Synaptogenese Notes

Synaptogenese

Mechanismen der chemischen Synapsendifferenzierung

Die Differenzierung chemischer Synapsen wird durch verschiedene Mechanismen vermittelt:

  • Ein Aktionspotential erreicht das präsynaptische Terminal.
  • Neurotransmitter werden synthetisiert und in Vesikeln gespeichert.
  • Die Depolarisation des präsynaptischen Terminals führt zur Öffnung von spannungsgesteuerten Ca2+Ca^{2+} Kanälen.
  • Ca2+Ca^{2+} Einstrom führt zur Verschmelzung der Vesikel mit der präsynaptischen Membran.
  • Neurotransmitter werden durch Exozytose in den synaptischen Spalt freigesetzt.
  • Neurotransmitter binden an Rezeptormoleküle in der postsynaptischen Membran.
  • Das Öffnen oder Schließen von postsynaptischen Kanälen führt zu einem postsynaptischen Strom.
  • Der postsynaptische Strom verursacht ein erregendes oder hemmendes postsynaptisches Potential, das die Erregbarkeit der postsynaptischen Zelle verändert.
  • Die Aufnahme von Vesikelmembran aus der Plasmamembran erfolgt.

Regulation der Synaptogenese

Die Regulation der Synaptogenese ist komplex:

  • Das menschliche Gehirn hat etwa 101110^{11} Neuronen.
  • Jedes Neuron hat etwa 1000 Synapsen.
  • Das Netzwerk besteht aus 101410^{14} Verbindungen.
  • Anzahl und Spezifität der Synapsen müssen präzise kontrolliert werden.
  • Veränderungen der synaptischen Konnektivität und Synapsenfunktion sind die Grundlage für höhere Hirnfunktionen, Lernen und Erinnerungen.

Synaptische Konnektivität und Krankheitszustände

Veränderungen in der synaptischen Konnektivität oder Funktion können zu Krankheitszuständen führen:

  • Viele Myopathien basieren auf funktionellen Defekten von neuromuskulären Synapsen.
  • Verlust von Synapsen in frühen Stadien der Alzheimer-Krankheit.
  • Epilepsie wird durch Fehlfunktionen von Synapsen und unkontrollierte Synapsenbildung ausgelöst.
  • Gene, deren Veränderung mit Autismus, kognitiven Behinderungen und Schizophrenie assoziiert sind, haben synaptische Funktionen.
  • Hochtoxische Substanzen wirken auf synaptische Funktionen (Tetanus Toxin, Bungarotoxin, Sarin).

Überblick über die Vorlesung

  1. Einleitung
  2. Neuromuskuläre Synapsen:
    • Struktur
    • Mechanismen der postsynaptischen Differenzierung
    • Mechanismen der präsynaptischen Differenzierung
  3. Synapsen im Zentralen Nervensystem
    • Analogien und Unterschiede zum PNS
    • Mechanismen der Differenzierung
    • Neurotransmittersysteme im ZNS
    • Beiträge von Gliazellen

Aufbau des Nervensystems

  • Zentrales Nervensystem: Verbindungen innerhalb und zwischen Regionen von Gehirn und Rückenmark.
  • Peripheres Nervensystem: Verbindungen vom Rückenmark zu Muskeln (Motorneurone) und von Muskeln und Haut zum Rückenmark (sensorische Neurone).
  • Autonomes Nervensystem: Verbindungen vom Hirnstamm zu Organen (Herz, Lunge, Magen, Sexualorgane etc.).

Zentrale und Neuromuskuläre Synapsen

  • Neuron-Neuron- und Neuron-Muskel-Synapsen entwickeln sich durch ähnliche Mechanismen.
  • Neuromuskuläre Synapsen sind größer und zugänglicher für Experimente, daher sind Mechanismen der Synaptogenese dort besser verstanden.

Struktur von Neuromuskulären Synapsen

Ausgereifte Synapsen bestehen aus drei Zelltypen:

  • Motorneuron
  • Muskelzelle
  • Schwann-Zelle (Gliazelle)

Alle drei Zelltypen bilden hochspezialisierte Strukturen, welche für normale synaptische Funktion notwendig sind.
Das Ziel ist eine schnelle und zuverlässige Funktion.

