文摘
軸突初始段(AIS)是一家專業結構之間存在於神經元軸突和somatodendritic域。AIS的神經元的定位非常適合它的兩個主要功能:它是動作電位的射擊,幫助維持神經元極性。它已經變得越來越明顯,AIS細胞骨架是AIS的基礎功能。在本文,我們將討論當前AIS的理解細胞骨架與特別感興趣它獨特的結構和作用,神經元極性的維護。AIS細胞骨架分為兩個部分,submembrane和細胞質,基於定位,功能和分子組成。最近的研究使用電子和subdiffraction熒光顯微鏡表明submembrane細胞骨架組件(錨蛋白G,βIV-spectrin和肌動蛋白絲)形成一個複雜的網絡的AIS在概念上類似於紅細胞的多邊形/三角網絡,處理一些重要的差異。組件的AIS細胞質骨架(肌動蛋白絲,微管和神經纖維細絲)駐留深處AIS軸和顯示來自其他神經元的結構特點不同的域。我們將討論如何AIS submembrane和胞質骨骼為AIS極性功能和突出的不同方麵最新進展在理解他們的AIS細胞骨架組裝和穩定。
1。介紹
神經元是高度分化的細胞形成的基礎指導神經係統中的信息流。每個神經元的形態,包括兩個截然不同的領域。一端,somatodendritic域包含胞體(soma),多個樹突,和短的地區的近端軸突毗鄰soma(軸丘),而軸突域項目長軸突離軸丘對下一個神經元在神經回路或對目標組織,軸突分支到多個終端,形成突觸。功能、信息流開始somatodendritic域,接收來自相鄰的突觸輸入或遙遠的神經元,隨後被傳遞到軸突域,專門從事發送信號到下一個神經元在神經回路或目標的組織。
神經元的功能和形態極性取決於特定分子的非對稱分布的軸突和somatodendritic域。這些領域之間建立分子不對稱是在早期神經元軸突規範發展的基礎。然而,長期維護的神經功能和形狀、軸突和樹突必須保留其獨特的分子組件在整個生命的有機體。軸突初始段(AIS)是一家專業室在神經元和軸突somatodendritic組件。AIS獨特定位在近端軸突,毗鄰和遠端軸突的,它有兩個功能:(1)整合突觸輸入和產生動作電位和(2)維持神經元極性。AIS的角色動作電位的起始和突觸輸入集成廣泛討論了最近的評論(1- - - - - -4),將不會被審查。
神經元極性的AIS有助於維護至少在兩個方麵:首先,作為submembrane擴散屏障限製等離子體膜組件的流動性,防止他們從一個域到另一個(5,6];其次,它充當一個胞內運輸的選擇性濾波器通過細胞質中細胞器和分子在這些領域。擴散屏障和細胞內選擇性濾波器有助於成功地維持神經元極性,這成功是部分原因是AIS細胞骨架的不同方麵。
除了AIS, Ranvier的一些神經元包含節點,小周期差距周圍軸突的髓鞘。Ranvier節點的部分原因是驚人的速度沿著軸突和傳播的信號傳輸。雖然節點Ranvier特色,有許多方麵和AIS的蛋白質成分和跳躍神經傳導產生動作電位的能力,節點沒有牽連到目前為止在polarity-related功能和將討論隻有最低限度指出一些關鍵的相似或差異相對於AIS結構。最近的組裝和維護的詳細評審節點,看到7,8]。
本文的總體目標是討論當前的理解AIS在AIS功能細胞骨架組織及其作用。我們從AIS結構的概述開始,緊隨其後的是更深入的審查AIS組成和架構,以及某些特性的AIS在神經元極性細胞骨架結構支撐作用。我們最後的討論機製AIS細胞骨架組裝和維護。
2。AIS結構概述
AIS占地約20μ米的近端軸突長度。AIS的結構最初是由早期的電子顯微鏡研究了使用薄片的腦組織(9,10]。這些研究證明了AIS的兩種截然不同的特征結構:稠密等離子體膜下層絨毛和微管成束,本地化AIS細胞質內的更深入。因此,在橫截麵,AIS可以分為三個主要的層或區域:等離子體膜(最外層表麵),submembrane細胞骨架與質膜對應底漆(中間層),和內心的AIS軸(胞質地區)(圖1)。這些層集成的多疇的支架蛋白錨蛋白G (AnkG)函數作為一個主AIS的組織者。
(一)
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(c)
(d)
AIS的質膜是不同的從軸突的域(此處也稱為遠端軸突)因為它是富含專業跨膜蛋白,包括電壓門控離子通道,它賦予獨特的電學性質Ranvier的AIS和節點,和特定的細胞粘附分子(攝像頭)。
的submembrane細胞骨架在AIS極性功能中扮演著關鍵角色,因為破壞其結構妥協軸突的身份。它的蛋白質成分是由光學顯微鏡研究顯示幾個membrane-binding和細胞骨架蛋白的積累AIS。目前已知的主要細胞骨架成分組成submembrane AIS細胞骨架包括肌動蛋白絲,大師的組織者AIS錨蛋白G (AnkG)βIV-spectrin。最初的想法關於這組的組織和功能蛋白質來自對紅細胞的研究,這些或相關蛋白質形成一個高度穩定和彈性細胞骨架網絡(11- - - - - -15],是賦予重要的機械穩定性和彈性細胞穿過血管(11]。現在知道一個類似ankyrin-spectrin-actin網絡,盡管具有不同幾何,組成submembrane AIS和遠端軸突的細胞骨架16- - - - - -20.),可能與紅細胞的功能(21]。
AIS的胞質區域,內心的AIS軸,包含三個主要的細胞骨架纖維:神經纖維細絲,微管和肌動蛋白絲。這些細胞骨架組件無所不在神經元和神經形態學的各個方麵,完整性和功能(22- - - - - -24]。在AIS,這些纖維被認為是額外的角色導致AIS功能的不同方麵。
3所示。錨蛋白G
因為它的名聲主組織者,AnkG可能被視為最重要的AIS組成。在哺乳動物中,錨蛋白通過三個不同的基因編碼,錨蛋白R (ANK1),錨蛋白B (ANK2)和錨蛋白G (ANK3),所有這些都有相似的結構和功能,並接受可變剪接生成多個亞型(25]。兩個大AnkG亞型,270 kDa和480 kDa,特異性神經元和本地化尤其是在AIS和遠端軸突在Ranvier的節點(26,27]。AnkG作為主人組織者的角色是由集群的觀察,它是第一個蛋白質後的近端軸突軸突規範,新兵幾乎所有其他AIS蛋白質質膜和submembrane地區(28- - - - - -31日),並在所有層與組件交互的AIS (11,16]。
在AIS AnkG的多方麵的活動在一定程度上取決於AnkG分子的各種領域。從它的n端,AnkG包含一個membrane-binding域組成的24錨蛋白重複(33-amino酸主題參與蛋白質識別),後跟一個spectrin-binding域,serine-rich域中,很可能非結構化,尾巴,和c端域(32)(圖1)。AnkG associates在質膜組件和血影蛋白通過其membrane-binding submembrane地區和spectrin-binding域,分別。的AnkG c端尾部延伸到內部AIS軸(16),可能同事互動與其他合作夥伴。例如,AnkG被認為與微管和包他們(11),這可能會導致微管的形成成簇AIS的胞質地區,盡管AnkG之間的直接相互作用和神經束的AIS尚未顯示。
