Sinaptik Hcre Adezyonunun Molekler Temeli Do Dr Gvem

Sinaptik Hücre Adezyonunun Moleküler Temeli Doç. Dr. Güvem Gümüş Akay Ank. Üniv. Disiplinlerarası Sinirbilim Doktora Programı/ Sinapsların Moleküler Nörobiyolojisi

Sinaptik bağlantılar • Sinir sisteminin gelişimi sırasında akson pathfinding’i takiben oluşturulur. • Spesifik hücre adezyon molekülleri (CAMler) preve postsinaptik bölgelerde birikir. • Bu moleküller hücre içi ve hücre dışı iskele proteinleri ile etkileşerek sinaptik farklılaşmayı başlatır.

Sinapslar • Asimetrik, hücreler arası bağlantı bölgeleri • Nöronal iletimin temel yapısal birimleri • Sinaptik yapıların doğru bir biçimde oluşturulması ve uygun bağlantı paternlerinin kurulması fonksiyonel nöronal devrelerin kurulması için son derece önemlidir.

Sinapslar • Üçlü yapı – Presinaptik membran – Postsinaptik membran – Sinaptik yarık • Kalınlaşmış bu bölgeler yüksek seviyede adeziv (yapışkan) özellik gösterir

• Adezyon sinapsların son derece önemli yapısal özelliği • Biyokimyasal fraksinasyonlarda bile pre-ve post-sinaptik yapılar birbirlerine sıkıca tutunmuş olarak kalır • Sinaptik yarığı kateden bu yapılar periyodik olarak organize edilmekte ve yüksek oranda proteinöz bir materyalden oluşmaktadır. – CAMler

• Pre- ve postsinaptik membranların uzaysal ve zamansal olarak koordineli bir biçimde yapılandırılması, sinaptik hücre adezyonunun sinaps gelişiminde ne kadar önemli olduğunu göstermektedir.

• Pre- ve postsinaptik yapılarda gözlenen karşılıklı örtüşme, yarık boyunca meydana gelen etkileşimlerin bu yapının karşılıklı sınırlarını belirlediğini göstermektedir. • Sinaptik yarığın düzenli bir genişliğe sahip olması, bu yapının açıklığınının bir «moleküler cetvel» tarafından belirlendiğini düşündürmektedir.

Sinaptogenez sırasında: 1. Aksonal büyüme konileri ve bunların dendritik partnerleri genellikle filopodia benzeri uzantılar yaparak ilk teması sağlarlar.

2. Özelleşmiş sinaptik membran yapıları bu temas bölgelerine yönlendirilir – Presinaptik membran – Postsinaptik membran – Sinaptik yarık 3. • Sinaptik veziküller • Elektronca yoğun sinaptik yarık materyali • Kalınlaşmış postsinaptik membranlar • Başlangıçta 13 nm genişliğinde olan bu boşluk, 20 nm’lik sinaptik yarığa dönüşür. • Olgun sinapslar, aktivite bağımlı olarak kendilerinin yeniden şekillenmesine neden olan ve hücre adezyonu tarafından düzenlenen, yapısal ve fonksiyonel plastisite mekanizmalarına maruz kalır.

• https: //www. youtube. com/watch? v=S 5 d. Pn 57 2 M 5 o

• Organizmanın yaşamı boyunca sinapslar oluşturulmaya ve elimine edilmeye devam eder. • Sinapsların oluşması ve elimine edilmesi, omurgalı beyninin maturasyonun gerçekleştiği postnatal dönemde en aktif olarak gözlenir. • Öğrenme ve bellek süreçlerinde rol oynamaya devam eder. • Rejenerasyon

Sinaptik Adezyon Molekülleri • Sinaptik yarığı geçen (kat eden) proteinlerin tümüne topluca verilen isimdir. • Sadece hücre adezyonunda rol oynamazlar • Hücreler arası trans-sinaptik iletişimde de son derece önemlidirler

