Referat o dlugotrwalym wzmocnieniu i oslabieniu synaptycznym

Referat o dlugotrwalym wzmocnieniu i oslabieniu synaptycznym

LTP i LTD: Długotrwałe wzmocnienie i osłabienie synaptyczne.
Przemysław Borys
Raport z 04.10.2011
Wydział Chemiczny
Politechnika Śląska
ul. ks. M. Strzody 9
44-100 Gliwice
[email protected]
Wprowadzenie
W ostatnich latach postępy biologii dały wielki wkład w zrozumienie procesów uczenia się.
W połowie XX wieku Jerzy Konorski (Konorski 1948) sformułował pojęcie plastyczności, a
następnie Donald Olding Hebb (Hebb 1949) określił zasady uczenia się sieci neuronowych.
Plastyczność zdefiniowana została jako „własność, dzięki której w określonych układach neuronów
powstają trwałe przekształcenia funkcjonalne w wyniku określonych bodźców lub ich kombinacji”,
natomiast zasada uczenia sieci neuronowej mówi, że „gdy akson komórki A pobudza komórkę B i
powtarzalnie bierze udział w jej aktywacji, to w komórkach A i B mogą zajść procesy wzrostu
skutkujące zwiększeniem efektywności pobudzania B przez A”.
Na przełomie lat 60/70 XX wieku, dzięki badaniom Erica Kandela na ślimaku morskim
Aplysia (Kandel 2000, Purves 2004) oraz badaniom na ssakach prowadzonym przez Tima Blissa
oraz Terje Lomo (Bliss 1973), a w późniejszym okresie Masao Ito (Ito 1982) położono
neurobiologiczne postawy tych teorii. Odkryto takie mechanizmy uczenia, jak długotrwałe
wzmocnienie i osłabienie synaptyczne u ssaków (LTP—Long Term Potentiation, LTD—Long Term
Depression) czy długotrwałe uwrażliwienie (sensytyzację1) i habituację synaptyczną (LTF—Long
Term Facilitation, LTH—Long Term Habituation) u ślimaka Aplysia.
W 2000 roku Ericowi Kandelowi przyznano nagrodę Nobla (Kandel 2000), a w kolejnej
dekadzie ustabilizowała się znaczna część wiedzy na temat długotrwałego wzmocnienia
synaptycznego w hipokampie. Obecnie sporo też wiadomo o plastyczności komórek Purkinjego
móżdżku, natomiast, paradoksalnie, najwięcej luk w wiedzy pojawia się w studiach procesów
plastycznych ślimaka Aplysia, który przed laty miał być najprostszym organizmem modelowym
(jedyne 20000 neuronów) (Hawkins 2008, Glanzman 2006).
W następujących paragrafach chciałbym najpierw przedstawić procesy synaptyczne u
ślimaka Aplysia Californica, a następnie przejść do omówienia LTP i LTD, odpowiadających za
1 Często można spotkać wymienne stosowanie terminów sensytyzacja i uwrażliwienie synaptyczne. Ściśle jednak,
sensytyzacja odnosi się do uwrażliwienia behawioralnej reakcji odruchowej całego zwierzęcia, a uwrażliwienie
synaptyczne opisuje jedynie zmiany w obrębie pojedynczej synapsy (Brunelli 1976).
1
pamięć epizodyczną w hipokampie ssaków (głównie gryzoni) oraz procesów LTD/LTP
odpowiadających za pamięć motoryczną w móżdżku. Tekst nie zawiera z konieczności wszystkich
dostępnych szczegółów (konieczna byłaby monografia o rozpiętości kilkuset stron), prowadzony
jest natomiast w taki sposób, aby zaznajomić czytelnika ze strukturą zagadnienia w stopniu
umożliwiającym łatwe wykorzystanie pozycji bibliograficznych w celu poszerzenia wiadomości.
Szczególny nacisk położony jest na omówienie ścieżek transdukcji sygnałów w procesach
plastycznych i uchwycenie ich „całościowego” obrazu. Tekst opatrzony jest ilustracjami i mam
nadzieję, że okaże się dobrym uzupełnieniem dla starszych (i niestety nie wolnodostępnych) pozycji
literaturowych w języku polskim, jak (Kossut 1994, Gorzelańczyk 2000).
Pamięć ślimaka morskiego
Ponad 40 lat temu Eric Kandel (Kandel 2000) odkrył, że jeśli u ślimaka Aplysia (rys. 1)
dotknąć syfonu, to wycofuje on odruchowo skrzele w reakcji obronnej. Kilkakrotne podrażnienie
wywołuje habituację i wielotygodniowy zanik tego odruchu. Jeśli u takiego niereaktywnego
ślimaka podrażnić syfon równocześnie z elektryczną stymulacją ogona to odruch obronny powraca.
Pojedyncza stymulacja przywraca go na godzinę, natomiast powtórzenie jej kilka razy utrwala
odruch na kilka tygodni.
Rysunek 1: Aplysia Californica
Habituacja
Badania mikroskopowe pokazały, że wczesnym etapom habituacji odpowiada zmniejszanie
2
się zdatnych do uwolnienia zasobów neuroprzekaźnika—glutaminianu—w synapsie między
neuronem czuciowym a motoneuronem. Wiązano to z upośledzeniem wiązania pęcherzyków
synaptycznych ze strefą aktywną synapsy2 (Bailey 1988). Pogląd ten trwał do końca lat
dziewięćdziesiątych, kiedy opublikowano pracę (Armitage 1998), w której wprawdzie
potwierdzono, że wczesna habituacja następuje w obszarze presynaptycznym, ale równocześnie
zaznaczono, że zubożenie warstwy aktywnej w pęcherzyki synaptyczne jest zbyt małe, by
wygenerować odpowiednie zmiany potencjałów postsynaptycznych. Co więcej stwierdzono, że
protokoły stymulacyjne Bailey'a są dalekie od fizjologicznych (zbyt intensywne) i trudno określić,
czy jego wyniki można uogólnić na efekty zachodzące w żywym organizmie. Przeanalizowano też
inne proponowane wcześniej mechanizmy habituacji, np. sygnalizację zmian plastycznych za
pomocą prądu wapniowego, wnikającego do komórki podczas depolaryzacji. Możliwość ta została
wykluczona w eksperymentach z powolnymi chelatorami, które unieczynniały wapń tuż po
odegraniu roli w egzocytozie pęcherzyków synaptycznych. Procedura ta nie miała wpływu na
habituację. Rozpatrzono również możliwość zwyczajnej inaktywacji kanału wapniowego z
postępem habituacji. I tu również eksperyment (Armitage 1998) pokazuje, że nic takiego się nie
dzieje, a przebieg prądu wapniowego pozostaje niezmieniony w przebiegu habituacji. W
konsekwencji autorzy zaproponowali, że być może samo zajście fuzji pęcherzyka synaptycznego z
membraną powoduje utrudnienia w wydzielaniu kolejnego pęcherzyka.
Tematykę habituacji podejmowali następnie Gover i Abrams (Gover 2009). Oni również
doszli do wniosku, że samo zubożanie strefy aktywnej w pęcherzyki synaptyczne prawdopodobnie
nie decyduje o habituacji. Wykonali ważne doświadczenie, z którego wynikało, że depresja synapsy
posiadającej początkowo małą wagę daje taki sam procentowy przebieg osłabienia względem ilości
prób, jak depresja synapsy o dużej wadze początkowej (co nie powinno mieć miejsca, gdyż
uwolnienie w pojedynczej strefie aktywnej synapsy pęcherzyka powoduje refrakcję strefy i opór
2 Strefa aktywna to specjalizowany obszar związany z błoną presynaptyczną, przystosowany do uwalniania
neuroprzekaźnika. Jedną z cech charakterystycznych jest obecność kanałów przepuszczalnych dla wapnia, który za
pomocą dalszych struktur ułatwiają fuzję pęcherzyka z membraną (Zhai 2004).
3
przed uwalnianiem kolejnych pęcherzyków—inna kinetyka powinna pojawić się w synapsie, gdzie
taka refrakcja jest obserwowana, tj. o dużej wadze, a inna w synapsie o małej wadze, bez efektu
refrakcji) (Gover 2002). Kolejne doświadczenie, pomiar stosunku amplitud odpowiedzi dla
parowanych (bliskich sobie) impulsów (Paired Pulse Ratio, PPR—wg wielu doświadczeń mierzący
odwrotność prawdopodobieństwa uwolnienia neuroprzekaźnika) pokazywał, że synapsa o dużej
wadze po depresji nie osiąga stanu synapsy o małej wadze w sensie PPR, choć wynikałoby to z
pomiaru potencjałów postsynaptycznych. W konsekwencji autorzy zaproponowali model
wyciszania obszarów synaptycznych, które stają się nieczynne w uwalnianiu pęcherzyków, choć
same pęcherzyki są w nich obecne. Negatywnym mediatorem takiego wyciszania mogłoby być
białko Arf, którego inaktywacja wywołuje osłabienie siły synapsy (Gover 2009).
Sensytyzacja
W odróżnieniu od habituacji, zasadniczo homosynaptycznej, (zachodzącej w obrębie jednej
synapsy) wczesny efekt sensytyzacji (uwrażliwienia) jest heterosynaptyczny i wynika z uwolnienia
serotoniny z interneuronu pośredniczącego między neuronem czuciowym ogona, a neuronem
czuciowym syfonu (rys. 2). Sygnalizacja ta została potwierdzona w doświadczeniach in vitro, gdzie
bodźce drażniące ogon zastąpiono stymulacją serotoniną (Hawkins 2006, Kandel 2000).
Jednokrotne pobudzenie serotoniną powoduje krótkotrwałą sensytyzację, natomiast pięciokrotne—
sensytyzację długotrwałą (Lee 2008).
Rysunek 2: Schemat badanego układu nerwowego Aplysii
(na postawie Purves, 2004).
4
W sensytyzacji krótkotrwałej serotonina za pośrednictwem białka G3 stymuluje produkcję cAMP,
aktywującego kinazę PKA4 (Protein Kinase A) (rys. 3), która fosforyluje kanały potasowe typu S,
zmniejszając ich prawdopodobieństwo otwarcia i przedłużając depolaryzację (Lee 2008, Hawkins
2006, Kandel 2000). Przedłużona depolaryzacja umożliwia napływ większej ilości jonów wapnia
do komórki, co ułatwia fuzję pęcherzyków synaptycznych z membraną (np. poprzez aktywację
synaptotagminy, wiążącej pęcherzyk z membraną) (Purves 2004).
Dłuższa czynność interneuronu, aktywuje kinazę PKC (Protein Kinase C) (rys. 12) , która
podobnie jak PKA zwiększa napływ wapnia do komórki, a ponadto zdejmuje z synapsy depresję
(Hawkins 2006). Ten drugi efekt zachodzi niezależnie od regulacji napływu wapnia i opiera się na
uruchomieniu nieczynnych pęcherzyków synaptycznych. Indukcja szlaku zależnego od PKC
powoduje, że aktywność PKA przestaje mieć krytyczne znaczenie i sensytyzacja pojawia się nawet
w obecności jej inhibitorów (Hawkins 2006). Ponadto, pojawia się zależność od postsynaptycznego
wapnia, gdyż sensytyzację można pomniejszyć jego postsynaptyczną chelatacją (Hawkins 2006).
Uwalnianie wapnia w motoneuronie zachodzi przy udziale wewnętrznych cystern IP3 oraz
rianodynowych i skutkuje osadzeniem nowych receptorów glutaminianu AMPA5 w membranie
(Glanzman 2006).
Kilkukrotna stymulacja serotoniną (zazwyczaj 5 pulsów) (Kandel 2000, Lee 2008)
3 Białka G są specjalnymi wewnątrzkomórkowymi sygnalizatorami, kowalencyjnie związanymi z lipidami błony
komórkowej. Wyróżnia się wśród nich dwie rodziny: białka trimeryczne, z podjednostkami αβγ oraz białka
monomeryczne. Z receptorami membranowymi sprzęgają się raczej białka trimeryczne. Pod wpływem agonisty
GTP wypiera GDP z podjednostki Gα, i Gα oddysocjowuje od Gβγ. Obie podjednostki pozostają przy tym
zakotwiczone w membranie, a Gα może aktywować białko efektorowe, np. cyklazę adenylową. W tym okresie GTP
hydrolizowany jest do GDP, białko efektorowe dezaktywuje i w krótkim czasie białko G tworzy powrotnie
kompleks Gαβγ .Różnorodność wariantów podjednostek trimerycznych białek G umożliwia specyficzną sygnalizację.
Drugą klasę białek G stanowią białka monomeryczne, np. Ras, które przyłączają się do aktywnego receptora dopiero
z pomocą białka adaptorowego. Podobnie jak w przypadku białek trimerycznych, aktywacja polega na zamianie
związanego GDP na GTP i oddysocjowaniu od receptora i aktywacji efektora. Odłączenie GTP wyłącza efektor
(Hames 2010).
4 Kinazy to enzymy przyłączające grupy fosforanowe do białek. PKA jest szczególnym rodzajem takiego enzymu,
aktywowanym cAMP
5 Receptory aktywowane kwasem α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolopropionowym, które są podstawowymi
receptorami glutaminianu w synapsach pobudzajacych (Purves 2002, Dingledine 1999). Nazwa receptora pochodzi
od zastępczego agonisty selektywnie aktywującego ten rodzaj receptora. Receptor składa się z czterech
podjednostek GluR (warianty GluR1-4, zazwyczaj występują asocjacje GluR1/GluR2 lub GluR2/GluR3) (Shepard
2007). Obecność GluR2 w strukturze AMPA powoduje, że jest ona nieprzepuszczala dla jonów wapnia (Squire
2008).
