Длинный

Aug 02, 2023

Биология связи, том 6, Номер статьи: 366 (2023) Цитировать эту статью

393 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Синаптическая пластичность предполагает правильное создание и перестройку структурных и функциональных микродоменов. Тем не менее, визуализация основных липидных сигналов оказалась сложной задачей. Применяя комбинацию быстрой криофиксации, замораживания мембраны, мечения иммунозолотом и электронной микроскопии, мы визуализируем и количественно определяем изменения и распределение фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (PIP2) в плазматической мембране дендритных шипиков и их подобластей на сверхвысокое разрешение. Эти усилия раскрывают отдельные фазы сигналов PIP2 во время индукции долгосрочной депрессии (LTD). В первые минуты PIP2 быстро увеличивается в зависимости от PIP5K, образуя нанокластеры. PTEN способствует второй фазе накопления PIP2. Временно повышенные сигналы PIP2 ограничены верхними и средними головками позвоночника. Наконец, PLC-зависимая деградация PIP2 обеспечивает своевременное прекращение сигналов PIP2 во время индукции LTD. В совокупности эта работа раскрывает пространственные и временные сигналы, устанавливаемые PIP2 на различных фазах после индукции LTD, и анализирует молекулярные механизмы, лежащие в основе наблюдаемой динамики PIP2.

Большинство возбуждающих постсинапсов в центральной нервной системе расположено в небольших дендритных выступах, называемых дендритными отростками. Процессы синаптической пластичности, включающие динамические изменения в структуре и организации дендритных шипиков, лежат в основе модуляции возбуждающей синаптической силы и считаются основой обучения и памяти1,2. Среди способов синаптической пластичности ведущее место занимает процесс, называемый долговременной депрессией (LTD), который снижает чувствительность и реакцию на данный синаптический сигнал3. На молекулярном уровне LTD включает удаление рецепторов глутамата α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты (АМРА) из каркаса постсинаптической плотности путем эндоцитоза или латеральной диффузии, а также структурные перестройки актиновый цитоскелет, что приводит к уменьшению объема позвоночника3,4.

За последние десятилетия был достигнут большой прогресс в идентификации и описании белковых механизмов, которые контролируют и опосредуют пластичность дендритных шипов. Тем не менее, знания об участии мембранных липидов – хотя они являются основными компонентами мембран – все еще скудны и часто спорны или даже противоречивы5,6. Известно, что фосфоинозитиды взаимодействуют с отдельными мембранными белками и регулируют их, а также выполняют разнообразные клеточные функции7. Фосфатидилинозит-4-фосфат (PI4P) и фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (здесь для простоты обозначены как PIP2) являются наиболее распространенными фосфоинозитидами в клетках. PIP2 обогащен плазматической мембраной, где он составляет менее одного процента фосфолипидов8. В пресинапсе решающая роль фосфоинозитидов хорошо известна и в основном включает функции мембранного транспорта9,10,11,12. Напротив, физиологическое значение и специфическая роль PIP2 в постсинапсе гораздо менее понятны и противоречивы.

Концентрации отдельных фосфоинозитидов контролируются сложным набором специфических липидных фосфатаз, киназ и липаз, которые сами являются мишенями различных сигнальных путей13,14. Исследования, изучающие предполагаемую роль PIP2, особенно при LTD, в значительной степени основывались на манипулировании этими метаболическими ферментами и дали противоречивые результаты15,16,17,18,19,20. Причины (очевидных) несоответствий могут в значительной степени включать неспособность фиксировать и непосредственно визуализировать PIP2 в постсинаптических отростках без изменения его распределения и его ненарушенной доступности в качестве липидного сигнала.

Синапсы предъявляют особые функциональные и структурные требования к компартментализации, что определяется отдельными мембранными нанодоменами. Кроме того, эти нанодомены синаптических мембран требуют способности пластически адаптироваться во время постсинаптических перестроек. Чтобы следовать гипотезе о том, что эти перестройки во время LTD могут быть вызваны временными и пространственными сигналами, заданными важной сигнальной молекулой PIP2, мы применили быструю криофиксацию, замораживание мембран, мечение иммунозолотом и трансмиссионную электронную микроскопию (TEM) для визуализации и количественной оценки. распределение PIP2 в плазматической мембране дендритных шипиков и в различных ее подобластях со сверхвысоким разрешением. Таким образом, мы раскрываем пространственные и временные сигналы, устанавливаемые PIP2 на разных фазах после индукции LTD, и анализируем молекулярные механизмы, лежащие в основе наблюдаемой динамики PIP2.