Synaptogeneze je tvorba synapsí. Ačkoli k ní dochází po celou dobu života zdravého člověka, k explozi tvorby synapsí dochází během raného vývoje mozku. Synaptogeneze je zvláště důležitá během jedincova „kritického období“ života, během kterého dochází k určitému stupni prořezávání neuronů v důsledku soupeření neuronů a synapsí o nervové růstové faktory. Procesy, které nejsou používány nebo inhibovány během tohoto kritického období, se později v životě nebudou vyvíjet normálně. V současné době je nejvíce charakterizovanou synapsí neuromuskulární spojení, nicméně nové techniky umožnily studium hipokampálních a mozečkových synapsí.
Vznik neuromuskulární křižovatky
Neuromuskulární spojka (NMJ) je nejlépe charakterizovanou synapsí v tom, že poskytuje jednoduchou a přístupnou strukturu, která umožňuje snadnou manipulaci a pozorování. Samotná synapse se skládá ze tří buněk: motoneuronu, myotube a Schwannovy buňky. V normálně fungující synapsi, když signál způsobí depolarizaci motoneuronu, motoneuron uvolní neurotransmiter acetylcholin (ACh). Acetylcholin putuje přes synaptickou štěrbinu, kde se dostane k acetylcholinovým receptorům (AChR) na plazmatické membráně myotube. Když AChR otevře iontové kanály, membrána se depolarizuje, což způsobuje stažení svalů. Celá synapse je obalena myelinovým obalem, který poskytuje Schwannova buňka, aby izolovala a obalila spojku.
Vznik a pohyb buněk
Během vývoje každá ze tří buněk vzniká z různých oblastí rostoucího embrya. Jednotlivé myoblasty vznikají v mezodermu a spojují se do mnohojádrové myotube. Během nebo krátce po vzniku myotube vytvářejí motoneurony z nervové trubice předběžné kontakty s myotube. Schwannovy buňky vznikají z nervového hřebene a jsou axony vedeny k cíli. Po dosažení tohoto hřebene vytvářejí volný, nemyelinizovaný obal přes inervující axony. Pohyb axonů (a následně Schwannových buněk) je řízen růstovým kuželem, vláknitou projekcí axonu, který aktivně hledá neurotropiny uvolňované myotubem.
Specifické vzorování vývoje synapse v neuromuskulárním spojení ukazuje, že většina svalů je vrozená ve svých středech. I když se může zdát, že axony se specificky zaměřují na střed myotube, několik faktorů ukazuje, že to není platné tvrzení. Zdá se, že po počátečním axonálním kontaktu nově vzniklá myotube pokračuje v symetrickém růstu od tohoto bodu innervace. Ve spojení se skutečností, že AChR hustota je výsledkem axonálního kontaktu místo příčiny, lze strukturální vzory svalových vláken připsat jak myotaktickému růstu, tak axonální innervaci.
Předběžný kontakt vytvořený mezi motoneuronem a myotubou generuje synaptický přenos téměř okamžitě, ale vytvořený signál je velmi slabý. Existují důkazy, že Schwannovy buňky mohou usnadnit tyto prliminární signály zvýšením množství spontánního uvolňování neurotransmiterů prostřednictvím signálů malých molekul. Zhruba po týdnu je vytvořena plně funkční synapse po několika typech diferenciace jak v postsynaptické svalové buňce, tak v presynaptickém motoneuronu. Tento průkopnický axon má zásadní význam, protože nové axony, které následují, mají vysoký sklon k vytváření kontaktů s dobře zavedenými synapsemi.
Post-synaptická diferenciace
Nejvýraznějším rozdílem v myotube po kontaktu s motoneuronem je zvýšená koncentrace AChR v plazmatické membráně myotube v synapsi. Tato zvýšená koncentrace AChR umožňuje efektivnější přenos synaptických signálů, což následně vede k rozvinutější synapsi. Hustota AChR je > 10 000/μm2 a přibližně 10/μm2 kolem okraje. Této vysoké koncentrace AChR v synapsi je dosaženo shlukováním AChR, zvýšenou regulací transkripce genu AChR v postsynaptických jádrech a sníženou regulací genu AChR v neseptických jádrech. Signály, které iniciují postsynaptickou diferenciaci, mohou být neurotransmitery uvolněné přímo z axonu do myotube, nebo mohou vzniknout ze změn aktivovaných v extracelulární matrix synaptické štěrbiny.
U AChR dochází k multimerizaci v rámci postsynaptické membrány, především díky signální molekule agrinu. Z axonu motoneuronu se uvolňuje agrin, proteoglykan, který iniciuje kaskádu, která nakonec vede k asociaci AChR. Agrin se váže na receptor svalově specifické kinázy (MuSK) v postsynaptické membráně, což následně vede k následné aktivaci cytoplazmatického proteinu rapsyn. Rapsyn obsahuje domény, které umožňují asociaci AChR a multimerizaci, a je přímo zodpovědný za shlukování AChR v postsynaptické membráně: u myší s deficitem rapsynu se nedaří vytvořit AChR shluky.
