Inligting

Wat is sinaptiese klaring?

Wat is sinaptiese klaring?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Verduidelik asseblief wat die term is sinaptiese klaring beteken. Byvoorbeeld, wat sou die sinaptiese klaring van dopamien wees? Dit is vir my belangrik in die konteks van dopamien seinvariasie as gevolg van die verskil in sinaptiese opruimingsvlak.

Sommige geenallele word geassosieer met groter sinaptiese opruiming in dopamienweë. Dit het vroeër die dopamienvlakvariasie verduidelik en 'n paar aktiwiteite in die breinarea (byvoorbeeld Nucleus Accumbens) tussen mense met verskillende genotipes. Vir meer inligting, kyk byvoorbeeld. Verlaagde sinaptiese opruiming wat verband hou met groter dopamien seine. So ek was geïnteresseerd in hierdie term uit vooruitsig van breinaktiwiteit in gebiede met dopamienreseptore


"Sinaptiese klaring" verwys na die skoonmaak van 'n neurotransmitter uit 'n sinaptiese spleet. 'n Sinaps is 'n plek waar een neuron 'n ander neuron kan stimuleer. Die klein gaping tussen die neurone word die sinaptiese spleet genoem. Die presynaptiese (stimulerende) neuron stel 'n neurotransmitter (soos dopamien) in die spleet vry en sommige van die neurotransmitter word herken deur reseptore in die membraan van die postsynaptiese (gestimuleerde) neuron. Ten einde die sinaps die postsinaptiese neuron 'n tweede keer te stimuleer, moet die konsentrasie van die neurotransmitter in die spleet tot sy oorspronklike vlakke verminder word. Hierdie vermindering word opruiming genoem en kan op verskillende maniere voorkom (hoofsaaklik afhanklik van die tipe neurotransmitter). Die neurotransmitter kan na die presynaptiese neuron vervoer word vir hergebruik; dit word heropname genoem. Die neurotransmitter kan ook afgebreek word (chemies afgebreek) in 'n onaktiewe vorm. In 'n mindere mate kan neurotransmitter ook deur astrocyte geabsorbeer word of eenvoudig uit die spleet versprei word.


Dit beteken wat dit sê: opruiming van neurotransmitters uit die sinaptiese spleet. In die geval van DA word dit deur DA -vervoerders bemiddel. Hulle is daar om die reaksie van DA te verkort en die sinaps gereed te maak vir nog 'n seinsiklus. Dit regenereer ook DA as die vervoeraars in die presynaptiese neuron geleë is.

Verwysing
Ciliax, J. Neurosci (1995); 75(3): 1714-23


Pleiotropiese Mitochondria: Die Invloed van Mitochondria op Neuronale Ontwikkeling en Siektes

Mitochondria speel baie belangrike biologiese rolle, insluitend ATP -produksie, lipiedbiogenese, ROS -regulering en kalsiumopruiming. In neurone is die mitochondrie 'n noodsaaklike organel vir metabolisme en kalsiumhomeostase. Boonop is mitochondria uiters dinamies en kan hulle verdeel, saamsmelt en beweeg langs mikrotubuluspore om hul verspreiding na die neuronale periferie te verseker. Mitochondriale disfunksie en veranderde mitochondriale dinamika word in 'n wye reeks toestande waargeneem, van verswakte neuronale ontwikkeling tot verskeie neurodegeneratiewe siektes. Nuwe beeldingstegnieke en genetiese instrumente bied ongekende toegang tot die fisiologiese rolle van mitochondria deur mitochondriale handel, morfologiese dinamika, ATP -generasie en ultrastruktuur te visualiseer. Onlangse studies wat hierdie nuwe tegnieke gebruik het, het die invloed van mitochondria op axonvertakking, sinaptiese funksie, kalsiumregulering met die ER, glial -selfunksie, neurogenese en neuronale herstel onthul. Hierdie oorsig gee 'n oorsig van die deurslaggewende rolle wat mitochondria in die SSS speel in fisiologiese en patofisiologiese toestande.

Sleutelwoorde: energie mitochondria neurodegeneratiewe siekte neuronale ontwikkeling sinaptiese funksie.

Kopiereg © 2019 die skrywers.

Syfers

Mitochondria speel 'n belangrike rol in ...

Mitochondria speel 'n sleutelrol in energiemetabolisme en Ca 2+ regulering in verskillende ...

Neuronale mitochondria buffer Ca 2+…

Neuronale mitochondria buffer Ca 2+ en genereer ATP by die presynaps en in ...


Sinaptiese disfunksie in neurodegeneratiewe en neuro-ontwikkelingsiektes: 'n oorsig van geïnduseerde pluripotente stamsel-gebaseerde siektemodelle

Sinaptiese disfunksie by SSS -afwykings is die gevolg van versteurings in die fisiologiese sinapsstruktuur en funksie, en kan óf die oorsaak óf die gevolg wees van spesifieke patologieë. Akkumulerende data op die gebied van neuropsigiatriese afwykings, insluitend outismespektrumafwykings, skisofrenie en bipolêre versteuring, dui op 'n neuro -ontwikkelende oorsprong van hierdie patologieë. As gevolg van 'n relatief vroeë aanvang van gedrags- en kognitiewe simptome, word algemeen erken dat geestesongesteldheid op die sinapsvlak begin. Aan die ander kant is sinaptiese disfunksie beskou as 'n eindpuntvoorval in neurodegeneratiewe siektes, soos Alzheimer's, Parkinson's en Huntington's, hoofsaaklik as gevolg van die aansienlik latere aanvang van kliniese simptome en progressiewe voorkoms van kognitiewe tekorte. Hierdie tweespalt is onlangs uitgedaag, veral sedert die ontdekking van selherprogrammeringstegnologieë en die generering van geïnduseerde pluripotente stamselle uit pasiënt-somatiese selle. Die skep van 'siekte-in-'n-skottel'-modelle vir veelvuldige SSS-patologieë het onverwagte ooreenkomste aan die lig gebring in die molekulêre en sellulêre meganismes wat in beide ontwikkelings- en degeneratiewe toestande werk, waarvan die meeste op sinapsvlak ontmoet. In hierdie oorsig bespreek ons ​​sinaptiese disfunksie in prototipe neuro-ontwikkelings- en neurodegeneratiewe siektes, met die klem op oorvleuelende kenmerke van sinaptopatie wat voorgestel is deur studies wat geïnduseerde pluripotente stamsel-gebaseerde stelsels gebruik. Hierdie waardevolle siektemodelle het 'n moontlike neuro -ontwikkelingskomponent in klassieke neurodegeneratiewe siektes beklemtoon wat die moeite werd is om te ondersoek en verder te ondersoek. Die oorgang van demonstrasie van korrelasie na begrip van meganistiese kousaliteit vorm die basis vir die ontwikkeling van nuwe terapieë.

1. Inleiding

Sentrale senuweestelsel (SNS) versteurings is 'n groep siektes met 'n beduidende sosio-ekonomiese impak en groeiende relevansie as gevolg van die toename in lewensverwagting van die wêreldbevolking. Aangesien slegs simptomatiese of palliatiewe terapieë tans beskikbaar is vir die meeste van hierdie siektes, is die ontwikkeling van innoverende terapeutiese strategieë 'n onvermoë behoefte. SSS versteurings, wat tradisioneel gedichotomiseer is tussen vroeë-aanvang neuro-ontwikkeling en laat-aanvang neurodegeneratiewe siektes, word geassosieer met disfunksie van neuronale aktiwiteit as gevolg van versteurings op die sinaps vlak [1]. Hulle kan dus gesamentlik as siektes van die sinaps of sinaptopatie beskou word. Sinaptiese defekte word oorsaaklik geassosieer met vroeë verskynende neurologiese siektes, insluitend outismespektrumafwykings (ASD), skisofrenie (SCZ) en bipolêre versteuring (BP). Aan die ander kant, in laat-aanvang degeneratiewe patologieë, soos Alzheimer se (AD), Parkinson se (PD) en Huntington se (HD) siektes, word sinaptopatie beskou as die onvermydelike eindresultaat van 'n voortdurende patofisiologiese kaskade. Dit was egter 'n uitdaging om die aanvang en bydrae van sinaptiese disfunksie by neurologiese afwykings te verstaan ​​as gevolg van (i) beperkte en gewoonlik laat stadium toegang tot menslike weefsel, en (ii) onvoldoende herhaling van die belangrikste kenmerke van die menslike siektes in bestaande eksperimentele dieremodelle . Onlangse vooruitgang in selherprogrammeringstegnologieë wat die generering van menslike-geïnduseerde pluripotente stamselle (hiPSCs) [2] moontlik maak uit somatiese selle van pasiënte met 'n verskeidenheid van siektes, het nuwe perspektiewe geopen vir die bestudering van die patogenese van SSS-afwykings. Die vestiging van robuuste protokolle om die differensiasie van hiPSC's in verskeie neuronale seltipes te rig, het siekte-in-'n-skottel-modellering en ontleding van die fenotipiese kenmerke van talle SSS-patologieë moontlik gemaak. Meer onlangs het die ontwikkeling van driedimensionele (3D) organoïede kulture nuwe moontlikhede geskep om die voorkoms en vordering van siektes in die naaste aan die menslike brein [3] te bestudeer. As gevolg van hierdie revolusionêre tegnologieë, is dit nou moontlik om lig te werp op sellulêre en molekulêre meganismes onderliggend aan neuronale disfunksie in pasiëntselle en mettertyd die opkoms van fenotipes van siektes te volg, veral dié wat vroeg verskyn.

In hierdie oorsig bespreek ons ​​bevindinge van hiPSC-gebaseerde sellulêre modelle van neuro-ontwikkelende neuropsigiatriese versteurings, insluitend ASD en SCZ, en van neurodegeneratiewe siektes, met die fokus op HD en PD. Ons bied bewyse aan wat sinaptopatie ondersteun as 'n sentrale kenmerk van hierdie patologieë en die interessante hipotese verhoog dat defekte in sinaptiese funksie 'n vroeë en moontlik snellerende gebeurtenis in die patogenese van nie net neuro -ontwikkelings maar ook neurodegeneratiewe siektes kan veroorsaak nie. Die eksperimentele uitdagings en beperkings van die gebruik van hiPSC-gebaseerde modelle vir die begrip van sinaptiese disfunksie in neurologiese siektes word ook oorweeg, tesame met die potensiaal om hierdie beduidende nadele te oorkom om 'n dieper begrip van siektemeganismes te verkry en effektiewe terapeutiese strategieë te ontwikkel.

2. Strukturele en molekulêre oorsig van 'een gesonde sinaps'

Die sinaps bestaan ​​uit die belangrikste inligtingoordrageenheid in die senuweestelsel, en behoorlike breinfunksie is afhanklik van die akkurate vestiging van sinaptiese kontakte tydens ontwikkeling. Aangesien 'n aantal mutasies in sinaptiese proteïene aan neuro-ontwikkelingsafwykings [4] gekoppel is en verswakte funksie op verskeie plekke van die sinaps 'n dominante kenmerk van neurodegeneratiewe siektes uitmaak [5], is dit belangrik om hier 'n kort oorsig van sinaptogenese en sinaps te gee. organisasie in die gesonde senuweestelsel, en identifiseer sleutelmolekules wat hierdie prosesse orkestreer.

SSS sinapse is intersellulêre aansluitings tussen neurone wat aksiepotensiaal-gekodeerde inligting oordra [6]. Hulle is grootliks verdeel in elektries, wat direkte oordrag van gelaaide ione en klein molekules moontlik maak deur porieë wat as gapingsaansluitings bekend staan, en chemiese, wat elektriese aktiwiteit eenrigting van een neuron na 'n ander oordra via chemiese bemiddelaars, die neurotransmitters [7]. Afhangende van die aard van hierdie molekules, word sinapse verder onderverdeel in prikkelend en inhiberend, met glutamatergiese en GABAergiese sinapse wat onderskeidelik die dominante bronne van opwinding en inhibisie in die hele soogdierbrein is (figuur 1). Eksiterende sinapse is hoofsaaklik geleë aan die punt van klein dendritiese uitsteeksels, die dendritiese stekels, terwyl inhiberende sinapse op die skag van dendriete of op selliggame en akson-aanvangssegmente gevorm word [8]. Ten spyte van duidelike morfologie, funksie en molekulêre samestelling, bestaan ​​die algehele organisasie van die sinaps uit 'n presynaptiese terminaal vol neurotransmitterbevattende vesikels, perfek langs die postsynaptiese kompartement, versier met 'n verskeidenheid oppervlakreseptore wat reageer op die vrystelling van neurotransmitter. Die twee kompartemente word bymekaar gehou deur sinaptiese sel adhesie molekules [9-11].

Figuur 1. Skematiese diagram wat die molekulêre organisasie van opwindende en inhiberende sinapse uitbeeld. Die opwindende neurotransmitter glutamaat word vrygestel van presinaptiese neurone en bind aan glutamaatreseptore NMDA en AMPA wat in postsinaptiese dendritiese stekels geleë is. Inhiberende neurotransmitters (gamma -aminosmørsuur GABA of glisien) word vrygestel uit presynaptiese neurone en bind aan GABAA en glisienreseptore gegroepeer deur gefirien, die bekendste inhiberende PSD-proteïen. Sinaps-organiserende adhesiemolekules sluit neureksiene en neuroligiene, cadheriene, SLITRKs en ander in.

Die presynaptiese terminaal word vroeg gevorm tydens ontwikkeling wanneer die navigasie -akson na verre teikengebiede projekteer, en in die teenwoordigheid van gepaste seine verander die ongedifferensieerde gedeelte van die aksoplasma na 'n gespesialiseerde gebied van gegroepeerde sinaptiese vesikels (SV's) [6,9 ]. Ondanks klein verskille tussen organismes en sinaps tipe, deel alle presinaptiese terminale 'n identiese struktuur. Mikroskopies word die membraangebied waar SV's saamgevoeg word om geëksociteer te word, gesien as 'n elektron digte verdikking wat aangewys word as die presynaptiese aktiewe sone. Hierdie area vorm 'n intrinsieke deel van die sinaptiese vesikel vrystelling masjinerie waar dok en priming van sinaptiese vesikels plaasvind, gevolg deur werwing van Ca 2+ kanale om vinnige sinchroniese opwekking/vrystelling koppeling moontlik te maak. Die molekulêre samestelling van die aktiewe sone is omvattend ontleed [12] en die aantal proteïene wat met die pre-sinaptiese terminaal geassosieer word, is aansienlik hoër as wat verwag is, met ongeveer 450 proteïene wat tot dusver geïdentifiseer is [6,13-15]. Afgesien van die hoogs bewaarde proteïenkompleks van Rab3-interaksiemolekules (RIMs), RIM-bindende proteïene, α-liprien, Munc13 en ELKS, wat in die aktiewe sone verryk is, sluit ander pre-sinaptiese molekules piccolo en fagot, sinapsien, sinaptofisien in , synaptogyrin en SV2, komponente van die SNARE-kompleks, soos VAMP2/synaptobrevin, klein GTPases, neurotransmittervervoerders soos vGLUT1 en VGAT, kanaalproteïene soos protonpompe, kalsiumsensors en aksonale handelsproteïene soos kinesiene en dyneïene. Sinapsvorming word op verskillende maniere geïnisieer wanneer aksone en dendriete in die nabyheid in wisselwerking sal tree deur die uitbreiding van dendritiese filopodia of die aksonale takke, insluitend die groeikegel [16]. In die konvensionele sinaptogenese model word die presinaptiese materiaal op 'n oorerflike wyse gewerf en gegroepeer op plekke van aksodendritiese kontak, maar volledige differensiasie van 'n stabiele presinaptiese terminaal vereis kontak met 'n post-sinaptiese vennoot en is afhanklik van sinaptogeniese leidrade wat óf trans- sinaptiese of oplosbare sinaptiese molekules.

