal değişikliğe uğradığını göstermiştir.
• AZ’un vezikül mobilizasyonu ve salınmasındaki rolünü
desteklemektedir.
Aksonal Butonlardaki Veziküller
• Eksitatör sinapslardaki presinaptik butonlar
«glutamat» ile yüklü, ~35 nm çapında, berrak (clear)
veziküller içerir.
• Aksonal buton boyunca dağılmış veziküller, anatomik
olarak presinaptik membrana tutunmuş veziküllerden
farklı olarak «stok» havuzu oluştururlar.
Aksonal Butonlardaki Veziküller
• NT, sinaptik yarığa demirlemiş veziküllerden
salınır.
• Presinaptik membrana demirlemiş veziküller,
fiksasyon işlemi sırasında bir miktar NT’nin hali
hazırda salınmış olmasından dolayı, diğer
veziküllerden daha küçük gözlenirler.
• NT salınımından sonra veziküler membran klatrinaracılı endositoz veya toptan (bulk) endositoz ile
geri dönüştürülür.
Aksonal Butonlardaki Veziküller
• Presinaptik butonlar çeşitli şekil, büyüklük ve
içeriğe sahip veziküller de içerebilir.
• Bazı eksitatör glutamaterjik sinapslar, tipik sinaptik
veziküllere ilave olarak daha büyük (> 60nm)
berrak veziküller de içerebilmektedir.
Aksonal Butonlardaki Veziküller
• Berrak veziküllere ilave olarak bazı glutamaterjik
aksonal butonlar «yoğun kor vezikülleri» içerirler
(~80 nm, DCV)
• CA1’deki olgun sinapsların %20’sinde mevcuttur.
• Yeni AZ bölgelerinin oluşturulması için lokal
kaynaklardır.
• Hızlı sinaptogenezin gözlendiği presinaptik
aksonal butonlarda sayılarının azalması bu
durumu desteklemketdir.
Aksonal Butonlardaki Veziküller
• İnhibitör presinaptik butonlar yuvarlak, basık ve nispeten daha küçük
veziküller içerirler.
• Simetrik sinapslardaki veziküller çoğunlukla GABA veya glisin ihtiva ederler.
• En sıklıkla nöronal hücre gövdesinde ve proksimal dendritik şaftlar boyunca
yer alırlar.
• Aynı zamanda dendritler boyunca eksitatör sinapslar arasına da
serpiştirilmişlerdir.
– Örn: Striatum radiatumun CA1 bölgesindeki sinapsaların yaklaşık %510’u inhibitör sinapslardır.
• Bazen akson hillockta da bulunabilir. Bu durumda özellikle daha güçlü bir
inhibitör etki söz konusu olabilmektedir.
• Bazı beyin bölgelerinde dendritik dikenlerin boyun bölgelerinde de
inhibitör sinapslar bulunmaktadır.
Diğer Aksonal Bileşenler
• Mikrotübüller
• Motor proteinleri: Dinein ve
kinezin
• Mitokondri
• Düz endoplazmik retikulum
• Mikrotübüller, Akson boyunca belirgindirler
• Sinaptik butonun merkezinde genellikle
bulunmazlar (Ca aracılı NT kontrolü, Ca aracılı
mikrotübül depolimerizasyonu)
• Mitokondriler, akson boyunca ve aksonal
butonlarda heterojen dağılım gösterir.
• Hipokampal CA1’deki aksonal butonların
yaklaşık %41’i mitokondri içerir
• Aksine bazı büyük aksonal butonlar çok sayıda
mitokondri içerir
Aktif Zon’un moleküler anatomisi
• Yüksek çözünürlüklü ışık mikroskobisi
• İmmuno-EM
• Peroksidaz temelli enzimatik amplifikasyon
Aktif Zon’un moleküler anatomisi
• Sitomatriks proteinleri: Bassoon ve Picolo
• Voltaj-, ligand- ve Ca- kapılı kanallar
Sinaptik Yarık
• Presinaptik akson ve postsinaptik dendrit
arasında bulunan ve yaklaşık 20 nm
genişliğindeki “boşluk”
• Elektronca yoğun materyal
– Standart ECM proteinleri
– Özelleşmiş sinaptik proteinler
• Pentraksinler, Narp ve NP1
Hücre Adezyon Molekülleri
•
•
•
•
•
•
•
İntegrinler
Nöroligin/Nöreksinler
Efrin /Efrin reseptörleri
N-CAM
Nectin
Kaderinler ve protokaderinler
CASK
Postsinaptik Dendritik Dikenler
•
•
•
•
Lolipop
Short, stubby
Mushroom shaped
Filopodia-like
Postsinaptik Dendritik Dikenler
• Boyutları çok değişkendir.