5
przedłuża okres zwiększonej koncentracji cAMP i uruchamia czynniki transkrypcyjne (Kandel
2000). Umożliwiają onę ekspresję genów, które utrwalają zmiany w rozmiarach stref aktywnych
synapsy (Bailey 1989) oraz stymulują wytwarzanie nowych żylakowatości synaptycznych
(varicosities) (Bailey 1989, Hawkins 2006).
Rysunek 3: Aktywacja PKA: serotonina wiążąc się z receptorem uwalnia
białko G, stymulujące cyklazę adenylową, która produkuje cAMP,
aktywujące PKA i odsłaniające jej centra katalityczne K.
Regulacja ekspresji genów rozpoczyna się zależną od cAMP kinazą PKA, która rekrutuje
kinazę mitogenową (MAPK, Mitogen Activated Protein Kinase) i przenika wraz z nią do jądra (Lee
2008). Z uwagi na znaczne odległości między synapsą i jądrem komórkowym, translokacja
wymaga prawdopodobnie działania transporterów importynowych (Lee 2008, Thompson 2005). W
jądrze kinazy oddziałują z czynnikami transkrypcyjnymi CREB (cAmp Response Element Binding
Protein): PKA aktywuje nadrzędny czynnik transkrypcyjny CREB-1 (poprzez fosforylację jego
domeny KID, Kinase Inducible Domain), natomiast MAPK unieczynnia jego represor—CREB-2
(Kandel 2000, Lee 2008)—oraz fosforyluje niezbędne do prawidłowego działania CREB-1 białko
CBP (CREB Binding Protein) (Sharma 2004). CBP ułatwia dostęp do struktury DNA dzięki
acetylacji histonów i bez niego transkrypcja inicjowana CREB jest mało efektywna (Alberini 2009).
Ponadto poprzez helikazę RNA CBP pośrednio stymuluje polimerazę RNA typu II i może
odwracalnie modyfikować lokalną strukturę chromatyny (Nakajima 1997).
6
CREB należy do rodziny czynników bZIP (Lonze 2002, Alberini 2009, Borlikova 2009),
charakteryzującej się obecnością suwaka leucynowego, umożliwiającego ich dimeryzację. Suwak
(rys. 14) poprzedzony jest obszarem zasadowym, dopasowanym (w przypadku CREB) do
sekwencji CRE w DNA (TGACGTCA) i razem z nim stanowi domenę bZIP6. Po podłączeniu do
CRE, CREB z pomocą domen Q2, Q1 oddziałuje z ogólnymi czynnikami TFIID, TFIIB7 (Alberini
2009), a za pośrednictwem helikazy RNA zaczepionej w CBP oddziałuje pośrednio z polimerazą
RNA typu II (Nakajima 1997) i rozpoczyna transkrypcję (rys. 4).
Kinaza MAPK równolegle z czynnością w jądrze fosforyluje też powierzchniowe białka
adhezyjne apCAM (Aplysia Cell Adhesion Molecule) prowadząc do ich internalizacji (Kandel
2000). W ten sposób rozluźniane są przebiegające równolegle pęki aksonów (Washbourne 2004) i
możliwy staje się wzrost nowych żylakowatości (konieczna jest jeszcze jądrowa sygnalizacja,
ograniczająca produkcję nowych apCAM—Squirre 2008).
Rysunek 4: Schemat aktywacji transkrypcji przez CREB na podstawie (West
2001). RHA oznacza helikazę RNA typu A i wiąże pośrednio CBP z polimerazą
RNA typu II. W kompleksie kasety TATA zaznaczone są tylko domeny istotne dla
wyjaśnienia roli CREB.
Transkrypcja w pierwszej fali generuje hydrolazę ubikwityny, która usuwa z PKA sekwencję
regulatorową, utrwalając jej czynność katalityczną (Kandel 2000). Generowane są również czynniki
6 Skrót pochodzi od angielskich określeń obszaru zasadowego (Basal region) i suwaka leucynowego (leucine ZIPper).
7 Ogólne czynniki transkrypcyjne umożliwiają odpowiednie zamocowanie polimerazy RNA na nici DNA. Pierwszy
przyłącza się TFIID, który zawiera domenę TBP (TATA box binding protein). Jego połączenie stabilizuje następnie
TFIIA, po czym przyłącza się TFIIB, który umożliwia przyłączenie polimerazy RNA (uprzednio związanej z
czynnikiem TFIIF). Ostatnie przyłączają się TFIIE oraz TFIIH inicjujące transkrypcję. Ten ostatni jest helikazą i
rozplata DNA, a fosforylując polimerazę RNA umożliwia jej oddysocjowanie od kompleksu inicjacyjnego i
rozpoczęcie transkrypcji (Hames 2010).
7
transkrypcyjne dla kolejnej fali transkrypcji. Są to białka C/EBP (czynniki transkrypcyjne
oddziałujące z sekwencjami wzmacniającymi CCAAT—CCAAT Enhancer Binding Protein),
odpowiadające m.in. za ekspresję translacyjnych czynników elongacyjnych (np. EF1α), docelowo
umożliwiających budowę nowych połączeń synaptycznych (Kandel 2000).
Długotrwała habituacja
Obecne badania długotrwałej habituacji pokazują (Esdin 2010, Glanzman 2009), że
zjawisko to, podobnie jak długotrwała sensytyzacja, jest zależne od transkrypcji i syntezy białek, a
oprócz zmian presynaptycznych wymaga aktywacji receptorów glutaminianergicznych NMDA8 i
AMPA, oraz fosfataz w motoneuronie (Glanzman 2006). Takie zdarzenia mogą prowadzić do
długotrwałego osłabienia synaptycznego motoneuronu, podobnego jak w hipokampie (zob. paragraf
o LTD w hipokampie). Osłabienie synaptyczne motoneuronu w jakiś sposób przenosi się następnie
na neuron presynaptyczny, gdyż obserwacje pokazują zmiany w ilości kontaktów i pęcherzyków
synaptycznych w toku LTH (Kandel 2000, Glanzman 2009). Obecnie niestety nie jest znany
sygnalizator takiego przejścia (Glanzman 2009).
8 Aktywowanych kwasem N-metylo-D-asparaginowym.
8
LTP w hipokampie
Hipokamp od kilkudziesięciu lat uważany jest za siedlisko pamięci. Już w 1957 Milner
odkrył, że chirurgiczne usunięcie płatów skroniowych skutkuje pojawieniem się amnezji (Milner
1957). Późniejsze badania dokładnie określiły rolę hipokampa jako struktury, odpowiadającej za
pamięć epizodyczną. Istnienie takiej pamięci o ograniczonej trwałości jest konieczne do
„buforowania” nadchodzących informacji i umożliwia ich staranne (powolne) zakodowanie w korze
mózgowej bez interferencji z poprzednimi wspomnieniami (Gluck 1997). Modele funkcjonowania
hipokampa opierają się na asocjacyjnej, rekurencyjnej sieci neuronowej odpowiadającej układowi
komórek piramidowych CA3 (rys. 7). Komórki CA3 przyjmują informację wejściową z włókien
kiciastych, a ich wyjścia w 4% wykazują wymaganą dla sieci asocjacyjnej rekurencję (tzn. kierują
się z powrotem do komórek CA3) (Gluck 1997).
Badania plastyczności synaps w neuronach ssaków wiążą się nieodzownie z
eksperymentami Tima Blissa i Terje Lomo, którzy jako pierwsi zaobserwowali efekt długotrwałego
wzmocnienia synaptycznego u ssaka (królika) (Bliss 1973). Pomiarów dokonano w hipokampie
żywego zwierzęcia, podłączając mikroelektrodę stymulującą do włókien kory węchowej,
pobudzających komórki ziarniste w zakręcie zębatym, gdzie umieszczono elektrodę pomiarową.
Eksperyment polegał na stymulacji włókien bodźcami o częstotliwości 15Hz przez 15 sekund. W
przykładowym protokole 4 stymulacji rozdzielonych około godzinnymi odstępami, autorzy
uzyskali wzmocnienie wyładowań grupowych9 na poziomie 300% stanu wyjściowego przy
równoczesnym spadku latencji wyładowania z 4 do 3ms (rys. 8, 9). Istotnie wzrosła szybkość
narastania zbocza impulsu, a całe zjawisko wzmocnienia utrzymywało się przez kolejnych kilka
godzin. Z dzisiejszej perspektywy wiemy, że efekty te należy przypisać usprawnieniu
funkcjonowania glutaminergicznych kanałów jonowych neuronu; łatwiejsze ich otwieranie
zwiększa liczbę wyładowań grupowych, a ułatwienie przepływu jonów zwiększa szybkość
9 W tej konfiguracji elektroda pomiarowa zbiera zewnątrzkomórkowo potencjały z sąsiadujących neuronów:
rejestrowana amplituda jest tym większa im więcej aktywuje się neuronów.
9
narastania impulsu (Dingledine 1999).
Rysunek 6: Schemat sieci neuronalnej
hipokampa. Włókna wejściowe kory węchowej
stymulują komórki ziarniste zakrętu zębatego,
które poprzez włókna kiciaste pobudzają
Rysunek 7: Schemat neuronalnej sieci
komórki piramidowe CA3. Komórki CA3 z kolei asocjacyjnej hipokampa
pobudzają komórki CA1, a także rekurencyjnie
siebie same.
W kolejnych latach trudności związane z podłączaniem elektrod do żywego królika skłoniły
badaczy ku doświadczeniom na skrawkach mózgowych z hipokampa. Najdogodniejszym obszarem
badań stały się synapsy kolaterali (bocznic) Schaffera (wybiegających z komórek CA3) z
komórkami piramidowymi CA1 (Purves 2004, Byrne 2009). Synapsy te standardowo pobudzano do
wzmocnienia synaptycznego kilkoma bodźcami tężcowymi (tetanic stimulation) na kolateralach o
częstości 100Hz i czasie trwania 1s (Byrne 2009) lecz szybko zorientowano się, że taka stymulacja
ma niewiele wspólnego z rzeczywistymi sygnałami w mózgu i opracowano bardziej fizjologiczne
metody indukcji LTP. Należą do nich stymulacja o częstotliwości fal teta, TFS—Theta Frequency
Stimulation—gdzie przez 30s podaje się bodziec o częstości 5Hz oraz TBS—Theta Burst
Stimulation—w której wykorzystuje się pobudzanie seriami 4 pulsów częstości 100Hz z obwiednią
5Hz (Byrne 2009, Bermudez-Rattoni 2007, Lynch 2004). Podobne sygnały można zaobserwować w
żywym hipokampie lecz wciąż trzeba pamiętać o tym, że w skrawkach warunki temperaturowe i
środowiskowe (np. obecność modulujących związków chemicznych) są inne niż w żywym
10
zwierzęciu, i wnioski z obydwu rodzajów eksperymentów nie muszą się pokrywać10 (Byrne 2009).
Rysunek 8: Ilustracja przebiegu LTP (na
podstawie Bliss, 1973): widoczne ułatwienie
Rysunek 9: Zmiany przebiegu
przewodnictwa neuronalnego (ilości neuronów impulsu po LTP (na podstawie Bliss,
uruchomianych stymulacją włókna wejściowego). 1973). Widoczne zwiększenie
nachylenia zbocza po LTP (linia
ciągła), oznaczające zwiększenie
przewodności jonowej błony
postsynaptycznej.
Molekularne zasady indukcji LTP
Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne w komórkach piramidowych CA1 hipokampa
wywoływane jest skoordynowanym działaniem receptorów AMPA, biorących udział w ich
depolaryzacji oraz działaniem receptorów NMDA, wykrywających Hebbowską koincydencję
między aktywnością synapsy, a globalną depolaryzacją neuronu. Aktywność synaptyczna pobudza
kanały jonowe receptorów AMPA do przewodzenia, umożliwiając podniesienie potencjału neuronu
poprzez wprowadzenie do jego wnętrza jonów sodu. Pojedynczy receptor AMPA zmienia potencjał
membrany w zakresie ułamków mV co powoduje, że do osiągnięcia pełnej depolaryzacji konieczna
jest zgodna współpraca wielu receptorów oraz odpowiednio silna stymulacja synaptyczna. Gdy
membrana komórki osiągnie odpowiedni potencjał, stymulacja glutaminianergiczna może włączyć
kanały receptorów NMDA11. Kanały te w stanie spoczynku blokowane są jonami magnezu12, lecz
10 Już sam wpływ temperatury ciała, wyższej od temperatury laboratorium może znacznie zmieniać szybkość
zachodzenia zmian plastycznych (Byrne 2009).
11 Aby zrozumieć zgodność tego mechanizmu włączania kanału receptora NMDA z regułą Hebba należy pamiętać, że
depolaryzacja komórki może być dyktowana czynnością receptorów AMPA należących niekoniecznie do tej samej
synapsy co NMDA. Dlatego depolaryzacja koreluje z aktywnością wyjściową neuronu i odzwierciedla sumaryczny
wkład aktywności na wszystkich synapsach. Jeśli synapsa NMDA o małej wadze koreluje z takim sygnałem to jej
waga stopniowo będzie powiększana.
11
w trakcie depolaryzacji zgromadzony w komórce ładunek dodatni wypycha magnez na zewnątrz i
kanały w obecności glutaminianu otwierają się dla dla jonów wapnia, pełniących kluczową rolę w
aktywacji przemian związanych z LTP (Dingledine 1999, Purves 2004).