Endknöpfchen (Präsynapse)

  • Reich an synaptischen Vesikeln, die Neurotransmitter (Acetylcholin) enthalten.
  • Aktive Zonen.
  • Mitochondrien.
  • Axone sind reich an Neurofilamenten und enthalten nur wenige synaptische Vesikel.

Muskel (Postsynapse)

  • Faltungen gegenüber den aktiven Zonen.
  • Hohe Konzentration von Acetylcholinrezeptoren.
  • Spezifische Zytoskelettkomponenten.

Schwann-Zellen

  • Dünne Auswüchse, welche keine Myelinschicht enthalten, legen sich um die Endknöpfchen.
  • Die Myelinschicht besteht am weiteren (nicht-synaptischen) Teil des Axons.

Basallamina

  • An synaptischen und nicht-synaptischen Bereichen des Muskels.
  • Spezifische molekulare Zusammensetzung an der Synapse, z.B.: spezifische Laminin Moleküle und Acetylcholinesterase im synaptischen Spalt.
  • Acetylcholinesterase hydrolysiert den Neurotransmitter ACh und beendet damit die synaptische Transmission.

Entwicklungsschritte an Neuromuskulären Synapsen

  • Wachstumskegel nähert sich dem Muskel.
  • Unspezialisierter aber funktioneller Kontakt.
  • Unreife synaptische Strukturen.
  • Mehrfache Innervierung.
  • Eliminierung von überschüssigen Axonen und weiteres Reifen der synaptischen Struktur.

Allgemeine Mechanismen der Synaptogenese

Bestehen Bestandteile der Synapsen (synaptische Vesikel, postsynaptische Neurotransmitter Rezeptoren) vor der Synapsenbildung und werden nach Kontakt der synaptischen Partner umverteilt? Oder werden sie auf Transkriptionsebene hochreguliert und dann zu entstehenden Synapsen rekrutiert?

Zwei Mechanismen der synaptischen Konzentration von Acetylcholinrezeptoren

A) Aggregation von bestehenden Rezeptoren
B) Lokale Synthese von Rezeptoren

Denervierung und Muskel Ablation

In der Abwesenheit von Nervenfasern werden neue AChRs Konzentrationspunkte an der ursprünglichen Stelle an der Basallamina gebildet. Die Basallamina steuert die Aggregation von AChRs.

Agrin

  • Bestandteil der Basallamina.
  • 400kDa400 kDa Proteoglykan.
  • Wird von Motorneuron und Muskel sekretiert.
  • Neurales Agrin induziert Aggregation von AChRs in Myotuben.
  • Agrin interagiert mit einem MuSK/Lrp4 Rezeptorkomplex auf der Muskeloberfläche.

Agrin-MuSK-Lrp4 Signaltransduktion

  • LRP4 und MuSK sind im Muskel exprimiert.
  • MuSK ist eine Rezeptortyrosinkinase.
  • Agrin Bindung an LRP4 stimuliert MuSK-LRP4 Interaktion und MuSK Tyrosinkinase Aktivität.
  • MuSK phosphoryliert Dok-7.
  • Dok-7 aktiviert Crk Kinase.
  • Weitere Kaskade führt zu Phosphorylierung von Rapsyn und Aggregation von AChRs.

Synaptische Strukturen in Agrin KO Mäusen

Synaptische Strukturen fehlen in Agrin KO Mäusen.

Knock-out Mutanten

Maus Knock-out Mutanten bestätigen essentielle Funktionen von Agrin, Lrp4, MuSK, Rapsyn.

Zusammenfassung der Knock-out Maus Phänotypen

  • Agrin -/-: wenige AChR Aggregate, Überwachsen der Axone.
  • MuSK -/-: keine AChR Aggregate, Überwachsen der Axone.
  • Lrp4 -/-: keine AChR Aggregate, Überwachsen der Axone.
  • Rapsyn -/-: keine AChR Aggregate, aber höhere Konzentration im Bereich, wo Synapsen gebildet werden sollten, kein Überwachsen der Axone.

Gendefekte in vererbaren Myopathien (Muskelschwächen)

  • Synapsenbildung: Agrin, MuSK, Dok-7, Rapsyn.
  • Synapsenfunktion: AChR, Cholineacetyltransferase, Acetylcholinesterase, Natriumkanal (Nav1.4).