Die trans-sinaptiese adhesiemolekules organiseer die sinaptiese aansluitings wat die sinaptiese spleet oorbrug. Eerder as net 'n gaping, is hierdie area 'n proteïenryke omgewing wat aanvanklik geïdentifiseer is as 'n elektrondigte materiaal in die ekstrasellulêre ruimte [17]. Ons weet nou dat hierdie gebied uitgebreide oorbruggingsfibrille het wat aan intra-membraan deeltjies sowel as fibrilagtige strukture geanker is, parallel met die sinaptiese membrane [18,19]. Insig in die molekulêre identiteit van die sinaptiese gesplete komplekse het geïdentifiseer dat hulle rol nie net is om die voor- en post-sinaptiese kompartement fisies te verbind nie, maar ook om bemiddelings- en seinprosesse te bemiddel wat noodsaaklik is vir die vestiging, spesifikasie en plastisiteit van sinapse. Sulke sinaps-organiserende adhesiemolekules sluit in neurexiene en neuroligiene, kadheriene, integriene, Ig-domein proteïene SynCAM's, reseptorfosfotyrosien kinases en fosfatases soos efriene en Rho GTPases, en leucienryke herhalings (LRRTM's) proteïene soos SLIT's, SALM's en netrins [ 11,20,21]. Dit lyk asof spesifieke hechtingsproteïene funksionele pre-sinaptiese vrystellingsplekke veroorsaak, terwyl ander post-sinaptiese spesialisasies aktiveer, maar hierdie proses hang grootliks af van die sinaps tipe en is nie goed gekenmerk nie [22].

Teenoor die pre-sinaptiese sone is die post-sinaptiese kant van die sinaps (PSD), 'n skyfagtige struktuur wat gespesialiseer is om die neurotransmitter sein wat deur die presynaptiese terminaal vrygestel word, te ontvang en om te skakel in elektriese en biochemiese veranderinge in die post-sinaptiese sel [23]. Die kardinale funksionele komponente van post-sinaptiese spesialisasie in opwindende of inhiberende sinapse is die ionotropiese reseptore (ligand-omheinde kanale) vir onderskeidelik glutamaat en γ-aminobottersuur (GABA). Hierdie reseptorkanale is by die post-sinaptiese membraan gekonsentreer en is ingebed in 'n digte en ryk proteïennetwerk wat bestaan ​​uit anker- en steiermolekules, seinensieme, sitoskeletale komponente, sowel as ander membraanproteïene. Tot dusver is meer as 400 proteïenkomponente tot op hede beskryf [10].

Die prikkelende en inhiberende sinapse verskil aansienlik in morfologie, samestelling en organisasie. As gevolg van sy groot oorvloed en kenmerkende struktuur, is die glutamatergiese sinaps bemiddel deur NMDA en AMPA glutamaat reseptore die meeste bestudeer [23]. Soos met die sinaptiese spleet, het die post-sinaptiese kant 'n treffende argitektuur in drie dimensies, waar die subtipes glutamaatreseptore 'n kenmerkende verspreiding het, met AMPAR's verryk in die ekstrasinaptiese membraan en NMDAR's wat na die middel [24] gevind word. Hierdie kompartementalisering word vergemaklik deur die membraangeassosieerde guanylaatkinase-steierproteïene (MAGUK), getipeer deur PSD-95 in die meeste volwasse sinapse. Ander MAGUK -proteïene sluit in Shank3, Homer1α en GKAP2, wat saam met die glutamaatreseptore 'superkomplekse' vorm wat as sade dien vir verdere strukture wat verryk is in die baie volop CamKIIa en CamKIIb kinases [22]. Die post-sinaptiese kant van GABAergic is minder dig as die glutamaterge, wat dui op 'n baie minder uitgebreide spesialisasie [25]. Die belangrikste reseptore wat geïdentifiseer is, is GABAA en glisienreseptore gegroepeer deur gefirien, die bekendste inhiberende PSD-proteïen [26]. Ontleding van die inhiberende en opwindende PSD toon 'n molekulêre oorvleueling, maar unieke komponente moet nog geïdentifiseer word om stroombaanbedrading en -funksie te verstaan, sowel as kognitiewe versteurings.

Die vestiging van stabiele funksionele sinaps sluit drie hoofstadia in: die aanvanklike sinapsvestiging by kontak van 'n akson met 'n teikensel, organisering van sinapskomponente om die kanoniese sinapse masjinerie te konstrueer en, laastens, die spesifikasie van sinapseienskappe om die unieke eienskappe vir enige gegewe sinaps. Dit is 'n multi-stap proses wat georkestreer word deur talle molekules wat op 'n hoogs beheerde wyse in ruimte en tyd optree [27], vind plaas tydens ontwikkeling en in die volwasse brein, en is 'n dinamiese, aktiwiteit-afhanklike proses wat die balans tussen opwindende reguleer en remmende seine in neurale stroombane [28].

3. Sinaptopatie: 'n gemene deler van neurologiese siektes

Sinapse funksioneer as ensembles in gedefinieerde neurale netwerke om die vlak van neuronale aktiwiteit te bepaal, wat van kritieke belang is vir leer, geheue en gedrag, daarom is dit nie verbasend dat sinaptiese versteurings nadelige gevolge kan hê nie. Sinaptiese disfunksie is die gevolg van veranderinge in sel-intrinsieke molekulêre meganismes of van veranderinge in biochemiese prosesse wat in die omliggende omgewing plaasvind [29].

'N Vroeë of laat sinaptiese disfunksie is 'n gemene deler van 'n aantal siektes, gesamentlik sinaptopies genoem [5,29]. Hierdie toenemend gewilde term poog om baie uiteenlopende patologieë onder dieselfde sambreel te bring. Dit sluit neurodegeneratiewe siektes in, soos PD-, HD-, AD- en prionpatologieë, gekenmerk deur progressiewe verlies aan neurale weefsel wat gepaard gaan met 'n stadige afname in kognitiewe en gedragsfunksie. Dit word grootliks toegeskryf aan die stadige ophoping van proteïenaggregate in neurone wat in samestelling kan verskil afhangende van die patologie, maar het soortgelyke nadelige gevolge vir neuronale integriteit [30].Patologiese spesies van spesifieke 'kenmerk-van-siekte'-proteïene soos alfa-synuclein (αSyn) in PD [31], Tau in AD [32] en Huntingtin (HTT) in HD [33] versamel en mislokaliseer in siek neurone. Dit lei tot proteostase -wanbalans wat die sinaptiese terminale samestelling, organisasie en funksie van grootliks beïnvloed deur verskillende meganismes, insluitend die sintese en opruiming van proteïene, elders in detail beskryf [34–37]. Die korrelasie tussen patologiese proteïenaggregasie en neuronale disfunksie dien as basis vir die ontwikkeling van anti-aggregasieverbindings wat belowende resultate in prekliniese studies getoon het [37–39].

Neuro -ontwikkelingsversteurings, insluitend ASD, intellektuele gestremdheid (ID) en SCZ, gekenmerk deur abnormale gedrags- of kognitiewe fenotipes in utero of tydens die vroeë postnatale lewe, is dit ook geassosieer met sinaptiese defekte, hoofsaaklik as gevolg van die oorwig van penetrantmutasies wat verband hou met sinaptiese struktuur en funksie [40] en dendritiese ruggraatveranderinge in nadoodse weefsel [41].

Bewyse vir sinaptiese disfunksie in neurologiese siektes het grootliks staatgemaak op drie tradisionele benaderings: genetiese studies in pasiënte, ontleding van nadoodse siek weefsel en diermodelle. Die genetiese studies het hoë oorerflikheid en risiko binne-familie vir 'n aantal neuro-ontwikkelings- en degeneratiewe afwykings bevestig. Genoomvolgordebepaling het 'n groot aantal siekte-geassosieerde risiko-lokusse geïdentifiseer, en komplementêre transkriptomiese analise het die assessering van funksionele gevolge van sommige van hierdie genetiese variante aangehelp, maar hulle kan nie antwoorde verskaf wat verband hou met primêre of sekondêre siektefenotipes nie. Op 'n soortgelyke wyse onthul die sellulêre en molekulêre analise van siekte-relevante nadoodse weefsel belangrike leidrade vir die vordering van die siekte en die eindpunteienskappe, maar nie vir vroeë of aanvangsgebeurtenisse nie, wat veranderinge in kringvorming en funksie tydens pre-natale stadiums kan insluit van ontwikkeling. Die volgende beste hulpmiddel wat beskikbaar is, diermodelle, kon nie noemenswaardige voorspellende geldigheid vir geneesmiddelontdekking toon nie. Dit kan te wyte wees aan hul onvermoë om unieke menslike funksies na te boots, en daarom die belangrikste manifestasies wat 'n spesifieke versteuring kenmerk, weer te gee. Veral by neurologiese siektes was die modellering van kognitiewe disfunksie en psigiatriese gedrag uitdagend, met beperkte sukses [42]. Ten spyte van die bydrae van hierdie benaderings om te verstaan ​​dat sinaptopatie die kern van baie neurologiese siektes lê, bly die onderskeid tussen primêre en sekondêre sinaptiese fenotipes en hoe dit uiteindelik lei tot spesifieke neurologiese simptome onbekend. Terselfdertyd word die disregulering van algemene sellulêre paaie tussen neuropsigiatriese toestande en neurodegeneratiewe afwykings wat laat begin, oor die hoof gesien as gevolg van die baie verskillende aard van hierdie patologieë en die tyd van kliniese aanvang.

Namate ons egter 'n dieper insig kry in die fundamentele meganismes van neurogenese, sinapsvorming, instandhouding en plastisiteit, en nuwe stelsels en gereedskap ontwikkel vir die bestudering van vroeë patogeniese gebeurtenisse vir neurologiese siektes wat laat verskyn, word die klassieke lyne van tweeledigheid vervaag en 'n opkomende prentjie dui op meer komplekse en waarskynlik oorvleuelende meganismes van sinaptiese disfunksie.

4. Ondersoek sinaptiese disfunksie in hiPSC-gebaseerde modelle van neurologiese afwykings

Alhoewel kliniese simptome van neurologiese siektes in die kinderjare, vroeë volwassenheid of laat volwassenheid kan voorkom, bly die tyd van die aanvang van die patologiese kaskades 'n swart boks en is daar bewyse om neuronale stroomstoornisse tydens vroeë neuronale ontwikkeling te ondersteun, ondanks latere manifestasie van kliniese simptome. Om hierdie kritieke patologiese gebeure in die ontwikkelende menslike brein of in die vroeë kinderjare te ondersoek, was ondenkbaar tot die onlangse era van selherprogrammeringstegnologieë en vooruitgang in organogenese.

4.1. Pluripotente stamselle deur mense veroorsaak: herprogrammering en differensiasie

Menslike geïnduseerde pluripotente stamselle het soortgelyke selfvernuwing en pluripotensie-eienskappe as menslike embrionale stamselle, maar is afgelei van volwasse somatiese selle, soos velfibroblaste, keratinosiete, tandpulp of bloed [43], en is dus sonder toeganklikheid en etiese kwessies. . Herprogrammering van somatiese selle word bewerkstellig deur gedwonge uitdrukking van sleutelpluripotensiegene soos OCT4, SOX2, c-MYC en KLF4 in somatiese selle, waar hulle 'n selfregulerende lus inisieer wat volwasse selle na 'n embrioniese toestand omskakel en pluripotensie handhaaf [ 2]. Die wyse van geenlewering wissel van virale transduksie tot virusvrye stelsels en die gelyktydige bekendstelling van klein molekules wat herprogrammeringsdoeltreffendheid verhoog [44]. Die proses is hoogs spesifiek, behels die aktivering van ontwikkelingsprogramme, is grootliks ondoeltreffend en word beïnvloed deur baie faktore, insluitend sel siklus reguleerders en bio -energie [43].

Differensiasie van hiPSC in neuronale selle word bereik met neurale induksie bemiddel deur spesifieke morfogenetiese faktore wat normaalweg in die ontwikkelende menslike brein uitgedruk word [45,46]. Die merkwaardige kenmerk van hierdie differensiasieproses in vitro is dat dit in 'n groot mate menslike breinontwikkeling naboots. hiPSC's is daarop gemik om 'n neuroektodermale lot te verkry waar induksie van 'n streeks neuroepiteelfenotipe bewerkstellig word deur spesifieke patroonfaktore wat op hul beurt die uitdrukking van meester-regulerende transkripsiefaktore aanspoor, kenmerkend vir die gewenste tipe neurale stamvaderselle (NPC's). Hierdie stamvader kan uitgebrei en gestoor word, wat 'n waardevolle bron vir eksperimentering is. Siekte-relevante hiPSC-gebaseerde stelsels word verkry deur begeleide differensiasie van hierdie NPC's, gewoonlik na neurale seltipes wat met die siekte van belang geassosieer word. Hierdie proses staan ​​bekend as 'eenlaag -differensiasie', en was suksesvol in die opwekking van verskillende neuronale subtipes, waaronder kortikale eksitatoriese projeksie neurone [45] en remmende interneurone [47], hippokampale korrel neurone [48], dopaminerge neurone [49] en striatale medium stekelige neurone [50], en het baie nuttig geblyk in 'n menigte studies om neurologiese siektes te modelleer wat hieronder in detail bespreek sal word.

4.2. Funksionele karakterisering van hiPSC-afgeleide neurone

Variasies in 2D -kultuurprotokolle is ontwikkel en het suksesvol gelei tot 'n vinnige, meer as 95% doeltreffendheid van neuronale differensiasie met gelyktydige opwekking van hoogs verrykte neuronale subpopulasies. By die modellering van sinaptopate is die uitdaging egter om neurone met funksionele eienskappe te produseer [51]. Tans is daar geen enkele 'goue standaard' om sinaptiese disfunksie in hiPSC-afgeleide neurone te bepaal nie en afdoende inligting kan slegs verkry word deur morfologiese, molekulêre en elektrofisiologiese instrumente te kombineer om die uitdrukking van sinaps-geassosieerde molekules, vorming van sinaptiese kontakte, elektrofisiologiese eienskappe te ontleed. soos spanning-binne- en uitwaartse strome, afvuur van aksiepotensiale (AP) in reaksie op huidige inspuiting, reaksies op glutamaat en GABA en spontane sinaptiese aktiwiteit [51,52]. Die meerderheid van hiPSC-gebaseerde studies beskryf die teenwoordigheid van funksioneel volwasse neurone in verskillende stadiums tydens die differensiasieproses, maar meestal bevat dit opnames van individuele neurone sonder om probleme met neuronale verbindings aan te spreek. Aangesien sinaptopatie voortspruit uit neuronale kommunikasiedefekte, is dit noodsaaklik om die algehele funksionaliteit van die 2D-kultuurkringe te assesseer. Nuwe streekspesifieke differensiasieprotokolle [53], geforseerde uitdrukking van transkripsiefaktore soos Neurogenin2 [54], generering van nuwe mediaformulerings [55], outomatiese herprogrammering [56] en insluiting van menslike glialeltipes [57,58] wat ondersteun sinaptiese ontwikkeling en snoei [44] fasiliteer die vorming van hoër-orde neurale netwerke in vitro wat stadiums en aktiwiteitspatrone van die onderskeie ontwikkelende streke weerspieël in vivo.

