Harold MacGillavry 17-02-2020
HCO7, moleculaire mechanismen synaptische transmissie en
plasticiteit
Synaps, neuronen versturen informatie naar elkaar middels synapsen. Dit
zijn contactpunten van een axon van het ene neuron met de dendriet van
een andere neuron. 1 neuron bevat duizenden synapsen en krijgt dus veel
informatie binnen. In de presynaptische bouton liggen neurotransmitter
(NM) blaasjes klaar om de postsynaptische receptoren te activeren. Je
hebt veel verschillende soorten synapsen: GABA, glutamaat, acetylcholine, serotonine etc. De
postsynaptic density (PSD) houdt de receptoren vast op hun plek zodat ze op NM kunnen reageren.
Excitatoire synaps, vandaag zullen we het met name over de meest
voorkomende synaps in het brein hebben: excitatoire synaps. Deze
gebruikt meestal glutamaat als NM. Glutamaat bindt aan zijn receptor
gemedieerde ionkanalen, waardoor ze open gaan en een excitatoire
ionflow (Na+) ontstaat. Dan krijg je een verandering in het
membraanpotentiaal. In het geval van een Na+ stroom krijg je een
excitatory postsynaptic current (EPSC) en dat resulteert in een
depolarisatie van het membraan.
Dendritic spines, excitatoire synapsen komen
met name voor op dendritische spines. Links
is met groen een eiwit zichtbaar gemaakt dat verrijkt
is in spines en je ziet dus dat dendrieten heel veel
spines bevatten. Rechts zie je spine schematisch
weergegeven en je ziet dat het eigenlijk een
biochemische geïsoleerd compartiment vormt. Alle
stappen van endo- en exocytose die zichtbaar zijn,
zullen nu uitgebreid behandeld worden.
Glutamaat receptoren, er zijn meerdere soorten glutamaat receptoren,
waaronder NMDAR en AMPAR. Beide zitten in de PSD en binden glutamaat,
maar ze hebben andere functies:
- AMPA receptor, bestaat uit 4
subunits die een kanaal vormen
waar ionen (Na+ in & K+ uit) doorheen kunnen wanneer
glutamaat bindt.
- NMDA receptor, bestaat ook uit 4 subunits en bindt
ook glutamaat, maar wordt niet altijd geactiveerd door
zijn magnesiumblock. Glutamaatbinding induceert
alleen een ionstroom als het membraanpotentiaal
gedepolariseerd is doordat het magnesiumion dan uit de receptor gaat. Je moet dus
glutamaat en depolarisatie hebben om een NMDAR te activeren (coincidence detector).
Wanneer dat het geval is, laat de NMDAR Na+, K+ en Ca2+ door.
AMPAR, is de belangrijkste receptor voor basale transmissie. Normaal is het
rustmembraanpotentiaal -70 mV en wanneer AMPARs geactiveerd worden, zal een natriumstroom
het potentiaal minder negatief maken (depolarisatie).
Elektrofysiologie experiment, elektrofysiologie stelt je in staat ionstromen te
meten. Alle piekjes die rechts te zien zijn, zijn EPSCs en dat zijn dus momenten
dat er stroom door kanalen loopt. Je ziet dat er spontaan dus veel activiteit is in
de neuron die je hier gepatcht hebt. Wanneer je een blocker tegen de AMPAR
toevoegt (CNQX) zie je dat alle events wegvallen. Als je de blocker vervolgens
weer wegwast zie je de normale ionflow weer terug. De basale transmissie
, Harold MacGillavry 17-02-2020
wordt dus door AMPARs uitgevoerd. Dit betekent ook dat de hoeveelheid AMPARs de grootte van je
respons bepaalt.
AMPAR dichtheid, hoe meer AMPAR je hebt, hoe
groter de respons wordt. Je meet 1 neuron bij
elektrofysiologie en elke neuron heeft meerdere
synapsen. De grotere pieken worden dan
waarschijnlijk veroorzaakt doordat op dat moment
meerdere synapsen actief zijn. Verder heeft een
sterke synaps waarschijnlijk meer AMPAR,
waardoor zijn respons veel groter wordt. Een
zwakke synaps heeft waarschijnlijk minder
receptoren en resulteert bij activatie dan ook in
een minder grote EPSC.
AMPAR subunit structuur, rechts zie je de AMPAR met zijn subunits
weergegeven. Eén subunit bestaat uit meerdere lagen:
- N-terminale domein (NTD), dit domein is vrij groot en is betrokken
bij het assembleren van de receptor, maar speelt ook een rol in
trafficking en positionering.
- Ligand bindende domein (LBD), dit bindt glutamaat, waardoor een
conformatieverandering geïnduceerd wordt en ionen doorgelaten
kunnen worden.
- Transmembraan domein (TMD), is belangrijk voor het vormen van
de ion pore.
- C-terminale domein (CTD), steekt in de cel en speelt een rol in trafficking en
positionering. Het CTD kan in de cel binden aan eiwitten in de PSD die ervoor
zorgen dat de receptor op zijn plek blijft.
Verder zie je dat de AMPAR in zijn geheel best groot is. De synaptische spleet is
ongeveer 20 nanometer en de AMPAR neemt dus veel ruimte in. Rechts zie je de
kristalstructuur nog weergegeven. Je ziet de domeinen hier duidelijk terugkomen op
het C-terminale domein na, aangezien deze ongestructureerd is. In het rood is
glutamaat weergegeven.
AMPAR subunits, een AMPAR bestaat uit 4 subunits, maar er zijn meerdere soorten
subunits die in verschillende dimeer-dimeer combinatie gecombineerd kunnen
worden. We hebben 4 genen (GluA1, GluA2, GluA3 & GluA4) die allemaal coderen
voor een ietwat andere subunit. GluA4 zien we enkel in de vroege ontwikkeling en daarna neemt die
snel af, waarna de andere 3 meer tot expressie komen. In de volwassen hippocampus zien we met
name GluA1/2 of GluA2/2 hetodimeren in de excitatoire synapsen met een kleine fractie aan GluA1
homomeren. Dat zijn de meest voorkomende, maar er zijn meer verschillende combinaties mogelijk.
Daarnaast zijn er ook interacties mogelijk middels de C- of N-staart met andere eiwitten. Je hebt dus
veel verschillende receptorcomplexen. AMPAR subunits zijn verschillen verdeeld in het CNS:
verschillende celtypen brengen verschillende AMPARs tot expressie. Ook binnen 1 cel zie je
verschillen. Zo kunnen verschillende synapsen erg van elkaar verschillen. Elke subunit heeft een
effect op de functie, bv snellere inactivatie of juist activatie. De AMPARs subtypes zijn dus van belang
voor de functie van de synaps/neuron. Vaak ondergaan de AMPAR subtypes die tot expressie komen
op een bepaalde synaps veranderingen tijdens de ontwikkeling. Belangrijk is dat AMPAR subtypes
verschillend gereguleerd worden door synaptische activiteit.
Synaptische plasticiteit, is de mogelijkheid van een synaps om sterker of zwakker te worden over de
tijd als respons op een toenemende of afnemende activiteit. Synaptische plasticiteit verloopt dus als
functie van de activiteit van de synaps. Als een synaps veel gebruikt wordt doordat je een bepaalde
associatie bijvoorbeeld veel gebruikt, maak je hem sterker. Als je dan de volgende keer 1 v/d 2
aspecten van de associatie ziet, komt de andere ook naar boven. AMPARs zijn betrokken bij het
sterker of zwakker maken van de synapsen. De hoeveelheid bepaalt de sterkte van een synaps.