Hücre Adezyon Molekülleri (CAMler) • Hücrelerin birbirlerini tanıması • Sinaptik temas bölgelerinin stabilizasyonu için mekanik destek oluşturma • Sinyal molekülleri, NT reseptörleri ve aktin hücre iskeleti gibi yapıların kurulumunu sağlayarak sinaps organizasyonunu sağlama • Sadece fiziksel adezyonda rol oynamazlar • Aktivite-bağımlı olarak sinaps oluşumu, diken morfolojisi ve sinaptik reseptör fonksiyonunu da kontrol ederler

Bir molekülün sinaptik adezyon molekülü olabilmesi için: • Gelişimin bir veya daha fazla evresinde sinapslarda lokalize olmalı • Hücre-hücre etkileşiminde işlev görmeli • Ekspresyonlarının artması ve/veya azalması sinaps oluşumu ve/veya fonksiyonunu etkilemeli

Sinaps oluşumu çok basamaklı bir süreçtir 1. Sinaptik temasların kurulumu 2. Pre- ve post sinaptik yapıların tesis edilmesi 3. Yeni oluşmuş sinapsların işlevsel özelliklerini kazanması 4. Sinaptik plastisitenin gözlenmesi

1. Temas Bölgelerinin Kurulması • Oluşacak yeni sinaps bölgelerinde pre- ve postsinaptik nöronların birbirini tanıması

2. Moleküler Kurulum • Sinaptik veziküllerin aktif zona yönlendirilmesi • Postsinaptik dansite elemanlarının oluşmakta olan sinaptik temas bölgesine yönlendirilmesi • Anatomik olarak ayırdedilebilir sinaps yapısının oluşması • Bu aşamana henüz fonksiyonel değil

3. Fonksiyonun belirlenmesi • Sinapsların fonksiyon kazanması kendi moleküler bileşenlerinin organizasyonu ile gerçekleşir. • Sinapsa spesifik özellikler katar

Tüm bu süreçler • Hücre adezyon moleküllerini gerektirir • Bir dizi spesifik protein-protein etkileşimleri aracılığı ile gerçekleşir • Aktivite bağımlıdır

SİNAPTİK HÜCRE ADEZYONUNUN YAPI TAŞLARI: Domainler, Özellikleri ve Fonksiyonları

• Sinaptik adezyon molekülleri, kimyasal sinapsların tanınması, moleküler kurulumu ve özelleşmesinde rol oynamak üzere çok farklı tipte protein moleküllerini içerir. • Adheziv ve fonksiyonel özgüllükleri – Sınırlı sayıda değişkenlik gösteren ekstraselüler domainlere bağlıdır.

Domainler • Tekrarlayan birimler şeklindedir – Olası etkileşim sayısını arttırır – Sinaptik yarığın içine doğru çıkıntı yapmasına veya yarık boyunca uzanmasına olanak sağlar – Mekanik destek

1. İmmunoglobulin- (Ig-) domainleri • Sıklıkla diğer Ig-domainlerine bağlanan ve hayvanlara özgü CAM’leridir. • Homo- veya heterofilik kompleksler oluştururlar • Çoğunlukla disülfit bağları ile stabilize edilen βsandviç motifi içerir • Ig-domain içeren pek çok hücre adezyon molekülü aynı zamanda benzer β- sandviç katlanmasına sahip Fn. III domaini de içerir

2. Kaderin domainleri • Tüm- β katlanması ile karakterizedir • Proteinde her zaman, 2 -3 Ca 2+ iyonu bağlayanan bir bağlayıcı ile bağlanmış, çok sayıda kopya şeklinde bulunur. • Ekstraselüler kaderin domainlerinde tipik kavislenmeye neden olur • Kaderin aracılı etkileşimler Ca 2+ bağımlıdır • Çoğunlukla homofiliktir

3. Lamin A, Neurexin ve Seks hormonu bağlanma protein (LNS) domainleri • Laminin G-benzeri LG-domainleri olarak da bilinir. • Değişken kenarında korunmuş Ca 2+ bağlanma bölgesi içeren Lektin-benzeri β-sandviç’ten oluşur.