AnkG是必不可少的本地化和保留其他AIS的蛋白質。損耗的神經元幹擾或阻止AIS的形成(Ranvier的節點)。AnkG不足也會導致一些神經係統疾病的病理(如癲癇、精神分裂症、雙相情感障礙、自閉症譜係障礙,和阿爾茨海默病)(33,34]。突變小鼠缺乏AnkG小腦發展嚴重的共濟失調和無法啟動動作電位,可能由於觀察的損失在AIS的浦肯野神經元電壓門控鈉通道(28,29日]。在體外,浦肯野和海馬神經元缺乏AnkG表現出類似的損失的鈉離子通道和其他AIS的蛋白質(29日,35,36]。因此,AnkG AIS發展和穩定的一個關鍵角色,需要神經係統的長期健康。
4所示。AIS等離子體膜
的主要蛋白質特別是積累AIS質膜包括離子通道及細胞粘附分子L1(攝像頭)的家庭。這些跨膜蛋白招募AIS質膜與氨基通過交互membrane-binding AnkG的領域。
AIS-enriched離子通道包括電壓門控鈉(Nav), (Kv),鉀和鈣(Cav)通道。Nav積累渠道在AIS是至關重要的為本地內離子電流產生動作電位(37]。Nav渠道包括四個跨膜域(I-IV編號),每一個都包含六個membrane-spanning段。Nav通道綁定AnkG通過AIS-targeting主題之間的胞質循環跨膜域i ii (38,39]。的主要導航通道亞型豐富AIS 1.6包括導航,導航1.2,和導航1.1,但這些渠道的具體分類及其縱向分布在AIS(例如,遠端和近端)依賴於神經元的特定類型和發展階段(40- - - - - -42]。觀察,一些通道亞型可以不對稱地分布在AIS凸顯了AIS本身概念可以進一步subcompartmentalized沿著它的長度。機製導致這縱向不對稱顯然包括額外的目標除了綁定AnkG決定因素,因為大多數AIS跨膜蛋白,包括導航通道亞型,熊類似AnkG結合位點。然而,這些機製目前還不清楚。
鉀通道在AIS集群對於調節動作電位放電是至關重要的,因為它會抑製神經元興奮性(31日,43]。Kv7.2和Kv7.3 (KCNQ2/3)熊AIS-targeting主題類似於Nav渠道和積累作為homomeric Kv7.2和heteromeric Kv7.2/7.3複合物(31日]。Kv1.1 AIS和Kv1.2渠道也豐富。但是,與Kv7.2 Kv7.3,它們不包含一個標識ankyrin-binding主題。相反,Kv1.1和Kv1.2通道綁定在遠端AIS突觸支架蛋白psd - 93 (44,45),這本身就是豐富通過一個未知的機製。Kv1.1 Kv1.2功能與鈣通道Cav2和Cav3(分布於整個AIS)調節動作電位的起始(1]。
除了離子通道、L1凸輪neurofascin 186 (nf - 186)和神經細胞粘附分子(NrCAM)積累在AIS AnkG-dependent方式(11]。nf - 186和NrCAM都是單程的跨膜蛋白,含有長鏈的纖連蛋白和免疫球蛋白在細胞外區域和重複綁定AnkG通過一個高度保守的序列(FIGQY)的胞質域(46]。有趣的是,一個AnkG分子可以同時容納至少兩個攝像頭和一個離子通道(11]。攝像頭的意義在AIS可能涉及連接submembrane AIS細胞骨架結構在AIS,如細胞外基質或其他細胞。例如,nf - 186在海馬神經元AIS細胞外基質的新兵組件(例如,brevican) [36]。此外,nf - 186規範的形成和維護gaba ergic AIS的浦肯野神經元之間的突觸和軸突末端的籃子中間神經元(47]。這些axon-AIS突觸是重要的調節突觸集成和動作電位的起始。
由於蛋白質質膜和submembrane區域之間的相互作用,這些組件的submembrane細胞骨架(如AnkG和βIV-spectrin)不僅調節離子通道和攝像頭的招聘和保留,而且他們的組織(48]。此外,離子通道的能力和攝像頭固定在細胞骨架網絡有助於AIS在神經元極性的角色,不僅質膜的電活動(下麵進一步討論)。
5。AIS Submembrane細胞骨架
5.1。蛋白質的組成AIS Submembrane細胞骨架
AIS的地區立即下包含細胞骨架蛋白肌動蛋白和質膜βIV-spectrin以及氨基的AnkG分子跨膜蛋白和交互βIV-spectrin。
血影蛋白分子通常代表αβ-heterotetramers(兩個α——和兩個β子單元),150 - 200 nm長杆狀結構靈活。α血影蛋白亞基通常由一個不完整的血影蛋白n端重複,20個完整的血影蛋白重複,一個SH3 (Src同源性3)域插入血影蛋白重複9(也稱為血影蛋白重複10由於曆史原因),和一個c端域包含兩個類ef - hand圖案,隻有其中一個可以綁定鈣(圖1 (c))。經典β-spectrins組成一個氨基端actin-binding域,緊隨其後的是16個串聯全血影蛋白重複,一個不完整的17血影蛋白重複,一個變量地區特定的個人β血影蛋白亞型(也稱為特定的域),和一個c端pleckstrin同源性(PH)域(圖1 (c))。在每一個血影蛋白四聚物,不完整的血影蛋白的n端重複α亞基的糖基β亞基相互作用,形成一個完整的血影蛋白重複,形成一個平行的縱向異質二聚體,反過來,同事用第二二聚體在一個反平行的方式通過前兩個之間橫向互動β血影蛋白重複和最後兩個α血影蛋白重複(圖1 (c))[49]。因此,這兩個β血影蛋白四聚體與氨基端actin-binding東方域內的子單元兩端,在那裏他們可以與肌動蛋白絲,和c終端麵對彼此,而不是直接交互,中心的分子。β血影蛋白與AnkG通過重複14日至15日35,50- - - - - -53]。因此,錨蛋白和肌動蛋白絲可以通過綁定到血影蛋白分子相互作用β血影蛋白,而不是α血影蛋白亞基。膜細胞骨架的紅細胞,血影蛋白分子交聯由短肌動蛋白絲在所謂的交界複合物多邊形/三角網絡,它被拴在膜主要由錨蛋白R,而且由組件的連接複合體11- - - - - -15]。
在哺乳動物中,β-spectrins通過五個不同的基因編碼,但隻有βIV-spectrin被發現特別本地化AIS在成熟神經元(11]。脯氨酸特定領域(SD)βIV-spectrin 17血影蛋白之間的重複和PH值領域一直假設賦予特定的功能βIV-spectrins,可能允許未知蛋白質的招聘Ranvier的AIS或節點30.]。的βIV-spectrin基因或者拚接生成六個亞型(β四世1 -β四世6)(30.,54]。兩種亞型,β四世1,β四世6,眾所周知,特別是AIS和節點的集群Ranvier周邊和中樞神經係統神經元,而其他βIV-spectrin亞型(不54,55]。最初,β四世1-spectrin被認為是最重要的,因為它包含一個actin-binding域是唯一的AIS同種型,從神經元及其選擇性耗盡導致AIS和節點消失55]。然而,截β四世6同種型,也缺乏前十血影蛋白n端和重複(54,55)(圖1 (d)),是表示相對更高β四世1 (30.)和專門參與導航信道穩定Ranvier的AIS和節點56]。這表明兩種亞型可能有助於維護AIS膜和細胞骨架蛋白。然而,截β四世6同種型不救援膜不穩定(膜分離波浪)造成的缺失β四世1 (56),預計不會與肌動蛋白絲。因此,它仍然是不清楚的β四世6血影蛋白對細胞骨架的功能。