'N Goeie voorbeeld van so 'n benadering word deur Kirwan aangebied et al. [59], wat 'n uitgebreide karakterisering van funksionele ontwikkeling van kortikale neuronale samestellings uitgevoer het in vitro verryk in astrasiete. Met behulp van kalsiumbeelding om die opsporing van neuronale aktiwiteit oor die hele kultuur en by enkelsel-resolusie moontlik te maak, het kortikale neurone met verloop van tyd stadig volwasse geword met dieselfde stereotipe orde wat in die serebrale korteks voorkom. in vivo, soos getoon deur die vlak van sinchronisiteit, inter-burst intervalle en frekwensie. Dit het gepaard gegaan met 'n geleidelike morfologiese rypwording van opwindende dendritiese stekels en uitdrukking van neurotransmitterreseptore wat dui op volwasse sinapse. 'N Belangrikste bevinding is dat die gebruik van enkel-neuron trans-sinaptiese opsporing van pseudotipiese hondsdolheidvirus 'n groot aantal neurone met min verbindings en 'n klein aantal hoogs gekoppelde selle getoon het volgens dieselfde verbindingspatroon van die ontwikkeling van kortikale neurone. Die manipulering van spesifieke seltipes binne stroombane is ook baie insiggewend oor die sinaptiese aktiwiteit van hiPSC-afgeleide neurone. Optogenetiese stimulasie van gasheerknaagselle onthul 'n onvolwasse fenotipe van geënt hiPSC-afgeleide mDA-neurone wat dui op beperkte funksionele sinaptiese verbindings [60,61]. Die gebruik van sensors om neurale aktiwiteit voor te stel in vitro is tans nie algemeen van toepassing nie, aangesien die meeste 2D -stelsels staatmaak op verrykte enkele neuronale subtipes, wat gewoonlik die tipe wat in die spesifieke neurologiese afwyking geraak word, verteenwoordig. Soos mikrofluïdiese stelsels egter ontwikkel om hersamestelling van neuronale netwerke op skyfies [62] moontlik te maak, sal fluoresserende sensors waardevol wees om sinaptiese aktiwiteit in hiPSC-afgeleide neuronale netwerke te manipuleer.

Elektrofisiologiese volwassenheid van neurone is sterk gekorreleer met die uitdrukking van transkripsies wat verband hou met AP-vuur, kanale, sinaptiese reseptore, sinaptiese stabiliseerders en 'n aantal sinaptiese aktiwiteit-afhanklike gene. RNA-Seq ontledings van hele netwerke of van individuele neurone verskaf handtekeninge wat verband hou met die neuronale tipe en rypwordingstoestand. Opwindende insette tot hiPSC-afgeleide neurone het menslike onmiddellike vroeë gene op 'n afstammingsspesifieke manier veroorsaak, aangesien die sinaptiese aktiwiteit-geïnduseerde geenprogramme hoogs verryk is vir gene wat betrokke is by aandaggebreks-/hiperaktiwiteitsversteuring, episodiese geheuevorming en langtermyngeheue [63]. Dit dui daarop dat die hiPSC-afgeleide neurone geenontwikkelingsprosesse wat met hoër kognitiewe funksies geassosieer word op 'n hoogs bewaarde wyse aktiveer, en genetiese verskille wat tot verskeie neurologiese siektes kan lei en 'n impak op sinaptiese aktiwiteit-afhanklike transkripsie kan hê, kan relevante fenotipes tot gevolg hê. in vitro. Ter ondersteuning van hierdie benadering het 'n onlangse studie getoon dat aktiwiteitsafhanklike veranderinge in geenuitdrukking van SZC-neurone na depolarisasie met kaliumchloried [64] grootliks verswak is.

Gesamentlik toon hierdie benaderings duidelik dat hiPSC-afgeleide neurone in staat is om funksionele sinapse te vorm en aan stroombane deel te neem ten spyte van die feit dat hulle nie volwasse neuron-eienskappe in kultuur bereik nie. Die fetale aard van hiPSC-afgeleide neurale selle moet egter in ag geneem word, veral wanneer gepoog word om siektes wat laat begin, na te boots [65]. Microarray geenuitdrukkingsprofiele van hiPSC-voorhersien NPC's en 6-week neuronale kulture het die meeste ooreenkoms met fetale breinweefsel in die eerste trimester [66]. Hierdie studie het 'n merkwaardige ooreenkoms getoon in die kortikale en subkortikale voorbrein transkriptome identiteit, maar ook 'n aanhoudende fetale agtige fenotipe, ongeag die rypwordingstadium van die kultuur. Alternatiewe benaderings om neurone te genereer deur direkte omskakeling van somatiese selle om rypwording te versnel deur genetiese kenmerke van veroudering [44] te behou of deur sellulêre veroudering te veroorsaak deur die ektopiese uitdrukking van geenprodukte [67] of byvoeging van stresmiddels [68,69] aangewend om die kwessie van neuronale rypwording te omseil, maar bewyse ontbreek nog ver agter om 'n molekulêre en funksionele ooreenkoms van hierdie selle met volwasse neurone te ondersteun. Dit is ook onbekend of sellulêre rypwording en veroudering verskillende gebeurtenisse is, en of en hoe inmenging met die een proses die ander kan beïnvloed en 'ware' siekteverwante fenotipes kan veroorsaak.

Vir neuro-ontwikkelingsstoornisse kan die gebruik van fetale neurone vir die modellering van siektes beskou word as 'n geleentheid om die hipotese dat sinaptiese vorming en vestiging tydens die vroegste stadiums van ontwikkeling geraak word, te bevestig. In die geval van neurodegeneratiewe siektes bly die gebruik van hierdie stelsels om 'ware sellulêre fenotipes' te openbaar 'n beduidende kontroversie op die gebied. Aan die een kant het 'n aansienlike aantal studies daarin geslaag om gebreke in sinaptiese konnektiwiteit, elektrofisiologiese opnames en sinaptiese transkriptome aan PD [70,71], AD [72] en HD [73] te koppel, maar data kom hoofsaaklik met behulp van hiPSC-afgeleide stelsels van familiale gevalle as gevolg van dominante mutasies eerder as sporadiese gevalle wat later in die lewe voorkom. Aan die ander kant kan die feit dat siekteverwante veranderinge reeds in fetale agtige neurone uitgebeeld kan word, daarop dui dat sinaptopatie vroeg begin, lank voordat kliniese simptome verskyn en opgehoopte netwerkfoute verantwoordelik is vir die fenotipes wat later verskyn.

Nog 'n groot nadeel van die 2D neuronale kulture is dat hulle nie die sito-argitektuur van breinweefsel het nie, en studies wat neuronale konnektiwiteitsdefekte ondersoek, kan beïnvloed word deur variasies in sel-sel-kontakte en interaksies as gevolg van kweektoestande. Beperkte studies met behulp van hiPSC-afgeleide gliale selle het 'n sentrale rol in Down se sindroom [74] en SZC-patologie [75] aan die lig gebring, en dit kan wees dat die teenwoordigheid van veelvuldige SSS-seltipes nodig sal wees om meer getroue fenotipes van siekte te herkapituleer. So 'n benadering was van groot belang om die kritieke rol van astrocyte in die ontwikkeling van neuronale patologie in amyotrofiese laterale sklerose (ALS) te ontbloot. In 'n pionierstudie [76] het die ondersoekers mens-gebaseerde astrosiet-neuron-ko-kulture gebruik om aan te toon dat astrocyte kritieke komponente in motoriese neuron degenerasie is, maar meer werk in verskillende siektemodelle is nodig om die bydrae van die verskillende SSS-seltipes te waardeer in neuronale patologie.

4.3. 3D hiPSC-gebaseerde stelsels wat neurologiese siektes modellering

Meer onlangs is driedimensionele hiPSC-gebaseerde kultuursisteme (tabel 1), die sogenaamde organoïede, gebruik om sel-selinteraksies te bestudeer in 'n konteks wat menslike ontwikkeling en fisiologie nader naboots [88]. Dit lyk asof hiPSC-afgeleide organoïede die brein se 3D-sito-argitektoniese rangskikking van die brein herkapituleer, en sodoende nuwe geleenthede bied om patogenese van siektes te ondersoek wanneer dit uit pasiëntselle verkry word. Organoïede kan streekspesifiek wees, in welke geval hul generasie gelei word deur ekstrinsieke morfogenes en patroonvormende groeifaktore, wat voorhers [84], kortikale [77], middelbrein [78] of hipotalamiese strukture [82] oplewer. Alternatiewelik kan organoïede selforganiserende entiteite wees, met hul samestelling wat staatmaak op intrinsieke meganismes van selforganisasie [3,88]. Of dit nou streekspesifiek of selforganiserend is, organoïede bestaan ​​uit veelvuldige neurale en gliale identiteite en het die potensiaal om 'n anatomies relevante mensespesifieke ruimtelike organisasie weer te gee met meer komplekse sito-argitektuur, sinaptiese verbindings, sel-sel en ekstracellulêre matriksinteraksies.

Tabel 1. Modellering van neuro-ontwikkeling en neurologiese siektes met behulp van 3D-gebaseerde iPSC-stelsels (organoïede).

Die aansienlike evolusionêre toename in grootte en kompleksiteit van die menslike brein in vergelyking met ander soogdiersoorte, veral kortikale uitbreiding, word toegeskryf aan 'n groter aantal en langdurige proliferatiewe potensiaal van neurale stamvader selle tydens ontwikkeling. Aangesien hiPSC-afgeleide kortikale organoïede ooreenstem met menslike middel-fetale ontwikkeling, verteenwoordig hulle geskikte modelle vir die ondersoek van veranderinge in individue met neuro-ontwikkelingsafwykings [89]. Organoïede is gebruik in die studie van lissencefalie, 'n genetiese neurologiese versteuring wat verband hou met verstandelike gestremdheid en onoplosbare epilepsie, en het fenotipes van neuro-ontwikkelingsiektes en 'n mitotiese defek in die buitenste radiale glia geopenbaar, 'n seltipe wat veral belangrik is vir menslike kortikale ontwikkeling [90] . Net so is menslike voorhoornorganoïede gebruik om aangebore mikrocefalie [80] of mikrocefalie te bestudeer as gevolg van die Zika -virusinfeksie van neurale voorloper selle [83], en meer onlangs ASD [81]. Soos blyk uit die bogenoemde paradigmas, is 3D -organoïde modellering van neuro -ontwikkelingsiektes nog in die kinderskoene, terwyl vooruitgang in 3D -modellering van neurodegeneratiewe siektes nog nie baie agter is nie [85,87].

Alhoewel die 3D -kulture die ideale stelsel is om die vorming en aktiwiteit van neuronale netwerke te bestudeer, bied slegs twee gepubliseerde studies relevante en diepgaande inligting. Gedetailleerde elektrofisiologiese ontledings van middelbreinagtige organoïed-afgeleide skywe onthul AP's, spontane prikkelende en inhiberende postsinaptiese strome en opwindende post-sinaptiese potensiale met groot amplitude wat dui op deelname van dopaminerge neurone aan netwerkaktiwiteit [78]. In kombinasie met die uitdrukking van funksionele DA -reseptore, ondersteun die outeurs die moontlike nut van hierdie stelsels om die mate van sinaptiese bekwaamheid en verbindings te evalueer, maar dit bly steeds om die stelsel te valideer met behulp van hiPSC -lyne van PD -pasiënte. Interessant genoeg is daar onlangs 'n menslike 3D-brein mikrofisiologiese stelsel ontwikkel [79] wat bestaan ​​uit gedifferensieerde volwasse neurone en gliaalselle, beide astrocyte en oligodendrocyte, wat neuronale-gliale interaksies weergee en spontane elektriese aktiwiteit vertoon, gemeet deur multi-elektrode-skikking (MEA), 'n aanduiding van die algehele neuronale funksionaliteit van die stelsel.

Aangesien die 3D -stelsels nog in die vroeë ontwikkelingsfases is, word verwag dat komplementêre gebruik van nuwe tegnologieë soos 3D -druktegnologieë [82] die skaalbaarheid en reproduceerbaarheid van 3D -stelsels sal verbeter, wat hierdie benadering nog aantrekliker maak vir die bestudering van siektepatogenese en die ontdekking van nuwe middels.

5. hiPSC-gebaseerde modelle van neuro-ontwikkelingsiektes

Sedert die koms van die selherprogrammeringstegnologie, is 'n beduidende aantal hiPSC -lyne gegenereer vir verskillende neuro -ontwikkelingsstoornisse, waaronder monogene afwykings soos Rett -sindroom, brose X -sindroom en Timothy -sindroom, en die meer komplekse patologieë van ASD en SCZ [91] (tabel 2).

Tabel 2. Lys van verslae oor modellering van ASD en SCZ met behulp van 2D menslike iPSC-gebaseerde stelsels.

In hierdie afdeling bespreek ons ​​studies wat bewys lewer van sinaptiese disfunksie, hetsy as gevolg van afwykende neurogenese of as 'n mislukking van sinapsonderhoud en rypwording. Ondanks die verskillende afwykings, die verskillende hiPSC -oorsprong in dieselfde siekte, die verskillende differensiasieprotokolle, kultuurstelsels en eksperimentele benaderings, kom 'n paar algemene temas na vore uit hierdie studies.'N Aantal gene wat vroeë neuronale ontwikkeling en nuut geïdentifiseerde fenotipes in vroeë stamvaders beïnvloed, dui daarop dat gedeelde meganismes moet begin by die aanvang van hierdie siektes. Ten slotte, vir ASD en SCZ, wat komplekse genetika het met meer as honderd siekte-risiko-allele, wat elkeen beskeie gevolge het, is die feit dat hiPSC's en hul afgeleide differensiasieprodukte presies dieselfde genetiese samestelling as die pasiënt het, wat onmoontlik is repliseer in eksperimentele dieremodelle, beklemtoon weereens die krag van hierdie modelle.

5.1. Outisme spektrum versteurings

Outismespektrumstoornisse (ASD) is prototipe neuro -ontwikkelingspatologieë wat Fragile X -sindroom (FXS), Rett -sindroom (RTT) en William se sindroom insluit. Daar word beraam dat ASD ongeveer 1 uit 70 kinders affekteer wat vroeë aanvangsimptome toon wat deur die lewe voortduur en beduidende gestremdhede in sosiale, kommunikatiewe, kognitiewe en gedragsfunksionering veroorsaak [104]. ASD -individue openbaar beperkende herhalende en stereotipiese gedrag en belange, en het dikwels aanvalle en intellektuele gestremdheid. Die etiologie is nog onduidelik met beide genetiese en omgewingsfaktore wat betrokke is by OSV-patogenese. Genoomwye assosiasiestudies (GWAS) het 'n groot aantal mutasies en/of polimorfismes in gene wat kodeer vir proteïene ontdek wat transkripsionele beheer beïnvloed, chromatienhervorming, proteïensintese, sellulêre metabolisme, ontwikkeling en funksie van sinapse [105]. 'N Konsekwente kenmerk in neurone van hierdie pasiënte is 'n abnormale dendritiese struktuur en veranderinge in die morfologie van die ruggraat [106-108]. Hierdie gebreke is ook waargeneem in muismodelle vir ID en ASD [109,110]. Daar is getoon dat die meeste van die ID / ASD-verwante proteïene noodsaaklike rolle speel wat dendritiese ruggraatstruktuur en -getal beïnvloed, wat uiteindelik lei tot veranderde neuronale konnektiwiteit [111]. Ongeveer 600 genetiese variasies (SFARI-databasis) beïnvloed sinaptiese gene [112] en die wanbalans tussen opwekking en inhibisie in neokortikale gebiede is 'n sleutelkenmerk onderliggend aan ASD-patogenese. Veelvuldige seldsame genetiese variante in sinaptiese proteïene impliseer gebreke in sinaptiese kleefpaaie [113]. Ander ASD-geassosieerde gene is betrokke by die aktiwiteitsafhanklike eliminasie van sinapse, 'n proses wat die plastiek van neuronale stroombane regdeur die lewe definieer. Deur gebruik te maak van heeleksoomvolgordebepaling om 15 480 DNA-monsters te ontleed, 'n aantal skaars De novo enkele nukleotiedvariante (SNV's) in ASD is geïdentifiseer in gene waarvan die proteïenprodukte betrokke is by sinaptogenese en dendritiese morfogenese, insluitend die natriumkanaal SCN2A, E3 Ubiquitin ligases, miR-137 en verskeie PSD-geassosieerde proteïene [114]. Gebaseer op hierdie genetiese profiele en aanvullende diergebaseerde studies, blyk dit dat ASD-patologie direk voortspruit uit defekte in sinapsorganiserende molekules.