• α-Nöreksinlerde ve Nöreksin-ilişkili CASPR proteinlerinde birkaç adet LNS domaini seri halinde bulunur • Bu domainler çoğunlukla rijit EGF-benzeri domainler arasına serpiştirilmiştir. • Bu yapılanma nöreksin-1 α’ya iki menteşe bölgesine sahip L şeklini verir.

4. Lösin zengin tekrarlar (LRRs) • 20 -30 aminoasit uzunluğunda lösinden zengin dizi paternine sahip domainlerdir. • Ardışık lösin tekrarlarının karakteristik amino ve karboksi uç motifleri bulunur. • At nalı şeklinde katlanmış bir yapıya sahiptir. • Stabilizasyonunda, yapısında bulunan lösin aminoasitlerinin hidrofobik etkileşimleri önemli rol oynar.

SİNAPTİK ADEZYON MOLEKÜLLERİ

I. NÖREKSİNLER • İlk olarak α-latrotoksin için presinaptik reseptör olarak tanımlanmıştır • Örümcek zehri olan alfa-latrotoksin çok yoğun sinaptik vezikül ekzositozuna neden olur

Nöreksinler • Presinaptik tip I membran proteinleridir. • Büyük bir ekstraselüler kısım ve kısa bir sitoplazmik kuyruk bölgesi içerirler.

Nöreksinler • Omurgalılarda 3 adet nöreksin geni bulunur – Nrx 1, Nrx 2 ve Nrx 3 • Her bir gen biri uzun diğeri kısa olmak üzere iki izoform kodlar – α-nöreksin ve β- nöreksin • Pan-nöronal eksprese olurlar

α-Nöreksinler • 6 adet LNS domaini • Aralara serpiştirilmiş 3 adet EGF domaini

β-Nöreksinler • Sadece 1 adet LNS domaini içerir • Nöreksinin 6. LNS domainin özdeşidir

• Ekstraselüler bölgeyi kodlayan 5 korunmuş alternatif ayıklanma bölgesi mevcuttur. • Çok sayıda potansiyel izoform

• Sitoplazmik domain PZD-domain bağlanma dizileri içerir • CASK ve protein 4. 1’e bağlanır

• Nöreksinler evrimsel olarak korunmuştur • Omurgalılarda farklı nöreksin izoformları ve ayıklanma ürünleri değişken ekspresyon gösterir • «Recognition code»

Nöroliginler • Nöreksin ligandları olarak tanımlanmış, tip I membran proteinleridir. • Postsinaptik membranda yer alırlar. • Omurgalılarda 4 farklı gen tarafından kodlanırlar – NL 1, NL 2, NL 3 ve NL 4 • α ve β-nöreksinler tüm nöroligin tiplerine bağlanır. • Belirli sinapslarda lokalizedir (Pan-nöronal ekspresyon yok) – – NL 1: ekstatör sinapslar NL 2: inhibitör sinapslar NL 3: inhibitör sinapslar NL 4: ekstatör ve inhibitör sinapslar

Nöroliginler • Ekstraselüler bölgenin büyük bir kısmı esterazbenzeri domain içerir. • Bu domain dimer oluşturur. • Kısa sitoplazmik kuyruk bölgesi PDZ-domain içerir – PSD-95, diğer PDZ-içeren proteinler ve gephirin’e bağlanır

Nöreksin-Nöroligin bağlantısı • Trans-sinaptik kompleks • α- ve β-nöreksin aynı LNS domaini ile nöroliginle etkileşmekle birlikte beraber bağlanma özellikleri farklıdır. • Farklı izoformların bağlanma afiniteleri değişkenlik gösterir. • Nöreksin ve nöroliginlerin bağlanmaları alternatif ayıklanma ile sıkıca düzenlenir.