隻有兩個α血影蛋白基因在哺乳動物中,αI-spectrin優先用紅細胞細胞表達和無處不在αII-spectrin,這兩個接受可變剪接產生不同的亞型。α我和βI-spectrin子單元的主要組件構成紅細胞的膜骨架,也在一個子集的神經元中表達的57]。神經細胞也表達α我/β我2,α2 /β二世1(稱為大腦血影蛋白)的子單元,分別定位somatodendritic域和遠端軸突(主要58,59]。在浦肯野神經元,βIII-spectrin優先表達somatodendritic域(60]。令人驚訝的是,目前尚不清楚是否有α血影蛋白存在於AIS。雖然β四世1,β四世6可以從大腦溶解產物的免疫沉澱反應α二世血影蛋白抗體(56),immunolocalization數據支持的存在α二世血影蛋白在AIS目前不可用。
肌動蛋白絲薄(~ 7納米直徑)螺旋聚合物製成的球狀肌動蛋白亞基。肌動蛋白細絲是動態和極化,聚合帶刺的結束,解聚指出結束。對於他們的一些功能,肌動蛋白絲作為穩定聚合物固定長度存在由於協會actin-binding沿長度和兩端的蛋白細絲。例如,在交叉的複合物的紅細胞,肌動蛋白絲長度和穩定控製,在一定程度上指出——barbed-end限製蛋白質tropomodulin adducin,分別由原肌球蛋白沿著[15]。
肌動蛋白絲最初認為是高純度的AIS和形式的大部分擴散勢壘區負責極性(61年,62年]。然而,後來的研究顯示,盡管在AIS肌動蛋白絲存在,它們隻有最低限度豐富相對於遠端軸突(19]。這些細絲通常被認為是相對穩定的,類似於紅細胞穩定肌動蛋白絲。然而,很少有人了解的因素確定的肌動蛋白絲AIS的穩定性。到目前為止,無論是tropomodulin還是原肌球蛋白被確認在近端或遠端軸突的原因。barbed-end限製蛋白質adducin,另一方麵,與軸突現在和colocalizes肌動蛋白在神經元的發展。然而,cytoskeleton-associated adducin人口的近端年輕神經元的軸突從AIS隨著神經元的成熟逐步失去了(19]。同時,目前還不清楚到什麼程度βIV-spectrin或其他蛋白質可能在AIS副沿纖維長度,有助於肌動蛋白絲穩定。因此,AIS的肌動蛋白穩定機製仍然是一個懸而未決的問題。
5.2。架構的AIS Submembrane細胞骨架
AIS底漆的精細結構,薄切片電鏡出現模糊層質膜下麵,最近被鉑副本解決詳細電子顯微鏡(06)(圖2)[19]。這項研究證明了一個了不起的密度,以及明顯的彈性,submembrane AIS的細胞骨架,確定了其關鍵部件在一個大分子決議標簽然後使用電鏡下觀察。從這個分析是整個新興,AIS細胞骨架代表一個複雜和高度集成的網絡submembrane和跨膜蛋白覆蓋微管位於AIS內部。這些發現早些時候提供結構性的證據支持的想法,AIS-enriched蛋白質被光學顯微鏡組成膜底漆。
(一)
(b)
(c)
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(e)
互補洞察AIS組件組織在全球範圍內獲得了使用subdiffraction熒光顯微鏡。類似於其他熒光技術,subdiffraction顯微鏡評估一次隻有一個或兩個標記蛋白,大大減少獲得圖像的複雜性。同時,它可以想象更多細節與衍射極限的方法。使用隨機光學重建顯微鏡(風暴),據透露,環形肌動蛋白絲信號(也稱為肌動蛋白環)周期性分布在整個軸突長度包括AIS,每個肌動蛋白環間距~ 190 nm除了其鄰國(圖1)[16,18,20.]。
這個空間被認為是由血影蛋白分子,因為典型的長度α血影蛋白/β血影蛋白四聚體~ 190 nm。事實上,c終端β-spectrins (β遠端軸突和IIβAIS IV)定位在相鄰的肌動蛋白被發現戒指,符合他們的位置在中間的血影蛋白四聚物,而actin-binding N-termini與肌動蛋白與戒指。的可視化βIV-spectrin風暴在AIS使用3 d顯示,N和c端域βIV-spectrin位於同一平麵內submembrane細胞骨架(16]。盡管這些發現的最簡單的解釋是βIV-spectrin合作夥伴的α血影蛋白形成傳統heterotetramers,從沒有出現並發症α血影蛋白已被確認到目前為止在AIS。一種可能性是,α血影蛋白存在於AIS但還有待發現。另一個可能性是其中一個βIV-spectrin亞型(可能β四世6)某種替代品α血影蛋白,盡管這種替換是模糊的生化機製。它也不清楚β四世6-spectrin招募和AIS的安排。考慮到c端βIV-spectrin抗體檢測兩種β四世1,β四世6亞型和展品長程周期性交替與肌動蛋白戒指,c終端兩種亞型可能colocalize肌動蛋白之間的中心環。的位置β四世6 n端沒有被調查。它可以結合β四世1在質膜或擴展的周期性網絡向質膜,它可以幫助調節導航信道集群(56]。自β四世6可以本地化的AISβ四世獨立的方式(56),這可能是鄰近肌動蛋白之間的定位環與AnkG交互。這將是有趣的,看看β四世6周期性形式或仍然缺乏β四世1同種型。
AnkG和錨蛋白B (AnkB)也觀察到風暴展覽周期定位相鄰環肌動蛋白在AIS和遠端軸突,分別為(20.]。錨蛋白可能依賴的周期性和間距β血影蛋白,因為錨蛋白結合β血影蛋白接近β血影蛋白的糖基。然而,周期性的錨蛋白與肌動蛋白和強勁β-spectrins,可能是因為每個血影蛋白四聚物包含至少兩個ankyrin-binding網站,每個位置稍有偏心的血影蛋白分子,(可能是也可能不是完全占領了這52,53]。一致,AIS AnkG約束力的合作夥伴,如離子通道,也表現出隻有大約定期組織(20.]。分析AIS AnkG組織的使用領域特定的抗體顯示,而氨基端spectrin-binding serine-rich AnkG領域都表現出一個周期模式,AnkG c端區域的顯示可憐的規律(16,18,20.]。這種安排進一步的證實β包含spectrin-binding IV-spectin施加周期性的AnkG n端網站,而非結構化AnkG逐漸失去周期性[c端尾的16,18)和內部exends AIS細胞質(稍後討論)。