Zwei Mechanismen der Rezeptorkonzentration

A) Aggregation von bestehenden Rezeptoren: Agrin, Lrp4, MuSK, Rapsyn, AChR
B) Lokale Synthese von Rezeptoren: ???, AChR, Zellkern, AChRâ, AChRá

Neuregulin (ARIA)

  • Acetylcholine Receptor Inducing Activity.
  • Exprimiert in Motorneuronen und Muskelzellen.
  • Bindet und aktiviert Rezeptortyrosinkinasen in Muskelzellen (ErbB2, ErbB3, ErbB4).
  • Signaltransduktion durch MAP-Kinase Pathway.
  • Führt zu erhöhter Transkription von AChRs in sub-synaptischen Zellkernen in kultivierten Muskelzellen.
  • Eine essentielle Rolle für NRG in AChR Expression konnte nicht in KO-Modellen bestätigt werden.

MuSK Signaltransduktion

  • Reguliert auch die sub-synaptische Transkription.
  • MuSK ist notwendig für erhöhte Transkription in sub-synaptischen Nuklei.
  • JNK-Kinase stimuliert Transkription.
  • Ets (E-twenty six) Transkriptionsfaktoren stimulieren Expression von AChR, MuSK, LRP4, Acetylcholinesterase, Utrophin.
  • Der genaue Signaltransduktionsmechanismus ist noch nicht bekannt.

Signale für die Induktion von postsynaptischen Strukturen

  • Agrin: Aggregation von bestehenden Rezeptoren auf der Muskeloberfläche und transkriptionelle Regulation von AChRs.
  • ACh/neuronale Aktivität: Suppression der AChR Transkription in extra-synaptischen Zellkernen.

Neurale Aktivität und AChR Synthese

Neurale Aktivität reprimiert AChR Synthese in nicht-synaptischen Bereichen des Muskels.

Sub-synaptische Zellkerne

MuSK triggers JNK Kinase Aktivierung und Phosphorylierung des Ets Transkriptionsfaktors GABP. GABP/p300 Komplexe aktivieren die Transkription of synaptischen “Genen” über die N-box (DNA Bindestelle).

Extra-synaptische Zellkerne

Ca2+Ca^{2+} Einstrom (durch neuronale Aktivität) aktiviert Serin/Threonin Kinasen. GABP rekrutiert die Histon De-azetylase 1 (HDAC1) bei der N box. De-azetylierung am AChR Promotor ist (wahrscheinlich) an der Inhibition der Expression in extra-synaptischen Zellkernen beteiligt.

Bestandteile der Basallamina

Bestandteile der Basallamina steuern auch die Organisation von präsynaptischen Strukturen.

Lrp4

Lrp4 induziert präsynaptische Differenzierung. Lrp4 gebunden an Zellen oder synthetische Oberflächen kann Akkumulierung von synaptischen Vesikeln in Axonen induzieren. Aktivität ist unabhängig von Agrin. Axonaler Lrp4-Rezeptor ist unbekannt.

Präsynaptische Entwicklungsschritte an Neuromuskulären Endplatten

Mehrfache Innervierung, Eliminierung von überschüssigen Axonen und weiteres Reifen der Synapse.

Synaptische Inaktivität

Synaptische Inaktivität kann zur Eliminierung von Synapsen führen.

Regulation der Synaptogenese an der Neuromuskulären Synapse

  • Umverteilung bestehender Komponenten und regulierte Expression.
  • Neuronale Signale für postsynaptische Entwicklung: Agrin – Lrp4-MuSk – Rapsyn, ACh – Muskel Depolarisierung.
  • Muskelzell Signale für präsynaptische Entwicklung: Lrp4 - ??, FGF7, 10, 22 – FGFR2b
  • Neuronale/Muskel Aktivität: supprimiert AChR Expression in extrasynaptischen Nuclei, reguliert die Stabilisierung/Eliminierung von Synapsen.

Ähnlichkeiten von ZNS und neuromuskulären Synapsen

  • Strukturelle Ähnlichkeiten.
  • Bi-direktionaler Signalaustausch.
  • Aggregation von Neurotransmitter Rezeptoren.
  • Synaptische Vesikel haben (nahezu) identische Proteinbestandteile.
  • Aktive Zonen enthalten ähnliche Proteine.
  • Eliminierung von Synapsen in der Entwicklung.