Rysunek 10: Schemat indukcji LTP. A. aktywność receptorów AMPA prowadzi do
depolaryzacji komórki, B. dodatni ładunek zgromadzony w komórce wypycha blokujący jon
magnezu receptora NMDA, C. kanał NMDA wprowadza do komórki wapń i D. wapń
indukuje kaskady przemian plastycznych.
Przebieg LTP może być dodatkowo uzupełniany czynnością receptorów metabotropowych mGluR
(Lynch 2004), które pod wpływem glutaminianu aktywują fosfolipazę PLC, odgrywającą istotną
rolę w regulacji działania kinazy białkowej typu C (PKC, Protein Kinase C). Ten szlak
sygnalizacyjny nie zawsze jest wymagany w indukcji LTP, ma natomiast znaczenie w długotrwałym
wzmocnieniu synaptycznym receptorów NMDA (zob. też niżej role kinaz PKC i CAMKII) (Lynch
2004).
E-LTP
W początkowym okresie wzmocnienia (faza E-LTP, Early LTP), napływ wapnia do komórki
aktywuje kinazy odpowiedzialne za potranslacyjne modyfikacje białek biorących udział w
transmisji synaptycznej. Aktywacji podlegają przede wszystkim kinaza zależna od wapnia i
kalmoduliny CAMKII oraz kinaza PKC, choć ważne role odgrywane są też przez PKA i kinazy
tyrozynowe (Byrne 2009). CAMKII stanowi ok.1-2% całkowitej ilości białka w neuronie i jest
12 Średnica uwodnionego jonu to 0.64nm, średnica kanału—0.6nm (Dingledine 1999).
12
szczególnie obfita w zagęszczeniu postsynaptycznym (PSD, Post-Synaptic Density), co czyni z niej
idealny cel dla napływających jonów wapnia (Fink 2002, Lynch 2004). Kinaza występuje w postaci
holoenzymów, zawierających 10-12 jednostek enzymu połączonych częścią asocjacyjną i
ułożonych w dwa pierścienie (Means 2000). Jej aktywacja zależy od kalmoduliny (CaM), która
wiążąc cztery jony wapnia, odsłania hydrofobowe miejsca aktywne (McCue 2010), umożliwiające
wyprowadzenie kinazy ze stanu autoinhibicji (rys. 11). Odsłonięta domena autoinhibitora może być
fosforylowana sąsiednimi kinazami holoenzymu (na thr-286), a gdy tak się stanie, powinowactwo
kinazy do CaM znacznie wzrasta i kinaza niechętnie się go pozbywa. Ponadto, nawet po utracie
CaM bardzo utrudniony staje się powrót kinazy do stanu nieaktywnego. CAMKII może więc
zapamiętywać przejściowe sygnały wapniowe i stanowi rodzaj ,,pamięci molekularnej'' w indukcji
LTP (Means 2000, Berridge 2008).
PKC aktywowana jest inaczej i oddziałuje przy tym z membraną. Kinaza zawiera trzy
ważne domeny: C1, wiążącą diacyloglicerol, C2, wiążącą wapń oraz domenę C4 z centrum
katalitycznym (rys. 12). Centrum katalityczne w stanie nieaktywnym jest blokowane
pseudosubstratem, lecz związanie wapnia w domenie C2 umożliwia kinazie przyłączenie do błony
postsynaptycznej, gdzie może związać domenę C1 z diacyloglicerolem (DAG). Związanie z DAG
wymusza zmianę konformacyjną, która usuwa pseudosubstrat z miejsca katalitycznego PKC i
aktywuje kinazę (Goedhart 2009, Berridge 2008). Rola DAG w aktywacji PKC umożliwia
wskazanie szlaku sygnalizacji dla receptorów mGluR, które są sprzężone z fosfolipazą typu C
(PLC, Phospholipase C), rozkładającą membranowe fosfolipidy PIP2 (4,5 difosforan
fosfatydyloinozytolu) na dwie cząstki potomne: trifosforan inozytolu IP3 i właśnie diacyloglicerol.
13
Rysunek 11: Schemat aktywacji CAMKII. W obecności jonów wapnia kalmodulina
ulega aktywacji i odsłania hydrofobowe łatki. Następnie wiąże się z CAMKII (w
punkcie C), odwijając jej ramię, które utrzymywało miejsce katalityczne K w stanie
autoinhibicji. Aktywna kinaza może fosforylować sąsiednią aktywną jednostkę
CAMKII i zablokować czynność autoinhibitora A, uniezależniając się od wapnia.
Rysunek 12: Aktywacja PKC: pod wpływem PLC, fosfolipid PIP2 rozpada się na IP3 oraz DAG.
IP3 służy sygnalizacji do wewnętrznych cystern wapniowych, natomiast DAG bierze czynny udział
w aktywacji PKC. PKC normalnie jest w stanie nieaktywnym. Po związaniu wapnia w jednostkę C2,
może przyłączyć się do membrany, gdzie jednostka C1 może związać się z DAG. Kiedy to się stanie,
pseudosubstrat usuwany jest z katalitycznej jednostki C4 i kinaza staje się aktywna.
Uaktywnione kinazy fosforylują receptory glutaminianu AMPA i NMDA oraz regulują
czynność fosfatazy PP1. Receptory AMPA podlegają fosforylacji na serynie-831 oraz 845 jednostki
GluR1 (Byrne 2009). Seryna-831 regulowana jest czynnością PKC lub (zamiennie) CAMKII i
odpowiada za zwiększanie przewodności kanału jonowego receptora. Seryna ta nie jest dobrze
dopasowana ani do PKC ani do CAMKII i do aktywacji wymaga silnej stymulacji synaptycznej
(Lee 2006, Dingledine 1999, Barria 1997, Byrne 2009). Seryna-845 może być fosforylowana za
14
pośrednictwem PKA (kinaza białkowa zależna od cyklazy adenylowej) i odpowiada za wydłużenie
czasu otwarcia kanału receptora AMPA oraz ułatwienie w dostarczaniu cytoplazmatycznych
receptorów AMPA do membrany (Lee 2006, Oh 2006, Dingledine 1999). Aktywność PKA wiąże
się z czynnością receptorów NMDA, które na 10-15 minut po stymulacji podnoszą stężenie cAMP
w dendrycie (Roberson 1996). Receptory NMDA są fosforylowane kinazami tyrozynowymi
(głównie src), zwiększającymi czas otwarcia podlegających im kanałów jonowych oraz PKC, która
zwiększa prawdopodobieństwo otwarcia tych kanałów i zmniejsza ich powinowactwo do jonów
magnezu13 (Dingledine 1999, Lynch 2004). Czynność fosfataz regulowana jest pośrednio za
pomocą inhibitora I-1, aktywowanego czynnością PKA (rys. 13) (Byrne 2008). Aktywny inhibitor
blokuje fosfatazę PP1 (Protein Phosphatase 1), ułatwiając na pół godziny fosforylację kinaz
CAMKII, receptorów AMPA i czynników transkrypcyjnych (Genoux 2002).
Rysunek 13: Współzawodnictwo między PKA i
PP2B w aktywacji I-1, a tym samym w
regulacji czynności fosfatazy PP1.
L-LTP
Zależne od kinaz E-LTP rozpoczyna się ok 10-20 minut po pojawieniu bodźca i utrzymuje
się przez następne 2 godziny, po czym zaczyna wygasać (Bermudez-Rattoni 2007, Lynch 2004,
Frey 1988). Do dalszego podtrzymania wzmocnienia synaptycznego konieczna jest synteza białek
(do 4 dni, LTP2) i synteza połączona z transkrypcją (do 23 dni, LTP3) (Lynch 2004). Zjawiska te
określane są ogólnie mianem LTP późnej fazy, L-LTP (Late LTP) i generują zmiany utrzymujące się
przez wiele tygodni, a nawet miesięcy (Squire 2008). W tym okresie zachodzi konsolidacja
13 Wyjaśnia to wspomniany wcześniej efekt modulacji LTP receptorów NMDA przez PKC.
15
systemowa pamięci i trwałe przepisanie jej z hipokampa do kory mózgowej. Proces ten uwidacznia
się już po tygodniu od indukcji LTP a kończy się po upływie miesiąca w przypadku kontekstowego
warunkowania strachem u szczura14 (Dudai 2004).
Transkrypcja, podobnie jak w przypadku Aplysia, wiąże się z uruchomieniem czynnika
CREB w jądrze, lecz jego aktywacja nie następuje wyłącznie dzięki PKA i MAPK, a dochodzi do
tego zależność od kinaz kalmodulinowo wapniowych CAMKIV i CAMKII (Smolen 2006, Davies
2004). CAMKIV aktywuje się podobnie do CAMKII (wiązanie CaM, następnie autofosforylacja
wzmagająca aktywność katalityczną), lecz aby uzyskać niezależność od kalmoduliny i wapnia,
kinaza ta musi zostać fosforylowana (na thr-177) pomocniczą kinazą aktywowaną obecnością
kalmoduliny/wapnia—CAMKK (CAMK Kinase) (Davies 2004, Means 2000). MAPK (kinaza
mitogenowa, podtypy ERK1 i ERK2; External Responese Kinase) aktywuje się wieloetapowo:
wapń i fosfataza SHP2, aktywują białko Ras (Pagani 2009, Yamamoto 1999), aktywujące kinazę
Raf, aktywującą kinazę MEK (MAP-ERK Kinase), która aktywuje końcowe kinazy ERK1 i
ERK215 (Extracellular Regulated Kinase) (Bronchud 2008, Molina 2006).
Po przejściu do jądra CAMKIV fosforyluje CREB (na serynie 133 domeny KID16) i CBP,
umożliwiając im utworzenie kompleksu. Kompleksy CREB-CBP inicjują transkrypcję, lecz do
ukończenia procesu wymagana jest jeszcze obecność kinazy MAPK, która ze względu na powolną
aktywację, pojawia się w jądrze (z pomocą PKA) później niż CAMKIV i prawdopodobnie
przedłuża fosforylację CREB w końcowych fazach transkrypcji (Davies 2004). Produkty
transkrypcji rozchodzą się następnie po całej komórce, wywołując w aktywnych synapsach zmiany
plastyczne. Selektywność wobec synaps aktywnych (a nie wszystkich możliwych) wyjaśnia
hipoteza znakowania synaptycznego (Lonze 2002, Smolen 2006), wedle której w tych synapsach po
14 Jakość przepisania pamięci z hipokampa do kory mierzona była w odpowiedzi na uszkodzenie hipokampa.
15 Co ciekawe, początkowy etap indukcji MAPK w LTP jest czuły na zakłócanie kolejnymi cyklami uczenia (u muszki
owocowej w parowaniu zapachu z podrażnieniem elektrycznym). Kolejna prezentacja bodźca powoduje
wyzerowanie poziomu MAPK i rozpoczęcie procesu narastania jej koncentracji od nowa. W ten sposób Pagani
(Pagani 2009) dotarł do jednej z molekularnych przyczyn efektu powtórki.
16 CAMKII nie nadaje się do tego, gdyż równocześnie fosforyluje hamującą serynę 142
16
pobudzeniu pojawia się znacznik zezwalający na dokonywanie w nich zmian strukturalnych.
Takiego znacznika nie ma w synapsach nieaktywnych. Badania (cytowane za Smolen 2006)
wskazały przynajmniej trzy kinazy generujące znaczniki: są to CAMKII, MAPK i PKA17. W ten
sposób odnajdujemy miejsce dla CAMKII w L-LTP.
Długotrwałe osłabienie synaptyczne w hipokampie: LTD zależne od NMDA
Oprócz wzmocnienia synaptycznego, w hipokampie możliwe jest również długotrwałe
osłabienie synaptyczne (Long Term Depression, LTD) (Dudek 1992, Byrne. 2009, Purves 2004).
Wywołać je można za pomocą dwóch ścieżek: lepiej poznanej, zależnej od receptorów NMDA oraz
słabiej poznanej, zależnej od metabotropowych receptorów mGluR (Byrne 2009).
LTD zależne od aktywności NMDA wywołuje się przedłużoną stymulacją
niskoczęstotliwościową, np. w przypadku synaps kolaterali Schaffera z neuronami CA1 stosowana
jest stymulacja 1Hz przez 10-15 minut (Dudek 1992, Purves 2004). Taka powolna stymulacja nie
wywołuje depolaryzacji błony postsynaptycznej (utrudnione jest sumowanie czasowe sygnałów), co
odzwierciedla anty-Hebbowskie warunki uczenia (Lisman 1989, Bryne 2009). Podniesienie
częstotliwości ponad 10Hz przy tej samej ilości impulsów wywołuje LTP (Dudek 1992, Byrne
2009). Ta dualność w kierunku przemian plastycznych przewidziana była już w 1982 roku przez
teorię BCM (sformułowaną przez Bienenstocka, Coopera i Munro), rozwiniętą w genialny sposób
przez Lismana. Według niej zmiany plastyczne w neuronie skutkują wzmocnieniem siły synapsy
tylko jeśli jej pobudzenie postsynaptyczne (stężenie jonów wapnia) przekracza pewną wartość
progową. Jeśli pobudzenie jest podprogowe (ale niezerowe), siła synapsy ulega osłabieniu (Lisman
1989).