也有重要的突出問題與周期性的肌動蛋白環的性質。通過與紅細胞類比,肌動蛋白在戒指是代表短、穩定絲因為他們與adducin colocalize軸突(20.]。然而,這種纖維的實際長度是未知的和他們的穩定是有問題的。因此,肌動蛋白的很大一部分是枯竭的肌動蛋白環AIS治療後肌動蛋白解聚藥物latrunculin,而其餘肌動蛋白仍表現出周期性組織(16]。相比之下,latrunculin治療完全擾亂了肌動蛋白周期性在遠端軸突18,20.]。adducin以來特征作為一個弱barbed-end限製蛋白質(相對於其他barbed-end封口機,如gelsolin或capZ) (63年)和其他actin-stabilizing蛋白質,如tropomodulin和原肌球蛋白,尚未報道定位軸突環,軸突的肌動蛋白絲的局部穩定性並不太令人吃驚。至於AIS, maturation-dependent adducin損失從這個地區19)使肌動蛋白絲的狀態推斷從風暴數據更不確定。
後直接可視化的肌動蛋白絲PREM選擇性標記顯示,然後由肌球蛋白subfragment 1或電鏡下觀察在AIS submembrane細胞骨架,肌動蛋白細絲的存在兩個人群:相對較長的細絲(~ 330海裏),可分為動態,因為他們都是敏感肌動蛋白解聚藥物latrunculin B住gelsolin神經元和切斷的細胞骨架製劑和短穩定的細絲,表現出抗這些療法(19]。肌動蛋白的數量之間的相關性檢測到06和風暴還不清楚。亞微米長肌動蛋白絲沒有明確報道研究應用subdiffraction熒光顯微鏡,盡管他們是可見的AIS的寬場熒光顯微鏡的衍射極限puncta [19]。雖然短PREM圖像穩定的肌動蛋白絲似乎好候選人對應於肌動蛋白環subdiffraction技術觀察到,他們沒有在06 AIS的圖像顯示明顯的周期性。鍾山等人報道,洗滌劑PREM準備中斷周期提取過程用於肌動蛋白組織(18]。考慮PREM製備過程的能力保護甚至在AIS(動態肌動蛋白絲19),奇怪的是,它會導致重大損失的肌動蛋白絲環被認為是穩定的,雖然不能排除部分損失。也有可能actin-spectrin網絡獲得定期組織針對縱向張力,存在於生活的神經元,但釋放後洗滌劑提取所需暴露PREM分析的細胞骨架。在這個場景中,所有組件保持不變但失去對齊沒有緊張。因此,需要進一步研究解決06和風暴數據之間的差異。
周期性的肌動蛋白在神經元是否有功能意義或僅僅由於縱向拉伸submembrane網絡仍未確定。另一方麵,獨立的函數定義了穩定和動態種群AIS的肌動蛋白絲。當兩個肌動蛋白絲和微管解聚在membrane-extracted海馬神經元,AIS的submembrane細胞骨架仍然非常完好和短肌動蛋白絲保持穩定納入細胞骨架網絡,雖然動態肌動蛋白絲移除。因此,我們推測,短期穩定肌動蛋白絲很可能保持結構完整性的關鍵的AIS submembrane細胞骨架,可能通過鏈接血影蛋白分子,大致類似於紅細胞聯接的複合物。另一方麵,動態時間越長纖維可能發揮重要作用在結構動力學或AIS的可塑性。支持了這個觀點的發現,在海馬神經元latrunculin B,對待生活的submembrane細胞骨架出現損壞(包含漏洞或缺口)在AIS分支連接,在正常情況下,細胞骨架網絡似乎接受“拉伸”針對張力施加的軸突分支(19]。也許,動態肌動蛋白有助於修複機製在細胞骨架網絡的實例損壞是由於破碎機械應力。AIS也接受位置和長度的變化被稱為神經元興奮性的方式來調整(64年- - - - - -66年]。動態肌動蛋白絲可能也在這種類型的AIS重塑功能。
在一起,最近的研究使用電子或subdiffraction熒光顯微鏡表明submembrane AIS細胞骨架成分形成一個複雜的網絡,在概念上類似於紅細胞的多邊形/三角網絡16- - - - - -20.]。在這個submembrane AnkG /βIV-spectrin /肌動蛋白細胞骨架,βIV-spectrin(有或沒有一個α血影蛋白伴侶)似乎安排沿著AIS長度、縱向連接相鄰的肌動蛋白環。一些幾何差異在神經元網絡組件的組織和紅細胞可能來自不同的細胞內的分布和不同形狀的這些細胞。AnkG結合spectrin-actin網絡通過其spectrin-binding域和連接等離子membane這個網絡,通過其membrane-binding域名綁定離子通道和攝像頭。c端地區AnkG延伸到AIS cytosplasm也許spectrin-actin網絡鏈接到細胞內細胞骨架的組成部分。
5.3。貢獻的AIS Submembrane細胞骨架擴散障礙
證據的AIS擴散障礙首先來源於觀察到熒光脂質質膜的培養海馬神經元不能從遠端軸突的領域,在那裏他們自由擴散,somatodendritic域(6]。隨後的研究表明,擴散質膜蛋白質的AIS也阻止了(5,67年]。的流動限製蛋白質和脂質在AIS被認為依賴submembrane細胞骨架。破壞肌動蛋白細胞骨架由latrunculin B治療增加了內在流動性在L1的AIS凸輪(跨膜蛋白)和Thy-1 (GPI-anchored蛋白質,因此跨質膜的外層膜)(5),以及單熒光標記活細胞成像追蹤的脂質(62年]。此外,當珠子在L1或Thy-1拖在AIS等離子體膜使用光學鑷子,後他們搬到更遠的距離接觸latrunculin b根據這些觀測,中田宏et al。(2003)提出了anchored-protein樁模型,暗示了submembrane細胞骨架作為關鍵因素障礙函數(62年]。
根據這個模型中,等離子體的流動膜組件、蛋白質和脂質,在很大程度上是受到跨膜蛋白,或“糾察隊員,”自己固定在錨地底層的肌動蛋白細胞骨架,或“柵欄”[6,62年]。目前而言,柵欄的角色應該分配給submembrane網絡由血影蛋白和AnkG少量的肌動蛋白,而不是一個密集的肌動蛋白網絡,作者提出的。錨定蛋白,或抗議示威,可能對應於離子通道和凸輪集群在AIS質膜和附著在submembrane通過AnkG細胞骨架。支持這個想法,它已經表明,屏障形式隻有在AnkG-dependent固定資產淨值的頻道,獨自和AnkG積累不足的障礙函數(67年]。組件的AIS submembrane細胞骨架與質膜脂質也貢獻,直接或間接,糾察。例如,AnkG是固定在質膜在其通過棕櫚酰氨基端地區錨(68年]。此外,βIV-spectrin被認為與質膜磷酸肌醇通過其PH值的域(69年),和老鼠缺乏βIV-spectrin PH值節點域展覽受損Ranvier的分子和結構極性(30.,70年,71年]。AIS質膜脂質成分也會影響膜流動性,因此擴散屏障功能,但又這方麵的AIS組織在很大程度上是可以理解。
看來,屏障功能主要通過蛋白質聚集在AIS和質膜的具體組織和細胞骨架成分可能無關緊要的屏障功能。例如,如果AIS組織是重要的屏障功能,那麼人們所預料的障礙形成期間或之後AIS安排成一個周期模式。相比之下,可用數據表明,屏障功能已經7至10天在體外(DIV) [62年),而AIS成為周期隻在12 DIV [18]。然而,潛在的不同的文化條件很難解釋在這些無關的研究,這將有助於解決這個問題在相同的研究。不管submembrane周期性的影響,細胞骨架似乎有助於AIS擴散障礙主要是由蛋白質固定提供一個平台,從而使他們能夠限製等離子體的流動膜組件通過位阻或直接交互,可能獨立於AIS-specific組織(61年,62年]。
