Sinapsların İnce Yapısına Genel Bakış Doç. Dr. Güvem Gümüş Akay Ank. Üniv. Disiplinlerarası Sinirbilim Doktora Programı/ Sinapsların Moleküler Nörobiyolojisi

Sinir hücreleri arasında bilgi transferinin yapısal temeli ? 19.yy’ın sonları: Gümüş Boyama Tekniği

Sinaps Verrall, Sherrington Syn: together + Haptein: to clasp Nöronal / Retiküler teori

Sinapsların Mikroanatomisi Tip I / Asimetrik sinapslar/Eksitatör Tip II / Simetrik sinapslar/İnhibitör http://synapses.clm.utexas.edu

Eksitatör sinapslar: Dentritler ve dendritik dikenler İnhibitör sinapslar: Hücre gövdesi (soma) ve akson başlangıç segmentleri

Nöropil Dendritler, aksonlar ve astroglial yapılar ince keçe gibi gözenekli bir yapı (Nöropil) oluşturur. Sinaptik etkileşimlerin çoğu bu yapıda görülür. Hücre gövdesi sayı olarak azdır.

Sinaptik Nöropil’in Organizasyonu Dendritler Aksonlar Aksogliyal Yapılar

Presinaptik bileşenler Aksonal butonlar Aktif zon Presinaptik veziküller Diğer aksonal bileşenler

Aksonal Butonlar Hipokampal alan CA1, striatum radiatum’da eksitatör aksospinöz sinapslar, ince ve genellikle miyelinsiz aksonlar tarafından oluşturulmuş tipik sinaps örneklerini oluşturur. Presinaptik aksonların büyük bir çoğunluğu CA3 piramidal hücrelerden köken alır ve CA1 piramidal hücrelerin apikal dendritik dikenleri ile sinaps yaparlar.

Aksonal Butonlar Herbir akson nöropil boyunca dokuma yapar ve sinaps yapacağı bölgede nörotransmitter yüklü vezikülleri içeren aksonal butonları oluşturur.

Aksonal butonlar ~%75 Sadece bir sinaptik bağlantı ~%21 Çoklu sinaptik bağlantı (Multisinaptik) ~%4 Postsinaptik partneri yok Olgun hipokampüste hızlı sinaptogenezin olduğu koşullarda, postsinaptik partnerler mevcut aksonal butonlarla sinaps oluştururlar. Böylelikle de novo presinaptik aksonal buton oluşturulmasına gerek kalmaksızın daha fazla multisinaptik buton meydana gelir. Multisinaptik butonların gelişim sürecindeki rolleri??

Aksonal butonlar Aksonların bir bölümü de beyin boyunca farklı tipte sinaptik bağlantılar oluştururlar. Örn: Dentat girusun granül hürelerinin «mossy fiber» aksonları çok geniş presinaptik butonlara sahiptir ve CA3 piramidal hücrelerin proksimal dendritlerindeki çok sayıda dendritik diken ile sinaps yaparlar.

Aksonal butonlar Serebellar korteksteki aksonlar çok değişik tipte sinaps oluştururlar. Serebellar granül hücreleri, çok sayıda purkinje hücresi ile aksospinöz sinaps oluşturan tek bir paralel fiber oluştururlar.

Nucleus olivarius inferior’dan köken alan bir climbing fiber sadece bir Purkinje hücresinin proksimal dentritik şaftı boyunca çok sayıda aksonal buton oluşturur.

Aktif Zon Sinaptik veziküllerin membrana tutunduğu ve NT salımının gerçekleştiği, özelleşmiş presinaptik membran bölgesidir. PSD’nin hemen karşısında yer alır. EM’de elektronca yoğun bölgeler olarak gözlenir.

Aktif Zon Aktif zonla ilişkili olarak presinaptik yapıya dahil olan sitoplazmik «yoğun projeksiyonlar» bulunmaktadır. Fonksiyon ? Bazı sinapslarda bu yapılar özellelmiş «sinaptik şerit» oluştururlar. Veziküllerin membrana tutunması ve NT salınmasında rol oynadıkları düşünülmektedir.

Aktif Zon Doku kültürlerinde kriyoelektron tomografi tekniği ile gerçekleştirilen çalışmalar, aktif zonda var olan kompleks filament ağ yapısının NT salınması sırasına boyutsal değişikliğe uğradığını göstermiştir. AZ’un vezikül mobilizasyonu ve salınmasındaki rolünü desteklemektedir.

Aksonal Butonlardaki Veziküller Eksitatör sinapslardaki presinaptik butonlar «glutamat» ile yüklü, ~35 nm çapında, berrak (clear) veziküller içerir. Aksonal buton boyunca dağılmış veziküller, anatomik olarak presinaptik membrana tutunmuş veziküllerden farklı olarak «stok» havuzu oluştururlar.

