Sinaptik Plastisite: NMDA Reseptör-Bağımlı LTP ve LTD Doç. Dr. Güvem Gümüş Akay Ank. Üniv. Disiplinlerarası Sinirbilim Doktora Programı/ Sinapsların Moleküler Nörobiyolojisi

Uzun-süreli Sinaptik Plastisite Sinaptik iletimin etkinliğinde uzun süreli gözlenen deneyim-bağımlı değişikliği ifade eden genel bir terimdir. 1) Uzun süreli potensiyasyon (LTP) 2) Uzun süreli depresyon (LTD) NMDA reseptörü aracılığı ile olan daha detayları ile bilinmektedir.

LTP ve LTD Öğrenme ve bellek olaylarının hücresel temelini oluşturmaktadır. Moleküler ve hücresel mekanizmaları Sinaptik plastisite için gerekli değişikliğin oluşturulması (induction) İfade bulma mekanizmaları (expression, saatler) Sürdürülme mekanizmalaraı (maintenance, günler)

NMDAR-bağımlı LTP En iyi karakterize edilmiş formu hipokampüsün CA3 ve CA1 piramidal nöronları arasında meydana gelmektedir.

Sinaptik İletim Sinaptik vezikül içeriğinin ekzositoz ile salımasını takiben NT’ler için Sinaptik yarığa hızla difüzyon Postsinaptik membrandaki spesifik resptörlerine bağlanma Sinaptik yarıkta yüksek konsantrasyonda NT bulunması çok kısa bir zaman periyodu için söz konusudur.

İyonotropik Reseptörler Doğrudan ligand-kapılı iyon kanallarıdır NT salınmasını takiben hızlıca yanıt verirler

MSS’de en yaygın NT’ler Eksitatör: Glutamat İnhibitör: GABA

AMPA-Tip ve NMDA-Tip Glutamat Reseptörleri AMPARs ve NMDARs Her ikisi de iyonotropik reseptörlerdir Na+ ve K+’a geçirgendir Aktivasyonları sonucunda Güçlü bir Na + girişi Zayıf bir K + çıkışı Sonuç: Postsinaptik nöronun depolarizasyonu

Glutamaterjik iletimde asıl yükü taşıyan: AMPAR Hızlı ve büyük bir sinaptik sinyal

AMPARs 4 gen: GRIA1-4 Her AMPAR izoformu 4 altbirimden oluşur GluA1, GluA2, GluA3 ve GluA4 Homomerik/ heteromerik Çoğu AMPAR’de GluA2 altbirimi bulunur

GluA2’de RNA Editing Transkripsiyonu takiben meydana gelen «RNA editing» sonucu Gln (Q)  Arg (R) Bu aşama kalite kontrolde son derece önemli GluA2 içeren AMPAR’leri Ca2+’u geçirmez

NMDARs Dinlenme membran potansiyeline yakın bir negatif membran potansiyeli söz konusu olduğunda; Mg2+ iyonları NMDAR’ın poruna girer ve diğer bütün iyonların geçişine engel olur

Depolarizasyonun meydana gelmesi ile birlikte Mg2+ pordan uzaklaştırılır Na+, K+ ve Ca2+ iyonları pordan geçiş yapabilir Pozitif potansiyel söz konusu olduğunda NMDA reseptörleri maksimum geçirgenlik gösterir

NMDARs Kinetikleri AMPAR’lerine göre daha yavaştır Glu’ın salınmasından sonra NMDAR’lar daha yavaş aktive olurlar Glu salınımından sonra daha uzun süre açık kalırlar (yüzlerce milisaniye) AMPAR’larda bu süre birkaç milisaniye

NMDARs Sadece Glu bağlandığında ve postsinaptik nöron depolarize olduğunda olduğunda akım iletebilirler Başka bir ifade ile NMDAR’ların açılabilmesi için pre- ve postsinaptik nöronların aktif olması gereklidir.