將軸突實際上失去極性如果AIS submembrane細胞骨架破壞嗎?在這方麵,實驗破壞肌動蛋白絲不完全信息,因為重要的影響在許多其他方麵的神經功能混淆的結果。另一方麵,針對一個AIS-specific蛋白質,例如,AnkG,不太可能會引入二次後果也可能影響極性。損耗的AnkG培養海馬神經元不僅放棄了AIS也導致軸突部分失去自己的身份:他們獲得膜和細胞質蛋白質通常發現隻在somatodendritic域(72年]。更重要的是,這些軸突也開發刺和興奮性突觸後密度在其近端區域(72年),這一現象在神經元缺乏AnkG也觀察到在活的有機體內(73年]。這些數據支持的想法AnkG-dependent submembrane細胞骨架在神經元極性的AIS是很重要的。然而,破壞軸突的身份隻是部分(即。,proximal) following AIS disassembly, because more distal axon regions retain axonal markers. Therefore, additional investigation is required to determine whether a distal barrier exists in axons or whether other mechanisms contribute to maintenance of axon identity in this region. Since knockout ofβIV-spectrin導致的部分損失Nav渠道和AnkG Ranvier [AIS和節點的30.,55,56,74年),這也將導致神經元極性,但實驗直接測試的角色βIV-spectrin維持軸突或somatodendritic身份缺乏。
6。細胞骨架的內部AIS軸
像其他神經元,AIS的細胞質中含有微管,神經纖維細絲,AIS和肌動蛋白絲,但差異存在的這些纖維的結構和組織。此外,由於非結構化的c端尾AnkG延伸到AIS細胞質,執行與細胞質組件潛在的相互作用,我們把它作為一個組成部分內部AIS軸。
6.1。AnkG c端尾
風暴AIS的橫斷麵視圖獲得的3 d成像表明,c端尾AnkG領域延伸到submembrane spectrin-actin網絡平均26海裏相對深度βIV-spectrin糖基的最大深度~ 140 nm,進入細胞內AIS軸(16]。~ 140 nm的深度可能反映了最大內在AnkG分子在細胞的長度,然後在電鏡下觀察,建議PREM數據揭示一些AnkG分子彎曲細絲一樣薄,長度可達~ 150 nm (19,75年]。通過滲透深入AIS細胞質,AnkG可能與細胞質約束力的合作夥伴,如微管成簇。然而,深深滲透AnkG反麵的實例是罕見的,表明他們很少達到微管成束,根據電子顯微鏡數據存在整個AIS內部(9,10,76年]。相比之下,基於3 d風暴數據,微管報告顯示平均深度為85 nm以下質膜(16),建議主要外圍本地化AIS的微管,這似乎與電子顯微圖的薄組織衝突部分(9,10,76年]。未來的分析需要解決這種差異。
6.2。微管
在AIS和遠端軸突,微管是一致的與他們+目的指向軸突的技巧,而在樹突微管通常混合取向,與他們加上結束麵臨遠離或靠近soma (77年- - - - - -79年]。遠端軸突和樹突的橫截麵圖揭示微管間距為25和65 nm,分別為(80年]。這種差異在interfilament間距可能是因為與不同的微管相關蛋白(地圖),來調節微管捆綁。MAP1B和τ主要裝飾微管在軸突81年- - - - - -84年),而MAP2定位專門somatodendritic域(85年- - - - - -87年]。表達式的τ和MAP2 nonneuronal細胞導致微管的interfilament間距25和65 nm,分別,類似於觀察軸突和樹突(80年]。
在AIS,微管更緊密地擠進神經束(9]。微管束可以被定義為一組個人微管,彼此平行對齊和緊密交聯成一捆。與遠端軸突或somatodendritic域不同,微管在AIS神經束分別塗覆雲的密度材料,可能相應的地圖或其他調控蛋白,通過薄的纖維連接到鄰近的微管創建12海裏橋(9,10]。這些橋梁連接平行的微管在一起成一個係列,這樣(截麵)每個分冊似乎形成一個分支或線性鏈。根據神經元類型和AIS的直徑,成簇的數量從3到7,和單個微管的數量在每個分冊可以改變從2到259]。在電子顯微圖中特別有指導性經常出現含有1 - 3個人不叢狀微管(9]。像分冊的微管,這些個人AIS微管被雲包圍的致密材料和通常似乎包含一個或兩個纖維從表麵(10),從而表明個人AIS微管可能在結構上類似於神經束內微管。
成簇可能被認為是主要的AIS的獨特的特征,因為他們是缺席所有其他神經區域,甚至Ranvier的節點,微管均勻分散並且顯示鬆散綁定或nonbundled安排(9]。Ranvier缺乏成簇的節點可能是出乎意料的從節點與AIS分享許多功能,包括類似的膜和submembrane蛋白質成分(8,88年,89年),定期組織submembrane細胞骨架(17]。Ranvier的另一方麵,節點與AIS尚未涉及極性函數,表明束狀微管可能是特別相關的角色AIS神經元極性的決心。
AIS的微管分冊生成怎麼樣?最近的一項研究發現了軸突三方主題地圖包含(修剪)蛋白質,TRIM46,作為一個潛在的關鍵因素AIS微管成簇的形成和維護(90年]。特別是,當海拉細胞表達TRIM46誘發包~ 5 - 9個人組成的微管間距與微管在AIS神經束10]。在各種神經類型,TRIM46定位專門微管在近端軸突,但不是在Ranvier的節點。此外,在早期神經發展,TRIM46積累在一個神經突(即。前,未來的軸突)甚至形態確定為一個軸突90年]。這樣的早日到來TRIM46未來軸突和06是一致的數據顯示,微管束狀已經明顯3 DIV [19]。然而,目前尚不清楚是否AIS-specific神經束是分別進行或未能形成沒有TRIM46,盡管TRIM46擊倒抑製神經元的早期階段極化和水泡販賣影響軸突90年]。也許TRIM46的主要功能是AIS微管組織成統一並行數組,一個想法,支持數據顯示微管在近端顯示混合取向TRIM46-depleted海馬神經元的軸突(90年]。
