Stożek wzrostu - Growth cone
Stożek wzrostu jest duża aktyny -supported przedłużenie rozwijającego lub regeneracji neurycie szuka jej synaptycznej cel. Ich istnienie pierwotnie zaproponował hiszpański histolog Santiago Ramón y Cajal na podstawie nieruchomych obrazów obserwowanych pod mikroskopem . Po raz pierwszy opisał stożek wzrostu oparty na utrwalonych komórkach jako „koncentrację protoplazmy o kształcie stożkowym, obdarzoną ruchami ameboidalnymi” (Cajal, 1890). Stożki wzrostu znajdują się na czubkach neurytach, albo dendryty i aksony , z komórki nerwowej . Wszystkie funkcje sensoryczne, motoryczne, integracyjne i adaptacyjne rosnących aksonów i dendrytów są zawarte w tej wyspecjalizowanej strukturze.
Struktura
Morfologię stożka wzrostu można łatwo opisać, posługując się dłonią jako analogią. Drobne rozszerzenia stożka wzrostu to spiczaste filopodia znane jako mikrokolce. Filopody są jak „palce” stożka wzrostu; zawierają wiązki włókien aktynowych (F-aktyny), które nadają im kształt i wsparcie. Filopodia są dominującymi strukturami w stożkach wzrostu i wyglądają jak wąskie cylindryczne rozszerzenia, które mogą wystawać kilka mikrometrów poza krawędź stożka wzrostu. Filopody są połączone błoną zawierającą receptory i cząsteczki adhezyjne komórek, które są ważne dla wzrostu i prowadzenia aksonów .
Pomiędzy filopodiami – podobnie jak tkanie rąk – znajdują się „ lamellipodia ”. Są to płaskie obszary gęstej siatki aktyny zamiast wiązek F-aktyny, jak w filopodiach. Często pojawiają się w sąsiedztwie wiodącej krawędzi stożka wzrostu i są umieszczone między dwoma filopodiami, nadając im wygląd „zasłony”. W szyszkach wzrostu nowe filopodia zwykle wyłaniają się z tych międzyfilopodialnych welonów.
Stożek wzrostu jest opisany w trzech regionach: domena obwodowa (P), domena przejściowa (T) i domena centralna (C). Domena obwodowa to cienki obszar otaczający zewnętrzną krawędź stożka wzrostu. Składa się głównie z cytoszkieletu opartego na aktynie i zawiera lamellipodia i filopodia, które są bardzo dynamiczne. Wiadomo jednak, że mikrotubule przejściowo wnikają w obszar peryferyjny w procesie zwanym niestabilnością dynamiczną. Domena centralna znajduje się w centrum stożka wzrostu najbliżej aksonu. Region ten składa się głównie z cytoszkieletu opartego na mikrotubulach, jest ogólnie grubszy i zawiera wiele organelli i pęcherzyków o różnej wielkości. Domena przejściowa to region znajdujący się w cienkim paśmie pomiędzy domeną centralną i peryferyjną.
Stożki wzrostu są wyspecjalizowane molekularnie, z transkryptomami i proteomami , które różnią się od tych z ciał macierzystych komórek. Istnieje wiele białek związanych z cytoszkieletem, które pełnią różne funkcje w stożku wzrostu, takie jak zakotwiczanie aktyny i mikrotubul ze sobą, z błoną i innymi składnikami cytoszkieletu. Niektóre z tych elementów obejmują silniki molekularne, które generują siłę w stożku wzrostu oraz pęcherzyki związane z błoną, które są transportowane do i ze stożka wzrostu przez mikrotubule. Niektóre przykłady białek związanych z cytoszkieletem to fascyna i filaminy ( wiązanie aktyny), talina (kotwiczenie aktyny), miozyna (transport pęcherzykowy) i mDia ( łączenie mikrotubuli z aktyną).
Rozgałęzienia i odrosty aksonów
Wysoce dynamiczny charakter szyszek wzrostu pozwala im reagować na otaczające środowisko poprzez szybką zmianę kierunku i rozgałęzienie w odpowiedzi na różne bodźce. Istnieją trzy etapy wyrastania aksonów, które określa się jako: występ, obrzęk i konsolidację. Podczas protruzji następuje szybkie rozszerzenie filopodiów i wyrostków blaszkowatych wzdłuż przedniej krawędzi stożka wzrostu. Obrzęk następuje, gdy filopodia przemieszczają się do bocznych krawędzi stożka wzrostu, a mikrotubule wnikają głębiej w stożek wzrostu, przynosząc pęcherzyki i organelle, takie jak mitochondria i retikulum endoplazmatyczne. Wreszcie, konsolidacja następuje, gdy F-aktyna w szyjce stożka wzrostu depolimeryzuje i filopodia cofają się. Membrana następnie kurczy się, tworząc cylindryczny wał aksonu wokół wiązki mikrotubul. Jedna forma rozgałęzień aksonów również występuje w tym samym procesie, z tym wyjątkiem, że stożek wzrostu „rozszczepia się” podczas fazy obrzmienia. Powoduje to bifurkację głównego aksonu. Dodatkową formą rozgałęzień aksonów jest tzw. rozgałęzienie zabezpieczające (lub śródmiąższowe). Rozgałęzienia boczne, w przeciwieństwie do bifurkacji aksonów, obejmują tworzenie nowej gałęzi z ustalonego trzonu aksonu i są niezależne od stożka wzrostu na wierzchołku rosnącego aksonu. W tym mechanizmie akson początkowo generuje filopodium lub lamellipodium, które po inwazji mikrotubul aksonalnych może następnie rozwinąć się dalej w gałąź rozciągającą się prostopadle od trzonu aksonu. Ugruntowane gałęzie poboczne, podobnie jak akson główny, wykazują stożek wzrostu i rozwijają się niezależnie od wierzchołka głównego aksonu.