As u in gedagte hou dat ASD-kenmerke ten tye van breinontwikkeling verskyn wanneer sensoriese ervaring opwindende sinaps-rypwording of eliminasie verander en inhiberende sinapse bevorder, is dit nie verbasend nie - alhoewel dit steeds merkwaardig is - dat ASD hiPSC-afgeleide neurone verminderde sinaptiese konnektiwiteit toon in vitro, Morfologies onvolwasse sinapse en verminderde neuronale aktiwiteit soos gedemonstreer deur laer spontane en opgewekte post-sinaptiese strome [108]. Die eerste studie om 'n hiPSC -model vir ASD te ontwikkel, was gebaseer op 'n geval van RTT, 'n sindroom tipe ASD wat gekoppel is aan 'n mutasie in die MECP -geen op X -chromosoom [92]. Neurone vertoon verminderde dendritiese ruggraatdigtheid, veranderde elektrofisiologiese eienskappe, kleiner somagrootte, veranderinge in Ca 2+ -invloei en minder sinapse, wat gedeeltelik gered kan word deur insuliengroeifaktor 1 (IGF1). In 'n latere studie met behulp van hiPSC's van ASD -pasiënte met SHANK3 -verwyderings [93], wat ook met ID en SCZ geassosieer word, het afgeleide neurone groot gebreke in prikkelende, maar nie inhiberende sinaptiese oordrag nie. In hierdie studie beklemtoon die skrywers dat hul bevindinge aansienlik verskil het van die fenotipe wat in 'n relevante muismodel waargeneem is en beklemtoon die belangrikheid van die gebruik van nader-aan-mens modelle om siektepatogenese te verstaan.

Interessant genoeg is 'n aantal mutasies wat met outisme geassosieer word, geleë in gene wat proteïene kodeer wat betrokke is by die proses van aanvang en voortplanting van elektriese seine, insluitend kalsiumkanale [115]. Spesifiek, mutasies in die CACNA1C -geen veroorsaak 'n abnormale funksie van hierdie kalsiumkanaal en word geassosieer met BP, SCZ en 'n ander sindroom van ASD, Timothy sindroom (TS). hiPSC-afgeleide neurone van TS-pasiënte het dendritiese terugtrekking [98] aangebied en 'n soortgelyke waarneming is gemaak in hiPSC-afgeleide neurone wat 'n mutasie in 'n ander Ca 2+ kanaal, die Cav1.2 [99] dra. Alhoewel inligting uit nie-sindromiese gevalle van ASD moeiliker is om weer te gee en te bevestig, ondersteun hierdie studies ten sterkste dat die kern van ASD-patologie by die sinaps lê. 'N Individu wat 'n De novo oorerflike genetiese variasie in die TRPC6 -geen, wat 'n belangrike proteïen wat neuronale funksie beheer [100], kodeer, is gebruik om mutante neurone af te lei wat 'n aansienlike vermindering in aksonale lengte en dendritiese arborisasie toon, wat ook gedeeltelik verbeter is deur IGF1 -behandeling, verder onderliggend aan die belangrikheid van gebruik van sindromiese gevalle van ASD om belangrike weë vir outisme te openbaar.

In 'n ander ASD-sindroomtipe, FXS, wat die mees algemene tipe geërfde ID bly, het neurone afgelei van hiPSC's van geaffekteerde individue afwykende neurale differensiasie en verswakte neuritiese inisiasie en uitgroei getoon met ooreenstemmende veranderde geenuitdrukking van transkripsies wat verband hou met sinaptiese struktuur en aktiwiteit [94 , 95]. Deur gebruik te maak van hiPSC-afgeleide neurone met 'n gekorrigeerde weergawe van hierdie genetiese area (deur geenkomplementering), het hierdie studie bevestig dat die FXS-fenotipe te wyte is aan 'n uitbreiding van CGG-herhalings in die 5′ UTR van die FMR1-geen op die X-chromosoom. FXS-neurone het ook veranderinge in die pre- en post-sinaptiese proteïenvlakke vertoon, insluitend SHANK3, en gebrekkige Ca 2+ -invloei [95,116]. Twee onlangse studies [96,97] het RNA-Seq gebruik om transkripsionele wanregulering in FXS-hiPSCs tydens neuronale differensiasie te identifiseer en het 'n duidelike afwykende neurogene profiel getoon in gene wat verband hou met ontwikkelingssein (WNT- en BMP-weg), adhesie (Cadherins, SLITRKs) en rypwording, terwyl 'n groot aantal geïdentifiseerde gene verband hou met ASD (FXS-kandidaatgene in vergelyking met die saamgestelde lys ASD-geassosieerde gene van SFARI). Oor die algemeen lewer die FXS-gebaseerde studies sterk bewyse vir sinaptiese disfunksie as gevolg van neuro-ontwikkelingsvertraging.

Alhoewel die genetiese argitektuur van ASD hoogs kompleks is en nuwe variante voortdurend geïdentifiseer word wat wag om as oorsaaklik in hiPSC-modelle vasgestel te word, dui die data wat tot dusver ingesamel is duidelik beide abnormale neurogenese en sinaptogenese aan, wat lei tot gebrekkige neuronale netwerke (tabel 2). Bykomende bewyse vir afwykende neurogenese in ASD het gekom van die gedetailleerde molekulêre en strukturele karakterisering van hiPSC-afgeleide organoïede van idiopatiese ASD-pasiënte met geen bekende onderliggende genomiese mutasie nie. Transkriptomiese en morfometriese sellulêre ontledings het 'n versnelde selsiklus van stamvader selle en 'n oorproduksie van GABAergiese remmende neurone aan die lig gebring wat veroorsaak word deur verhoogde FOXG1 geenuitdrukking [81]. In teenstelling met vorige bevindings wat dui op 'n tekort aan sinaptiese verbindings by ASD-individue wat funksionele mutasies in sinaptiese adhesiemolekules dra (SHANK, NLGN, NRXN), het transkriptomiese analise van pasiënt-afgeleide organoïede opregulering van mRNA's geopenbaar vir die sinaptiese adhesiemolekules NLGN1, NRXN1 , NRXN2 en NRXN3, en uitbundige sinaptiese ontwikkeling. Dit is in lyn met 'n wins-van-funksie mutasie in NLGN3 gevind in ASD pasiënte wat getoon is om 'n toename in GABAergiese sinaptiese sein [117-119] te verleen. Dit blyk dus dat die balans, eerder as die absolute getalle, van glutamaat (eksitatoriese) en GABAegric (inhibitiewe) neurone belangrik is vir 'n behoorlike funksionele uitkoms [81].

5.2. Skisofrenie

Sinaptiese disfunksie is ook geïdentifiseer as die kern van SCZ -patologie. SCZ is 'n ernstige neuropsigiatriese versteuring wat ongeveer 1% van die bevolking wêreldwyd affekteer. Geaffekteerde persone manifesteer positief (dwalings en hallusinasies) en negatiewe simptome (gebrek aan lus en afgestomp effek) vergesel van bui, kognitiewe en motoriese disfunksie [120].

Gesinsstudies toon dat SCZ oorwegend 'n genetiese afwyking is met ongeveer 80% van die oorerflikheidsrisiko. GWAS-skerms, familiestudies en eksoomvolgorde-ontledings het getoon dat mutasies verryk is in gene wat betrokke is by neuronale prikkelbaarheid en plastisiteit, insluitend talle sinaptiese gene en kalsiumkanale (NRGN, CACNA1C, CACNB2) [64,121-123]. Een van die hoërisiko-SNV's is 'n eksoniese verwydering van die neurexin1-geen (NRXN1), wat 'n seladhesiemolekule koder wat bekend is om die vorming en instandhouding van sinapse te reguleer en die pre-sinaptiese organisasie te bepaal [124]. Alhoewel 'n tekort aan kognisie as 'n sentrale kenmerk in SCZ erken word, is die prentjie tot dusver nie so duidelik soos in die geval van ASD nie, en 'n oorsaaklike verband tussen sinaptiese proteïendefekte en SCZ -patofisiologie bly 'n ope vraag.

Ondanks die feit dat SCZ 'n patologie is wat laat in die adolessensie of vroeg in die volwassenheid manifesteer, stel patologiese kenmerke soos verlies van grysstof en verminderde aantal sinaptiese strukture en verswakkinge in hoër funksies soos kognisie, persepsie en motivering, defekte voor sinapsvlak wat vroeg in die ontwikkeling begin kan word. Ter ondersteuning van hierdie hipotese is: (i) 'n aantal skadelike de novo-mutasies in gene wat tydens die ontwikkeling in die prefrontale korteks uitgedruk word (ii) die sterk SCZ genetiese assosiasie met genetiese merkers oor die MHC-lokus en (iii) die genoomvariasie in komplementkomponent 4 (C4) geen [125]. Beide menslike MHCI en C4 is spesifiek gelokaliseer in neuronale sinapse, dendriete, aksone en selliggame, en eksperimente in knaagdiere het hul noodsaaklike rol in sinaps-eliminasie tydens vroeë postnatale ontwikkeling onthul [126]. 'N Aantal hiPSC-modelle is ontwikkel sedert die eerste bewys van beginselstudie van Brennand et al. in 2011 [101], waar hulle berig het dat neurone afkomstig van vier pasiënte verskil in neuronale konnektiwiteit, morfologie en geenuitdrukking in vergelyking met kontroleselle (tabel 2). Alhoewel die skrywers nie gebreke in die sinaptiese funksie geïdentifiseer het nie, ondanks die waargenome afname in sinaptiese verbindings en die verminderde uitdrukking van transkripsies wat betrokke was by aksonale groei en sinaptogenese (SLIT/ROBO, EFNA, seladhesiemolekules), het hulle dit toegeskryf aan beperkinge van die toetse gebruik. Dieselfde groep vier jaar later [66] het gesoek na potensiële veranderinge in SZC hiPSC-afgeleide neuronale stamvaders (NPC's) gebaseer op die rasionaal dat hiPSC-afgeleide neurale selle wat vir 6 weke in kultuur in stand gehou word, ooreenkomste deel met dié in die eerste trimester fetale breinweefsel . Proteomika -analise in die stamvaderstadium het versteurings in seladhesiemolekules (NCAM, cofilins CFL1 en 2, NLGN3) geïdentifiseer, terwyl SCZ -neurosfere afwykende migrasie getoon het in vitro, wat bewys lewer van die vroeë aanvang van gebeure in SZC. Hierdie studies was gebaseer op heterogene kohorte van SCZ -pasiënte, sonder vooraf kennis van hul genetiese risiko -variante. In 'n ander studie het mutante neurone van hiPSC's met die 15q11.2 mikro -deletie [103], wat na berig word 'n risikofaktor vir SCZ [127] was, beduidende gebreke in neurale rosetvorming gehad met ontwrigte adherens -aansluitings en verspreide uitdrukking van atipiese PKC.λ, 'n merker van apikale polariteit.

Aan die ander kant, data wat gebrekkige neuronale netwerke in SZC toon, kom uit die studie van Wen et al., wat 'n geneties-georiënteerde benadering volg deur die effek van DISC1-mutasies te analiseer wat saam met groot psigiatriese afwykings geskei word. hiPSC -lyne van twee pasiënte wat dieselfde raamverskuiwingsmutasie in DISC1 dra, is gebruik vir neuronale differensiasie [102]. Data onthul veranderde neuronale morfologie, vergesel van problematiese elektrofisiologiese opnames wat dui op glutamatergiese sinapsdefekte. In hierdie studie is nie net die rol van DISC1 in SCZ bevestig nie, maar die oorsaaklike rol van DISC1 in die regulering van sinapsvorming is geverifieer aangesien eksperimente in isogeniese kontrolelyne uitgevoer is. Interessant genoeg is die mRNA van presinaptiese proteïene (SYN2 en 3, SYP, SYNPR, NRXN1 en VAMP2) verhoog in mutante neurone, maar die post-sinaptiese GLUR1 en GRIN1 is nie verander nie, wat daarop dui dat SCZ primêr as gevolg van presinaptiese defekte kan wees.

6. hiPSC-gebaseerde modelle van neurodegeneratiewe siektes

Alhoewel sinaptopatie 'n kernprobleem in neurodegeneratiewe siektes is, word algemeen geglo dat dit die gevolg is eerder as die aanvang van 'n voortdurende degeneratiewe proses by siektetrelevante breinareas. Dus word die progressiewe verlies van nigrostriatale neurone in PD, van striatale medium stekelrige neurone in HD en van kortikale neurone in AD uiteindelik gedink om te lei tot verswakking en verlies van sinaptiese integriteit in hierdie patologieë, en sodoende kognitiewe tekortkominge [33,128,129]. 'N Aantal familiale gevalle van PD hou egter oorsaaklik verband met oorerflike mutasies in sinaptiese gene, soos α-synuclein [31], en HD is te wyte aan 'n CAG herhaalde uitbreiding in HTT [130]. Daarbenewens verskyn beduidende kognitiewe simptome by neurodegeneratiewe siektes vroeg, en subtiele verskille in hoër funksies word in die pre-simptomatiese fase geïdentifiseer.

Hieronder fokus ons op bevindings van hiPSC-gebaseerde modelle van HD en PD wat sinaptopatiese eienskappe vertoon en ons gehelp het om meer insig te kry in die neuro-ontwikkelingskomponent van HD en die algehele disonfunksie van die neuronale netwerk in PD.

6.1. Huntington se siekte

Huntington se siekte (HD) word gekenmerk deur motoriese afwykings, psigiatriese simptome en kognitiewe tekorte. Dit word veroorsaak deur 'n CAG herhaal uitbreiding in die HTT geen wat kodeer vir 'n poliglutamien kanaal uitbreiding in die HTT proteïen [130]. CAG -herhalings van 40 of meer veroorsaak volwasse HD, terwyl meer as 60 jong HD veroorsaak, wat daarop dui dat die omvang van herhalings direk verband hou met die ouderdom van die kliniese aanvang. Neuropatologie bevestig dat kortikale atrofie en verlies van striatale medium stekelige neurone die kenmerk van die siekte is. Boonop blyk dit dat neurogenese by volwassenes aangetas is in die striata van HD -pasiënte [131] met 'n toenemende verspreiding van selle en afwesigheid van volwasse neurone [132]. Neuro-beeldskanderings van vooraf-manifesteerde breine wat deur HD geraak word, het veranderinge in die striatale, kortikale en die hele breinvolume waargeneem voordat simptome verskyn [133,134]. Binne die raamwerk van die uitgebreide longitudinale navorsingstudie PREDICT-HD, is HD-pasiënte vir dekades gevolg voordat simptome duidelik geword het en ons weet nou dat HD-pasiënte kliniese veranderinge ontwikkel jare voordat diagnose gemaak kan word [135]. Dit sluit in kognitiewe, psigiatriese en funksionele veranderinge, tesame met veranderde breinmorfologie en konnektiwiteit, soos getoon in fMRI. Dit is belangrik dat kinders met 'n risiko vir HD 'n kleiner kopgrootte het [136], wat dui op neuro -ontwikkelingsafwykings.

hiPSC-studies het data verskaf vir onverwagte versteurings in vroeë ontwikkelingsprosesse in klassieke neurodegeneratiewe siektes, soos HD (tabel 3). Alhoewel kliniese bewyse van pre-simptomatiese individue of proefpersone met prodromale simptome dui op neuro-ontwikkelingsafwykings, het die laat aanvang van ernstige motoriese en kognitiewe disfunksie wat verband hou met HD en die gebrek aan geskikte modelstelsels ons tot laat toe laat toe dat die dispergerende bewyse tot die begin toe versuim het. prosesse wat verband hou met ontwikkelingsgebreke is erken [152]. 'N Aantal studies dui daarop dat HTT nodig is vir breinontwikkeling [153-155]. 'N Belangrike eerste studie het getoon dat muis -embrioniese stamselle wat HTT ontbreek nie kan nie in vitro neurale rosette, wat ooreenstem met die vermoedelike neuroepiteel [156]. Boonop het voorwaardelike stilte van HTT in die ontwikkelende muiskorteks onthul dat hierdie proteïen nodig is vir die korrekte vestiging van kortikale en striatale opwekkingskringe, 'n funksie wat verlore gaan as mutante HTT teenwoordig is [157]. Verder word striatale neurale stamvaders gekompromitteer in HD-pasiënte en relevante muismodelle [158].

Tabel 3. Lys van verslae oor modellering van HD en PD met behulp van 2D-menslike iPSC-gebaseerde stelsels.