額外的有前途的候選人產生或維持微管成束包括微管一端綁定(EB)蛋白,一個家庭成員的微管左端的跟蹤蛋白質(+技巧),發現積累的AIS (91年,92年]。通常,EB蛋白質動態綁定到加的微管調節微管增長增長。通用EB1和特異性神經元軸突和樹突EB3顯示左端的跟蹤活動(78年,93年- - - - - -97年]。相比之下,EB AIS的蛋白質被認為是穩定約束沿整個長度的微管成簇(91年]。然而,報告的時機EB蛋白定位在AIS發展是矛盾的。初步實驗顯示EB協會沿著微管點陣隻有當AIS是成熟的92年),這表明EB蛋白質可能不啟動一簇的形成,在AIS發生早期發展(19),但可能有助於維持神經束。在最近的一項研究中,然而,EB蛋白質被發現本地化近端軸突早在480 kD DIV,他們專門與交互AnkG同種型和AnkG積累和穩定是重要的早期AIS (98年]。因此,合作EB蛋白質和480 kD AnkG可能指定的位置AIS在早期發展。需要進一步研究解決的發展時機EB蛋白質積累在AIS和確定EB在微管束狀蛋白質有直接的作用。
6.3。肌動蛋白
除了形成周期性的戒指在submembrane細胞骨架,肌動蛋白可以形成其他漢斯在AIS和軸突。例如,在軸突,肌動蛋白通常是發現組織的小補丁branched-filament網絡(99年]。這些小肌動蛋白補丁作為前體絲狀偽足,可以反過來引起軸突,並可能AIS,分支17,19,99年,One hundred.]。也有證據表明,AIS肌動蛋白補丁可能另外提供腳手架支持突觸前劍頭,自補丁colocalize突觸前標記(17,101年,102年]。一些肌動蛋白補丁也認為在膜泡運輸功能(下麵討論)103年]。Subdiffraction顯微鏡也表明肌動蛋白絲出現沿AIS和遠端軸突形成包不同長度和神經元的定位取決於年齡17,20.]。然而,肌動蛋白在多大程度上補丁和包位於AIS內部還是他們大多表示表麵結構還有待證明。
6.4。神經纖維細絲
神經纖維細絲是中間絲和顯示的類~ 10 nm的直徑。在軸突神經纖維細絲豐富,他們發揮著重要的作用在調節軸突直徑,進而影響電信號傳導的速度(35,104年- - - - - -108年]。這種能力的神經纖維細絲控製軸突直徑,因此信號,取決於的密度和纖維之間的間距。interfilament間距是由磷酸化神經絲的子單元,導致小擴展毛發狀的外觀“隨身武器”,結合周邊絲(109年- - - - - -111年]。遠端軸突的神經纖維細絲平行縱向排列,表現出一種interfilament 33-49納米間距(112年,113年,經常出現彎曲由於其固有的靈活性。相反,神經纖維細絲nonmyelinated突地區,可能,包括AIS,更緊密地捆綁(114年)和形式直接並行數組(9,10]。以下線性AIS神經纖維細絲可以生成更多的張力大於遠端軸突。另外,神經纖維細絲在AIS拉直和更密集由於其不同的屬性因為AIS神經纖維細絲被磷酸化低於在遠端軸突114年]。雖然已經很少關注AIS的組織和結構神經纖維細絲,它們可能是適當的AIS的關鍵功能。例如,神經纖維細絲的間距和密度的變化與AIS直徑變化和相關運動神經元疾病的早期病理變化(115年]。
顯然,AIS展覽組織和細胞內的細胞骨架組件structrural特性不同於遠端軸突和somatodendritic區域。直線平行的神經纖維細絲和微管成簇出現最明顯的AIS內部細胞骨架的結構特征。然而,這些漢斯的機械基礎底層形成尚不完全清楚。
6.5。AIS胞質細胞骨架在細胞內的作用有選擇性的過濾
神經元極性的有效監管,AIS不僅必須控製在近端軸突膜組件的擴散,而且軸突的胞質分布和somatodendritic選民。這個函數是由於細胞內的選擇性過濾器,一個多方麵的但不是完全理解機製,隻允許某些細胞器和分子進入軸突的域,而阻止其他組件運往樹突的條目116年]。例如,活細胞成像的熒光標記的蛋白質表明,軸突組成可以輸入軸突和樹突域,而somatodendritic蛋白質是阻止入侵的軸突(117年,118年]。胞內選擇性濾波器可以分為兩個不同的過程,包括(1)活躍的定向運輸和(2)一個被動的細胞質擴散障礙。這兩個過程是依賴於微管和肌動蛋白絲的完整性和AIS細胞骨架中的其他組件。
6.5.1。活躍的定向運輸
微管的功能膜泡運輸。因此,微管在AIS被認為有助於形成定向跟蹤濾波器的極化分子馬達驅動蛋白和膜泡運輸的動力蛋白。自動力蛋白沿著微管對他們負結束,當人為與細胞器可以針對他們樹突(119年),它被假定這個馬達從軸突(不包括樹突蛋白質可能是重要的120年]。支持這一觀點,動力蛋白激活核分布元素1 (NDEL)在AIS AnkG-dependent地積累,隨著NDEL綁定夥伴LIS1 [121年]。NDEL-based動力蛋白激活somatodendritic AIS函數反向流量的囊泡,因為刪除NDEL或LIS1導致樹突的軸突入境貨物,包括轉鐵蛋白受體和AMPA受體亞基GluR1和GluR2121年]。驅動蛋白馬達可以選擇性地傳遞軸突的成分,因為他們一般朝著+微管的兩端,導致運輸從軀體到軸突。事實上,驅動蛋白KIF5B驅動軸突運輸在軸突的突觸蛋白VAMP2功能。然而,一些驅動蛋白也樹突貨物運輸。例如,驅動蛋白KIF17傳輸函數的NMDA受體亞基NR2B樹突(122年]。盡管如此,情況並非如此簡單,因為KIF5(例如,KIF5B)已被證明驅動軸突和somatodendritic運輸蛋白(122年]。歌et al。(2009)解決的問題AIS濾波器選擇性電動機蛋白質及其相關貨物的運輸通過分析KIF5B和KIF17嵌合體(116年]。他們透露,寬容對軸突膜泡運輸更多的取決於motor-cargo複雜的特點而不是單獨的電動機類型(116年]。
額外的蛋白質販賣在AIS的決定因素可能包括微管跟蹤自己的特點。例如,醒來時,(2003)和Hirokawa,顯示優惠綁定KIF5 [AIS微管的91年]。這種偏好提出涉及AIS-specific轉譯後的修改(如乙酰化、detyrosination polyglutamylation)或增加在AIS微管(三磷酸鳥苷存在了(120年])。一些AIS-specific地圖構成致密塗層的微管AIS可能也有助於track-dependent選擇性。此外,微管的形成成簇的AIS也可以作為一種選擇性的信號。具體安排,例如,一個汽車的軸突貨物可能利用叢狀微管,而不同的汽車在樹突安排貨物可能不兼容叢狀痕跡。它還有待證明叢狀和個人AIS微管蛋白中有不同的角色在AIS販賣。
肌動蛋白絲可能導致細胞內選擇性濾波器作為跟蹤的肌球蛋白馬達。肌凝蛋白V走向倒鉤結束的肌動蛋白絲和肌凝蛋白VI旅行向指出結束somatodendritic和軸突運輸蛋白質扮演著重要角色,在神經元分別到適當的位置123年,124年]。此外,渡邊等人發現特異性的貨物與肌球蛋白VI收益暢通無阻地從胞體通過AIS向遠端軸突,而囊泡與肌凝蛋白V停滯在AIS和阻止進入遠端軸突,或偶爾回歸到胞體103年]。這些數據表明,肌動蛋白細絲在AIS可能與他們的目的一致的麵對soma,這將允許他們作為選擇性濾波器通過排除somatodendritic蛋白質進入突肌凝蛋白V,同時選擇軸突蛋白進入第六軸突通過肌凝蛋白(118年]。然而,極化肌動蛋白AIS沒有直接可視化跟蹤。囊泡運動的相關性與肌動蛋白絲定位後,熒光顯微鏡檢查修複細胞顯示囊泡與離散肌動蛋白肌球蛋白V停滯在補丁。通過電子顯微鏡,類似補丁出現作為不結盟的闡述了網絡交織在一起的肌動蛋白絲(103年]。這種形態不完全符合的縱向統一極性的軌跡,雖然可想而知,這些補丁可能陷阱囊泡。直接測定肌動蛋白絲極性使用裝飾和肌凝蛋白subfragment 1表明肌動蛋白細絲AIS的隨機取向,因此預計不會支持偏振傳輸(19]。值得注意的是,這兩項研究使用但是過猶不及,因此主要是可視化表麵結構,提高胞質肌動蛋白絲的可能性預測形成麵向大片AIS內部仍未被發現。反對這種可能性之一是麵向肌動蛋白跟蹤仍無法覺察的AIS地區有相對稀疏submembrane細胞骨架,考試的AIS內部是可能的。此外,D·et al。(2015)發現人口somatodendritic肌動蛋白絲束,結束在AIS的近端邊界並建議這個“組織邊界”也可能(或者相反)支持的選擇性濾波器造成突然逮捕樹突貨物試圖進入軸突(17),但這個想法還有待檢驗。