Ogólnie rzecz biorąc, wydłużenie aksonów jest wynikiem procesu znanego jako wzrost wierzchołka. W tym procesie nowy materiał jest dodawany w stożku wzrostu, podczas gdy pozostała część cytoszkieletu aksonów pozostaje nieruchoma. Dzieje się to poprzez dwa procesy: dynamikę cytoszkieletu i napięcie mechaniczne. Dzięki dynamice cytoszkieletu mikrotubule polimeryzują w stożku wzrostu i dostarczają niezbędne składniki. Naprężenie mechaniczne występuje, gdy membrana jest rozciągana z powodu generowania siły przez silniki molekularne w stożku wzrostu i silnych adhezji do podłoża wzdłuż aksonu. Ogólnie rzecz biorąc, szybko rosnące szyszki wzrostu są małe i mają duży stopień rozciągania, podczas gdy wolno poruszające się lub zatrzymane szyszki wzrostu są bardzo duże i mają niski stopień rozciągania.
Stożki wzrostu są stale budowane poprzez budowę mikrofilamentów aktynowych i rozszerzenie błony plazmatycznej poprzez fuzję pęcherzyków . Filamenty aktynowe depolimeryzują i rozkładają się na proksymalnym końcu, aby umożliwić swobodnym monomerom migrację do wiodącej krawędzi (koniec dystalny) filamentu aktynowego, gdzie mogą polimeryzować, a tym samym ponownie łączyć. Filamenty aktynowe są również stale transportowane z dala od krawędzi natarcia w procesie napędzanym silnikiem miozyny, znanym jako wsteczny przepływ F-aktyny. Filamenty aktynowe są polimeryzowane w obszarze obwodowym, a następnie transportowane z powrotem do obszaru przejściowego, gdzie filamenty ulegają depolimeryzacji; w ten sposób uwalniając monomery, aby powtórzyć cykl. Różni się to od bieżni aktynowej, ponieważ porusza się całe białko. Gdyby białko miało po prostu bieżnię, monomery zdepolimeryzowałyby z jednego końca i polimeryzowałyby na drugim, podczas gdy samo białko nie poruszałoby się.
Zdolność wzrostu aksonów leży w mikrotubulach, które znajdują się tuż za włóknami aktynowymi. Mikrotubule mogą szybko polimeryzować i w ten sposób „sondować” bogaty w aktynę region peryferyjny stożka wzrostu. Kiedy tak się dzieje, polimeryzujące końce mikrotubul wchodzą w kontakt z miejscami adhezji F-aktyny, gdzie białka związane z końcówkami mikrotubul działają jako „ligandy”. Lamininy z błony podstawnej wchodzą w interakcję z integrynami stożka wzrostu w celu promowania ruch do przodu stożek wzrostu. Dodatkowo odrost aksonów jest również wspierany przez stabilizację proksymalnych końców mikrotubul, które stanowią strukturalne wsparcie dla aksonu.
Prowadzenie Akson
Ruch aksonów jest kontrolowany przez integrację ich funkcji czuciowej i motorycznej (opisanej powyżej), która jest ustalana za pomocą wtórnych przekaźników, takich jak wapń i cykliczne nukleotydy. Funkcja sensoryczna aksonów zależy od sygnałów z macierzy zewnątrzkomórkowej, które mogą być atrakcyjne lub odpychające, pomagając w ten sposób odprowadzić akson z pewnych ścieżek i przyciągnąć go do właściwych miejsc docelowych. Atrakcyjne wskazówki hamują wsteczny przepływ filamentów aktynowych i sprzyjają ich tworzeniu, podczas gdy odpychające wskazówki mają dokładnie odwrotny skutek. Białka stabilizujące aktynę są również zaangażowane i mają zasadnicze znaczenie dla ciągłego wysuwania filopodiów i lamellipodiów w obecności atrakcyjnych wskazówek, podczas gdy białka destabilizujące aktynę są zaangażowane w obecność odpychającej wskazówki.
Podobny proces dotyczy mikrotubul . W obecności atrakcyjnej wskazówki po jednej stronie stożka wzrostu, specyficzne mikrotubule są kierowane po tej stronie przez białka stabilizujące mikrotubule, co powoduje, że stożek wzrostu obraca się w kierunku pozytywnego bodźca. W przypadku bodźców odpychających sytuacja jest odwrotna: stabilizacja mikrotubul po przeciwnej stronie stożka wzrostu jest faworyzowana jako bodziec negatywny, który powoduje, że stożek wzrostu odwraca się od środka odstraszającego. Ten proces w połączeniu z procesami związanymi z aktyną skutkuje ogólnym ukierunkowanym wzrostem aksonu.
Receptory stożka wzrostu wykrywają obecność cząsteczek kierujących aksonami , takich jak netryna , szczelina, efryna i semaforyny . Niedawno wykazano, że determinanty losu komórek, takie jak Wnt lub Shh, mogą również działać jako wskazówki. Ta sama wskazówka naprowadzająca może działać jako atraktant lub repelent, w zależności od kontekstu. Doskonałym tego przykładem jest Netrin-1, która sygnalizuje przyciąganie przez receptor DCC i odpychanie przez receptor Unc-5. Ponadto odkryto, że te same cząsteczki biorą udział w kierowaniu wzrostem naczyń. Prowadzenie aksonów kieruje początkowym okablowaniem układu nerwowego i jest również ważne w regeneracji aksonów po urazie .