Aksonal Butonlardaki Veziküller NT, sinaptik yarığa demirlemiş veziküllerden salınır. Presinaptik membrana demirlemiş veziküller, fiksasyon işlemi sırasında bir miktar NT’nin hali hazırda salınmış olmasından dolayı, diğer veziküllerden daha küçük gözlenirler. NT salınımından sonra veziküler membran klatrin-aracılı endositoz veya toptan (bulk) endositoz ile geri dönüştürülür.

Aksonal Butonlardaki Veziküller Presinaptik butonlar çeşitli şekil, büyüklük ve içeriğe sahip veziküller de içerebilir. Bazı eksitatör glutamaterjik sinapslar, tipik sinaptik veziküllere ilave olarak daha büyük (> 60nm) berrak veziküller de içerebilmektedir.

Aksonal Butonlardaki Veziküller Berrak veziküllere ilave olarak bazı glutamaterjik aksonal butonlar «yoğun kor vezikülleri» içerirler (~80 nm, DCV) CA1’deki olgun sinapsların %20’sinde mevcuttur. Yeni AZ bölgelerinin oluşturulması için lokal kaynaklardır. Hızlı sinaptogenezin gözlendiği presinaptik aksonal butonlarda sayılarının azalması bu durumu desteklemketdir.

Aksonal Butonlardaki Veziküller İnhibitör presinaptik butonlar yuvarlak, basık ve nispeten daha küçük veziküller içerirler. Simetrik sinapslardaki veziküller çoğunlukla GABA veya glisin ihtiva ederler. En sıklıkla nöronal hücre gövdesinde ve proksimal dendritik şaftlar boyunca yer alırlar. Aynı zamanda dendritler boyunca eksitatör sinapslar arasına da serpiştirilmişlerdir. Örn: Striatum radiatumun CA1 bölgesindeki sinapsaların yaklaşık %5-10’u inhibitör sinapslardır. Bazen akson hillockta da bulunabilir. Bu durumda özellikle daha güçlü bir inhibitör etki söz konusu olabilmektedir. Bazı beyin bölgelerinde dendritik dikenlerin boyun bölgelerinde de inhibitör sinapslar bulunmaktadır.

Diğer Aksonal Bileşenler Mikrotübüller Motor proteinleri: Dinein ve kinezin Mitokondri Düz endoplazmik retikulum

Mikrotübüller, Akson boyunca belirgindirler Sinaptik butonun merkezinde genellikle bulunmazlar (Ca aracılı NT kontrolü, Ca aracılı mikrotübül depolimerizasyonu)

Mitokondriler, akson boyunca ve aksonal butonlarda heterojen dağılım gösterir. Hipokampal CA1’deki aksonal butonların yaklaşık %41’i mitokondri içerir Aksine bazı büyük aksonal butonlar çok sayıda mitokondri içerir

Aktif Zon’un moleküler anatomisi Yüksek çözünürlüklü ışık mikroskobisi İmmuno-EM Peroksidaz temelli enzimatik amplifikasyon

Aktif Zon’un moleküler anatomisi Sitomatriks proteinleri: Bassoon ve Picolo Voltaj-, ligand- ve Ca- kapılı kanallar

Sinaptik Yarık Presinaptik akson ve postsinaptik dendrit arasında bulunan ve yaklaşık 20 nm genişliğindeki “boşluk” Elektronca yoğun materyal Standart ECM proteinleri Özelleşmiş sinaptik proteinler Pentraksinler, Narp ve NP1

Hücre Adezyon Molekülleri İntegrinler Nöroligin/Nöreksinler Efrin /Efrin reseptörleri N-CAM Nectin Kaderinler ve protokaderinler CASK

Postsinaptik Dendritik Dikenler Lolipop Short, stubby Mushroom shaped Filopodia-like

Postsinaptik Dendritik Dikenler Boyutları çok değişkendir. Farklı beyin bölgelerinde, hatta bir dendrit boyunca

PostSinaptik Dansite Asimetrik sinapslarda postsinaptik plazma membranının hemen altında yer alan, 35-50 nm kalınlığında, belirsiz-elektronca yoğun bölge Küçük sinapsların yüzeyi genel olarak düzenli yapı göstermekle birlikte yer yer peforasyonlar gözlenir

PostSinaptik Dansite Tam olarak AZ’nun karşısında yer alır: Doğrudan trans-sinaptik etkileşimin göstergesi Presinaptik ve postsinaptik yapıların kalınlığı aynı beyin bölgesindeki eksitatör ve inhibitör sinapslarda bile büyük varyasyon gösterir.