6.5.2。被動細胞質擴散障礙
肌動蛋白細胞骨架也會導致細胞內擴散的具體貨物通過AIS。通過跟蹤熒光標記右旋糖酐各種分子量的海馬神經元,歌et al .(2001)表明,大型右旋糖酐禁止進入3和5 DIV之間的軸突,在AIS形成的時間(116年),但可以分散在AIS解聚後的肌動蛋白絲latrunculin a。這些數據表明存在size-selective篩的AIS內部依賴肌動蛋白細胞骨架的完整性。然而,篩的具體配置還不清楚。如果肌動蛋白絲,AIS細胞質胞質凝膠排阻篩,他們應該足夠致密,從而大大豐富了AIS,這並非如此(19]。有趣的是,RNAi-mediated擊倒的AnkG還允許在AIS右旋糖酐擴散。提出的解釋是,c端胞質尾AnkG AIS內部延伸,它鏈接到微管形成篩塊大分子進入軸突(120年]。然而,在這一點上需要進一步調查以來AnkG糖基滲透平均隻有~ 26海裏的AIS內部(16),這似乎不足使篩子和一個適當的密度與微管成簇分布深度互動的AIS細胞質。因此,目前尚不清楚AnkG中斷和肌動蛋白絲如何產生相似的表型調控選擇性濾波器。
此外,微管可能有助於維持蛋白質的積累不對稱的軸突通過隔離機製,而不是通過motor-dependent流量。因此,李et al。(2011)表明,當微管枯竭,軸突地圖τ,通常綁定到微管在軸突通過AIS和侵入somatodendritic域,而不影響AnkG集群(125年]。這些數據表明,微管可能會保留一些軸突蛋白質和防止逆行擴散到somatodendritic域(125年]。
因此,現有的觀測表明,細胞內細胞質過濾器在AIS有助於維護somatodendritic的偏振分布在神經元和軸突的組件。底層機製顯然包括電機驅動的沿著微管和肌動蛋白膜泡運輸跟蹤,以及一個內部擴散的屏障,扮演著被動的角色。然而,對這些機製的細節還有待了解。事實上,除了AIS-bound NDEL-based動力蛋白的激活,太多的關於積極定向運輸AIS已經從角色外推的遠端軸突的微管和microtubule-based汽車。進一步的調查需要堅定地建立善意的存在細胞質選擇性濾波器在AIS,明顯不同於其他神經域。
7所示。AIS細胞骨架組裝和維護
7.1。組裝
AIS的細胞骨架是建立在早期神經軸突後規範發展。基於觀察結果在體外神經元通過幾個階段的發展,可以發現不同的形態事件(126年]。神經元在基板上鍍時,他們開始是對稱的細胞包含一個圓形soma,豐富lamellipodial伸出的活動周長(階段1)。最終,這些突起給多個短流程大約相等的長度叫做探明大約1.5天後(階段2)。在體外(DIV),神經元成為極化而他人和神經突的區別(分子和功能)成為軸突(階段3)。4 DIV,剩餘探明開始慢慢拉長,發展成高度支化的樹突(階段4)。7 DIV後,軸突和樹突逐步成熟形成突觸和神經回路(第五階段)。
軸突形成(3)早期階段後,AnkG開始聚集在近端軸突區域,表明早期AIS大會(127年]。PREM AIS的發展表明,微管結構分析的捆綁銷售作為第一個AIS組裝的跡象出現在早期DIV submembrane跡象之前海馬神經元細胞骨架組裝成為檢測(19]。致病AnkG積累和微管捆綁的關係尚不清楚。早期形成的神經束TRIM46或EB蛋白最初可能幫助穩定AnkG AIS和促進其聚類(128年,129年),如果AnkG c端尾優先進行交互,直接或間接地與捆綁微管。支持這個想法,c端尾特定大,480 kD AnkG同種型是必要的積累和穩定AnkG AIS的早期海馬神經元和後續裝配的AIS (98年]。另外,AnkG可能導致束狀微管,因為AnkG能夠oligomerizing和綁定微管,直接(11通過EB)或間接(例如,蛋白質(98年]),神經束未能形成AnkG-depleted小腦軸突(73年]。在一起,這些觀察結果表明早期AnkG集群和微管束狀之間可能的合作關係。
PREM在不同的時間點觀察神經元發育期間透露,AIS submembrane細胞骨架發生結構重組(圖3),這可能反映了額外的AIS蛋白質的到來,以及他們的空間重排。Immunogold染色的個人AIS蛋白質能鏈接個人形狀在AIS submembrane細胞骨架特定蛋白質(19]。當submembrane細胞骨架在AIS開始組裝捆綁微管在3 DIV,它最初采用稀疏網絡組成的薄纖維元素和肌動蛋白絲。薄的纖維可能代表AnkG的混合物,βIV-spectrin,一些凸輪分子,所有這些有波浪線性形狀。隨後,球狀結構顯示一係列形狀和大小逐漸積聚在AIS細胞骨架。許多這樣的小球,特別是那些donut-like形狀,可能代表不同的離子通道。他們開始明顯出現在7 DIV,成為普遍的表麵組件AIS的21個DIV。有趣的是,一些小球還出現在細長的集群,可能對應於AnkG分子與AnkG約束力的合作夥伴,如離子通道。21歲的DIV,極端密度假定的離子通道的AIS表麵呈現幾乎看不見的纖維結構,除了小珠之間的空間。然而,這些“windows”的過渡薄纖維從混合/ meshwork-like配置之間的驚人longitidinal取向14和21 DIV。這種重排可能反映出輕鬆轉換波浪血影蛋白分子拉伸線性構象,這可能伴隨定期組織光學顯微鏡觀察到的外觀(18]。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