Unterschiede zwischen ZNS und neuromuskulären Synapsen

  • Struktur: Grösse (ZNS Synapsen haben einen Durchmesser von 0.1-1µm, NMEs von 30-40µm), Keine Basallamina in ZNS Synapsen, Keine postsynaptischen Faltungen, sondern oft “Spines”, Mehrfach Innervierung liegt bei fast allen ZNS Neuronen vor
  • Molekulare Eigenschaften: Mehrere unterschiedliche Neurotransmitter (Glutamat, GABA, Glyzin u.a.) und Komponenten
  • Plastizität: NMJs müssen schnelle, zuverlässige Muskelaktivierung sicherstellen – für viele ZNS Synapsen ist die dynamische Veränderung der Funktion/Stärke/Struktur kritisch für Hirnfunktionen
  • Spezifität: im ZNS müssen Neuronen die richtigen Partner aus vielen möglichen synaptischen Partnern erkennen

Struktur von ZNS Synapsen

Ähnliche präsynaptische Elemente, unterschiedliche postsynaptische Strukturen. Dendritische Dornfortsätze ("Spines") in glutamatergen Synapsen.

Dornfortsätze (“Spines”)

  • Nur an glutamatergen Synapsen beobachtet.
  • Funktion ist noch nicht abschliessend geklärt.
  • Wahrscheinlich drei Hauptfunktionen:
    1. Vergrösserung des Volumens, in dem ein Dendrit Synapsen erhalten kann.
    2. Kompartimentalisierung, welche unabhängige Veränderungen der Funktion einzelner Synapsen ermöglicht, z.B. bei Lernvorgängen (synaptische Plastizität).
    3. Filtern von einzelnen Inputs und Diffusionsbarriere, welche Ionenströme und Second messengers im Spine von benachbarten Synapsen trennt.

Unterschiedliche “Logik” für molekulare Regulation von ZNS und neuromuskulären Synapsen

  • Neuromuskuläre Synapse: Ein zentrales Signalsystem: Agrin, Lrp4, MuSK, Rapsyn
  • ZNS Synapse: Mehrere parallele Signalsysteme: Adhesionsproteine, sekretierte Proteine, Wachstumsfaktoren

Synaptogenic Proteins

Einzelne Proteine, welche ausreichend sind, synaptische Differenzierung zu induzieren.

Der Neuroligin-Neurexin Komplex

Der Neuroligin-Neurexin Komplex kann Prä- und Postsynaptische Strukturen organisieren.

Synaptische Adhäsionsproteine

Eine Vielfalt von synaptischen Adhäsionsproteinen trägt zur Synapsenbildung im ZNS bei.

  • Inaktivierung von einzelnen Signalsystemen hat oft selective Synapsendefekte zur Folge, die nur eine bestimmte Klasse von Synapsen betreffen.
  • Keine Signalsysteme bekannt, die essentiell sind für Synaptogene im ZNS.
  • Diversität von molekularen Interaktionen ermöglicht die Ausbildung vieler funktionell und strukturell unterschiedlicher Synapsen im ZNS.
  • Kurze Peptidsequenzen in den zytoplasmatische Domainen von Adhäsionsmolekülen binden Gerüstmoleküle, die weitere Proteine an der Synapse stabilisieren.

Gerüstproteine

Gerüstproteine sind modular aufgebaute Organisatoren von Proteinkomplexen.

  • Mehrere Protein-Protein Interaktionsdomänen
  • PDZ-domains: PSD95/Disclarge/ZO-1 (~90 Aminosäuren, Binden kurze Peptidsequenzen (3-6 Aminosäuren, häufig am C-Terminus von Membranproteinen), 10-100 nM Affinitäten)

Neurotransmitter Rezeptoren

Gerüstproteine stabilisieren Neurotransmitter Rezeptoren an Synapsen. Meist vier Untereinheiten (Tetramer). Kanalöffnung durch Liganden reguliert. Unterschiedliche Sub-typen mit unterschiedlichen Eigenschaften (Kinetik, Ionen, Grösse der Ströme). Essentiell für synaptische Funktion. Kationenkanäle (Natrium, Kalium, oft Natrium, Kalzium).

Unterschiedliche Neurotransmitter im zentralen Nervensystem

  • Die meisten Synapsen im ZNS sind glutamaterg.
  • Glutamat aktiviert postsynaptische Kationenkanäle und bewirkt eine Depolarisierung (=Anregung) der Zelle.
  • GABA (gamma-aminobutyric acid) ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter.
  • GABA aktiviert postsynaptische Anionenkanäle und bewirkt eine Hyperpolarisierung (=Inhibition) der Zelle.
  • ACh ist Transmitter an peripherin Synapsen.