Doświadczenia pokazały, że stężenie wapnia rzeczywiście wpływa na kierunek zmian
plastycznych, a wapń pojawia się w komórce w odpowiedzi na aktywację receptorów NMDA
(Dudek 1992). Wydawało się zatem, że teoria BCM została potwierdzona, a jednak bez
17 CAMKII i MAPK fosforylują znane substraty, a substrat PKA nie jest obecnie znany (Smolen 2006).
17
dodatkowych modyfikacji nie mogła objaśnić otrzymanych kilka lat później wyników zespołu
Zuckera , w których krótkie impulsy wapnia o niskiej koncentracji (np. 0.7µmoll-1, przez 10s) z
podobnym prawdopodobieństwem indukowały LTP lub LTD (Yang 1999). Rozwiązanie problemu
wiązało się z uwzględnieniem szybkości sygnalizacji wapniowej. LTP najskuteczniej można
wywołać bodźcami 10µmoll-1 o czasie trwania 3 sekund, natomiast LTD – bodźcami 0.7µmoll-1 ,
utrzymującymi się przez 60 sekund (Byrne 2009, Yang 1999). Takie charakterystyki czasowe
stężenia wapnia mogą być w neuronie generowane dzięki obecności dwóch podtypów receptorów
NMDA: szybkich NR1-NR2A oraz wolnych NR1-NR2B (Bliss 2004). NR1-NR2B charakteryzują
się stałą czasową inaktywacji ok. 300ms, natomiast NR1-NR2A—50ms. Z tych dwóch tylko
receptory NR2B nadają się do sumowania wolnych sygnałów, wywołujących LTD (tylko one
„pamiętają” poprzedni impuls gdy nadchodzi następny). Ponieważ tych receptorów jest mniej niż
NR2A, ich aktywacja skutkuje mniejszym napływem wapnia. Z kolei NR2A, choć aktywowane na
krótko, przeważają w ilości nad NR2B i umożliwiają napływ większych ilości wapnia,
promujących rozwój LTP.
Przy niskich stężeniach wapnia w neuronie postsynaptycznym uaktywnia się kalcyneuryna
(fosfataza białkowa PP2B). Mechanizm jej aktywacji podobny jest do CAMKII i również opiera się
na przyłączeniu kalmoduliny związanej z jonami wapnia, lecz w porównaniu do CAMKII
kalcyneuryna ma do kalmoduliny wyższe powinowactwo i łatwiej się aktywuje przy niskich
stężeniach wapnia (Lisman 1989, Malenka,1995). Aktywna kalcyneuryna zdejmuje inhibitor I-1 z
fosfatazy PP1, która defosforyluje seryny-845 jednostek GluR1 receptorów AMPA (normalnie
fosforylowane przez PKA), umożliwiając ich internalizację. Defosforylacji podlegają także seryny83118, lecz zabieg ten nie skutkuje LTD, a jedynie depotencjacją, tj. odwróceniem efektów
poprzednio zaaplikowanego LTP (fosforylującego serynę-831 w celu zwiększenia przewodności
AMPA) (Byrne 2009, Kemp 2001). Przy wysokich stężeniach wapnia sygnalizacja fosfatazami
18 Selektywność fosfataz względem substratów jest znacznie mniejsza niż w przypadku kinaz
18
przestaje funkcjonować—być może dlatego, że występuje wówczas silna hiperfosforylacja
CAMKII, wysycająca fosfatazę PP1 i redukująca jej aktywność (Miller 2005). Przeważa wtedy
mechanizm LTP.
LTD zależne od mGluR
Hipokampowe LTD zależne od receptorów metabotropowych mGluR jest zjawiskiem
zbadanym stosunkowo niedawno. Znane było wcześniej w komórkach Purkinjego w móżdżku, ale
jego postać w hipokampie znacznie różni się od LTD w komórkach Purkinjego. Oprócz różnic w
transdukcji sygnałów postsynaptycznych mechanizm ten opiera się na odmiennych elementach
sygnalizacji presynaptycznej.
Receptory mGluR można podzielić na 3 grupy. Receptory grupy I (mGluR1, mGluR5),
receptory grupy II (mGluR2, mGluR3) i receptory grupy III (mGluR4,6,7,8 wśród których
znaczenie dla LTD ma jedynie mGluR7). Receptory grup II i III zlokalizowane są w błonach
presynaptycznych (grupa II również postsynaptycznie) i reagują na emisję glutaminianu hamując
(poprzez białko Gi/o) czynność cyklazy adenylowej (a co za tym idzie PKA) oraz aktywność
kanałów wapniowych (Gladding 2009, Bellone 2008, zob. też Anjaneyulu 2008, Siegel 2006).
Zmiany te prowadzą w konsekwencji do zmniejszenia prawdopodobieństwa uwolnienia
neuroprzekaźnika z błony presynaptycznej. W tym procesie czułość receptorów grupy II na
glutaminian jest wyższa niż receptorów grupy III.
Receptory grupy I znajdują się w błonie postsynaptycznej. Zlokalizowane są na obrzeżach
zagęszczenia poststynaptycznego (Bellone 2008) i wymagają aktywacji przez rozlanie
neuroprzekaźnika poza szczelinę synaptyczną. Można to osiągnąć stymulacją
wolnoczęstotliwościową sparowanych impulsów19 (Glading 2009, Bellone 2008) albo cyklami
wysokoczęstotliwościowej stymulacji w zakresie nawet do 300Hz. Ten rodzaj LTD można również
wywołać poprzez parowanie stymulacji niskoczęstotliwościowej z depolaryzacją neuronu
19 900 sparowanych pulsów podanych częstotliwością 1Hz z odstępem między pulsami równym 50ms (Gladding
2009).
19
postsynaptycznego (jak w komórkach Purkinjego w móżdżku) (Bellone 2008).
Z badań nad myszami wynika, że dla indukcji LTD w komórkach CA1 konieczna jest
obecność mGluR5 i w małym stopniu mGluR120. Doświadczalne unieczynnienie mGluR5
uniemożliwia rozwój LTD (Bellone 2008, Gladding 2009, Gereau 2008) natomiast blokada
mGluR1 osłabia wczesną fazę LTD (Gladding 2009) i upośledza wsteczną sygnalizację do neuronu
presynaptycznego za pomocą endokanabinoidów (Gereau 2008). Sygnalizacja receptorów grupy I
przebiega za pomocą białek Gq w kierunku PLC, która stymuluje produkcję IP3 i DAG. IP3 uwalnia
wapń z wewnętrznych cystern, a DAG aktywuje PKC (Bellone 2008). Zaskakujące jest jednak to,
że LTD zależne od mGluR wywoływane DPHG (dihydroksyfenyloglicyna, agonista receptorów
mGluR typu I) nie zależy od aktywności PKC (nic nie zmieniają inhibitory PKC) ani od
zwiększonej koncentracji wapnia (wprowadzenie chelatorów wapnia nie wpływa na rozwój LTD)
(Gladding 2009, Gereau 2008). Jednak w warunkach fizjologicznej transmisji synaptycznej
zarówno obecność wapnia jak i aktywność PKC są dla indukcji LTD niezbędne (Bellone 2008,
Gladding 2009). PKC może wówczas osłabiać synapsę poprzez stymulację kinaz mitogenowych,
aktywację fosfolipazy D lub A2 albo modulację czynności kanału kationowego (Gladding 2009).
PKC może również fosforylować serynę 901 mGluR5, utrudniając za pomocą CaM jego ekspresję
w membranie (Gladding 2009).
Niezależnie od PKC i wapnia, ścieżki sygnalizacyjne LTD mogą wykorzystywać białka
łącznikowe, takie jak Homer (zob. tabela w paragrafie o IEG). Homer może wiązać mGluR z kinazą
tyrozynową receptora naskórkowego czynnika wzrostu (EGF, epidermal growth factor), która
uaktywnia kinazę tyrozynową src, biorącą udział w aktywacji kinaz mitogenowych ERK (Gladding
2009). Homer może też łączyć mGluR z GTP-azą PIKE21, aktywującą kinazę PI3K22, inicjującą
20 Dla porównania, w komórkach Purkinjego w móżdżku jest odwrotnie. Decydującą rolę odgrywa mGluR1 (zob.
paragraf o LTD w móżdżku).
21 PI3K Enhancer, aktywator kinazy PI3K
22 Kinaza fosfatydyloinozytolu.
20
translację białek poprzez fosforylację modulatorów 4E-BP23 (Ronesi 2008, Gladding 2009).
Poprzez kaskadę Rap, mGluR może również aktywować kinazę p38MAPK (Gladding 2009). Inną,
bardziej lokalną możliwością sygnalizacji może być regulacja wiązania mGluR1/5 z tratwami
lipidowymi za pomocą kaweoliny, umożliwiająca internalizację jednostek mGluR1/5 (Gladding
2009).
Czynność kinaz z rodziny MAPK i PI3K jest dla rozwoju LTD niezbędna i warunkuje
endocytozę receptorów AMPA. Głównym ich zadaniem jest regulacja transkrypcji i translacji
białek, co pokazywano na przykładzie myszy z nieobecnym białkiem FMRP (funkcjonującym jako
represor translacji), u której LTD uległo wzmocnieniu (przy okazji stało się niezależne od syntezy
białek—Gereau 2008). Translacji podlegają m.in. białko Arc uczestniczące w endocytozie
klatrynowej, fosfataza tyrozynowa STEP24, która defosforyluje jednostkę GluR2 i promuje jej
internalizację poprzez dyfuzję w grubości membrany (Gladding 2009), białko MAP1B (microtubule
associated protein 1B—białko 1B związane z mikrotubulami) wiążące się z GRIP25 w celu
oderwania go od receptora AMPA, Homer1a (białko tworzące niefunkcjonalny skielet Homer dla
receptora mGluR), białka wspomagające translację (białko rybosomowe S6, czynnik elongacyjny
EF1A) oraz jednostki GluR2 receptora AMPA (Bellone 2008). Szlaki MAPK mogą ponadto
aktywować kinazę białka rybosomowego S626 oraz—już poza tematyką translacji—m-kalpainy27
skracające C-końce iGluR28, a być może proteolizujące receptory AMPA (Gladding 2009).
LTD generowane przez receptory grupy I może być też wzmagane aktywnością receptorów
grupy II, które istnieją zarówno w błonie presynaptycznej jak i postsynaptycznej. Ich aktywacja ze
względu na własności obniżające aktywność PKA może wpływać na defosforylację receptorów
AMPA (Bellone 2008). Ponadto, depresja synaptyczna zależy od wysyłania z neuronu
23 Białko 4E-BP jest białkiem wiążącym się z eukariotycznym inicjatorem translacji eIF4E. Po związaniu, czynność
eIF4E zostaje zablokowana co blokuje translację. Fosforylacja 4E-BP umożliwia jego oddysocjowanie od eIF4E
(Sonenberg 1998).
24 Striatal enriched tyrosine phosphatase.
25 Glutamate Receptor Interacting Protein – białko oddziałujące z receptorem glutaminianu
26 Może tego dokonywać również PI3K (Gladding, 2009)
27 W przebiegu LTD jest również miejsce dla proteaz serynowych: subtylizyny i kadepryny (Gladding, 2009).
28 iGluR—jonotropowy GluR
21
postsynaptycznego (aktywowanego receptorami typu I) do presynaptycznego endokanabinoidów,
prowadzących do depresji presynaptycznej. Zazwyczaj czas takiego osłabienia synapsy jest
mierzony ułamkami sekundy (Bellone 2008, Kano 2008).
Aktywacja i modulacja czynności CREB
Fosforylowany czynnik CREB po połączeniu z CBP przyłącza się do sekwencji CRE w
DNA (TGACGTCA—Lonze 2002) i poprzez interakcję domeny Q2 z TFIID/B oraz CBP z RHA
umożliwia aktywację polimerazy RNA typu II (Alberini 2009, Nakajima 1997, zob. też rys. 4).
Ponieważ jednostki CREB funkcjonują jako dimery, połączone suwakiem leucynowym, (rys. 14)
ich aktywność może być modulowana pochodzącymi z tej rodziny29 czynnikami CREM (cAMP
Response Element Modulator) (Lonze 2002, Kaczmarek 2002).
Rysunek 14: Struktura bZIP: suwak leucynowy odpowiada za dimeryzację jednostek natomiast
część zasadowa odpowiada za wiązanie z DNA
Struktura genu CREM umożliwia ekspresję czterech podstawowych wariantów tego
czynnika transkrypcyjnego. CREMτ jest aktywatorem transkrypcji, natomiast CREMα, CREMβ i
CREMγ są jej inhibitorami (nie posiadają domen Q odpowiedzialnych za aktywację transkrypcji)
(Silva 1998). Dodatkowym inhibitorem pochodzącym z genu CREM jest ICER (Inducible cAMP
Early Repressor), który różni się od pozostałych swoją ,,indukowalnością'', tzn. ekspresją w
29 CREB/ATF
22
odpowiedzi na aktywację CREB. Pozostałe modulatory CREM są ogólnodostępne w komórce.
Ekspresja ICER osiąga maksimum po 2-6 godzinach od momentu indukcji, podobnie jak pozostałe
białka kodowane genami odpowiedzi wczesnej (IEG, Immediate Early Genes). Czas utrzymywania
się podwyższonej konentracji ICER jest dosyć długi, nawet powyżej 24h (Borlikova 2009).
Po pierwszej fazie transkrypcji, w jądrze pojawiają się należące do klasy bZIP czynniki
transkrypcyjne C/EBP (czynniki wiążące się z sekwencją CCAAT, CCAAT Enhancer Binding
Proteins, wspominane już u Aplysii). Rodzina ta zawiera sześciu członków—C/EBPα,β,γ,δ,ε,ζ.