Hücre-temelli deneyler ile sinaps oluşumunun araştırılması • Bir nöron, nöroligin eksprese eden bir nonnöronal hücre ile temas ettiğinde bu hücrede presinaptik belirteçlerin membrana yönlenmesine neden olmaktadır. • Bir nöron, nöreksin eksprese eden non-nöronal hücre ile temas ettiğinde postsinaptik belirteçlerin membrana yönlenmesine neden olmaktadır.

• Nöroligin’in aşırı ekspresyonu (overexpression): Nöronal sinaps yoğunluğunda dramatik bir artış – Nöroligin-1: eksitatör – Nöroligin-2: inhibitör • Transgenik farelerde nöroligin-1 aşırı ekspresyonu: Sinaps yoğunluğunda artış. • Nöroligin-1 delesyonu: Sinaps yoğunluğunda değişiklik yok

α-Nöreksinler ve Nöroliginlerin yaşamsal işlevleri

Nöreksin KO fare çalışmaları • Her 3 α -nöreksin için kombine KO: • Letal • NT salınmasında şiddetli bozulma • Beyin kökü kesitlerinde ve kültüre edilen kortikal hücrelerde glutamaterjik sinaptik iletim tamamen ortadan kalkıyor • Sinaps yoğunluğunda anlamlı bir azalma yok • Postsinaptik NMDA reseptör işlevinde değişiklikler • İkili α-nöreksin KO: • Hayvanlar erişkin döneme ulaşıyor ancak inhibitör sinaps yoğunluğunda azalma var • Eksitatör sinaps yoğunluğunda değişme yok – Tek alfa-nöreksin KO: • Yaşayabiliyor • Nöreksin-1α KO fareler: Hipokampüste azalmış eksitatör iletim ve davranış bozukluğu

• Tüm bu bilgi verici çalışmalara rağmen nöreksinlerin kesin fonksiyonları tam olarak anlaşılabilmiş değil • Ca 2+ kanalları ve NT salımından sorumlu diğer bileşenlerin presinaptik uca yönlendirilmesi • Postsinaptik yapıların kurulumu • Moleküler mekanizma ? ? ?

Nöroligin KO fare çalışmaları • Üçlü NL-1, NL-2 ve NL-3 KO FARELER : – Perinatal letalite – Sinaptik iletim yok – Nöreksinlere benzer biçimde sinaps yoğunluğunda belirgin bir değişiklik yok • Sinaps yapısının organize edilmesi • NL-1 KO fareler – Eksitatör sinapsaların kuvveti azalıyor – NMDA- / AMPA-reseptör aracılı yanıt oranında azalma • NL-2 KO fareler: – İnhibitör sinaptik iletim azalıyor

Özet • Nrxn ve Nlgn KO farelerde sinaps sayısında artma ya da azalma yok • Sinaps fonksiyonu etkileniyor • Sinapsın oluşmasında değil kurulum ve fonksiyonda önemli

N-Kaderin • Sinaptik aktivite – N-kaderinin dendritik dikenlere yönelmesine – Postsinaptik yapıların lokalizasyonuna – Gelişen ve olgun sinapslarda LTP sırasında meydana gelen yapısal değişimlerin stabilizasyonuna neden olur. • Sinaptik yarık boyunca etki göstererek presinaptik plastisiteyi de düzenler. • Presinaptik N-kaderin adezyonunun azalması vezikül geri dönüşümünü etkiler

III. KADERİNLER • Klasik kaderin molekülleri, yapısı en iyi bilinen hücre adezyon molekülleridir • 5 adet ekstraselüler kaderin tekrar domaini içeririer • Amino terminal EC 1 domaini trans olarak adezyona aracılık eder.