Synapsenarten

Eine Zelle im ZNS empfängt eine Vielzahl von unterschiedlichen Synapsen. Glutamaterges Axon, GABA-erges Axon, Dendrit, Glutamat-Rezeptor (Kationenkanal), GABA-Rezeptor (Anionenkanal).

Neurotransmitter Rezeptoren im ZNS

Eine Vielzahl von ionotropen Neurotransmitter Rezeptoren im ZNS, oft mehrere Untereinheiten. Kanalöffnung und Ionenströme durch Liganden reguliert. Essentiell für synaptische Funktion. Glutamat Kationenkanäle (Natrium, Kalium, oft Kalzium), Anionenkanäle (Chlorid), Kationenkanäle.

Diversität von molekularen Interaktionen

Eine Vielfalt von synaptischen Adhäsionsproteinen trägt zur Synapsenbildung im ZNS bei. Spezifische Komplexe an GABAergen und glutamatergen Synapsen Wirkung über Gerüstmoleküle Interaktionen mit Neurotransmitter Rezeptoren.

  • Inaktivierung von einzelnen Signalsystemen hat oft selective Synapsendefekte zur Folge, die nur eine bestimmte Klasse von Synapsen betreffen
  • Die Diversität von molekularen Interaktionen ermöglicht die Ausbildung vieler funktionell und strukturell unterschiedlicher Synapsen im ZNS, sowie einen hohen Grad an Plastizität

Neurotransmitterphenotyp

Der Neurotransmitterphenotyp ist verbunden mit der Identität der neuronalen Zelle (dem Zelltyp). Einzelne neuronale Zelltypen setzen meist nur einen Neurotransmitter frei. In wenigen Zellen gibt es “co-release” von mehreren Neurotransmittern (Ausnahmefälle). Exzitatorische Neuronen vermitteln den primären Informationsfluss, inhibitorische Neuronen regulieren die Integration und können zeitliche Auflösung von Signalen modulieren (feedforward und feedback inhibition).

Gliazellen

Tragen Glia Zellen zur Ausbildung und Plastizität neuronaler Netzwerke bei? Verhältnis Glia zu Neuronen ist etwa 10:1. “glia” in Griechisch heisst “Leim”. Generell keine ausgeprägten elektrischen Signale, bilden keine chemischen Synapsen. Eher lokale Funktionen (keine weiten Projektionen wie Axone). Mikroglia sind Makrophagen-artige Zellen, welche Funktionen in Verletzungen im Nervensystem haben, aber auch in Plastizität.

Astrozyten

Differenzierungs-Signale freigesetzt aus Astrozyten. Thrombospondin (TSP): multi-Domänenprotein, Bindet prä- und postsynaptische Rezeptoren.

Mikroglia

Modell: Expression von C1q Protein, einer Komponente des Komplement Systems C1q an Synapsen (“eat-me Signal”). Eliminierung von Synapsen durch “lokale Phagozytose”. Es wird spekuliert, dass Mikroglia-Aktivierung in Krankheitszuständen zu übermässiger Synapsen-Eliminierung führen könnte. Mikroglia eliminieren Synapsen möglicherweise durch Prozesse analog zur Phagozytose durch Makrophagen.

Take Home Messages

  • Synapsen sind die Bindeglieder, die einzelne Neuronen in Netzwerke verbinden.
  • Unterscheidung Neuromuskuläre und ZNS Synapsen
  • Neuronales Agrin, bindet Lrp4/MuSK, Rapsyn bindet und aggregiert AChRs.
  • Neuronale Aktivität reguliert AChR Expression in extra-synaptischen Zellkernen.
  • Während der Reifung Eliminierung von Synapsen, Mono-Innervierung.
  • Ähnliche Prä-, unterschiedliche Postsynapse.
  • Neurotransmitter & Rezeptoren: Glutamat, GABA, Glyzin, metabotrope und ionotrope Rezeptoren.
  • Astroglia Signale und Mikroglia tragen zur Synapsenbildung und –eliminierung bei
  • Molekulare Mechanismen: trans-synaptische Signale und zytoplasmatische Gerüste