從網絡過渡到定期組織AIS submembrane細胞骨架是調查中et al .(2014),顯示β的同種型豐富II-spectrin遠端軸突,在AIS周期性的形成具有重要的作用[18]。他們發現,βII-spectrin采用定期安排在未來AIS的網站早在2 DIV, AIS到來之前的組件。的βII-spectrin周期性然後在遠方向傳播。AnkG和βIV-spectrin隨後到達AIS采用定期組織隻有在12個DIV,並行發生的損失βII-spectrin熒光強度和周期性的近端軸突(18]。此外,可拆卸的βII-spectrin在年輕神經元建立了AIS部分損害βIV-spectrin積累和周期性。這些數據表明,βIV-spectrin AnkG納入一個由預製周期性模板β在AIS II-spectrin submembrane細胞骨架。因為血影蛋白亞型的交換過程和AnkB是可有可無的βII-spectrin組織軸突,似乎記憶的周期性駐留在actin-containing組件βII-spectrin-based周期性結構。值得注意的是,adducin也逐漸失去了AIS在其成熟,表明肌動蛋白細絲在周期性網絡也可能改變他們的合作夥伴在AIS的發展。一個有趣的猜測是這個模板機製是否更重要的某些方麵AIS submembrane比AnkG細胞骨架組織,即使在招聘AIS組件AnkG起著關鍵的作用。一種可能的情況是,AnkG運營主要招募和留住AIS組件,βIV-spectrin(結合βII-spectrin)有助於調整submembrane細胞骨架結構的周期配置。
一般認為AnkG主AIS的組織者,但尚未解決的主要問題是如何AnkG本身被招募到近端軸突AIS大會開始。最初提出AnkG針對涉及多個領域的分子內相互合作(130年]。隨後,他et al。(2012)表明,在半胱氨酸S-palmitoylation 70 AnkG n端membrane-binding域中特別針對所需AnkG AIS,以及橫向膜上皮細胞(68年]。合作與EB蛋白質出現另一個潛在的機製來指定AnkG集群和AIS本地化的網站98年]。
Galiano和他的同事們提出了不同的模型,一個排斥機製,AnkG積累的近端軸突(127年]。根據這項研究,AnkG最初在軸突廣泛分布,而組件的通用軸突submembrane細胞骨架(AnkB,αII-spectrin,βII-spectrin)主要集中在軸突的遠端。隨著神經元的發展的發展,這個泛型細胞骨架膨脹對soma,其邊界的先頭部隊AnkG-containing submembrane細胞骨架集中在近端軸突131年]。支持這個想法,AnkB損耗,αII-spectrin或βII-spectrin AnkG和重新分配的結果βIV-spectrin遠端軸突(127年]。這種排斥機製似乎不兼容的研究中et al .(2014),它的地方βII-spectrin-based submembrane細胞骨架的上遊,AnkG /裝配的要求βIV-spectrin係統近端軸突,顯示它在近端開始組裝,不是遠端,軸突(18]。可能,兩者之間的差異的研究關注周期(由於存在差異18)與總127年這些細胞骨架組件池。需要額外的調查充分調和這兩個研究的結果(18,127年]。
肌動蛋白絲的變化在AIS的發展組織最近收到關注。在AIS和遠端軸突,肌動蛋白絲假設不同的組織形式,包括肌動蛋白環、個人的細絲,補丁,和包。根據subdiffraction熒光顯微鏡、周期性發展中神經元形成肌動蛋白環隻在5 DIV,即使周期性的βII-spectrin檢測在2 DIV;這種差異是由潛在的保護技術困難肌動蛋白在年輕的神經元18,20.]。過猶不及的肌動蛋白絲分布分析AIS submembrane細胞骨架顯示單個肌動蛋白絲的兩個種群,長期動態和短期穩定,存在神經元早期發育和成熟中特別有指導性的持續期間19]。肌動蛋白補丁可能支持突觸前的發展結構(17,101年,102年和軸突分支17,19,99年,One hundred.整個軸突)形式早在5 DIV [17]。線性肌動蛋白結構(解釋為肌動蛋白絲束)出現在軸突的發展,雖然他們的豐度,長度,和本地化在AIS取決於神經時代,不采用任何容易識別的模式(17]。因此,這些觀察結果表明,肌動蛋白細胞骨架在AIS的發展經曆了各種變化。雖然這些變化可能功能對AIS結構和功能的不同方麵的影響,這些問題在很大程度上仍懸而未決。
7.2。維護
與遠端軸突相比,AIS細胞骨架是一個非常穩定的結構在成熟的神經元。AnkG不僅招募AIS組件過程中起著重要作用,但也讓他們本地化的近端軸突通過直接交互。的能力βIV-spectrin維持蛋白質的AIS尚不清楚,因為證據是相互矛盾的。初步研究報道,βIV-spectrin,尤其是長篇β四世1同種型,AnkG和導航定位AIS至關重要,因為這些蛋白質不能正常神經元集群在AIS缺乏這血影蛋白同種型(30.,55]。然而,後來的一項研究表明,AnkG和Nav保持本地化後的AISβIV-spectrin損耗(35]。膜蛋白,有趣的是,比如攝像頭,還可以有助於維護AIS組件。例如,盡管缺乏neurofascin AIS完全組裝在體外和在活的有機體內,其組件的長期集群需要neurofascin [72年,132年]。最後,non-AIS因素可能還有助於維護AIS蛋白質定位,例如,遠端AnkB /αII-spectrin /βII-spectrin網絡可以作為一個障礙限製了AIS組件近端軸突(127年]。
蛋白質似乎也穩定保持在AIS網絡表現出非常緩慢的營業額。AnkG和βIV-spectrin(離子通道和凸輪)是長壽的AIS,至少兩周的半衰期(72年]。此外,AIS的周期性網絡維護,與遠端軸突相比,肌動蛋白和微管微擾後神經元(生活18,20.]。尚不完全清楚這是否穩定是由於周期性網絡的內在屬性或其他因素,如網絡的交互與微管成簇。然而,這後一種可能性可能不太可能因為c端尾部的徑向方向AnkG仍然鎮定後破壞微管(16]。過猶不及的觀察同樣顯示AIS之間形成一個強大的網絡組件,因為它的結構基本上仍完好無損後的幾個小時內提取的質膜和伴隨的肌動蛋白絲和微管前化學固定(19]。
8。結束語
AIS的近端軸突細胞骨架具有獨特的結構。在這裏,我們專注於兩個截然不同的區域的細胞骨架結構的AIS,質膜和細胞質內,和討論他們如何有助於維持神經元極性的AIS的角色。調查AIS在不同發育時間點的電子和subdiffraction熒光顯微法增加了我們理解的AIS組裝成一個複雜的網絡(submembrane)或獲得獨特的結構特點(細胞質)。然而,一個完整的了解特定的蛋白質有助於AIS細胞骨架組織仍然缺乏。因此,有必要闡明特定AnkG和的安排和交互βIV-spectrin亞型和確定他們的角色在發展,穩定,AIS細胞骨架的整體架構。此外,它將是有價值的,以確定微管成簇的重要性和識別蛋白質參與一簇的形成和維護。由於AIS是基礎能力的神經元動作電位觸發,重要的是確定AIS架構的變化(例如,在AIS開發)與神經元興奮性的變化。還有待證明AIS架構的變化是否伴隨著交替在AIS位置或長度,例如,在應對傷害或疾病。
相互競爭的利益
作者宣稱沒有利益衝突有關的出版。
確認
作者感謝Mirela博士斯皮蘭的援助數據和批判性閱讀論文的。他們也感謝Svitkina實驗室成員的評論在紙上和深刻的討論。他們希望表達他們的感謝所有人員的工作導致他們當前的軸突初始段生物學知識。他們感謝NIH(贈款K22NS091189史蒂文·l·瓊斯和R01GM095977塔季揚娜·m·Svitkina)慷慨支持。