Onlangs is ontwikkelingsveranderinge in HD -selle geïdentifiseer wat toon dat mutante HTT ontwikkelingspaaie benadeel deur sinaptiese homeostase te ontwrig en die kwesbaarheid vir die patogene gevolge van herhaling van poliglutamien mettertyd verhoog. In die elegante studie van die HD iPSC-konsortium is hiPSC-lyne van nie-siekte individue (21-33 CAG-herhalings) en jeugdige HD-pasiënte (60-109 herhalings) gedifferensieer in gemengde kulture wat neurone en stamvaderselle bevat [73]. RNA-Seq en padanalise van differensieel uitgedrukte gene tussen pasiënte en onaangeraakte individue het veranderings getoon, met 'n noemenswaardige 59% van die transkripsies wat verband hou met die ontwikkeling en funksie van die senuweestelsel. Essensiële neurogenese-faktore (NEUROD1 en GAD1) ​​is afgereguleer, terwyl aksonale leiding, WNT-sein, Ca + sein (subeenhede van die spanning-omheinde CACNA1-kanaal, plasmamembraan Ca + ATPase, CAMKII, CALM en CREB), glutamaat (NMDA- en AMPA-reseptore, SLC1A3 en SLC1A6) en GABA reseptor (GAD1 en GAD2) seine is merkbaar gedisreguleer in HD lyne. Die skrywers het ook ChIP-seq analise uitgevoer en chromatien handtekeninge geopenbaar wat ooreenstem met verswakte sel rypwording, terwyl meta-analise om profiele te vergelyk met veranderinge in geenuitdrukking tydens menslike striatale rypwording 'n duidelike oorvleueling in die kernnetwerk van gene wat noodsaaklik is vir normale ontwikkeling van die menslike striatum. Dit is die eerste studie wat jong HD-hiPSC-lyne gebruik, en verdere analise, insluitend lyne wat afkomstig is van volwasse HD wat minder CAG-herhalings bevat, sal waardevol wees om te bevestig of CAG-nommer geassosieer word met vroeë defekte of onafhanklik is en 'n rol speel tydens Slegs siekteverloop. Nietemin, hierdie is 'n belangrike studie wat HD-geassosieerde neuro-ontwikkelingsdefekte demonstreer wat breinhomeostase kan ontwrig, wat 'n kwesbaarheid vir latere effekte van mutante HTT vestig, soos gedemonstreer in die eerste studie wat ontleding van hiPSC-afgeleide neurone van seldsame homosigotiese en heterosigotiese HD-pasiënte [rapporteer]. 137]. Die belangrikste is dat dit die persepsie verskuif dat neurodegeneratiewe siektes laat in die lewe begin en die belangrikheid onderstreep om pasiënte wat risiko loop vroeër te assesseer. Om kliniese data te korreleer met hiPSC-afgeleide bevindings is noodsaaklik om die beginstappe in sulke patologieë te waardeer.

Die eerste HD-organoïedagtige struktuur is onlangs deur die Cattaneo-groep gerapporteer [87], en demonstreer dat mutante HTT die vermoë van hiPSC beïnvloed om kortikale en ventrale striatale telencefaliese identiteite te genereer, wat nie net vorige data oor die ontwikkelingskomponent van HD ondersteun nie, maar verskaf die presiese stappe van ontwikkeling wat deur die mutante proteïen beïnvloed word.

6.2. Parkinson se siekte

Parkinson se siekte (PD) is die tweede mees algemene neurodegeneratiewe versteuring, klassiek geassosieer met 'n uitgebreide verlies van dopaminerge neurone van die substantia nigra pars compacta [159,160]. Die kenmerk van die siekte is opeenhoping van patogene konformasies van die pre-sinaptiese proteïen α-synuclein (αSyn) en die vorming van intraneuronale proteïen aggregaat insluite, wat Lewy-liggame of Lewy-neuriete genoem word. Neurodegenerasie van dopamienneurone lei tot 'n prominente dopaminerge tekort in die basale ganglia, verantwoordelik vir motoriese versteurings [161]. Daar word egter nou erken dat die siekte meer wydverspreide neuronale disfunksie behels, wat lei tot vroeë en laat nie-motoriese simptome soos hiposmie, outonome disfunksie, slaapstoornisse, hallusinasies, depressie, kognitiewe agteruitgang en demensie [162]. Hierdie waarnemings het die fokus verskuif van 'n defek in dopamienneurone na 'n meer algemene neuronale ontwrigting, wat daarop dui dat die patologiese meganismes buite die substantia nigra lê en kan begin word lank voor neuronale verlies [163,164]. Vooruitgang in breinbeeldingstegnieke en ontleding van nadoodse weefsels toon uitgebreide Lewy-liggaampatologie in ander breinareas, terwyl familiale PD-gevalle dikwels voorkom en vorder met 'n afwesigheid van motoriese simptome [128]. Vorige werk oor post-mortem weefsel van 'n ander sinukleinopatie, naamlik demensie met Lewy-liggame (LBD), het getoon dat die meerderheid αSyn-aggregate geleë is op pre-sinaptiese terminale met byna volledige verlies van dendritiese stekels in die post-sinaptiese gebied, wat daarop dui dat sinaptopatie is 'n sentrale gebeurtenis in die aanvang van neurodegenerasie in LBD [165] en waarskynlik ook by PD.

In 'n soortgelyke benadering tot HD word seldsame gesinsgevalle van PD nou tydens die asimptomatiese fase [166] gevolg, voordat ernstige motoriese en kognitiewe simptome verskyn, is dit nog te vroeg om te argumenteer vir soortgelyke as HD pre-simptomatiese kliniese veranderinge.

Nietemin, bewyse afkomstig van diermodelle van PD ondersteun die hipotese dat pre-sinaptiese akkumulasie van αSyn inbreuk maak op sinaptiese funksie en aksonale integriteit wat lei tot degenerasie en seldood. Ooruitdrukking van αSyn in muise inhibeer neurotransmitter vrystelling, verminder die grootte van die sinaptiese vesikel-herwinningspoel en verander die ultrastruktuur van die senuweeterminaal voordat enige tekens van neurodegenerasie waargeneem word [167]. In 'n ander studie met ooruitdrukking van αSyn -mutante, is vertraagde vesikeltransport waargeneem in neurone wat lei tot outofagie en aksonale degenerasie [168]. Onlangs het ultrastruktuuranalise van muis -uitklop -sinapse vir al drie lede van die synucleinfamilie (α, β, γ) hul direkte betrokkenheid by die beheer van die sinapsgrootte en sinaptiese vesikelverspreiding [169] getoon. Hierdie versteurings op die sinapsvlak kan nadelig wees, veral as in ag geneem word dat die dopaminerge neurone wat in die laat PD -stadiums verlore gaan, aksone bevat wat meer as 1 miljoen sinapse bevat. Oor die algemeen ondersteun hierdie bevindings die konsep dat familiegevalle van PD, en moontlik sporadiese PD, hoofsaaklik sinaptopatieë kan wees.

Modelle van familiale PD was een van die vroegste hiPSC-gebaseerde siektemodelle wat sedert die koms van sellulêre herprogrammering gegenereer is. Selfs al is hiPSC's afgelei van pasiënte met idiopatiese PD, het die meerderheid studies gefokus op familiale PD-gevalle wat veroorsaak word deur mutasies in 'n enkele geen (tabel 3). Alhoewel dit seldsame vorme van PD is, bied dit 'n duidelike voordeel: die waargenome fenotipes is toe te skryf aan 'n spesifieke geenverandering en daarom kan kousaliteit vasgestel word. Vandag is mutasies in 14 gene geïdentifiseer wat familiële PD [170] veroorsaak. Van dié is die bekendste geïmpliseer in beide outosomale en resessiewe vorms wat vroeë siekte-aanvang veroorsaak met 'n algemeen ernstige kliniese fenotipe, en sluit in αSyn, leucine-ryk herhaal kinase 2 (LRKK2), β-glukoserebrosidase (GBA) en verskeie PARKIN gene. Verskeie studies wat hiPSC-modelle gebruik het, het neuronale disfunksie geassosieer met mutasies in LRRK2 [68,138,139], GBA [140,141], PARK2 [142,143], PARK7 [144] en αSyn [70,171-173]. Alhoewel die doel in die meeste PD-studies was om dopaminerge neurone te genereer en te karakteriseer, het min studies ander tipes neurone in die analise ingesluit, insluitend glutamatergiese en GABAergiese neurone [70,148]. In die algemeen bevestig data uit hierdie studies die betrokkenheid van verskillende roetes wat voorheen by PD -patogenese betrokke was, soos mitochondriale, lysosomale en endoplasmiese retikulum disfunksie, verswakte opruiming van autofagosome, versteurde kalsiumhomeostase en geoksideerde dopamienakkumulasie. Dit was egter uitdagend om sellulêre patologieë in hiPSC-afgeleide PD-neurone te identifiseer in die afwesigheid van oksidatiewe of ander sellulêre stres.

LRRK2 mutasies verteenwoordig die mees algemene oorsaak van familiële PD en is outosomaal dominant met ouderdom-afhanklike penetrasie [174]. Hierdie kinase word sterk uitgedruk in breingebiede wat dopamien -innervasies ontvang, soos die striatum, hippocampus, korteks en serebellum [175], en word geassosieer met baie aspekte van neuronale funksie, waaronder neurogenese, aksonale uitgroei en sinaptiese funksie [176-179]. Muise wat die LRRK2-G2019S-mutasie dra, het die basale sinaptiese doeltreffendheid verhoog en die depressie op lang termyn verminder, wat nie verband hou met presynaptiese veranderinge nie, maar waarskynlik as gevolg van verbeterde AMPAR-gemedieerde sinaptiese oordrag [180]. Hierdie pre-kliniese data is nie bevestig in die aanvanklike studies wat hiPSC-afgeleide neurone van LRRK2-G2019S pasiënte gegenereer het nie. Dopaminerge neurone was veral vatbaar vir oksidatiewe en mitochondriale stres [68,138,139], maar RNA-volgorde-analise het geen veranderinge in transkripsie-uitdrukking wat verband hou met sinapsvorming en funksie [139] onthul nie. Die enigste inkorting wat relevant is vir sinapsvorming was 'n verminderde neuriet-uitgroeisnelheid, 'n verskynsel wat nie spesifiek vir dopamienneurone is nie [139]. Ondanks die feit dat hierdie LRRK2-G2019S-mutante neurone ook verhoogde vlakke van αSyn- en TAU-proteïene gehad het, 'n fenotipe wat voorheen verband gehou het met aksonale degenerasie en sinaptiese veranderings, is neuropatologie nie waargeneem nie. Aangesien hierdie mutasie 'n ouderdomsafhanklike voorkoms van kliniese fenotipe het, kan die eindtydpunt van die analise te vroeg wees om sulke gebreke aan die lig te bring. Op 'n soortgelyke manier het die hiPSC-GBA1-mutasie PD-stelsels nie 'n skakel met disreguleerde sinaptogenese of sinaptiese funksie gelewer nie. Aangesien die studies wat uitgevoer is redelik beperk in getal is en die fokus van die aanvanklike analise dalk nie was om verskille in sinaptiese funksie uit te beeld nie, is bykomende werk nodig om veilige gevolgtrekkings te maak oor die teenwoordigheid van sinaptopatie in LRRK2 en GBA mutante neurone.

Daarteenoor was αSyn hiPSC-gebaseerde stelsels baie meer insiggewend om leidrade te gee vir vroeë sinaptiese tekorte in die aanvang en vordering van patologie. Alhoewel mutasies in αSyn verantwoordelik is vir 'n klein aantal familiale PD-gevalle, het hulle besondere aandag gekry en is hulle wyd gebruik deur navorsers om beide diermodelle [181] en hiPSC-gebaseerde sellulêre platforms van neurone en stamvaderselle te skep [173]. Die rede is dat die eerste genetiese oorsaak van PD wat geïdentifiseer is, die G209A mutasie in die αSyn geen SNCA was, wat gelei het tot sintese van die patologiese p.A53T-αSyn mutant proteïen [182]. Kort daarna is ontdek dat αSyn-proteïen die belangrikste komponent van Lewy-liggame is, die patologiese kenmerk van beide familiale en sporadiese PD [183]. Sedertdien is 'n aantal punt αSyn mutasies geïdentifiseer—A30P, E46 K, H50Q, G51D en A53E [184–189], sowel as duplisering of triplisering van die αSyn geen lokus wat ook dominante en ernstige vorme van PD veroorsaak [170,190 ].

In 'n eerste studie deur Jaenisch en kollegas [145] is suksesvolle afleiding van hiPSC-afgeleide p.A53T- en p.E46 K-lyne en isogeniese geen-gekorrigeerde kontroles gerapporteer, sonder verdere karakterisering. Hierdie p.A53T-hiPSC lyn is in 'n latere studie deur Ryan gebruik et al. [147] om kulture van middelbrein dopamienneurone te produseer wat 35 dae na differensiasie in die selsoma en neuriete saamgevoeg het αSyn, eienskappe soortgelyk aan dié wat voorheen geïdentifiseer is in nadoodse breine van p.A53T-pasiënte [191,192]. Ten spyte van die teenwoordigheid van αSyn oligomere aggregate, het dopamienneurone nie aksonale skade of gebrekkige neuronale netwerkvorming getoon nie. In 'n meer onlangse studie vertoon die p.A53T neurone gefragmenteerde mitochondria en αSyn neerslae by mitochondriale membrane as reaksie op kardiolipien, 'n mitochondriale membraan lipied [151]. Kortikale neurone gegenereer uit dieselfde stel p.A53T hiPSC-lyne deur Lindquist en kollegas was ook vatbaar vir geïnduseerde ER-stres [148]. Hierdie studies ondersteun 'n 'twee-treffer' hipotese waar die mutante agtergrond induksie van 'n PD fenotipe deur omgewingstoksiene fasiliteer.

Die eerste waarneming van beskadigde neuriete en aksonale fragmentasie met multi-elektrode-skikkings wat asynchrone afvuur en 'n vermindering in die aantal aktiewe kanale openbaar, is in LRRK2 neurone geïdentifiseer. RNA-volgorde-data van alle PD-lyne toon 'n konsekwente opregulering van die RNA-bindende proteïen fox-1 homoloog (RBFOX1), 'n neuronspesifieke faktor wat neuronale splitsingsnetwerke reguleer en neuronale opwinding [193] beheer. Interessant genoeg, toe die skrywers beduidende differensiële splitsingsprodukte gekarteer het, het hulle 'n lys van 41 gene gegenereer met 'n diepgaande verryking in GO-terme wat verband hou met neuronprojeksie en neuronale aktiwiteit. Daaruit het hulle bevestig dat GRIN1 ('n NMDA -reseptoreenheid) en SNAP25 ('n belangrike komponent van die SNARE -kompleks) spesifieke isoforme in PD -neurone verander is, wat vir die eerste keer aantoon dat differensiële splitsingsgebeurtenisse deur RBFOX1 in hierdie sellulêre stelsels gereguleer word.

Onlangs het 'n studie van ons groep [70] die hipotese verder versterk dat sinaptopatie 'n vroeë gebeurtenis in familiale PD-gevalle is. Hierdie werk was gefokus op die ontleding van nuut gegenereerde lyne van twee p.A53T pasiënte met verskillende kliniese vordering en erns [70]. By 35 dae van differensiasie na dopaminerge neurone volgens 'n dubbele SMAD-inhibisieprotokol [49,194], het selle duidelike kenmerke van neurodegenerasie getoon, insluitend uitgebreide neuritiese patologie, αSyn + en Tau + geswelde spatare en groot sferoïede insluitings wat baie soortgelyk is aan die distrofiese neuriete wat in die distrofiese neuriete geïdentifiseer is. brein van p.A53T pasiënte [192,195]. Verbasend genoeg was die erns van die sellulêre fenotipe direk gekorreleer met die kliniese beeld van die twee verskillende pasiënte. Op dieselfde manier as die waarnemings van Ryan et al. [147], het tioflavien-positiewe aggregate sigbaar geword na 35 dae van differensiasie, terwyl dit op 50 dae meer prominent en wydverspreid geword het, terwyl αSyn-proteïen ook saam opgespoor word. In ons studie is 'n verband tussen die degeneratiewe fenotipe en αSyn -patologie gevind, aangesien klein molekules wat αSyn -aggregasie belemmer, die neurodegeneratiewe fenotipe terugkeer, wat 'n moontlike behandelingstrategie vir PD en ander verwante afwykings aandui.