Struktura tych białek na C-końcu zawiera suwak leucynowy, natomiast część N-końcowa różni się
w zależności od izoformy i z reguły zawiera rozmaite domeny aktywujące transkrypcję (Ramji
2002). U ssaków bardzo ważnymi formami wydają się C/EBPβ oraz C/EBPδ, których koncentracja
u szczurów zwiększa się po treningu reakcji unikania kontekstu związanego z podrażnieniem łapki.
Ekspresja pojawia się w 6-9 godzin po treningu i utrzymuje się przynajmniej przez 28 godzin,
opadając do poziomu wyjściowego dopiero po dwóch dobach (Alberini 2009). C/EBPβ jest
niezbędny dla formowania pamięci długoterminowej w hipokampie, a jego blokada nawet w
okresie powyżej jednego dnia od indukcji LTP uniemożliwia formowanie takiego rodzaju pamięci.
C/EBPδ pełni hamującą rolę w kontekstowym warunkowaniu strachu (mutant nie posiadający tego
genu uczy się szybciej) (Alberini 2009). C/EBPζ przez zniekształcenie w domenie bZIP nie może
wiązać się z sekwencją C/EBP w DNA, lecz zachowuje pełną zdolność dimeryzacji z pozostałymi
członkami rodziny, pełniąc rolę inhibitora transkrypcji. W warunkach stresu może on się jednak
przyłączać do alternatywnej sekwencji DNA, otwierając nową ścieżkę transkrypcji (Alberini 2009,
Ramji 2002). C/EBPγ, podobnie jak C/EBPζ jest inhibitorem i nie zawiera domen aktywujących
transkrypcję (Ramji 2002).
C/EBP podlega wielostopniowej regulacji. Do funkcjonowania potrzebuje cAMP, który
warunkuje jego translokację z cytoplazmy do jądra oraz fosforylacji, dokonywanej za pomocą kinaz
MAPK, CAMKII-IV, PKC (Alberini 2009). Możliwa jest również autoregulacja transkrypcji,
23
stwierdzona na przykład dla C/EBPβ (Ramji 2002).
Fos, Jun
Wśród wtórnych czynników transkrypcyjnych obok C/EBP jądro komórkowe uwalnia
również transkrypty z rodzin Fos i Jun, kodujące czynniki c-fos i c-jun. c-jun pojawia się w
odpowiedzi na doświadczenia nowości, boleści i nagrody (zanika przy powtarzalnej prezentacji
bodźca). Według badań, jego obecność jest obojętna dla uczenia przestrzennego i zadań
warunkowania strachu (Alberini 2009). c-fos natomiast podlega ekspresji w uczeniu przestrzennym
motywowanym apetytem, w uczeniu niechęci do smaku i w uczeniu pasywnego unikania. Podobnie
jak c-jun, c-fos aktywuje się najsilniej w pierwszych próbach, a w kolejnych jego koncentracja
systematycznie spada (Alberini 2009).
Białka kodowane w rodzinach Fos i Jun należą do klasy bZIP, mogą więc ze sobą
dimeryzować. Dimery stają się aktywne transkrypcyjnie, tworząc klasę czynników
transkrypcyjnych AP-1, rozpoznających w DNA sekwencję TGAC/GTCA. Zależnie od kombinacji
dimerów, czynniki AP-1 mogą tak aktywować jak i hamować transkrypcję (Kaczmarek 1997).
Zif268
mRNA dla Zif268 pojawia się w zakręcie zębatym 30-60 minut po tężcowej stymulacji
włókien kory węchowej, a jego ekspresja towarzyszy uczeniu asocjacyjnemu, warunkowaniu
strachem, uczeniu przestrzennemu i wydaje się towarzyszyć doświadczeniu nowości. Wywołane
mutacją wyłączenie genu Zif268 upośledza pamięć długoterminową, lecz deficyt ten można
nadrobić intensywnym treningiem co sugeruje istnienie kompensujących szlaków sygnalizacyjnych
(Alberini 2009, Knapska 2004).
Zif268 należy do klasy czynników z palcami cynkowymi (rys. 15), które rozpoznają w DNA
sekwencję GCGC/GGGGCG . Jego transkrypcja może być stymulowana poprzez CREB lub ELK1, który należy do grupy czynników aktywowanych surowicą (SRE—Serum Response Element)
(Knapska 2004). Wśród białek, które mogą być regulowane przez Zif268 wymienić można
24
synapsynę, lekkie łańcuchy neurofilamentów, receptory czynnika wzrostu nerwowego p75 i wiele
enzymów—zestawienie można znaleźć w (Knapska 2004). Aktywność transkrypcyjna Zif268 może
być ograniczana w ujemnym sprzężeniu zwrotnym przez transkrypcję inhibitora NAB2 (Knapska
2004).
Rysunek 15: Struktura palca cynkowego wg (Krishna 2003). Jon cynku
stabilizuje jedną alfa helisę i dwie beta harmonijki. Obszar alfa-helisy
wnika w szeroką bruzdę DNA.
Zif268 i c-fos uzupełniają się w reagowaniu na zmiany w poziomie stymulacji komórki
(Kaczmarek 1997). c-fos aktywuje się w doświadczeniu nowości, ma niską koncentrację wyjściową
i niewrażliwy jest na zanikanie bodźców tła docierających do komórki, natomiast zif268 ma
wysoką koncentrację wyjściową, która opada, gdy zanikają bodźce tła (np. po usunięciu wibrysów
u szczura, Knapska 2004).
NFκB
NFκB jest czynnikiem transkrypcyjnym powszechnie obecnym w cytoplazmie. Normalnie
jest zablokowany białkiem IκB, uniemożliwiającym lokalizowanie jądra komórkowego, ale po
stymulacji blokujące białko degraduje (przypuszczalnie za pośrednictwem CAMKII) i NfκB może
przedostać się do jądra. W jądrze aktywuje transkrypcję CAMKIIδ, BDNF (Brain Derived
Neutrophic Factor), NCAM (Neural Cell Adhesion Molecule; por. ApCAM w Aplysia), Nos (NO
Synthetase), a także bierze udział w regulacji struktury chromatyny (Alberini 2009).
IEG
IEG, czyli Immediate Early Genes – geny odpowiedzi wczesnej, podlegające
25
natychmiastowej transkrypcji w odpowiedzi na stymulację komórki. Wśród nich znajdują się
omówione wyżej czynniki transkrypcyjne jak C/EBP, c-fos, c-jun czy zif268, ale również białka
bezpośrednio biorące udział w przebudowie synaps. Białka pojawiające się w związku z LTP
zestawione są w Tabeli 1 (wg Loebrich 2009 z uzupełnieniami).
Białko
Rola
SNK (Serum Regulated
Kinase-kinaza regulowana
serum)
Reorganizacja cytoszkieletu F-aktyny w kolcach dendrytycznych,
hamowanie reorganizacji cytoszkieletu przez SPAR, w efekcie—
eliminowanie kontaktów synaptycznych. SPAR, Spine Associated
RapGAP (Rap GTP-ase Activating Protein)—białko inaktywujące
GTP-azę Rap, biorącą udział w zmniejszaniu ilości kolców
synaptycznych (Pak 2001, Spilker 2010)]
RGS2 (regulators of G
protein Signaling –
regulatory sygnalizacji
białkami G)
Wygłuszają sygnalizację białkami G. Hamują aktywację MAPK
zależną od nikotynowych receptorów acetylocholiny (nAChR),
zwiększają presynaptyczne prawdopodbieństwo uwolnienia
pęcherzyka synaptycznego przez osłabienie sygnalizacji zamykania
kanałów wapniowych.
BDNF (Brain Derived
Neurotrophic Factor—
neurotropowy czynnik
pochodzenia mózgowego)
Brak BDNF u mutantów osłabia LTP, czynnik wywołuje
fosforylację receptorów NMDA. Receptory TrkB pod wpływem
BDNF mogą aktywować CAMKIV i MAPK, a w konsekwencji
CREB (zarówno post-, jak i presynaptycznie). (Bermudez-Rattoni
2007)
Narp (Neuronal activity
regulated pentraxin,
pentraksyna regulowana
aktywnością neuronalną)
Zwiększa siłę synapsy poprzez zewnątrzkomórkowe klastrowanie
receptorów AMPA. Klastry są bardziej stabilne w membranie niż
pojedyncze receptory ze względu na kompensującą się wzajemnie
ruchliwość podjednostek (Shepherd 2007)
CPG15 (Candidate plasticity Promuje wzrost dendrytów i aksonów, a także dojrzewanie synaps
gene 15—gen kandydujący przez osadzanie funkcjonalnych receptorów AMPA
plastyczności nr 15)
Arkadlina (Activityregulated cadherin like
protein—regulowane
aktywnością białko podobne
do kadheryny)
Arkadlina należy do rodziny kadheryn (białek odpowiedzialnych za
adhezję międzykomórkową) lecz posiada odcinek
wewnątrzkomórkowy, oddziałujący z maszynerią postsynaptyczną.
Po dostarczeniu do membrany arkadlina wiąże się z n-kadheryną i
dzięki swemu zakończeniu wewnątrzkomórkowemu umożliwia
internalizację białka. Nie ma jednoznacznego stanowiska odnośnie
wpływu na pamięć: z jednej strony blokowanie arkadliny blokuje
LTP, a z drugiej strony internalizacja promuje wzrost kolców
dendrytycznych. (Yasuda 2007)
Cyklooksygenaza 2 (COX-2) Produkuje cząstki dyfundujące poza membrane neuronu w celu
dalszej sygnalizacji
Arc (activity regulated
cytoskeleton-associated
protein-- białko związane z
cytoszkieletem, regulowane
26
Jego nieobecność wzmaga wczesną fazę LTP i niszczy późną fazę.
We wczesnej fazie arc prowadzi do internalizacji receptorów
AMPA, służąc prawdopodobnie jako adaptor, łączący receptor
AMPA z białkami maszynerii endocytującej (Shepherd 2007). W
aktywnością)
długiej fazie LTP, arc umożliwia zmiany strukturalne poprzez
polimeryzację F-aktyny (Messaoudi 2007)
Homer-1a
Homer-1a należy do rodziny homer białkiek łącznikowych,
zdolnych wiązać receptor IP3 z receptorem mGluR oraz z kanałem
kationowym TRPC1 (Transient receptor potential channel). Ponadto,
łącząc się z białkiem Shank, może związać IP3 lub mGluR z
receptorem NMDA. Bliskość mGluR i IP3 jest konieczna dla
umożliwienia sygnalizacji za pomocą białka G i fosfolipazy,
bliskość IP3 i TRPC1 otwiera TRPC1 pod wływem
wewnątrzkomórkowego wapnia umożliwiając napływ wapnia
zewnątrzkomórkowego. W rodzinie Homer, białko Homer-1a
wyróżnia się brakiem łącznika wiążącego przyłączane jednostki w
jeden kompleks. Dlatego stanowi negatywny element regulujący
aktywność tych kompleksów.
CPG2 (Candidate plasticity Reguluje usuwanie receptorów AMPA i NMDA z synapsy. Jest
gene 2—Kandydujący gen
ogniwem łączącym maszynerię endocytującą z cytoszkieletem
plastyczności numer 2)
aktynowym.
Móżdżek: obwód komórek Purkinjego
Zmiany plastyczne w móżdżku związane są przede wszystkim ze strukturą obwodów
komórek Purkinjego (rys. 16). Obwody te zlokalizowane są w korze móżdżku. Informacja o
zdarzeniach zewnętrznych jest do nich doprowadzana poprzez włókna kiciaste (mossy fibres) oraz
włókna pnące (climbing fibres) (Bochenek 1981). Włókna kiciaste niosą informacje wejściową z
rdzenia kręgowego i pnia mózgu (nerw przedsionkowy, jądra przedsionkowe, jądra mostu, jądra
nerwu trójdzielnego, jądra tworu siatkowatego). Poprzez bocznice stymulują one głębokie jądra
móżdżku (DCN—deep cerebellar nuclei), będące jego obwodami wyjściowymi (oddziałującymi na
neurony ruchowe kory) (Purves 2004). Aktywność jąder móżdżku podlega plastycznej kontroli
komórek Purkinjego, oddziałujących na nie za pomocą synaps hamujących. Komórki Purkinjego
otrzymują dwa rodzaje informacji wejściowej: pośrednio, poprzez komórki ziarniste odbierają,
niosący informację kontekstową, sygnał z włókien kiciastych, (Purves 2004, Squire 2008), a dzięki
włóknom pnącym odbierają sygnał z jądra dolnego oliwki, niosący informację o niadekwatności
zachowania motorycznego lub synchronizujący reakcję czasową (De Zeeuw 1998, Ito 2001).
Z pojedynczą komórką ziarnistą łączy się ok. 4 włókien kiciastych, natomiast pojedyncze
włókno kiciaste unerwia ok. 30 komórek ziarnistych (Squire 2008). Wybiegający z komórki
27
ziarnistej akson kieruje się ku zewnętrznej warstwie kory móżdżku, tworząc włókno „wstępujące”
(ascending fibre), wytwarzające silne synapsy z komórkami Purkinjego30. Po osiągnięciu
zewnętrznej warstwy kory móżdżku akson rozdziela się na dwie gałęzie i formuje przebiegające na
odległość 5-10mm włókna równoległe, stymulujące dendryty komórek Purkinjego (Squire 2008)
(dawniej uważano, że zasięg tych aksonów wynosi 1.5mm, Albus 1971).