– Farklı beyin bölgelerinde, hatta bir dendrit boyunca
PostSinaptik Dansite
• Asimetrik sinapslarda postsinaptik plazma
membranının hemen altında yer alan, 3550 nm kalınlığında, belirsiz-elektronca
yoğun bölge
• Küçük sinapsların yüzeyi genel olarak
düzenli yapı göstermekle birlikte yer yer
peforasyonlar gözlenir
PostSinaptik Dansite
• Tam olarak AZ’nun karşısında yer alır:
Doğrudan trans-sinaptik etkileşimin
göstergesi
• Presinaptik ve postsinaptik yapıların
kalınlığı aynı beyin bölgesindeki eksitatör
ve inhibitör sinapslarda bile büyük
varyasyon gösterir.
PostSinaptik Dansite
• PSD’nin yüzey alanı diken baş hacmi ve AZ’na
demirlemiş toplam presinaptik vezikül sayısı
ile neredeyse mükemmel bir korelasyon
gösterir.
PostSinaptik Dansite
• Moleküler kütlesi yaklaşık 1 gigadalton
– 100 kDa büyüklüğündeki proteinden yaklaşık 10.000 kopya
Peng J et al. J. Biol. Chem. 2004;279:21003-21011
PSD proteinleri
~2000
Cold Spring Harb Perspect Biol 2011;3:a005678
PSD proteinleri
~460
Cold Spring Harb Perspect Biol 2011;3:a005678
PSD’nin moleküler anatomisi
• Reseptörler
• İskele proteinleri
• Sinyal iletim kompleksleri
Postsinaptik Yapıda Bulunan Diğer
Bileşenler
• Dopamin ve 5-HT
reseptörleri
• Nikotinik asetil kolin
reseptörleri
• EphA reseptörleri
• Voltaj bağımlı K kanalları
– KV1, KV3, KV4, Kir1, HCN, BK,
TASK alttipleri
• Glutamat taşıyıcıları, Ca
değiştirici NCX1
• Sinyal iletim ve motorilişkili proteinler
• Aktin, miyozin
• Aktin bağlanma
proteinleri
– Kortaktin, Profilin, Drebrin,
Arp2/3
İnhibitör Postsinaptik Membranların
Moleküler Anatomisi
• GABAA reseptörleri
– Sayısı, inhibitör postsinaptik akımın şiddeti ile yakından
ilişkili
• GABAB reseptörleri
– Postsinaptik, presinaptik ne sinaptik olmayan
lokalizasyon
İnhibitör Postsinaptik Membranların
Moleküler Anatomisi
• Belirgin bir PSD yoktur.
• Az sayıda intraselüler protein içerir.
• Gefirin, Profilin, GRIP izoformları
Dendritler ve Dendritik Dikenlerde
Düz Endoplazmik Retikulum
• Serebellumdaki dendrtik dikenlerin neredeyse tamamı DER
içerir ve DER hacmi ile diken hacmi koreledir.
• Hipokampüsteki dendritik dikenlerin <%15’i DER içerir
(genellikle en geniş olanlar).
Diken Aparatı
• Diken aparatı (Spine
apparatus=SA)
• Ca düzenlenmesi
• Protein sentezi
• Post-translasyonel
modifikasyonlar
Diken Aparatı
• Tabakalar şeklinde dizilmiş SER’den oluşur.
• SER’ler arasında aktin-bağlanma proteini
snaptopodin bulunur.
• Snaptopodin KO fare hipokampüsünde SA yok,
Sinaptik plastisite eskiliği
• Giantin: Hücre gövdesinde golgi kompleksi aracılı
veziküler trafik
Dendritler ve Dendritik Dikenlerde
Poliribozomlar
• Ribozomlar dendritlerde lokal translasyon için gereklidir ve
dendritik dikenlerin bir grubunda bulunurlar.
• Ribozomlar, 3 veya daha fazla sayıda bir araya gelerek
poliribozomlar oluştururlar.
Dendritler ve Dendritik Dikenlerde
Poliribozomlar
• CaM-KIIα, PSD95 gibi sitoplazmik proteinleri
sentezleyen poliribozomlar LTP-indükleyici
uyarandan sonra dikenlerde daha yoğun
gözlenirler.
• Diken aparatının yakınında da bulunabilirler.
• Homojen dağılım göstermezler
Dendritler ve Dendritik Dikenlerde
Endozomal Kompartmanlar
• Endositoz-ilişkili proteinler
– AP-2, klatrin, dinamin
• Ekzositoz-ilişkili protein
– Sintaksin
• Dinamik olarak düzenlenir
• Diken genişlemesinde lokal olarak yeni membran
kaynağı sağlarlar.
Spinüller Aracılığıyla Trans-Endozitoz
• Sinaptik haberleşmede klasik mekanizmalara ilave
olarak nöronlar arası sinyal iletimin de başka bir
yol da söz konusudur.
– Plazma membranının spinüller yolu ile transendositozu
• Spinüller, presinaptik aksonların postsinaptik
dendritik dikenleri içine doğru alması, yutması
(çoğunlukla PSD’nin perfore olduğu bölgelerden)
• Komşu aksonun, sinaptik dikenin sinaptik olmayan
plazma membranını yutması