'n Interessante waarneming was dat die uitgebreide p.A53T-patologie verskyn het sonder die behoefte aan eksterne neurotoksiese of oksidatiewe stres. Aksonale degenerasie was duidelik in dopaminergiese, maar ook in glutamatergiese en GABAergiese, neurone teenwoordig in ons kultuurstelsel, sowel as in betaIII-tubulien-positiewe neurone voor subtipe spesifikasie. Ons neem aan dat die gelyktydige teenwoordigheid van al drie hoofneuronale subtipes die sleutel kan wees vir die sterk intrinsieke en wydverspreide p.A53T degeneratiewe fenotipe. Hierdie opvatting word ook ondersteun deur die waarneming dat wanneer die Kriks gebruik word et al. [196] differensiasieprotokol om te verryk vir dopamienneurone, die fraksie van GABAergiese selle word duidelik verminder en die p.A53T-verwante aksonale degenerasie is ook minder opvallend (E.T., G.K., O.Z. & amp R.M. 2018, ongepubliseerde data). Alhoewel ons nie die moontlikheid kan uitsluit dat verskillende pasiëntlyne neurone met veranderlike fenotipiese eienskappe kan oplewer nie, is dit ook waarskynlik dat verskille in die verhouding van opwindende tot remmende neurone binne 'n kultuur 'n deurslaggewende faktor kan wees vir die fenotipiese uitkoms.

Transkripsionele profilering van p.A53T neurone in Kouroupi et al. [70] het ook gedisreguleerde molekulêre weë geopenbaar in die afwesigheid van eksterne strestoestande. Pre-sinaptiese vesikelvorming en -handelmolekules (SYN3, SV2C, RPHA3, DOC2B), vesikulêre en plasmamembraan neurotransmitter transporters, sinaptiese seladhesie (SLITRK's, Cadherins) en post-sinaptiese digtheid (DLGAP2, GRIN2D, GRIP2) -geassosieerde mRNA's was almal verminder in die p.A53T neurone. Dit korreleer goed met gekompromitteerde neuritiese groei en gebrekkige sinaptiese verbinding. Veral die aksonale leidingsmolekules en WNT -familielede wat verband hou met sinaptogenese, is aansienlik verander, wat dui op versteurings tydens sinaptogenese. Uit ons data kan ons defekte by 'n spesifieke deel van die sinaps in p.A53T -patologie nie aflei nie, en ultrastruktuuranalise is nodig vir sulke korrelasies. Met inagneming van die lokalisering van αSyn in die pre-sinaptiese gebied en vorige waarnemings uit ooruitdrukkingsstudies in diermodelle waar 'leë sinapse' gevorm is [197], kan 'n oorspronklike wanorganisasie van die pre-sinaptiese gebied egter die algemene organisasie van die trans- en post-sinaptiese terreine. Aangesien die mees opvallende wanuitdrukking in trans-sinaptiese adhesiemolekules opgemerk is, kon ons ook aanvaar dat korrekte belyning vir behoorlike sinaptogenese en rypwording nie bereik kon word nie, wat die pre- en post-sinaptiese streke verder beïnvloed.

Alhoewel dit 'n ope vraag bly, dui ons studie duidelik op sinaptopatie as 'n belangrike kenmerk in p.A53T patologie wat vroeg geïnisieer word.

Bewyse vir afwykende neurogenese in PD kom uit die analise van hiPSC -afgeleide neuronale stamvaders (NPC's) en neurone van PD -pasiënte wat 'n verdubbeling van die αSyn -lokus bevat. Hierdie stamvaders het relevante vatbaarheid vir oksidatiewe [146,147] en nitrosatiewe stres [148] getoon en het verminderde vermoë gehad om te differensieer in dopaminergiese of GABAergiese neurone, terwyl hulle gekompromitteerde neurietuitgroei en laer neuronale aktiwiteit vertoon het in vergelyking met kontrolekulture [150]. Dit is die eerste verslag wat 'n verband tussen αSyn en ontwikkelingsprosesse in hiPSC-afgeleide selstelsels toon. Molekulêre profilering dui op laer vlakke van differensiasiemerkers soos TH, NURR1, GABABR2 en DLK, maar ook laer GIRK2, in ooreenstemming met die laer kaliumstrome wat waargeneem is. Alhoewel isogeniese kontrolelyne nie in hierdie eksperimentele omgewing ingesluit is nie en iemand kan redeneer dat hierdie effek nie αSyn -afhanklik is nie, aangesien die verdubbeling van die lokus die uitdrukking van 3 tot 12 gene beïnvloed, wat αSyn met 'n lentivirus omverwerp, die differensiasie -defekte in een uit die twee lyne wat gebruik word. Desnieteenstaande is sulke differensiasievervormings nie gerapporteer in 'n opvolgstudie wat 'n ander stel tripliseringslyne gebruik nie [71], waarskynlik as gevolg van die klonale variasie en differensiasie-geneigdheid van die lyne wat gegenereer word. Hierdie opvolgstudie [71] het ook 'n Parkin- en ses LRRK2-mutantlyne ingesluit, en ten spyte van die neurietgroei-afwykings wat in dopaminerge neurone in die middelbrein waargeneem is, was die aantal TH + neurone onaangeraak.

Tot dusver is die enigste 3D -model vir PD gegenereer uit pasiënt -hiPSC's wat die G2019S -mutasie in LRRK2 [186] dra. In hierdie werk het die ondersoekers toegelaat dat mutante hiPSC's differensieer in 3D menslike neuro -ektodermale sfere en mikroarray -analise uitgevoer het wat veranderde mRNA -vlakke in sinaptiese vesikelhandelmolekules onthul het, insluitend Synapsin 2 en 3. Neuronale aktiwiteitsopnames is egter nie uitgevoer nie, wat die kapasiteit beperk tot maak veilige gevolgtrekkings vir sinaptiese defekte in hierdie sisteem.

7. Nuwe perspektiewe vir die verstaan ​​van sinaptiese disfunksie by neurologiese siektes

Molekulêre en sellulêre analise van hiPSC-afgeleide SSS-selsubtipes van ASD, SCZ, HD en PD (beide sporadiese en familiale gevalle) het bevestig dat ASD en SCZ 'n sterk ontwikkelingskomponent het, waardevolle inligting oor vroeë siektegebeure opgelewer het en onverwagte geïdentifiseer het. vroeë neuronale versteurings in PD en HD. Dit bly egter onbekend of die aanvang van hierdie patologieë afwykende neurogenese en sinaptogenese behels of die gevolg is van laat-verskynende defekte in gesonde sinapse, of selfs albei. Laasgenoemde is bekragtig met behulp van HD hiPSC-gebaseerde modelle wat gehelp het om die rol van HTT te dissekteer in beide afwykende neurogenese [73] en neuronale degenerasie [198]. Aangesien meer hiPSC-lyne gegenereer word deur die implementering van uiteenlopende differensiasieprosedures, en nuwe hulpmiddels ontwikkel word om neuronale funksie op enkel-sel en netwerkvlak op 'n hoogs beheerde tydelike manier te monitor, hou toekomstige studies groot belofte by die identifisering van die aanvang van siektegebeurtenisse in.

Proteïenaggregasie in neurodegeneratiewe siektes word beskou as 'n sentrale oorsaak van neuronale disfunksie as gevolg van steurnisse in proteostase [36,37]. Die opsporing van aggregate is nie konsekwent bereik in hiPSC-gebaseerde modelle van PD en HD nie, en dit word gewoonlik toegeskryf aan intrinsieke klonale verskille en alternatiewe differensiasieprosedures, terwyl dit in sommige gevalle vergemaklik word deur die toevoeging van sellulêre stressors. Tot dusver het studies in hiPSC-modelle nie aangespreek of proteïenaggregasie en sinaptiese defekte met mekaar verband hou nie, en daar word verwag dat toekomstige studies lig sal werp op die ruimtelike tydelike gebeure van hierdie meganismes.

Alhoewel die oorsaaklikheid van neuro -ontwikkelings- en neurodegeneratiewe patologieë afsonderlik behandel is, onthul opkomende bewyse ooreenkomste wat nie meer oor die hoof gesien kan word nie. Hollander et al. voorgestelde skakels tussen ASD en PD gebaseer op die oorvleuelende verskynsel van herhalende gedrag, met 'n algemene onderliggende betrokkenheid van die basale ganglia [199]. Motortekorte is ook by ASD -babas aangemeld voor die tipiese tyd van ASD -diagnose [200]. In 2015, tydens 'n studie wat daarop gemik was om ASD by ouer proefpersone (meer as 50 jaar oud) te ondersoek, is hoë koerse Parkinsonisme waargeneem [201]. Om hierdie waarneming op te volg, is 'n tweede groep volwasse ASD -pasiënte stelselmatig beoordeel en 'n merkwaardige 20% van die gemanifesteerde tekens van Parkinsonisme [201]. Die genetiese skakel van Asperger-sindroom met Parkin2, 'n klassieke jeug-geassosieerde geen, dui ook op 'n moontlike oorvleueling [202]. Terselfdertyd is veranderinge van dopamienmetabolisme in neuro-ontwikkelingsafwykings nie meer 'n hipotese nie, maar word goed ondersteun deur 'n magdom bewyse wat uit beide neurobeelding en genetiese studies verkry is. Spesifiek, by SCZ-pasiënte, is daar 'n verhoogde opname en berging van dopamien in die basale ganglia, terwyl grootskaalse genetiese studies 'n verband toon met geen loci wat vir dopamienreseptore koder, sowel as vir verskeie proteïene wat sinaptiese oordrag bemiddel [203].

Die identifisering van moontlike bymekaarkomende meganismes van neurologiese siektes sal gehelp word deur die opsporing van die kenmerke van die siekte en kenmerke van een neurologiese siekte, in hiPSC-afgeleide selle van 'n ander patologie. 'n Kenmerkende voorbeeld is die geval van Downsindroom, 'n ontwikkelingsversteuring wat, afgesien van intellektuele gestremdheid en epilepsie, gekenmerk word deur vroeë-aanvang Alzheimer's [204]. hiPSC-gebaseerde modelle het duidelik verswakte neurogenese en abnormale dendritiese en sinaptiese morfologie getoon [205,206], maar die belangrikste is gebruik om die twee patologieë te koppel deur te wys dat Down-sindroom kortikale neurone patogene Aβ-peptied afgeskei het en hul selliggame en dendriete bevat hipergefosforileerde Tau proteïen, 'n kenmerk van AD neurone [45]. Die meta-analise van die p.A53T-neuron molekulêre profiel uitgevoer deur ons groep [70], waar differensieel uitgedrukte sinaptiese transkripsies ondersoek is vir hul assosiasie met ander neurologiese versteurings, bied ook 'n goeie beginpunt om siekte-oorvleuelende meganismes te oorweeg. Afgesien van die verwagte oorvleueling met PD en AD, het ons 'n beduidende aantal gene gevind wat verband hou met ASD, SCZ en bipolêre versteuring. Dit het veral transkripsies vir adhesieproteïene soos CDH13, CDH9, CDH15 en SLITRK's ingesluit, almal sterk gekoppel aan ASD [207,208], presinaptiese molekules soos SYNIII en SV2C, geassosieer met nie-sindroom outisme en SCZ [209,210], en post- sinaptiese transkripsies soos DLGAP2 en GRIN2D, gekoppel aan SCZ [211-213]. Sulke benaderings is eers aan die begin, en dit sal na verwagting waardevolle inligting oplewer oor oorvleuelende en waarskynlik konvergerende siektetoestande wat medisyne se herposisioneringstrategieë kan ondersteun.

Tot 2007 was die verbeterde modellering van siektes grootliks afhanklik van die opwekking van nuwe diermodelle in 'n poging om meer getroue menslike patologie te herkapituleer. 'N Dekade later word siekte-modellering in 'n menslike omgewing en op 'n pasiëntspesifieke manier uitgevoer met behulp van hiPSC-gebaseerde stelsels (figuur 2) wat ons nie net in staat stel om siektes te bestudeer nie, maar ook menslike neuro-ontwikkeling en neurofisiologie. Ten spyte van beperkings wat voortspruit uit pasiëntveranderlikheid, eksperimentele ontwerp en data-interpretasie, het die gebruik van hiPSC's 'n omwenteling in die manier waarop ons neurologiese siektes definieer. Nuwe skakels tussen siekte-fenotipes, geen- en proteïenuitdrukkingsprofiele en sellulêre reaksies op medisyne is nou haalbaar, terwyl oorvleuelende eienskappe aan die lig gebring is in patologieë wat voorheen as nie-verwant beskou is. Die versameling van data uit 'n aantal hiPSC -modelle uit 'n verskeidenheid sulke siektes toon vroeë sinaptiese disfunksie as 'n algemene kenmerk (figuur 2). Die ontwikkelingsaspek van ASD en SCZ is grootliks bevestig, terwyl dit 'n nuut opkomende konsep vir HD en PD impliseer wat verdere ondersoek vereis. Samewerkende pogings, gestandaardiseerde metodes en volhoubare ondersteuning is noodsaaklik om belangrike onopgeloste vrae aan te spreek. Die vestiging van sinaptopatie as 'n kritieke gebeurtenis in die patogenese van neurodegeneratiewe afwykings behoort nuwe vooruitsigte vir behandelingstrategieë te skep. Sonder twyfel hou hiPSC-tegnologie groot belofte in vir siektemodellering en geneesmiddelontdekking, en hierdie potensiaal begin nou verwesenlik word.

Figuur 2. Skema van neurologiese siekte modellering met behulp van selherprogrammeringstegnologie. ASD, outismespektrumafwykings SCZ, skisofrenie BP, bipolêre versteuring AD, Alzheimer se siekte PD, Parkinsonsiekte HD, Huntington -siekte iPSC's, geïnduseerde pluripotente stamselle NPC's, neurale stamvader selle.


Inhoud

Die eerste primêre volgorde van 'n heropname proteïen is in 1990 gepubliseer. Die tegniek vir proteïenvolgordebepaling het staatgemaak op die suiwering, volgordebepaling en kloning van die betrokke vervoerderproteïen, of uitdrukkingkloningstrategieë waarin vervoerfunksie as 'n toets vir cDNA gebruik is spesies wat vir daardie vervoerder kodeer. Na skeiding is besef dat daar baie ooreenkomste is tussen die twee DNA -rye. Verdere ondersoek op die gebied van heropname -proteïene het bevind dat baie van die transporteurs wat verband hou met belangrike neurotransmitters in die liggaam, ook in volgorde baie ooreenstem met die GABA- en norepinefrienvervoerders. Die lede van hierdie nuwe familie sluit in transporteurs vir dopamien, norepinefrien, serotonien, glisien, prolien en GABA. Hulle is genoem Na + /Cl - afhanklike neurotransmittervervoerders. Natrium- en chloriedioonafhanklikheid sal later in die werkingsmeganisme bespreek word. Deur gebruik te maak van die gemeenskaplikhede tussen rye en hidropatie plot ontledings, is voorspel dat daar 12 hidrofobiese membraan strek streke in die 'Klassieke' vervoerder familie is. [1] Hierbenewens bestaan ​​die N- en C-termini in die intrasellulêre ruimte. Hierdie proteïene het ook almal 'n uitgebreide ekstrasellulêre lus tussen die derde en vierde transmembraanvolgorde. Terreingerigte chemiese etiketteringseksperimente het die voorspelde topologiese organisasie van die serotonien vervoerder geverifieer. [2]

Benewens neurotransmitter-vervoerders, is baie ander proteïene in beide diere en prokariote gevind met soortgelyke volgordes, wat 'n groter familie van Neurotransmitter:Sodium Simporters (NSS) aandui. Een van hierdie proteïene, LeuT, van Aquifex aeolicus, is gekristalliseer deur Yamashita et al. [3] met 'n baie hoë resolusie, wat 'n molekule leucine en twee Na + -ione openbaar wat naby die middel van die proteïen gebind is. Hulle het gevind dat die transmembraan (TM) helices 1 en 6 onwikkelde segmente in die middel van die membraan bevat. Saam met hierdie twee helices het TM helices 3 en 8 en die gebiede rondom die afgewikkelde gedeeltes van 1 en 6 die substraat- en natriumioonbindingsplekke gevorm. Die kristalstruktuur onthul pseudo-simmetrie in LeuT, waarin die struktuur van TM helices 1-5 weerspieël word in die struktuur van helices 6-10.