Dendryty komórek Purkinjego łączą się z włóknami równoległymi na ogromną skalę, u
szczura szacuje się obecność 175000 synaps na jednej komórce Purkinjego (Ito 2001). W celu
utrzymania tych połączeń synaptycznych na rozsądnym poziomie aktywacji włókna równoległe
łączą się z komórkami Golgiego, hamującymi zwrotnie czynność komórek ziarnistych (Albus
1971). Ponadto, włókna równoległe oddają połączenia do komórek koszyczkowych i
gwiaździstych, hamujących komórki Purkinjego (Albus 1971).
Włókna pnące (sterujące kierunkami procesów plastycznych) unerwiają do 10 różnych
komórek Purkinjego (Squire 2008), ale pojedyncza komórka Purkinjego łączy się specyficznie
tylko z jednym takim włóknem (w odróżnieniu do połączeń z włóknami równoległymi). Takie
połączenie składa się z powielonego zespołu synaps (szacowanego nawet na 26000 synaps w
pojedynczej komórce Purkinjego u szczura), umożliwiającego wygenerowanie złożonych sygnałów
iglicowych (complex spikes) (Ito 2001).
Zespoły komórek Purkinjego, do których doprowadzane są włókna pnące z podobnych
obszarów czuciowych łączą się na powierzchni móżdżku w mikroobszary (microzones).
Mikroobszary łączą się w obszary sagitalne (sagital zones), w obrębie których komórki Purkinjego
odbierają informacje z wspólnej domeny jądra oliwki dolnej i wysyłają informację wyjściową do
wspólnych domen jąder móżdżku. Mikroobszary bywają rozproszone po powierzchni kory
móżdżku, gdyż aksony włókien pnących mogą oddawać włókna poboczne. W takim przypadku
mamy do czynienia z mikrokompleksami wieloobszarowymi (multizonal microcomplexes) (Apps
30 Te synapsy mają nieco inną rolę niż normalne synapsy komórek Purkinjego z włóknami równoległymi. Są one
silniejsze niż synapsy włókien równoległych i znajdują się w obszarach nie obejmowanych unerwieniem włókna
pnącego. Przypuszczalnie są one źródłem homosynaptycznego LTD (Ito, 2001).
28
2005, Ekerot 2003).
Rysunek 16: Obwód komórki Purkinjego. Informacja wejściowa przychodzi włóknami kiciastymi, z
których przekodowywana jest na komórki ziarniste i jej włókna równoległe. Aktywność komórki
ziarnistej regulowana jest w sprzężeniu zwrotnym z udziałem komórek Golgiego. Włókna
równoległe biorą udział w stymulacji komórki Purkinjego. Drugim źródłem stymulacji komórki
Purkinjego są włókna pnące, niosące sygnał błędu. Uruchomiona komórka Purkinjego oddziałuje
hamująco na jądra móżdżku (DCN), które pobudzane są włóknami kiciastymi.
Gdy włókno pnące i włókna równoległe komórki Purkinjego są aktywowane razem to ich
łączna działalność prowadzi do osłabienia synapsy włókna równoległego i zmniejszenia czynności
hamującej komórki Purkinjego31 (Purves 2004, Ito 2001, Squire 2008). Osłabienie synapsy
zachodzi najefektywniej przy pobudzeniu włókna równoległego w okresie 125-250ms po
aktywności włókna pnącego. W odróżnieniu od indukcji LTP w hipokampie, w móżdżku nie udało
się określić czy kolejność sygnalizacji z włókna pnącego/równoległego ma znaczenie w
skuteczności wywoływania LTD. Trudności wiążą się z niemożnością zastosowania wystarczająco
powolnych bodźców stymulujących aby rozróżnić koincydencję typu „przed” od późnej
koincydencji typu „po” (Ito 2001).
Zależny od włókna pnącego schemat uczenia się móżdżku znany jest pod nazwą modelu
Marra-Albusa. W 1969 David Marr i w 1971 James Albus formułowali model funkcjonalny sieci
neuronowej móżdżku. Marr jako pionier wykonał wielką i niedocenianą obecnie pracę wstępną
31 Interpretując sygnał pnący jako błąd możemy zatem powiedzieć, że komórka Purkinjego odwraca akcję, która do
niego doprowadziła
29
porządkując dostępne dane biologiczne lecz przyjął błędne założenie, że sygnał z włókna pnącego
wzmacnia siłę synapsy komórki Purkinjego z włóknami równoległymi. Albus ze względów
teoretycznych (efektywność algorytmów uczących opartych na korekcji błędu, stabilność procesu
uczenia) uznał bardziej stosowne przyjęcie depresji tych synaps pod wpływem sygnału błędu z
włókna pnącego (Albus 1989, Strata 2009, Albus 1971) i ten wariant został 10 lat później
potwierdzony doświadczalnie przez Masao Ito (Ito 1982).
W swej pracy Albus wiele uwagi poświęcił roli komórek ziarnistych w obwodach
plastycznych móżdżku. Uznał je za zespół kodujący sygnał z włókien kiciastych na formę
nadmiarową (stukrotny nadmiar włókien w stosunku do przesyłanej informacji), potrzebną do
szybkiego uczenia perceptronu32. Gdy jednemu włóknu kiciastemu odpowiada 100 włókien
równoległych (przy czym stan każdego włókna równoległego wyliczany jest ze stanu 4 włókien
kiciastych), jest duża szansa na używanie rozłącznych kombinacji włókien równoległych w
sygnalizacji odrębnych stanów czuciowych, opisywanych niekiedy podobnymi kombinacjami na
włóknach kiciastych. Umożliwia to skonstruowanie prostego klasyfikatora, który już po kilku
próbach uczenia działa poprawnie (i nie wymaga korekty wag przy podaniu podobnego lecz
niezwiązanego z sytuacją wzorca; taka korekta z pewnością zepsułaby czułość na wzorzec
prawidłowy w obwodzie nieredundantnym prowadząc do konieczności zastosowania wielu cykli
uczenia) (Albus 1971).
Osłabienie synaptyczne w komórkach Purkinjego może składać się z dwóch faz:
pierwszej—STD (short term depression, depresja krótkoterminowa)—trwającej do 30 minut z
maksimum po piątej minucie i drugiej—właściwego LTD, zależnego od translacji białek (można go
zaburzyć inhibitorami translacji w czasie do 15 minut od indukcji), trwającego do 36 godzin i
wracającego do poziomu bazowego po 48 godzinach (Ito 2001, Linden 1996). Interesujące, że STD
obecne jest tylko w komórkach Purkinjego hodowanych w kulturze z komórkami ziarnistymi, a
32 Jeden z najprostszych teoretycznych modeli sztucznej sieci neuronowej, zaproponowany przez Rosenblatta.
30
nieobecne jest in vivo i w doświadczeniach na skrawkach (Ito 2001).
Sygnalizacja w LTD w móżdżku
Pobudzającym neuroprzekaźnikiem w komórkach Purkinjego jest glutaminian uwalniany z
komórek ziarnistych, a jego działanie wspomagane jest pochodzącym z tych samych komórek
tlenkiem azotu (NO) (rys. 17). Generująca tlenek azotu syntaza NO aktywowana jest kalmoduliną
w reakcji na napływ jonów wapnia przez kanały receptora NMDA komórki ziarnistej (Vincent
1996, Dawson 1994).
W odróżnieniu od innych plastycznych neuronów, komórki Purkinjego nie są wyposażone w
receptory NMDA (Ito 2001) i ciężar odbioru sygnalizacji glutaminianem spada na receptory AMPA
(które prowadzą do depolaryzacji neuronu, zupełnie jak w hipokampie) oraz receptory
metabotropowe mGluR grupy I (przede wszystkim mGluR1, Ito 2001). Receptory AMPA,
przepuszczając do komórki jony sodu powodują zmianę jej potencjału i krótkotrwałe włączenie
bramkowanych napięciem kanałów wapniowych33 (Canepari 2008, Ito 2001). Receptory mGluR za
pomocą białka Gq aktywują fosfolipazę typu C (PLC), która rozkłada membranowe fosfolipidy PIP2
na IP3 i DAG34(Ito 2001). IP3 stymuluje uwolnienie wapnia z cystern wewnątrzkomórkowych (co
przy stymulacji z włókna równoległego może być dodatkowo ułatwione obecnością wapnia
pozostałego po aktywności włókna pnącego (Purves 2004)), natomiast DAG umożliwia aktywację
PKC (Ito 2001, Bellone 2008).
Napływ wapnia z cystern komórki poza kolcami dendrytycznymi nie jest regulowany
wyłącznie receptorami IP3, lecz także receptorami rianodynowymi. Dzieje się tak szczególnie w
odpowiedzi na pobudzenie z włókna pnącego, które prowadzi do dużego napływu wapnia do
komórki przez kanały wapniowe (Berridge 1998, Ito 2001). Obecny w komórce wapń ułatwia
otwieranie cystern rianodynowych, a w odpowiedzi na sygnalizację mGluR, także IP3. Ułatwienie
33 Aby osiągnąć mierzalną zmianę w koncentracji postsynaptycznego wapnia konieczna jest równoczesna stymulacja z
20-30 synaps z komórkami ziarnistymi (Ito 2001).
34 Produkcję DAG/IP3 stymulują również IGF-1 (insulinopodobny czynnik wzrostu, insulin-like growth factor) i
serotonina.
31
aktywacji cystern IP3 w obecności wapnia umożliwia różnicowanie odpowiedzi komórkowej na
stymulację włókien równoległych występującą łącznie ze stymulacją włókna pnącego i stymulację
niekoincydentną (Ito 2001, Berridge 1998). Osiągane w komórce podczas depolaryzacji stężenia
wapnia wynoszą 5µM w ciele komórki i 30µM w dendrytach (Ito 2001).
Wapń w pierwszej kolejności aktywuje kinazę PKC, fosforylującą GluR2 na serynie 880,
zmniejszając powinowactwo tej jednostki do białka kotwiczącego GRIP (Glutamate Receptor
Interacting Protein—białko oddziałujące z receptorem glutaminianu). Stanowi to pierwszy etap
procesu internalizacji receptora (Ito 2001, Shepherd 2007). Wapń aktywuje również kinazy
CAMKIV oraz MAPK (przez kaskadę Ras lub PKC), które po przedostaniu do jądra regulują
ekspresję genów, np. BDNF (Ito 2001). Dalsze zwiększenie stężenia wapnia w komórce
(maksimum koncentracji wapnia uwalnianego z cystern IP3 pojawia się dopiero po 200-300ms (Ito
2001)) wprowadza po pewnym czasie autoregulację kinazy PKC poprzez wepchnięcie do
membrany fosfolipazy PLA2, która aktywowana przez PKC prowadzi syntezę kwasu
arachidonowego. Kwas arachidonowy stymuluje kinazę DAG (DGK, DAG kinase),
unieczynniającą istotny dla aktywności PKC diacyloglicerol (Ito 2001).
Wapń odgrywa również rolę sygnalizatora w obszarze presynaptycznym. Napływając
kanałami NMDA do komórki ziarnistej wzmaga ilość produkowanego NO (Vincent 1996),
emitowanego następnie na zasadzie dyfuzji do komórki Purkinjego (niekoniecznie w obrębie tylko
własnej synapsy). W komórce Purkinjego tlenek azotu pobudza cyklazę guanylową, aktywującą za
pośrednictwem cGMP kinazę PKG, która poprzez aktywację G-substratu hamuje czynność fosfataz
PP1 i PP2A (Vincent 1996, Endo 2009, Shin 2005). Sygnalizacja NO wpływa też na poziom
ekspresji genu wczesnej odpowiedzi Jun-B, regulującego transkrypcję białek w kompleksach AP-1
(Ito 2001).
LTD w komórkach Purkinjego może w początkowych etapach zależeć od trwałej
desensytyzacji fosforylowanych receptorów AMPA. Potwierdzają to doświadczenia z substancjami
32
redukującymi efekt desensytyzacji (aniracetamem), które mogą kompensować LTD (Ito 2001).
Innym czynnikiem jest osłabienie presynaptyczne. Komórka Purkinjego z pobudzonymi
receptorami mGluR sygnalizuje wstecznie do presynaptycznej komórki ziarnistej za pomocą
endokannabinoidów i wymusza tymczasowe osłabienie uwalniania neuroprzekaźnika. Efekt ten
szczególnie wyraźnie występuje przy wspólnej aktywacji włókna pnącego i równoległego, co
prowadzi do hipotezy o sterowaniu czasową koordynacją tych impulsów (Bellone 2008) i unikaniu
nadmiernego pobudzenia synapsy z włóknem równoległym (Kano 2008).
Rysunek 17: Próba zilustrowania ważniejszych etapów przebiegu LTD w komórce Purkinjego. Pod
wpływem stymulacji włókna pnącego (CF), dzięki aktywności receptorów AMPA włączają się
kanały wapniowe zależne od napięcia (VGCC) do komórki napływa wapń, polaryzujący cysterny
IP3R do uwolnienia wapnia w czasie stymulacji IP3. Następnie, aktywność włókna równoległego
(PF) aktywuje mGluR, który za pomocą białka Gq uruchamia fosfolipazę typu C (PLC), generującą
diacyloglicerol oraz IP3. IP3 uwalnia wapń z wewnętrznych cystern, a DAG aktywuje PKC, która
umożliwia internalizację receptora AMPA przez interakcję z białkiem GRIP na jednostce GluR2.