İyonotoropik Glu Reseptörleri Tek başlarına işlev göremezler PSD’deki pekçok proteinle interaksiyon halindedir Bu proteinler Reseptör fonksiyonunu modüle eder Membrana dahil edilme ve membrandan uzaklaştırılma

Stargazin TARP (Transmembran AMPAR regülatör protein) ailesi üyesidir Pek çok AMPAR’da yardımcı faktör olarak bulunur Reseptörün iletim, kinetik ve düzenleme aktivitelerini etkiler

PICK1 Diğer bir TARP ailesi üyesi Membranda reseptör sayısının düzenlenmesi Altbirim spesifitesi söz konusu GluA2 Membran lokalizasyonları oldukça dinamik Sinaptik plastisite

İyonotropik Glu Reseptörleri İşlevlerinin büyük bir çoğunluğu postsinaptik Presinaptik aksonal butonlarda da mevcut NT salınınımının düzenlenmesinde rol oynarlar Kendi bulundukları sinapstan veya komşu sinapstan salınan Glu ile aktive olurlar: Homo/heterofilik modulasyon NT salınmasını inhibe/aktive etmeleri bir sinapstan diğerine farklılık gösterir

LTP ve LTD

LTP’nin başlatılması Pre- ve postsinaptik nöron eş zamanlı aktive olmalı Presinaptik butondan Glu salındığında, NMDAR’ların tamamen Mg2+’dan arındırılabilmesi için postsinaptik nöronun depolarize olması gerekir Bu şekilde aynı anda deplarizasyon ve Glu bağlanmasının sonucu olarak NMDAR’lardan Ca2+ girişi maksimum seviyede gerçekleşir Sinaptik etkinliği değiştirmekten sorumlu hücre içi sinyal iletim yolakları aktive olur

LTD’nin başlatılması Postsinaptik nöronda herhangi bir aktivasyon olmaksızın presinaptik nöronun tekrarlanan ancak kısa süreli aktivitesi söz konusudur Dinlenme halindeki bir nöronda Ca2+’un içeri girişi söz konusudur NMDAR’ların Mg2+ tarafından bloke edilemesi tam değildir Bu nedenle, düşük frekanslı sinaptik uyarıma sırasında, sinaptik uyarıma cevaben, dikkate değer ölçüde Ca2+ hücre içerisine giriş yapar Büyük bir ihtimalle NMDAR-bağımlı olarak az da olsa Ca2+’un hücre içerisine girmesi ve bu olayın tekrar ederek meydana gelmesi LTD’nin başlamasına neden olmaktadır.

NMDAR-bağımlı Ca2+ girişi Hücre, sinaptik bağlantıyı güçlendirme ya da baskılama arasında karar verecek mekanizmalara sahip olmalıdır. NMDAR-bağımlı Ca2+ girişi LTP LTD

Öne sürülen en eski modele göre Ca2+ girişine bağlı olarak LTP/LTD’nin uyarılması Sinaptik iletimin gücünde herhangi bir değişiklik olmaması kararında en önemli değişken: Uyarımın şiddeti veya postsinaptik hücrenin depolarizasyonu

Presinaptik/Postsinaptik hücre? Salınan NT miktarı? NT’lerin bağlanacağı reseptörler?

Presinaptik Eğer LTP (veya LTD) artmış (veya azalmış) NT miktarı tarafından oluşturuluyor ise Postsinaptik hücrenin bir şekilde presinaptik hücre ile haberleşerek onun fonksiyonunu modife etmesi gerekir Retrograde sinyal molekülleri? Çok sayıda deney…

Postsinaptik LTP, postsinaptik membrana daha fazla AMPAR eklenmesi LTD, postsinaptik membrandan daha fazla AMPAR uzaklaştırılması ile ilişkilidir

AMPAR’lar oldukça hareketli Sitoplazma ve hücre membranı arasında bir geridönüşüm söz konusu AMPAR’ların membrana eklenmesi: SNARE-aracılı ekzositoz AMPAR’ların membrandan uzaklaştırılması: Klatrin aracılı endositoz

Son çalışmalar LTP ve LTD sırasında AMPAR’ların ekzo ve endositozla mobilizasyonunun doğrudan sinaptik lokalizasyonda meydana gelmediğini Perisinaptik bölgede meydana geldiğini ve PSD’ye lateral difüzyonla ulaştığını desteklemektedir.