Daar is 'n ekstrasellulêre holte in die proteïen, waarin 'n heliese haarnaald uitsteek wat deur ekstrasellulêre lus EL4 gevorm word. In TM1 onderskei 'n aspartaat monoamien NSS -vervoerders van aminosuurvervoerders wat 'n glisien in dieselfde posisie bevat. Eksterne en interne "hekke" is toegewys aan pare negatief en positief gelaaide residue in die ekstrasellulêre holte en naby die sitoplasmiese punte van TM-helikse 1 en 8.

Die klassieke vervoerderproteïene gebruik transmembraan-ioongradiënte en elektriese potensiaal om neurotransmitter oor die membraan van die presinaptiese neuron te vervoer. Tipiese neurotransmitter natrium simport (NSS) transporters, wat Na + en Cl - ioonafhanklik is, trek voordeel uit beide Na + en Cl - gradiënte, wat na binne oor die membraan gerig word. Die ione vloei met hul konsentrasiegradiënte af, wat in baie gevalle lei tot transmembraanladingsbeweging wat deur die membraanpotensiaal versterk word. Hierdie kragte trek die neurotransmitter substraat in die sel, selfs teen sy eie konsentrasiegradiënt. Op 'n molekulêre vlak stabiliseer Na + -ione aminosuurbinding by die substraatplek en hou ook die vervoerder in 'n uitwaarts-oop konformasie wat substraatbinding moontlik maak. [4] Die rol van die Cl − ioon in die simportmeganisme is voorgestel om die lading van die simporteerde Na + te stabiliseer. [5] [6]

Nadat ioon- en substraatbinding plaasgevind het, moet 'n mate van konformasieverandering plaasvind. Uit die konformasieverskille tussen die struktuur van TMs 1-5 en dié van TMs 6-10, en uit die identifikasie van 'n substraatpermeasiepad tussen die bindingsplek van SERT en die sitoplasma, is 'n meganisme vir konformasieverandering voorgestel waarin 'n vier -heliksbundel saamgestel uit TMs 1, 2, 6 en 7 verander sy oriëntasie binne die res van die proteïen. [7] 'n Struktuur van LeuT in die binne-oop-konformasie het daarna getoon dat die hoofkomponent van die konformasionele verandering die beweging van die bundel ten opsigte van die res van die proteïen verteenwoordig. [8]

Die hoofdoel van 'n heropname -remmer is om die tempo waarmee neurotransmitters in die presynaptiese neuron herabsorbeer word, aansienlik te verminder, wat die konsentrasie van neurotransmitter in die sinaps verhoog. Dit verhoog neurotransmitterbinding aan pre- en postsinaptiese neurotransmitterreseptore. [ aanhaling nodig ] Afhangende van die betrokke neuronale stelsel, kan 'n heropname -remmer ingrypende gevolge hê vir kognisie en gedrag. Nie-mededingende inhibisie van die bakteriële homoloog LeuT deur trisikliese antidepressante was die gevolg van binding van hierdie inhibeerders in die ekstrasellulêre deurdringingspad. [9] [10] Die mededingende aard van serotonien-vervoer-inhibisie deur antidepressante dui egter daarop dat in neurotransmitter-vervoerders hulle bind in 'n plek wat die substraatterrein oorvleuel. [11]

Horschitz et al. [12] het heropname-remmer se selektiwiteit onder die serotonienheropname-proteïene (SERT) uitgedruk in menslike embrioniese nierselle (HEK-SERT) ondersoek. Hulle het SERT aangebied met verskillende dosisse van óf citalopram ('n SSRI) óf desipramien ('n inhibeerder van norepinefrien heropname proteïen, NET). Deur die dosis-reaksiekrommes te ondersoek (met 'n normale medium as kontrole), kon hulle kwantifiseer dat citalopram op SERT as 'n SSRI opgetree het, en dat desipramien geen effek op SERT gehad het nie. In 'n aparte eksperiment het Horschitz et al. het HEK-SERT op 'n langtermynbasis met citalopram blootgestel. Hulle het opgemerk dat langtermyn blootstelling gelei het tot 'n afregulering van bindingsplekke. Hierdie resultate dui op 'n meganisme vir langtermyn veranderinge in die pre-sinaptiese neuron na geneesmiddelterapie. Horschitz et al. het gevind dat normale vlakke van SERT -bindingsplek -uitdrukking na die verwydering van citalopram uit die stelsel teruggekeer het. [12]

Daar word voorgestel dat depressie 'n gevolg is van 'n afname in serotonien wat in die sinaps gevind word, hoewel hierdie hipotese al sedert die 1980's betwis is [ aanhaling nodig ]. Dit is aanvanklik ondersteun deur die suksesvolle vermindering van depressiewe simptome na toediening van trisikliese antidepressante (soos desipramien) en SSRI's. Trisikliese antidepressante inhibeer die heropname van beide serotonien en norepinefrien deur op beide die SERT en NET in te werk. SSRI's inhibeer selektief die heropname van serotonien deur op SERT in te werk [ hoe? ]. Die netto resultaat is 'n verhoogde hoeveelheid serotonien in die sinaps, wat die waarskynlikheid vergroot dat serotonien met 'n serotonienreseptor van die postsynaptiese neuron sal reageer. Daar is bykomende meganismes waardeur serotonien outoreseptor desensibilisering moet plaasvind, maar die netto resultaat is dieselfde. [13] Dit verhoog die serotonien -sein, wat volgens die hipotese vermoedelik bui verhoog en sodoende depressiewe simptome verlig. Hierdie voorstel vir die antidepressante meganisme van serotonienheropnameremmers is nie verantwoordelik vir die tydsverloop van die terapeutiese effek nie, wat weke tot maande neem, terwyl die remming van die vervoerder in wese onmiddellik is.

Die netto effek van amfetamien (AMPH) gebruik is 'n toename van dopamien, norepinefrien en serotonien in die sinaps. Daar is getoon dat AMPH inwerk op spooramien-geassosieerde reseptor 1 (TAAR1) om uitvloei en heropname remming in die serotonien-, norepinefrien- en dopamienvervoerders te veroorsaak. Hierdie effek vereis dat die vervoerder en TAAR1 saam gelokaliseer word (kom saam) binne dieselfde neuron.

Dit lyk asof astrocyte heropname meganismes gebruik vir 'n neuroprotektiewe rol. Astrocyte gebruik eksitatoriese aminosuur vervoerder 2 (EAAT2, ook bekend as GLT-1) om glutamaat uit die sinaps te verwyder. EAAT2 -uitklopmuise was meer geneig tot dodelike en spontane aanvalle en akute breinbeserings onder die korteks. Hierdie effekte kan gekoppel word aan verhoogde konsentrasies glutamaat in die brein van EAAT2-uitklopmuise, wat na die lyk ontleed is. [14]


Verwantskap tussen Sinaptiese aktiwiteit en Tau Homeostase

Tau is een van die mikrotubule-geassosieerde proteïene wat neuronale mikrotubuli bind en stabiliseer tydens ontwikkeling van neuronale prosesse, vestiging van selpolariteit en intrasellulêre vervoer (Binder et al., 1985 Drechsel et al., 1992 Mandelkow en Mandelkow, 1998). By fosforylering word tau losgemaak van mikrotubules, abnormale tau -fosforylering in neurone is 'n kenmerk van AD en ander neurodegeneratiewe siektes (insluitend frontotemporale demensie en progressiewe supranucleaire verlamming), en word vergesel van aggregasie en progressiewe intrananeuronale tau -opeenhoping. Benewens die opbou daarvan binne neurone, het meer onlangse studies getoon dat tau ook in die ekstrasellulêre ruimte vrygestel word (Gómez-Ramos et al., 2006 Avila, 2010) en dat verhoogde vlakke van tau (totaal en gefosforileerd) in die mens& #x00027s serebrospinale vloeistof (CSF) word geassosieer met 'n verhoogde risiko om AD te ontwikkel (Blennow et al., 2010).

Tau -proteïen word tradisioneel beskou as gelokaliseer in aksone, maar as neurone blootgestel word aan A β -oligomere, verhuis tau na somatodendritiese kompartemente in verband met verlies van stekels en mikrotubule -afbreek (Zempel et al., 2010). Meer onlangse data toon die teenwoordigheid van tau aan by sinapse in fisiologiese en patologiese toestande (Pooler et al., 2014). Tau lokaliseer in beide pre- en post-sinaptiese kompartemente, en die aantal sinaptosome wat tau bevat, verskil nie tussen kontrole- en AD-menslike brein nie, maar 'n spesifieke vorm van gefosforyleerde-tau (pS396/pS404) en tau-oligomere is spesifiek gevind in AD-synaptosome (Tai et al., 2012).

Min is bekend oor die verband tussen tau en sinaptiese aktiwiteit. Onlangse studies het getoon dat sinaptiese aktivering die afskeiding van tau verhoog in vitro en in vivo (Pooler et al., 2013 Yamada et al., 2014). Daar is ook getoon dat sinaptiese aktiwiteit tau-translokasie na opwindende sinapse veroorsaak, juis in dendritiese stekels en post-sinaptiese kompartemente, in wildtipe neurone (Frandemiche et al., 2014). In dieselfde studie het outeurs getoon dat ook A β -oligomere tau -lokalisering tot sinaps veroorsaak, so 'n translokasie vereis dat die residu S404 van tau gefosforyleer moet word, dieselfde word spesifiek waargeneem in AD -synaptosome (Tai et al., 2012). Sinaptiese aktivering veroorsaak taufosforylering op residu T205, maar hierdie fosforilering is nie verpligtend vir tau -translokasie na sinapse nie (Frandemiche et al., 2014).

Die lokalisering van tau in dendriete word as patologies beskou, omdat dit geassosieer word met verlies van stekels, soos hierbo genoem (Zempel et al., 2010), en omdat dit die kinase Fyn na post-sinaptiese kompartemente teiken (Ittner et al. , 2010). Fyn bemiddel A β -toksisiteit, en die vermindering daarvan of die oormatige uitdrukking daarvan word onderskeidelik verswak of verbeter deur sinaptiese veranderings en kognitiewe gestremdhede by AD -transgene muise (Chin et al., 2004, 2005). Fyn toegang tot die post-sinaptiese kompartement is tau-afhanklik: by muise wat die tau-aminoterminale projeksiedomein (PD) slegs uitdruk, (van aminosuur 1 tot 255, uitgesluit die mikrotubuliese bindingsdomein en die karboksieterminaal stertgebied), die tau- PD-fragment betree nie dendriete nie, en Fyn post-sinaptiese teiken word verminder (Ittner et al., 2010). As gevolg hiervan het AD-transgeniese muise gekruis met tau-PD-ooruitdrukende muise 'n verminderde vatbaarheid vir eksitotoksiese aanvalle en verbeterde geheue (Ittner et al., 2010), wat dui op beskermende effekte wanneer toegang tot tend (en Fyn) tot dendriete verminder word. 'n Onlangse artikel toon dat tau-lokalisering in stekels deur fosforilering versterk word. Lae vlakke van endogene tau word waargeneem in dendritiese stekels van hippokampale neurone: wanneer spesifieke fosforileringsplekke met glutamiensuur vervang word om fosforilering na te boots (insluitend die S404-plek), neem tau-lokalisering in stekels toe (Xia et al., 2015).

In die lig van wat tot dusver berig is, kan die translokasie van tau na stekels en post-sinaptiese kompartemente met sinaptiese aktiwiteit negatiewe implikasies vir AD hê. Meer studies is egter nodig voordat hierdie gevolgtrekking beëindig word. Byvoorbeeld, watter gefosforileerde vorme van tau is spesifiek teenwoordig in stekels en sinapse tydens aktiwiteit? Sinaptiese aktiwiteit en Aβ blyk fosforilering op verskillende plekke van tau te induseer (Frandemiche et al., 2014): miskien kan aktiwiteit-geïnduseerde tau-fosforilering meer fisiologies wees, terwyl Aβ-geïnduseerde tau-fosforilering meer giftig kan wees. Daarbenewens is gerapporteer dat die waargenome aktiwiteitsgeïnduceerde tau-fosforylering op residu T205 nie verpligtend was vir tau wat op sinapse fokus nie (Frandemiche et al., 2014), wat die moontlikheid verhoog dat tau-translokasie na stekels met aktiwiteit kan plaasvind sonder fosforilering. wees ook 'n intrige onderwerp om te verken. Laastens, 'n ander belangrike vraag om te beantwoord, is of sinaptiese aktivering die Fyn-fokus op stekels en post-sinaptiese kompartemente verhoog. Daar is getoon dat sinaptiese lokalisering van Fyn die fenotipe in modelle van β-amyloïdose vererger, maar dit is ook gerapporteer dat, ten spyte van totale vlakke van Fyn is onveranderd tussen menslike AD en beheer, in AD breine Fyn-vlakke in somas verhoog word , waar dit met tau -verstrengeling gekolokaliseer word en in sinaptiese kompartemente verminder word (Ho et al., 2005), wat 'n fisiologiese rol van Fyn by sinapse dui.


Intersektien-gemedieerde opruiming van SNARE-komplekse is nodig vir 'n vinnige neurotransmissie

Die vinnige aanvulling van vrystelling-gereed sinaptiese vesikels (SV's) by 'n beperkende aantal presinaptiese vrystellingsplekke is nodig om hoëfrekwensie neurotransmissie in SSS-neurone te onderhou. Daar is getoon dat die versuim om plekke van voorheen geëxociteerde materiaal te verwyder, die aanvulling van die vesikel en dus die vinnige neurotransmissie benadeel. Die identiteit van hierdie materiaal en die masjinerie wat dit van vrystellingswebwerwe verwyder, bly raaiselagtig. Hier toon ons aan dat die endositiese steierproteïen intersektien 1 vrystellingsplekke skoonmaak deur direkte SH3-domein-gemedieerde assosiasie met 'n nie-kanoniese prolienryke segment van synaptobrevin wat in die SNARE-kompleks vir neuroexositose saamgevoeg is. Akute struktuurgebaseerde of volgehoue ​​genetiese inmenging met SNARE-kompleksherkenning deur intersektien 1 veroorsaak 'n vinnige stimulasiefrekwensie-afhanklike depressie van neurotransmissie as gevolg van verswakte aanvulling van vrystelling-gereed SVs. Hierdie bevindinge identifiseer 'n sleutel molekulêre meganisme wat ekso-endositiese koppeling tydens vinnige neurotransmitter vrystelling by sentrale sinapse onderlê.

Sleutelwoorde: SNARE aktiewe sone kelk van Gehou endositose eksositose hippokampus intersektien neurotransmissie vrystelling site sinaptiese vesikel.

Kopiereg © 2019 Die outeur (s). Gepubliseer deur Elsevier Inc. Alle regte voorbehou.