Równolegle zachodzi sygnalizacja NO, generowana aktywnością syntazy NO, pobudzanej
presynaptycznym napływem wapnia przez kanały NMDA. Postsynaptycznie, pobudzona cyklaza
guanylowa generuje PKG i uruchamia G-substrat, redukujący aktywność fosfataz PP1 i PP2A.
LTP w komórkach Purkinjego
Po odkryciu LTD w synapsach między komórkami Purkinjego a komórkami ziarnistymi (Ito
33
1982) przez długi czas obowiązywał model uczenia motorycznego z osłabieniem synaptycznym
jako wyłącznym źródłem plastyczności komórek Purkinjego. Sytuacja zmieniła dopiero po roku
2000, gdy na tych synapsach udało się powtarzalnie wywoływać LTP. Znany był wówczas jedynie
mechanizm presynaptycznego LTP indukowanego stymulacją 4-8Hz, w którym presynaptyczny
napływ wapnia aktywuje zależną od wapnia/kalmoduliny cyklazę adenylową i ostatecznie kinazę
PKA fosforylującą RIM1α (białko biorące udział w fuzji pęcherzyka synaptycznego z błoną
presynaptyczną) umożliwiające zwiększone wydzielanie neuroprzekaźnika (Lonart 2002, Wang
2009).
Dalsze badania umożliwiły również postsynaptyczną indukcję LTP (Vogt 2010, Coesmans
2004). Można ją wywołać stymulując włókna równoległe częstotliwością 1Hz bez parowania z
aktywnością włókna pnącego. Jeśli w tym protokole włączyć parowanie z włóknem pnącym,
uzyskuje się LTD (Coesmans 2004). Wyniki te zasugerowały, że rolę przełącznika kierunku
przemian plastycznych może pełnić koncentracja wapnia w neuronie postsynaptycznym. Ponieważ
włókno pnące w efekcie złożonych wyładowań iglicowych powoduje znaczny napływ wapnia
zaproponowano, że LTD wywoływane jest wyższym stężeniem wapnia, natomiast LTP pojawia się
przy niższych jego wartościach. Byłaby to odwrócona reguła BCM, o której mowa była już przy
okazji hipokampa. (Vogt 2010).
Następne lata dostarczyły kolejnych protokołów wywoływania LTP: minutowa stymulacja
seriami złożonymi z 7 impulsów o częstości 100Hz, odległymi od siebie o sekundę oraz indukcja
jedną serią, złożoną z 15 impulsów o częstości 100Hz (Vogt 2010). W takich protokołach
koncentracja wapnia generowana z włókien równoległych może przekroczyć napływ wapnia
typowy dla potencjałów postsynaptycznych włókna pnącego, co umożliwiałoby osiągnięcie progu
LTD bez koincydencji z sygnałem błędu. Sugeruje to, że indukcja odpowiedniej formy
plastyczności zależy nie tylko od ilości napływającego wapnia, ale i od jego charakterystyki
czasowej i buforowania w komórce (Vogt 2010, Canepari 2008). Obraz komplikują dodatkowo
34
doświadczenia w których wapń dostarczano przez fotolityczne uwalnianie z
wewnątrzkomórkowych klatek. W takiej technice nie udało się wywołać LTP przy niższych
stężeniach wapnia, co sugeruje konieczność dodatkowej sygnalizacji w indukcji LTP, np. poprzez
tlenek azotu (Tanaka 2007).
Bibliografia
1. Alberini, C. M., 2009. Transcription Factors in Long Term Memory and Synaptic Plasticity.
Physiol. Rev. 89, 121.
2. Albus, J. S., 1971, A theory of cerebellar function, Math. Biosci., 10, 25-61.
3. Albus, J. S., 1989. The Marr and Albus theories of the cerebellum. Two early models of
associative memory, IEEE Proc. COMPCON, 8-13.
4. Anjaneyulu, A., Beret-Spillson, A., Russel, J. W., 2008. Metabotropic glutamate receptors
(mGluRs) and diabetic neuropathy, Current Drug Targets, 9, 85-93.
5. Apps, R., Garwicz, M., 2005. Anatomical and physiological foundations of cerebellar
infromation processing, Nature Reviews, 6, 297-311.
6. Armitage, B. A., Siegelbaum, S. A., 1998. Presynaptic induction and expression of
homosynaptic depression at Aplysia sensoriomotor neuron synapses, The J. Of Neurosci.,
18, 8770-8779.
7. Bailey, C. H., Chen, M., 1988. Morphological basis of short-term habituation in Aplysia,
The J. Of Neurosci., 8, 2452-2459.
8. Bailey, C. H., Chen, M., 1989, Time course of structural changes at identified sensory
neuron synapses during long term sensitization in aplysia. The J. Of Neurosci. 9, 1774-1780.
9. Barria, A., Derkach, V., Soderling, T., 1997. Identification of the Ca2+/Calmodulindependent protein kinase II regulatory phosphorylation site in the α-amino-3-hydroxyl-5methyl-4-isoxazole-propionate-type glutamate receptor, The J. Of Biol. Chem. 272, 3272732730.
35
10. Bellone,C., Luscher, C., Mameli, M., 2008. Mechanisms of synaptic depression truggered
by metabotropic glutamate receptors, Cell. Mol. Life Sci., 65, 2913-2923.
11. Bermudez-Rattonim F., 2007. Neural plasticity and memory: from genes to brain imaging,
CRC Press.
12. Berridge, J.M., 1998. Neuronal calcium signaling, Neuron, 21, 13-26.
13. Berridge, M., 2008. Cell Signalling Biology, www.biochemj.org/csb, wydanie online.
14. Bliss, T. V., Lomo, T., 1973. Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the
dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. J.
Physiol. 232, 331.
15. Bliss, T., Schoepfer, R., 2004. Controlling the ups and downs of synaptic strength, Science,
304, 973-974.
16. Bochenek, A., Reicher, M., 1981. Anatomia człowieka, tom IV, PZWL.
17. Borlikova, G., Shogo, E., 2009. Inducible cAMP Early Repressor (ICER) and Brain
Functions, Mol. Neurobiol. 40, 73.
18. Bronchud, M. H., 2008. Principles of molecular oncology, Humana Press.
19. Brunelli, M, Castellucci, V., Kandel, E. R., 1976. Synaptic facilitation and behavioral
sensitization in Aplysia: the possible role of serotonin and cyclic AMP, Science 194, 11781181.
20. Byrne, J. H., 2009. Concise learning and memory, Elsevier.
21. Byrne, J., Menzel R., 2008. Learning and memory, a comprehensive reference, vol. 4,
Elsevier.
22. Canepari, M., Vogt, K. E., 2008. Dendritic spike saturation of endogenous calcium buffer
and induction of postsynaptic cerebellar LTP, PLOS ONE, 3, e4011.
23. Coesmans, M., Weber, J.T., De Zeeuw, C. I., Hansel, C., 2004. Bidirectional parallel fiber
plasticity in the cerebellum under climbing fiber control, Neuron, 18,691-700.
36
24. Cohen, P., 1989. The structure and regulation of protein phosphatases. Annu Rev. Biochem.,
58, 453-508,.
25. Davies, R. W., Morris, B. J., 2004. Molecular biology of the neuron, Oxford Univeristy
Press.
26. Dawson, T., Snyder, S. H., 1994. Gases as biological messengers: nitric oxide and carbon
monoxide in the brain, The J. Of Neurosci., 14, 5147-5159.
27. De Zeeuw, C. I., 1998. Microcircuitry and function of the inferior olive, Trends Neurosci,
21,391-400.
28. Dingledine, R., Borges, K., Bowie, D., Traynelis, S. F., 1999. The glutamate receptor ion
channels, Pharmacological Reviews, 51, 7-61.
29. Dudai, Y., 2004. The neurobiology of consolidations, or, how stable is the engram? Annu.
Rev. Psychol., 55, 51-86.
30. Dudek, S., Bear, M., 1992. Homosynaptic long-term depression in area CA1 of
hippocampus and effects of N-methyl-D-aspartate receptor blockade, PNAS, 89, 4363-4367.
31. Ekerot, C.F., Jorntell, H, 2003. Parallel fiber receptive fields: a key to understanding
cerebellar operation and learning, The Cerebellum, 2, 101-109.
32. Endo, S., Shutoh, F., Le Dinh, T, Okamoto, T., Ikeda, T., Suzuki, M., Kawahara, S.,
Yanagihara, D., Sato, Y., Yamada, K., Sakamoto, T., Kirino, Y., Hartell, N. A., Yamaguchi,
K., Itohara, S., Nairn, A.C., Greengard, P., Nagao, S., Ito, M., 2009. Dual involvement of Gsubstrate in motor learning revealed by gene deletion, PNAS, 106, 3525-3530.
33. Esdin, J., Pearce, K., Glanzman, D. L., 2010. Long term habituation of the gill withdrawal
reflex in Aplysia requires gene transcription, calcineurin and L-type voltage gated calcium
channels, Front. In Beh. Neurosci., 4, 1.
34. Fink, C. C., Meyer, T., 2002. Molecular mechanisms of CaMKII activation in neuronal
plasticity, Current Opinion in Neurobiology, 12, 293-299.
37
35. Frey, U., Krug, M., Reymann, K. G., 1988. Anisomycin, an inhibitor of protein synthesis,
blocks late phases of LTP phenomena in the hippocampal CA1 region in vitro, Brain
Research, 452, 57-65.
36. Genoux, D., Haditsch, U., Knobloch, M., Michalon, A., Storm, D., Manusy, I. M., 2002.
Protein phosphatase 1 is a molecular constraint on learning and memory, Nature, 418, 970975.
37. Gereau, R., 2008. The glutamate receptors, Humana Press.
38. Glanzman, D., 2009. Habituation in Aplysia: The Cheshire Cat of neurobiology, Neurobiol.
of Learn. and Mem. 92, 147.
39. Glanzmanm D., 2006. The cellular mechanisms of learning in Aplysia: of blind men and
elephants, Biol. Bull. 210, 271-279.
40. Gluck, M. A., Myers C. E., 1997. Psychobiological models of hippocampal function in
learning and memory, Annu. Rev. Psychol., 48, 481-514.
41. Goedhart, J., Gadella, T. W. J., 2009. Fluorescence resonance energy transfer imaging of
PKC signalling in living cells using genetically encoded fluorescent probes, J. Royal Soc.
Interface, 6, 23-34.
42. Gorzelańczyk, E. J., 2000. Pamięć, świadomość, język. Zastosowanie algorytmu
optymalizującego odstępy między powtórkami w glottodydaktyce. Medsystem, Poznań.
43. Gover, T. D., Abrams, T. W., 2009. Insights into a molecular switch that gates sensory
neuron syapses during habituation in Aplysia, Neurobiol. of Learn. and Mem., 92, 155-165.
44. Gover, T. D., Jiang, X-Y., Abrams, T. W., 2002. Persistent, exocytosis-independent silencing
of release sites underlies homosynaptic depression at sensory synapses in Aplysia, The J. Of
Neurosci., 22, 1942-1955.
45. Hames, D., Hooper, N., 2010, Biochemia, PWN, Warszawa.
46. Hawkins, R. D., Kandel, E. R., Bailey, C. H., 2006. Molecular mechanisms of memory
38
storage in Aplysia, Biol. Bull. 210, 174-191.
47. Hebb, D.O., 1949. The organization of behavior. Wiley, New York, 1949.
48. Ito, M., Kano, M., 1982. Long lasting depression of parallel fiber-purkinje cell transmission
induced by conjunctive stimulation of parallel fibres and climbing fibres in the cerebellar
cortex, Neurosci. Lett., 33, 253-258.
49. Ito, M., 2001. Cerebellar long-term depression: characterization, signal transduction and
functional roles, Pharmacological Reviews, 81, 1143-1195.
50. Kaczmarek, L., 1997. Sensory regulation of immediate—early gene expression in
mammalian visual cortex: implications for functional mapping and neural plasticity, Brain
Research Reviews, 23, 237-256.
51. Kaczmarek, L., 2002. Handbook of chemical neuroanatomy, Vol. 19: Immediate early genes
and inductible transcription factors in mapping of the central nervous system function and
dysfunction. Elsevier.
52. Kandel, R. E., 2000. Principles of Neural Science, McGraw Hill.
53. Kandel, R. E., 2000. Wykład noblowski.
54. Kemp, N., Bashir, Z. I., 2001. Long term depression: a cascade of induction and expression
mechanisms, Progress in Neurobiology, 65, 339-365.
55. Knapska, E., Kaczmarek, L., 2004. A gene for neuronal plasticity in the mammalian brain:
Zif268/Egr-1/NGFI-A/Krox-24/TIS8/ZENK?, Progress in Neurobiology, 74, 183-211.
56. Konorski J., 1948. Conditioned reflexes and neuron organization. Cambridge Univ. Press,
Cambridge.
57. Kossut, M. , 1994, Mechanizmy plastyczności mózgu. PWN, Warszawa.
58. Krishna, S. S., Majumadar, I., Grishin, N., 2003. Structural classification of zinc fingers,
Nucl. Acids Res. 31, 532-550.
59. Lee, H. K., 2006. Synaptic plasticity and phosphorylation, Pharmacology & Therapeutics,
39
112, 810-832.
60. Lee, Y. S., Bailey, C. H., Kandel, E. R., Kaang, B. K., 2008. Transcriptional regulation of
long term memory in the marine snail Aplysia, Molecular Brain, 1:3.
61. Linden, D.J., 1996. A Protein Synthesis–Dependent Late Phase of Cerebellar Long-Term
Depression , Neuron, 17, 483–490.