AMPAR trafiği Çok sayıda PSD proteini, AMPAR’lar ile etkileşerek bu reseptörlerin trafiğinde rol oynamaktadır AMPAR farklı altbirimleri de trafikte önemlidir LTP sırasında membrana ilave edilen AMPAR’lar çoğunlukla GluA2/GluA2 hetromerleri

LTP sırasında GluA2-içeren AMPAR’ların, GluA2-içermeyen ile değiştirildiği gösterilmiş GluA2-içermeyen AMPAR’ların iletkenlği daha yüksek Böylece reseptörler sayı olarak aynı kalsa bile daha kuvvetli iletim gerçekleşebilir

LTP ve LTD’yi tetikleyen sinyal yolakları

Pre ve postsinaptik nöronların birbiri ile tutarlı olarak aktive olması Ca2+’un NMDAR’lar aracılığı ile hücre içerisine girişine neden olur. Giren Ca2+ miktarına bağlı olarak oluşan sinyal AMPAR’ların sinaptik membrana eklenmesine veya membrandan uzaklaştırılmasına neden olur

LTD, LTP’nin tam tersi olduğuna göre Sizce hangi enzimler?? Kalsiyum-Kalmodulin bağımlı protein fosfataz: Kalsinörin Protein fosfataz I (PP1)

Kalsinörin’in Ca2+’a olan afinitesi daha yüksek Bu nedenle az seviyede Ca2+ söz konusu olduğunda CaMKII’denönce Kalsinörin aktif hale gelir LTD indüklenir

Protein fosfatazlara ilave olarak Kaspaz 3 AMPAR’ların lizozomal/proteozoamal parçalanması Membrana geri dönmemeli

LTP ve LTD’nin sürdürülmesi AMPAR’lar PSD’ye çok sayıda iskele proteini ile demirlemiş durumdadır İskele proteinleri ile etkileşimleri bu reseptörlerin başta aktin olmak üzere diğer hücre iskeleti elemanları ile de bağlantısını sağlar

LTP ile birlikte Dolayısıyla AMPAR’ların membrana eklenmesi sinapsların ince yapısını etkiler LTP oluşmaya başlayan dendiritik dikenler Genişler Daha geniş PSD Perforasyon dösteren PSD Fazla sayıda SER ve SA

LTP ile birlikte Dakikalar içinde dendritik şaft boyunca yeni dikenler oluşur Diken yoğunluğu artar Çoklu dikenli sinaps yapıları meydana gelir

LTD ile birlikte Dendritik dikenlerin büzüşmesi Hatta ortadan kaybolması

LTP’nin sürdürülmesi, yapısal değişikliklere ilave olarak, protein sentezi-bağımlıdır CaMKIV, Protein kinaz M-ζ ve ERK ve diğer sinyal iletim molekülleri protein sentezini başlatır Hücre gövdesinde nükleer transkripsiyon (CREB gibi transkripsiyon faktörlerini gerektirir) Dendritik dikenlerde lokal protein sentezi Sentezlenen proteinler LTP’nin sürdürülmesine rol oynar Arc

Sinaptik Plastisite ve Hastalıklar LTP ve LTD değişiklikleri ile ilişkili beyin hastalıkları Demans, hareket bozuklukları, depresyon, bağımlılık, posttravmatik stres sendromu, nöropatik ağrı, kaygı bozuklukları

Sinaptik Plastisite kaybı: Alzheimer Artmış sinaptik plastisite: Bağımlılık yapan ilaçlara maruziyet

AD kesin tanısı için histolojik kesitlerde amiloid plakların ve nörofibriler yumakların gözlenmesi gerekir Bilişsel bozulma bu aşamadan çok daha önce başlar Toksik çözünebilen Aβ oligomerlerinin oluşmasının LTP ve LTD’yi etkileyerek bellek problemlerine neden olduğu yönünde kanıtlar söz konusudur

Hücreler üzerine doğrudan AB oligomerleri uygulandığında LTP inhibe olmakta ve LTD benzeri değişiklikler gözleniyor Sonuç: LTP üretemeyen zayıf sinapslar Sinaptik NMDAR’ları azaltıyor