OPSOMMING EN TOEKOMSTIGE AANWYSINGS

Studies van glutamaatweë en sinaptiese meganismes in menslike epilepsie is beperk deur die beperkte beskikbaarheid van weefsel. Dit is veral waar van biochemiese en elektrofisiologiese funksies waarvan die evaluering vars weefsel vereis. Tog toon studies tot op hede dat epileptogenese aansienlike plastisiteit van beide glutamaatbane en glutamaat sinaptiese meganismes behels, ten minste in gebiede van neuronale verlies. Hierdie veranderinge is hoofsaaklik in 'n rigting wat na verwagting hiperexcitabiliteit sal bevorder. 'N Verhoogde digtheid van herhalende opwindende paaie kan die sinchrone afskeiding van die belangrikste neuronpopulasies bevorder.'n Hoë omringende ekstrasellulêre glutamaatkonsentrasie kan nabygeleë neurone depolariseer, 'n toniese Ca 2+ stroom ontlok deur aktivering van ekstrasinaptiese NMDA-reseptore, neuronale prikkelbaarheid verhoog deur Tipe I metabotropiese glutamaatreseptore te aktiveer, en moontlik eksitotoksisiteit te inisieer. Verskeie veranderinge in glutamaatmeganismes kan in samewerking optree om ekstrasellulêre glutamaat te verhoog: verbeterde biosintese van glutamien in senuwee-terminale, verminderde omskakeling na glutamien deur astrasiete, en afregulering van die gliale plasmamembraanvervoerder EAAT2. Studies van dieremodelle dui daarop dat verbeterde vrystelling van glutamaat van beide senuwee terminale en astrocyte ook kan bydra. Plastisiteit van glutamaatreseptore kan ook neuronale opgewondenheid verhoog. Sommige bewyse dui op verbeterde AMPA-reseptoraktivering in beide neurone en astrocyte, sowel as verbeterde uitdrukking en funksie van NR1-NR2B NMDA-reseptore. Alhoewel min bekend is oor die status van glutamaatmetabotropiese reseptore by mense met epilepsie, dui studies op dieremodelle daarop dat die remming van remmende metabotropiese reseptore verminder word. Dus kan toevallige ontkieming van herhalende opwindende verbindings en veranderde pre- en postsinaptiese glutamaatmeganismes potensieel kring-hiperopwekking bevorder.

Gegewe die uitbundige ontkieming van glutamaat -aksone en blykbaar die gereguleerde glutamaat -sinaptiese funksie by letselepilepsie, blyk daar 'n groot potensiaal te wees vir die ontwikkeling van geneesmiddels wat die oordrag van glutamaat belemmer om aanvalle en medisyne wat glutamaatplastisiteit inmeng, te voorkom om die ontwikkeling van epilepsie na neuronale verlies. Die epileptogene potensiaal van hierdie veranderinge hang egter af van waar die verandering tot uiting kom – opwindend vs inhiberende stroombane, opwindend vs remmende neurone en neurone vs glia. Alhoewel studies oor diermodelle oor die algemeen die bevordering van hiperexitabiliteit bevoordeel, is daar geen bevestiging hiervan uit menslike studies nie, afgesien van 'n paar wat fokus op herhalende opwindende kringe in die tandgyrus. 'N Groot nadeel van die ontwikkeling van geneesmiddels wat op glutamaat gebaseer is, is dat glutamaat dien as die oorheersende prikkelende sender in die hele SSS. Dit is dus moeilik om terapie op hipereksitiewe breinweefsel te rig sonder om nadelige gevolge te hê, selfs om lewensfunksies te versteur. Alhoewel meganismes wat glutamaat -oordrag reguleer, verskil in verskillende opwindende paaie, word byna elke vorm van regulering op baie plekke in die brein herhaal. Die beste manier om hierdie dilemma te voorkom, is die ontwikkeling van middels wat glutamaatbane of meganismes teiken wanneer dit ooruitgedruk of ooraktief is, maar nie as dit normaal funksioneer nie. Voorwaardelike negatiewe reseptor modulators sal een voorbeeld van sulke middels wees. Die nut van memantine, 'n blokker van oorgeaktiveerde NMDA -kanale, as 'n behandeling vir die siekte van Alzheimer, dien as 'n presedent vir die tipe middel wat klinies nuttig kan wees.


KORT OPSTEL (5M)

  1. Verduidelik die struktuur en funksies van die selmembraan.**
  2. Beskryf die funksies van die Golgi -kompleks en mitochondria.
  3. Noem verskillende selorganelle met hul funksies.
  4. Onderskei tussen die ruwe en gladde endoplasmatiese retikulum (ER). Wat is die funksies van ER?
  5. Bespreek die struktuur en funksies van ribosome en lisosome.
  6. Teken 'n netjiese benoemde diagram van die sel en skryf die funksies van die kern neer.

KORT ANTWOORDE (2M)

  1. Skryf die funksies van mitochondria neer.
  2. Verduidelik die funksies van plasmamembraan.
  3. Waarom word mitochondria na verwys as 'kraghuise' van die sel?
  4. Waarom word die kern die beheersentrum van die sel genoem? Skryf die funksies daarvan neer.
  5. Beskryf 'n mitochondria
  6. Lysosome en chromosome
  7. Noem die komponente van 'n sel.

Toegang opsies

Kry volledige joernaaltoegang vir 1 jaar

Alle pryse is netto pryse.
BTW sal later by die betaalpunt bygevoeg word.
Belastingberekening sal tydens afhandeling afgehandel word.

Kry tydsbeperkte of volledige artikeltoegang op ReadCube.

Alle pryse is netto pryse.


Sinaptiese oordrag

Die fisiologiese meganismes waardeur een senuweesel (neuron) die aktiwiteit van 'n anatomies aangrensende neuron beïnvloed waarmee dit funksioneel gekoppel is. Breinfunksie hang af van die interaksies van senuweeselle met mekaar en met die klierselle en spierselle wat hulle innerlik maak. Die interaksies vind plaas op spesifieke kontakpunte tussen selle bekend as sinapse. Die sinaps is die kleinste en mees fundamentele inligtingverwerkingseenheid in die senuweestelsel. Deur verskillende patrone van sinaptiese verbindings tussen neurone, word sinaptiese stroombane tydens ontwikkeling opgebou om die verskillende funksionele operasies van die senuweestelsel uit te voer.

Die eenvoudigste tipe sinaps is die elektriese sinaps (sien illustrasie), wat bestaan ​​uit 'n gebied van buitengewoon noue kontak tussen twee selle vol kanale wat oor die twee membrane en die spleet tussen hulle strek. Elektriese sinapse staan ​​ook bekend as gap junctions. Elektriese en metaboliese kommunikasie tussen twee selle word bewerkstellig deur die komponente van die gapingsaansluitings. 'n Verskeidenheid invloede, insluitend kalsiumione, pH, membraanpotensiaal, neurotransmitters en fosforilerende ensieme, kan op die kanale inwerk om hul geleiding in een rigting (rektifikasie) of albei rigtings te reguleer.

Elektriese sinapse is regdeur die diereryk aanwesig. By werweldiere is hulle talle in die sentrale senuweestelsels van visse sowel as in sekere kerne van die soogdierbrein, in streke waar vinnige oordrag en sinchronisasie van aktiwiteit belangrik is. Elektriese sinapse verbind ook gliale selle in die brein met mekaar. Sien Biopotensiaal en ioniese strome, seldeurlaatbaarheid

Die mees algemene tipe verbinding tussen senuweeselle is die chemiese sinaps (sien illustrasie). By chemiese sinapse word neurotransmitters vrygestel uit die presynaptiese sel, versprei oor die sinaptiese splete en bind dit aan reseptore op die postsinaptiese sel. Chemiese sinapse word slegs aangetref tussen senuweeselle of tussen senuweeselle en die klierselle en spierselle wat hulle innerweer. Die neuromuskulêre aansluiting, dit wil sê die aansluiting tussen die aksonterminale van 'n motoneuron en 'n spiervesel, is 'n prototipiese chemiese sinaps. Drie basiese elemente vorm hierdie sinaps: 'n presynaptiese proses (in hierdie geval die motoneuron -aksonterminale) wat sinaptiese vesikels bevat, 'n eindplaat ('n gespesialiseerde kontakplek tussen die selle) en 'n postsynaptiese proses (in hierdie geval, die spiersel). Die postsynaptiese membraan bevat reseptore vir die senderstof wat uit die presynaptiese terminaal vrygestel word.

Die chemiese stof wat dien as die sender by die neuromuskulêre aansluiting by die werweldier, is asetielcholien (ACh). Binne die senuweeterminaal word asetielcholien binne klein sferiese blasies gekonsentreer. In rus, ondergaan hierdie vesikels teen lae dosisse eksositose, wat hul asetielcholien vrystel in kwantale pakkies om oor die spleet te versprei en aan die postsynaptiese reseptore te bind en dit te aktiveer. Elke kwantum gee aanleiding tot 'n klein depolarisasie van die postsynaptiese membraan. Hierdie miniatuur eindplaatpotensiale is vinnig, duur slegs sowat 10 millisekondes, en klein in amplitude, net sowat 500 mikrovolt, onder die drempel om enige reaksie in die spier te bewerkstellig. Hulle verteenwoordig die rustende sekretoriese aktiwiteit van die senuwee -terminaal.

Wanneer 'n organisme sy spiere wil beweeg, word elektriese impulse bekend as aksiepotensiale in die motoneurone gegenereer. Dit word langs die akson gelei en dring die terminaal binne, wat 'n groot depolarisasie van die presinaptiese membraan veroorsaak. Dit maak spesiale spanning-omheinde kanale oop vir kalsiumione, wat die terminaal binnegaan en aan spesiale proteïene bind, wat gelyktydig eksositose van vesikels veroorsaak. Kalsiumione is die deurslaggewende skakel tussen die elektriese seine in die presinaptiese neuron en die chemiese seine wat na die postsinaptiese neuron gestuur word. Die gesamentlike werking van hierdie asetielcholien op postsynaptiese reseptore veroorsaak 'n groot postsynaptiese depolarisasie, wat die drempel oorskry vir die opwekking van 'n impuls in die omliggende membraan, en veroorsaak dat die spier saamtrek. Die werking van asetielcholien by sy reseptor word beëindig deur 'n ensiem, asetielcholienesterase, wat in die sinaptiese spleet teenwoordig is en die asetielcholien hidroliseer na asetaat en cholien.

Om vir neurotransmissie voort te gaan, moet sinaptiese vesikels geregenereer word. Vesikels word vinnig en doeltreffend hervorm in die senuwee -terminale deur endositose. Spesifieke neurotransmittervervoerders binne die membraan vul dan die sinaptiese vesikel met toepaslike neurotransmitter. Die regenereerde vesikel keer óf terug na die plasmamembraan waar dit weer by die losbare poel vesikels aansluit, óf bly in die senuweeterminaal as deel van 'n reserwepoel. Sien Asetielcholien, spiere

In die sentrale senuweestelsel is die presinaptiese proses wat sinaptiese vesikels bevat meestal 'n aksonterminale en die postsynaptiese proses 'n dendriet, wat 'n aksodendritiese sinaps veroorsaak, maar ander verwantskappe word ook gesien. Die effek van die sender op 'n postsynaptiese sel is opwindend of inhiberend, wat beteken dat dit die membraan depolariseer of hiperpolariseer. Of 'n sender 'n opwindende of remmende effek op 'n sel het, word bepaal deur die tipe ioon wat deur die sel se reseptorkanale kan beweeg.

Daar is twee hooftipes sentrale sinapse.

Tipe 1 sentrale sinapse stel gewoonlik 'n aminosuuroordrager vry, soos glutamaat, wie se werking 'n opwindende postsinaptiese potensiaal produseer. By lae vlakke van aktiwiteit bind die glutamaat aan die glutamaatreseptor en aktiveer 'n relatief klein geleidingsverhoging vir natrium- en kaliumione. Glutamaat is die sender in baie opwindende sinapse deur die sentrale senuweestelsel. Die tipe 2 sentrale sinaps word gewoonlik geassosieer met inhiberende sinaptiese aksies. Die mees algemene inhiberende oordrager is gamma-amino bottersuur (GABA). Die meeste remmende interneurone in verskillende streke van die brein maak hierdie tipe sinapse op relaisneurone in daardie streke. Die GABA-reseptor is 'n komplekse kanaalvormende proteïen met verskillende tipes bindingsplekke en verskeie konduktoestande.

Ander klasse sinaptiese senderstowwe sluit in die biogene amiene, soos die kategolamiene, norepinefrien en dopamien, en die indoleamien 5-hidroksitriptamien (ook bekend as serotonien). Sien Dopamien, Noradrenergiese stelsel, Serotonien

'N Laaste tipe senderstof bestaan ​​uit 'n groot verskeidenheid neuropeptiede. Hulle is 'n uiteenlopende groep en bevat stowwe wat die vrystelling van hormone stimuleer, diegene wat optree by sinapse in pynpaaie in die brein (die endogene morfienagtige stowwe, enkefaliene en endorfiene) en baie van die nog onbepaalde funksies. Peptiede kan ook indirek optree en die toestand van 'n reseptor verander in sy reaksie op ander senderstowwe, en dit kan dit op 'n aktiwiteitsafhanklike manier doen. In die lig van die kompleksiteit en stadige verloop van baie van hul effekte, word hierdie peptiede dikwels neuromoduleerders genoem. Sien Endorfiene, hormoon

By sentrale sinapse is vinnige reaksies op senders (tipies binne millisekondes) meestal die gevolg van direkte sinaptiese transmissie, waarin die reseptor self die ioonkanaal is. Sulke reseptore word ionotropies genoem. Daar is egter ander reseptormolekules vir elk van die neurotransmitters, en baie hiervan is nie self ioonkanale nie. Hulle staan ​​bekend as metabotropiese reseptore, en hulle beïnvloed neurotransmissie indirek via 'n stel intermediêre proteïene genaamd G-proteïene. Geaktiveerde G-proteïene het 'n verskeidenheid effekte op sinaptiese prosesse. Sommige word bemiddel deur direkte interaksies met ioonkanale. Baie ander effekte word egter bemiddel deur die aktivering van sellulêre tweede boodskapperstelsels wat boodskappers insluit, soos kalsium en sikliese adenosienmonofosfaat (sikliese AMP). Die tydsverloop vir effekte wat veroorsaak word deur aktivering van G-proteïengekoppelde reseptore is baie langer as dié van ionotropiese kanale (millisekondes), wat die leeftyd van die geaktiveerde G-proteïensubeenhede (sekondes) en tweede boodskappers (sekondes tot minute) weerspieël. Sulke langdurige seine verhoog die kompleksiteit van chemiese neurotransmissie en sinaptiese modulasie aansienlik. Sien Tweede boodskappers

Die sinaps is 'n dinamiese struktuur waarvan die funksie baie afhanklik is van die aktiwiteitstoestand daarvan. Op hierdie manier word die sinaps voortdurend aangepas vir die inligtingslading. By glutamatergiese sinapse bring hoë vlakke van insetaktiwiteit 'n ander oordragtoestand teweeg. Die opbou van postsynaptiese depolarisasie verlig die normale blok van 'n gespesialiseerde glutamaatreseptorkanaal, wat toelating van kalsiumione in die postsynaptiese proses moontlik maak. Aangesien die geleidingsvermoë van die kanaal afhanklik is van die depolariseringstoestand van die membraan, word daar gesê dat dit 'n spanningsbeheerde eienskap het, benewens dat dit deur die sender ligand-gated is. Die kalsiumioon dien as 'n tweede boodskapper om 'n langdurige toename in sinaptiese doeltreffendheid teweeg te bring, 'n proses wat bekend staan ​​as langtermynpotensiëring. Die samevoeging van verhoogde pre- en postsinaptiese aktiwiteit om 'n toename in sinaptiese doeltreffendheid te gee, word Hebbian genoem, en word geglo dat dit die tipe plastisiteitsmeganisme is wat betrokke is by leer en geheue. Sien Leermeganismes, Geheue

Die sinaps is een van die belangrikste doelwitte van dwelmaksies. Die eerste voorbeeld wat geïdentifiseer moes word, was die pylgifgif, wat neuromuskulêre oordrag blokkeer deur aan asetielcholienreseptorplekke te bind. Baie giftige middels werk op spesifieke soorte reseptore. Organiese fluorofosfate word byvoorbeeld wyd gebruikte plaagdoders wat asetielcholinesterase bind en inaktiveer. Die meeste psigo-middels oefen hul effekte op die sinaptiese vlak uit. Sien Senuweestelsel (gewerweldes), Neurobiologie