N-Kaderin Beyinde bulunan klasik kaderin Homofilik etkileşim Sinapsların çevresinde lokalize Sinaps sayısını kontrol etmez ve sinaps oluşumunda rol oynamaz • Sinaps gelişiminde düzenleyici bir rolü olduğu düşünülmekte • •

Sinapslarda diğer kaderin-ilişkili proteinler • Drosophila: Flamingo (omurgalı homoloğu CELSR) – Çok sayıda kaderin tekrarı içerir – Hücre polaritesi ve sinaps spesifitesinde rol oynar • Protokaderinler: – Ɣ-protokaderinler – Kısmen de olsa sinaptik – Spinal kordaki internöronların postnatal canlılığı için gerekli • Kalsinteninler: – Fonksiyon?

IV. Syn. CAM proteinleri (Cadm / Nektin-benzeri moleküller) • Sinaptik CAM • Eksitatör sinaps sayısında artışı destekler • 3 adet ekstraselüler Ig- domain, 1 adet transmemran domain ve intraselüler FERM- ve PDZ-bağlanma motifleri • Beyinde yüksek oranda eksprese olurlar • Pre- ve postsinaptik bölgelerde lokalizedirler

Syn. CAM 1 • Gelişen nöronlarda, aksonal büyüme konilerinin yüzeyinde lokalizedir • Büyüme konilerindeki «temas algılayıcısı (contact sensor)» na benzer biçimde akso-dendritik temas bölgelerinde hızlıca kararlı adezyon kompleksleri şeklinde yapılanır • Bu bölgede sinaptik belirteçlerin toplanmasına neden olur • Homo- ve heterofilik etkileşim gösterir

Syn. CAM 1 • Transgenik fare modelleri • Artmış Syn. CAM 1 ekspresyonu: Fonksiyonel eksitatör sinaps sayısında artış • Sinaptik yapının sürdürülmesi • Syn. CAM 1 kaybı – Eksitatör sinaps sayısında azalma – İletimde azalma – Sinaptik membran yapılarının kısa süreli varlığı

Syn. CAM 1 • Olgun sinapslarda LTD’nin negatif düzenleyicisi • Uzaysal öğrenmede etkili • Nöronal ağların kurulması ve plastisitesinde önemli – Göz-spesifik yanıtların adaptif değişiklikleri sırasında, görme korteksinde alışılmadık ekspresyon değişikliklerinin gözlenmesi – Yaralanmayı takiben spinal kord motor nöronlarında restrasyon sırasında yüksek oranda ekspresyon değişikliğinin gözlenmesi • Syn. CAM 2 ve Syn. CAM 3 – Benzer işlevler

V. LAR ailesinin Reseptör Fosfo. Tirozin Fosfatazları (RPTP) • LAR (Leukocyte-associated receptor), RPTP-σ ve RPTP-δ • Ekstraselüler domainleri 3 adet Ig-domain, 8 adet fibronektin tip III tekrarı içerir • LAR-tip RPTPler hücre içi bağlanma partnerleri alfa liprin’e bağlanarak sinaps oluşumunda rol oynarlar • Ekstraselüler olarak iki ligandı tanımlanmıştır – Netrin-G ligandı – Nörotrofin reseptörü Trk. C

VI. Diğer Ig-domain proteinleri • Contactin’ler • NCAM/L 1 ailesi

VII. LRR Proteinleri • LRRTMler • Netrin-G ligandları (NGLler) • Sinaptik adezyon benzeri moleküller (SALMler a. k. a. Lrfn)

Netrin-G 1 ve Netrin-G 2 Ligandları Netrin G 1 ve G 2, Netrin izoformalarıdır Omurgalılara özgüdür Aksonal membrana GPI-çapası ile tutunurlar. NGL’ler netrin-G 1’e bağlanabilmeleri nedeni ile tanımlanmış ve isimlendirilmişlerdir. • LRRC 4 olarak da bilinirler • •

• Omurgalılarda NGL 1 -3 • Tip I membran proteinleridirler • Ekstraselüler LRR dizisi, 1 adet Ig-domain, transmembran bölge ve PSD-95’e bağlanabilen kısa bir sitoplazmik kuyruk bölgesi içerirler • Postsinaptik membranlara lokalizedir. • NGL 1 ve NGL 2’nin presinaptik netrin-G 1 ve netrin. G 2’ye; NGL 3’ün de LAR-tip RPTPlara bağlandığı düşünülmektedir.