Synapse-specific Transcription
Zvýšená koncentrace AChR není způsobena pouze přeskupením již existujících synaptických složek. axon také poskytuje signály, které regulují expresi genů v rámci myonuklea přímo pod synapsí. Tato signalizace zajišťuje lokalizovanou up-regulaci transkripce genů AChR a následné zvýšení lokální koncentrace AChR. Dvě signalizační molekuly uvolněné axonem jsou peptid (CGRP) a neureglin, které spouští sérii kináz, které nakonec vedou k transkripční aktivaci genů AChR.
Represe genu AChR v nesynaptických jádrech je na aktivitě závislý proces zahrnující elektrický signál generovaný nově vzniklou synapsí. Snížená koncentrace AChR v extrasynaptické membráně spolu se zvýšenou koncentrací v postsynaptické membráně pomáhá zajistit věrnost signálů vysílaných axonem lokalizací AChR do synapse. Protože synapse začíná přijímat vstupy téměř okamžitě poté, co se motoneuron dostane do kontaktu s myotubou, axon rychle generuje akční potenciál a uvolňuje ACh. Depolarizace způsobená AChR vyvolává svalovou kontrakci a současně iniciuje represi transkripce genu AChR přes celou svalovou membránu. Všimněte si, že to ovlivňuje transkripci genu na dálku: receptory, které jsou vloženy do postsynaptické membrány, nejsou náchylné k represi.
Presynaptická diferenciace
Ačkoli mechanismy regulující pre-synaptickou diferenciaci nejsou známy, změny projevující se na vyvíjejícím se axonovém terminálu jsou dobře charakterizovány. Presynaptický axon vykazuje nárůst synaptického objemu a plochy, nárůst synaptických váčků, shlukování váčků v aktivní zóně a polarizaci pre-synaptické membrány. Má se za to, že tyto změny jsou zprostředkovány uvolněním neurotropinu a buněčné adhezní molekuly ze svalových buněk, čímž je zdůrazněn význam komunikace mezi motoneuronem a myotubem během synaptogeneze. Podobně jako u postsynaptické diferenciace se má za to, že pre-synaptická diferenciace je způsobena kombinací změn v expresi genů a redistribucí již existujících synaptických složek. Důkazem toho může být up-regulace genů exprimujících bílkoviny váčků krátce po vzniku synapse a také jejich lokalizace na synaptickém terminálu.
Nezralé synapse se při narození množí innervací, vzhledem k vysoké náchylnosti nových axonů k innervaci na již existující synapsi. Jak synapse dospívá, synapse se oddělují a nakonec se všechny axonální vstupy vyjma jednoho zasunou v procesu zvaném eliminace synapse. Dále postsynaptická koncová deska roste hlouběji a vytváří záhyby skrze invazi, aby se zvětšila plocha dostupná pro příjem neurotransmiterů. Při narození Schwannovy buňky tvoří volné, nemyelinizované kryty nad skupinami synapsí, ale jak synapse dospívá, Schwannovy buňky se zasvěcují do jediné synapse a tvoří myelinizovaný uzávěr nad celým neuromuskulárním spojením.
Proces synaptického prořezávání známý jako eliminace synapse je pravděpodobně proces závislý na aktivitě, který zahrnuje soupeření mezi axony. Hypoteticky synapse dostatečně silná na to, aby vytvořila akční potenciál, spustí myonukleovou reakci přímo naproti axonu a uvolní synaptotropiny, které posílí a udrží dobře zavedené synapse. Toto synaptické posílení není svěřeno slabším synapsím, a tím je vyhladoví. Bylo také naznačeno, že kromě synaptotropinů uvolněných do synapse vykazující silnou aktivitu, způsobuje depolarizace postsynaptické membrány uvolnění synaptotoxinů, které zahání slabší axony.