62. Lisman, J., 1989. A mechanism for the Hebb and anti-Hebb processes of underlying learning
and memory, Proc. Natl. Acad. Sci., 86, 9574-9578.
63. Loerbich, S., Nedivy, E., 2009. The function of activity-regulated genes in the nervous
system, Physiol. Rev. 89, 1079-1103.
64. Lonart, G., 2002. RIM1: an edge for presynaptic plasticity, Trends in Neurosci., 25, 329-333.
65. Lonze, B. E., Ginty, D. D., 2002. Function and Regulation of CREB family Transcription
Factors in the Nervous System, Neuron, 35, 605.
66. Malenka, R. C., 1995. LTP and LTD: Dynamic and interactive processes of synaptic
plasticity, The Neuroscientist, 1, 35-42.
67. Marsh, M., McMahon, T., 1999. The structural era of endocytosis, Science, 285, 215-220.
68. McCue, H. V., Hayens, L. P., Bourgoyne, R. D., 2010. The diversity of calcium sensor
proteins in the regulation of neuronal function, CSH Perspectives in Biology, 2:a004085.
69. Means, A. R., 2000. Regulatory cascades involving calmodulin dependent protein kinases,
Mol. Endocrinol.,14, 4-13.
70. Messaoudi, E., Kanhema, T., Soule, J., Tiron, A., Dagyte, G., da Silva B., Bramham , C., R.,
2007. Sustained Arc/Arg3.1 Synthesis Controls Long-Term Potentiation Consolidation
through Regulation of Local Actin Polymerization in the Dentate Gyrus In Vivo , The
Journal of Neuroscience, 27,10445–10455.
71. Miller, P., Zhabotinsky, A. M., Lisman J. E., 2005. The stability of a stochastic CAMKII
switch: dependence on the number of enzyme molecules and protein turnover, PLOS
40
Biology, 3, 705-717.
72. Milner, B., Scoville, W. B., 1957. Loss of recent memory after bilateral hippocampal
lesions, J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry, 20, 11-21.
73. Molina, J. R., 2006. The Ras/Raf/MAPK pathway, J. Thorac. Oncol., 1, 7-9.
74. Nakajima, T., Uchida, Ch., Anderson, S. F., Lee, Ch-G., Hurwitz, J., Parvin, J. D.,
Montminy, M., 1997. RNA helicase A mediates association of CBP with RNA polymerase
II. Cell, 90, 1107-1112.
75. Neveu, D., Zucker, R., 1996. Long lasting potentiation and depression without presynaptic
activity, J. of Neurophysiology, 75, 2157-2161.
76. Oh, M. C., Derkach, V. A., Guire, E. S., Soderling, T., 2006. Extrasynaptic membrane
trafficking regulated by Glur1 serine 845 phosphorylation primes AMPA receptors for long
term potentiation, The J. of Biol. Chem., 281, 752-758.
77. Pak, D. T. S., Rudolph-Correia, S., Kim, E., Sheng, M., 2001. Regulation of dendritic spine
morphology, Neuron, 31, 289-303.
78. Purves, D., 2004. Neuroscience, Sinauer.
79. Ramji, D. P., Foka, P., 2002. CCAAT/enhancer-binding proteins: structure, function and
regulation, Biochem. J., 365, 561-575.
80. Roberson, E. D., Sweat, J. D., 1996. Transient activation of cyclic AMP dependent kinase
during hippocampal long term potentiation, The J. of. Biol. Chem. 271, 30436-30441.
81. Ronesi, J. A., Huber, K. M., 2008. Homer Interactions Are Necessary for Metabotropic
Glutamate Receptor-Induced Long-Term Depression and Translational Activation, The J. Of
Neurosci., 28, 543-547.
82. Sharma, S. K., Carew, T. J., 2004. The roles of MAPK cascades in synaptic plasticity in
Aplysia: facilitatory effects and inhibitory constraints, Learning & Memory, 11, 373-378.
83. Shepherd, J. D., Hunganir, R. L., 2007. The cell biology of synaptic plasticity: AMPA
41
receptor trafficking, Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 23, 613-643.
84. Shin, J. H, Linden, D.J., 2005. An NMDA Receptor/Nitric Oxide Cascade Is Involved in
Cerebellar LTD But Is Not Localized to the Parallel Fiber Terminal, J. Neurophysiol., 94,
4281-4289.
85. Siegel, G. J., Albers, R. W., 2006. Basic neurochemistry: molecular, cellular, and medical
aspects, Academic Press.
86. Silva, A. J., Kogan, J. H., Frankland, P. W., 1998. CREB and memory, Annu. Rev. Neurosci.,
21, 127-148.
87. Smolen, P., Douglas, A., Byrne, J. H., 2006. A model of the roles of essential kinases in the
induction and expression of late long-term potentiation, Biophys. J., 90, 2760-2775.
88. Sonenberg, N., Gingars, A. C., 1998. The mRNA 5' cap-binding protein eIF4E and control
of cell growth, Current Opinion in Cell Biology, 10, 268-275.
89. Spilker, Ch., Kreutz, M. R., 2010. RapGAPs in brain: multipurpose players in neuronal Rap
signalling, Europ. J. Of Neurosci., 32, 1-9.
90. Squire L., Berg, D., Bloom, F., du Lac S., Ghosh, A., Spitzer, N., 2008. Fundamental
neuroscience, Academic Press.
91. Strata, P., 2009. David Marr's theory of cerebellar learning: 40 yearslater, J. Physiol, 587,
5519-5520.
92. Tanaka, K., Khiroug, L., Santamaria, F., Tomokazu, D., Ogasawara, H., Ellis-Davies,
G.C.R., Kawato, M., Augustine, G.J., 2007. Ca2+ requirements for cerebellar long term
synaptic depression: role for a postsynaptic leaky integrator, Neuron, 54, 787-800.
93. Thompson, K. R., Otis, K. O., Chen, D. Y., Zhao, Y., O'Dell, T. J., Martin, K. C., 2004.
Synapse to nucleus signaling during long-term synaptic plasticity: a role for the classical
active nuclear import pathway, Neuron 44, 997-1009.
94. Vincent, S. R., 1996. Nitric oxide and synaptic plasticity: NO news from the cerebellum,
42
Behavioral and Brain Sci. 19, 362-367.
95. Wang, X., Chen, G., Gao, W., Ebner, T., 2009. Long term potentiation of the responses to
parallel fiber stimulation in mouse cerebellar cortex in vivo, Neuroscience, 162, 713-722.
96. Washbourne, P., Dityatev, A., Scheiffele, P., Biederer, T., Weiner, J. A., Christopherson, K.
S., El-Husseini, A., 2004. Cell adhesion molecules in synapse formation, The J. Of
Neurosci., 24, 9244-9249.
97. West, A. E., Chen, W. G., Dalava, M. B., Dolmetsch, R. E., Kornhauser, J. M., Shaywitz, A.
J., Takasu, M. A., Tao, X., Greenberg, M. E., 2001. Calcium regulation of neuronal gene
expression, PNAS, 98, 11024-11031.
98. Yamamoto, T., Shinichiro, T., Kaibuchi, K., 1999. Ras-induced transformation and signaling
pathway, J. Biochem. 126, 799-803.
99. Yang, S. N., Tang Y. G., Zucker, R. S., 1999. Selective induction of LTP and LTD by
postsynaptic [Ca2+]i elevation. J. Neurophysiol., 81, 781-787.
100.
Yasuda S., Tanaka, H., Sugiura, H., Okamura, K., Sakaguchi, T., Tran, U., Takemiya,
T., Mizoguchi, A., Yagita, Y., Sakurai, T., De Robertis, E. M., Yamagata, K., 2007. ActivityInduced Protocadherin Arcadlin Regulates Dendritic Spine Number by Triggering NCadherin Endocytosis via TAO2b and p38 MAP Kinases, Neuron, 56, 456–471.
101.
Zhai, R. G., Bellen, H. J., 2004. The architecture of the active zone in the presynaptic
nerve terminal. Physiology, 19, 262-270.
43
Podpisy pod rysunkami:
Rysunek 1: Aplysia Californica
Rysunek 2: Schemat badanego układu nerwowego Aplysii (na postawie Purves, 2004).
Rysunek 3: Aktywacja PKA: serotonina wiążąc się z receptorem uwalnia białko G, stymulujące
cyklazę adenylową, która produkuje cAMP, aktywujące PKA i odsłaniające jej centra katalityczne
K.
Rysunek 4: Schemat aktywacji transkrypcji przez CREB na podstawie (West 2001). RHA oznacza
helikazę RNA typu A i wiąże pośrednio CBP z polimerazą RNA typu II. W kompleksie kasety TATA
zaznaczone są tylko domeny istotne dla wyjaśnienia roli CREB.
Rysunek 5: Organizacja genowa CREB oraz pozostałych członków rodziny bZIP (CREM i ATF1, o
których mowa będzie w dalszych paragrafach).
Rysunek 6: Schemat sieci neuronalnej hipokampa. Włókna wejściowe kory węchowej stymulują
komórki ziarniste zakrętu zębatego, które poprzez włókna kiciaste pobudzają komórki piramidowe
CA3. Komórki CA3 z kolei pobudzają komórki CA1, a także rekurencyjnie siebie same.
Rysunek 7: Schemat neuronalnej sieci asocjacyjnej hipokampa
Rysunek 8: Ilustracja przebiegu LTP (na podstawie Bliss, 1973): widoczne ułatwienie
przewodnictwa neuronalnego (ilości neuronów uruchomianych stymulacją włókna wejściowego).
Rysunek 9: Zmiany przebiegu impulsu po LTP (na podstawie Bliss, 1973). Widoczne zwiększenie
nachylenia zbocza po LTP (linia ciągła), oznaczające zwiększenie przewodności jonowej błony
postsynaptycznej.
Rysunek 10: Schemat indukcji LTP. A. aktywność receptorów AMPA prowadzi do depolaryzacji
44
komórki, B. dodatni ładunek zgromadzony w komórce wypycha blokujący jon magnezu receptora
NMDA, C. kanał NMDA wprowadza do komórki wapń i D. wapń indukuje kaskady przemian
plastycznych.
Rysunek 11: Schemat aktywacji CAMKII. W obecności jonów wapnia kalmodulina ulega aktywacji i
odsłania hydrofobowe łatki. Następnie wiąże się z CAMKII (w punkcie C), odwijając jej ramię,
które utrzymywało miejsce katalityczne K w stanie autoinhibicji. Aktywna kinaza może fosforylować
sąsiednią aktywną jednostkę CAMKII i zablokować czynność autoinhibitora A, uniezależniając się
od wapnia. Defosforylacja autoinhibitora przy braku wapnia skutkuje dezaktywacją kinazy.
Rysunek 12: Aktywacja PKC: pod wpływem PLC, fosfolipid PIP2 rozpada się na IP3 oraz DAG.
IP3 służy sygnalizacji do wewnętrznych cystern wapniowych, natomiast DAG bierze czynny udział
w aktywacji PKC. PKC normalnie jest w stanie nieaktywnym. Po związaniu wapnia w jednostkę C2,
może przyłączyć się do membrany, gdzie jednostka C1 może związać się z DAG. Kiedy to się stanie,
pseudosubstrat usuwany jest z katalitycznej jednostki C4 i kinaza staje się aktywna.
Rysunek 13: Współzawodnictwo między PKA i PP2B w aktywacji I-1, a tym samym w regulacji
czynności fosfatazy PP1.
Rysunek 14: Struktura bZIP: suwak leucynowy odpowiada za dimeryzację jednostek natomiast
część zasadowa odpowiada za wiązanie z DNA
Rysunek 15: Struktura palca cynkowego wg (Krishna 2003). Jon cynku stabilizuje jedną alfa helisę i
dwie beta harmonijki. Obszar alfa-helisy wnika w szeroką bruzdę DNA.
Rysunek 16: Obwód komórki Purkinjego. Informacja wejściowa przychodzi włóknami kiciastymi, z
których przekodowywana jest na komórki ziarniste i jej włókna równoległe. Aktywność komórki
ziarnistej regulowana jest w sprzężeniu zwrotnym z udziałem komórek Golgiego. Włókna
równoległe biorą udział w stymulacji komórki Purkinjego. Drugim źródłem stymulacji komórki
45
Purkinjego są włókna pnące, niosące sygnał błędu. Uruchomiona komórka Purkinjego oddziałuje
hamująco na jądra móżdżku (DCN), które pobudzane są włóknami kiciastymi.
Rysunek 17: Próba zilustrowania ważniejszych etapów przebiegu LTD w komórce Purkinjego. Pod
wpływem stymulacji włókna pnącego (CF), dzięki aktywności receptorów AMPA włączają się
kanały wapniowe zależne od napięcia (VGCC) do komórki napływa wapń, polaryzujący cysterny
IP3R do uwolnienia wapnia w czasie stymulacji IP3. Następnie, aktywność włókna równoległego
(PF) aktywuje mGluR, który za pomocą białka Gq uruchamia fosfolipazę typu C (PLC), generującą
diacyloglicerol oraz IP3. IP3 uwalnia wapń z wewnętrznych cystern, a DAG aktywuje PKC, która
umożliwia internalizację receptora AMPA przez interakcję z białkiem GRIP na jednostce GluR2.
Równolegle zachodzi sygnalizacja NO, generowana aktywnością syntazy NO, pobudzanej
presynaptycznym napływem wapnia przez kanały NMDA. Postsynaptycznie, pobudzona cyklaza
guanylowa generuje PKG i uruchamia G-substrat, redukujący aktywność fosfataz PP1 i PP2A.
46