• Netrin-G 2 veya NGL 2 KO fareler: Hayatta kalabiliyor, fertil ve hafif davranış değişikliği gösteriyor • Fonksiyon: Düzenleyici sinyalizasyon sistemi olarak işlev gördükleri düşünülüyor.

SALMler • Omurgalılarda 5 adet SALM geni • Tip I membran proteinleri • Amino terminalinde LRR domaini, tek Ig-domain ve fibronektin III domain, transmembran bölge ve sitoplazmik kuyruk bölgesi • SALM-1 ve SALM-3: PSD 95

SALMler • Ekstraselüler bölgede SALM-4 ve -5 homofilik kompleksler oluştururlar • SALM’lerin bir kısmı AMPA- ve/veya NMDA-tip glutamat reseptörleri ile etkileşime girebilir • Nöronal gelişim ve nörit filizlenmesinde rol oynayabilecekleri düşünülmekte. • Sinapslardaki kesin rolleri ?

Eksitaör Sinaps Gelişiminde Tirozin Kinaz Reseptör Sinyalizasyonu • Klasik CAM’lerine ilave olarak transmembran reseptör tirozin kinazlarıjnda sinaps gelişiminde rol oynadığı bilinmektedir.

Eph/Eph reseptörleri • Eph. B reseptör tirozin kinazlar – Ephrin ligandlarının bağlanması ile postsinaptik sinyal oluştururlar

• Eph. B 1 ve B 3 ikili delesyonu sinaps yoğunluğunda belirgin azalma ve dendritik dikenlerde morfolojik değişiklikler • Hücre iskeletinin yeniden şekillendirilmesi üzerinden sinaptik fonksiyonu düzenlerler • Rho. A ve Rac gibi Rho ailesi GTPaz’lar üzerinden postsinaptik dendritik dikenlerde aktin hücre iskeletinde şekil değişikliğine neden olurlar

Trk Reseptörleri • Nörotrofin • İnsülin reseptörü sinyalizasyonuna aracılık • Erb. B reseptörleri ederler • Uygun sinaps sayısı ve ince yapılanması için gereklidirler • Aktivite-bağımlı olarak sinapslarda yapısal ve işlevsel değişiklikleri düzenlerler

İlave Yüzey Etkileşimleri • İntegrinler: – Sinaps matürasyonu – Sinaps fizyolojisi Trans-sinaptik etkileşimler klasik CAM’lerine sınırlı değildir. • Pentraksinler • Ekstraselüler olarak AMPA reseptörlerine bağlanarak eksitatör sinaps gelişimini düzenlerler.

ÖZET Sinaps oluşumu: • Sinapsların sınırlarını belirleyen ve sinaptik bileşenlerin karşılıklı gelmesini, • Oluşmuş sinapsların olgunlaşmasını sağlayacak mekanizmaların varlığını gerektirir. Hücre adezyon molekülleri, sinyal iletim proteinleri

• Cevaplanmayı bekleyen sorular: – Bu proteinler gerçekten in vivo ortamda da sinaps oluşumu için gerekli yönergeyi oluşturuyor mu? – Bu trans-sinaptik etkileşimler aslında farklı moleküler etkileşimlerin kooperatif bir etkisi midir? – Bu etkileşimler olgun bir sinapsta plastisiteyi ve sürdürülebilirliği nasıl etkiliyor? – Bu moleküllerin işlevleri kesin olarak belirli midir? Yoksa bir sinapsın ömrü boyunca değişiyor olabilir mi? – Bu proteinler hangi hücre içi sinyal iletim yollarını kullanmaktadır?

SİNAPTİK HÜCRE ADEZYONU VE BEYİN HASTALIKLARI • Nörolojik • Nörogelişimsel