Specifičnost vzniku syntaxe
Pozoruhodným aspektem synaptogeneze je skutečnost, že motoneurony jsou schopny rozlišovat mezi svalovými vlákny s rychlými a pomalými záškuby; svalová vlákna s rychlými záškuby jsou inervována „rychlými“ motoneurony a svalová vlákna s pomalými záškuby jsou inervována „pomalými“ motoneurony. Existují dvě hypotetické cesty, kterými axony motoneuronů dosahují této specifičnosti, jedna, ve které axony aktivně rozpoznávají svaly, které inervují, a činí selektivní rozhodnutí na základě vstupů, a druhá, která volá po neurčitější inervaci svalových vláken. Ve selektivních cestách axony rozpoznávají typ vlákna, a to buď podle faktorů nebo signálů, které specificky uvolňují svalová vlákna s rychlými nebo pomalými záškuby. Kromě toho lze selektivitu vysledovat v boční poloze, ve které jsou axony předem uspořádány, aby je spojily se svalovým vláknem, které nakonec inervují. Hypotézní neselektivní dráhy naznačují, že axony jsou vedeny k cíli pomocí matrice, kterou putují. V podstatě je pro axon stanovena dráha a samotný axon není zapojen do rozhodovacího procesu. A konečně, axony mohou nespecificky inervovat svalová vlákna a způsobit, že svaly získají vlastnosti axonu, který je inervuje. V této dráze může „rychlý“ motoneuron přeměnit jakékoli svalové vlákno na svalové vlákno s rychlými záškuby. Existují důkazy pro selektivní i neselektivní dráhy ve specifičnosti tvorby synapse, což vede k závěru, že proces je kombinací několika faktorů.
Tvorba centrální nervové soustavy
Ačkoli studie synaptogeneze v centrálním nervovém systému (CNS) je mnohem novější než studie NMJ, existuje příslib spojení informací získaných v NMJ se synapsemi v CNS. Mezi oběma typy neuronálních spojení existuje mnoho podobných struktur a základních funkcí. Na nejzákladnější úrovni mají synapse CNS i NMJ nervový terminál, který je oddělen od postsynaptické membrány štěrbinou obsahující specializovaný extracelulární materiál. Obě struktury vykazují lokalizované váčky na aktivních místech, shlukované receptory na postsynaptické membráně a gliální buňky, které zapouzdřují celou synaptickou štěrbinu. Z hlediska synaptogeneze vykazují obě synapse diferenciaci pre- a postsynaptických membrán po počátečním kontaktu mezi oběma buňkami. To zahrnuje shlukování receptorů, lokalizovanou up-regulaci syntézy proteinů na aktivních místech a neuronální prořezávání prostřednictvím eliminace synapse.
Navzdory těmto podobnostem ve struktuře existuje mezi oběma spojeními zásadní rozdíl. Synapse CNS je striktně neuronální a nezahrnuje svalová vlákna: z tohoto důvodu CNS používá různé neurotransmiterové molekuly a receptory. Ještě důležitější je, že neurony v rámci CNS často přijímají více vstupů, které musí být zpracovány a integrovány pro úspěšný přenos informací. Svalová vlákna jsou inervována jediným vstupem a fungují zcela nebo vůbec. Ve spojení s plasticitou, která je charakteristická pro neuronální spojení CNS, je snadné vidět, jak se mohou obvody CNS stávat stále složitějšími.
Faktory regulující synaptogenezi v CNS
Hlavní metodou synaptické signalizace v NMJ je použití neurotransmiteru acetylcholinu a jeho receptoru. Homologem CNS je glutamát a jeho receptory a jedním ze zvláště významných je N-methyl-D-apsartátový (NMDA) receptor. Bylo prokázáno, že aktivace NMDA receptorů iniciuje synaptogenezi aktivací navazujících produktů. Zvýšená úroveň aktivity NMDA receptoru během vývoje umožňuje zvýšený příliv vápníku, který působí jako sekundární signál. Nakonec jsou transkripčními faktory aktivovány okamžité časné geny (IEG) a jsou přeloženy bílkoviny potřebné pro diferenciaci neuronů. Funkce NMDA receptoru je spojena s estrogenním receptorem u hippokampálních neuronů. Experimenty provedené s estradiolem ukazují, že expozice estrogenu významně zvyšuje synaptickou hustotu a koncentraci bílkovin.
Synaptická signalizace během synaptogeneze je nejen závislá na aktivitě, ale je také závislá na prostředí, ve kterém se neurony nacházejí. Například neurotrofický faktor odvozený od mozku (BDNF) je produkován mozkem a reguluje několik funkcí v rámci vyvíjející se synapse, včetně zvýšení uvolňování transmiterů, zvýšené koncentrace váčků a biosyntézy cholesterolu. Cholesterol je pro synaptogenezi nezbytný, protože lipidové rafty, které tvoří, poskytují lešení, na kterém se mohou vyskytovat četné signalizační interakce. Mutanty BDNF-null vykazují významné vady v neuronálním růstu a tvorbě synapsí. Kromě neurotropinů jsou pro synaptogenezi nezbytné také molekuly buněčné adheze. Často vazba molekul pre-synaptické adheze na buňku s jejich postsynaptickými partnery vyvolává specializace, které usnadňují synaptogenezi. Vada genů kódujících neuroligin, molekulu buněčné adheze nalezenou v postsynaptické membráně, je skutečně spojována s případy autismu a mentální retardace. A konečně, mnoho z těchto signálních procesů lze regulovat pomocí matrixových metalloproteináz (MMP), protože cílem mnoha MMP jsou právě tyto specifické molekuly buněčné adheze.