PostSinaptik Dansite PSD’nin yüzey alanı diken baş hacmi ve AZ’na demirlemiş toplam presinaptik vezikül sayısı ile neredeyse mükemmel bir korelasyon gösterir.

PostSinaptik Dansite Moleküler kütlesi yaklaşık 1 gigadalton 100 kDa büyüklüğündeki proteinden yaklaşık 10.000 kopya

Peng J et al. J. Biol. Chem. 2004;279:21003-21011

PSD proteinleri ~2000 Categorization of proteins of the PSD of excitatory synapses. (A) The percentage of PSD proteins (as identified by mass spectrometry of purified PSD fractions) in various functional classes. Proteins with miscellaneous functions comprise ∼15% (not shown). (B) Copy number of selected proteins in an average size PSD of the forebrain. Cold Spring Harb Perspect Biol 2011;3:a005678

PSD proteinleri ~460 Categorization of proteins of the PSD of excitatory synapses. (A) The percentage of PSD proteins (as identified by mass spectrometry of purified PSD fractions) in various functional classes. Proteins with miscellaneous functions comprise ∼15% (not shown). (B) Copy number of selected proteins in an average size PSD of the forebrain. Cold Spring Harb Perspect Biol 2011;3:a005678

PSD’nin moleküler anatomisi Reseptörler İskele proteinleri Sinyal iletim kompleksleri

Postsinaptik Yapıda Bulunan Diğer Bileşenler Dopamin ve 5-HT reseptörleri Nikotinik asetil kolin reseptörleri EphA reseptörleri Voltaj bağımlı K kanalları KV1, KV3, KV4, Kir1, HCN, BK, TASK alttipleri Glutamat taşıyıcıları, Ca değiştirici NCX1 Sinyal iletim ve motor-ilişkili proteinler Aktin, miyozin Aktin bağlanma proteinleri Kortaktin, Profilin, Drebrin, Arp2/3

İnhibitör Postsinaptik Membranların Moleküler Anatomisi GABAA reseptörleri Sayısı, inhibitör postsinaptik akımın şiddeti ile yakından ilişkili GABAB reseptörleri Postsinaptik, presinaptik ne sinaptik olmayan lokalizasyon

İnhibitör Postsinaptik Membranların Moleküler Anatomisi Belirgin bir PSD yoktur. Az sayıda intraselüler protein içerir. Gefirin, Profilin, GRIP izoformları

Dendritler ve Dendritik Dikenlerde Düz Endoplazmik Retikulum Serebellumdaki dendrtik dikenlerin neredeyse tamamı DER içerir ve DER hacmi ile diken hacmi koreledir. Hipokampüsteki dendritik dikenlerin <%15’i DER içerir (genellikle en geniş olanlar).

Diken Aparatı Diken aparatı (Spine apparatus=SA) Ca düzenlenmesi Protein sentezi Post-translasyonel modifikasyonlar

Diken Aparatı Tabakalar şeklinde dizilmiş SER’den oluşur. SER’ler arasında aktin-bağlanma proteini snaptopodin bulunur. Snaptopodin KO fare hipokampüsünde SA yok, Sinaptik plastisite eskiliği Giantin: Hücre gövdesinde golgi kompleksi aracılı veziküler trafik

Dendritler ve Dendritik Dikenlerde Poliribozomlar Ribozomlar dendritlerde lokal translasyon için gereklidir ve dendritik dikenlerin bir grubunda bulunurlar. Ribozomlar, 3 veya daha fazla sayıda bir araya gelerek poliribozomlar oluştururlar.

Dendritler ve Dendritik Dikenlerde Poliribozomlar CaM-KIIα, PSD95 gibi sitoplazmik proteinleri sentezleyen poliribozomlar LTP-indükleyici uyarandan sonra dikenlerde daha yoğun gözlenirler. Diken aparatının yakınında da bulunabilirler. Homojen dağılım göstermezler

Dendritler ve Dendritik Dikenlerde Endozomal Kompartmanlar Endositoz-ilişkili proteinler AP-2, klatrin, dinamin Ekzositoz-ilişkili protein Sintaksin Dinamik olarak düzenlenir Diken genişlemesinde lokal olarak yeni membran kaynağı sağlarlar.

Spinüller Aracılığıyla Trans-Endozitoz Sinaptik haberleşmede klasik mekanizmalara ilave olarak nöronlar arası sinyal iletimin de başka bir yol da söz konusudur. Plazma membranının spinüller yolu ile trans-endositozu

Spinüller, presinaptik aksonların postsinaptik dendritik dikenleri içine doğru alması, yutması (çoğunlukla PSD’nin perfore olduğu bölgelerden) Komşu aksonun, sinaptik dikenin sinaptik olmayan plazma membranını yutması