Sinaptik Hücre Adezyonunun Moleküler Temeli Doç. Dr. Güvem Gümüş Akay Ank. Üniv. Disiplinlerarası Sinirbilim Doktora Programı/ Sinapsların Moleküler Nörobiyolojisi

Sinaptik bağlantılar Sinir sisteminin gelişimi sırasında akson pathfinding’i takiben oluşturulur. Spesifik hücre adezyon molekülleri (CAMler) pre- ve postsinaptik bölgelerde birikir. Bu moleküller hücre içi ve hücre dışı iskele proteinleri ile etkileşerek sinaptik farklılaşmayı başlatır.

Sinapslar Asimetrik, hücreler arası bağlantı bölgeleri Nöronal iletimin temel yapısal birimleri Sinaptik yapıların doğru bir biçimde oluşturulması ve uygun bağlantı paternlerinin kurulması fonksiyonel nöronal devrelerin kurulması için son derece önemlidir.

Sinapslar Üçlü yapı Presinaptik membran Postsinaptik membran Sinaptik yarık Kalınlaşmış bu bölgeler yüksek seviyede adeziv (yapışkan) özellik gösterir

Adezyon sinapsların son derece önemli yapısal özelliği Biyokimyasal fraksinasyonlarda bile pre-ve post-sinaptik yapılar birbirlerine sıkıca tutunmuş olarak kalır Sinaptik yarığı kateden bu yapılar periyodik olarak organize edilmekte ve yüksek oranda proteinöz bir materyalden oluşmaktadır. CAMler

Pre- ve postsinaptik membranların uzaysal ve zamansal olarak koordineli bir biçimde yapılandırılması, sinaptik hücre adezyonunun sinaps gelişiminde ne kadar önemli olduğunu göstermektedir.

Pre- ve postsinaptik yapılarda gözlenen karşılıklı örtüşme, yarık boyunca meydana gelen etkileşimlerin bu yapının karşılıklı sınırlarını belirlediğini göstermektedir. Sinaptik yarığın düzenli bir genişliğe sahip olması, bu yapının açıklığınının bir «moleküler cetvel» tarafından belirlendiğini düşündürmektedir.

Sinaptogenez sırasında: 1. Aksonal büyüme konileri ve bunların dendritik partnerleri genellikle filopodia benzeri uzantılar yaparak ilk teması sağlarlar.

2. Özelleşmiş sinaptik membran yapıları bu temas bölgelerine yönlendirilir Presinaptik membran Postsinaptik membran Sinaptik yarık 3. Sinaptik veziküller Elektronca yoğun sinaptik yarık materyali Kalınlaşmış postsinaptik membranlar Başlangıçta 13 nm genişliğinde olan bu boşluk, 20 nm’lik sinaptik yarığa dönüşür. Olgun sinapslar, aktivite bağımlı olarak kendilerinin yeniden şekillenmesine neden olan ve hücre adezyonu tarafından düzenlenen, yapısal ve fonksiyonel plastisite mekanizmalarına maruz kalır.

https://www.youtube.com/watch?v=S5dPn572M5o

Organizmanın yaşamı boyunca sinapslar oluşturulmaya ve elimine edilmeye devam eder. Sinapsların oluşması ve elimine edilmesi, omurgalı beyninin maturasyonun gerçekleştiği postnatal dönemde en aktif olarak gözlenir. Öğrenme ve bellek süreçlerinde rol oynamaya devam eder. Rejenerasyon

Sinaptik Adezyon Molekülleri Sinaptik yarığı geçen (kat eden) proteinlerin tümüne topluca verilen isimdir. Sadece hücre adezyonunda rol oynamazlar Hücreler arası trans-sinaptik iletişimde de son derece önemlidirler

Hücre Adezyon Molekülleri (CAMler) Hücrelerin birbirlerini tanıması Sinaptik temas bölgelerinin stabilizasyonu için mekanik destek oluşturma Sinyal molekülleri, NT reseptörleri ve aktin hücre iskeleti gibi yapıların kurulumunu sağlayarak sinaps organizasyonunu sağlama Sadece fiziksel adezyonda rol oynamazlar Aktivite-bağımlı olarak sinaps oluşumu, diken morfolojisi ve sinaptik reseptör fonksiyonunu da kontrol ederler

Bir molekülün sinaptik adezyon molekülü olabilmesi için: Gelişimin bir veya daha fazla evresinde sinapslarda lokalize olmalı Hücre-hücre etkileşiminde işlev görmeli Ekspresyonlarının artması ve/veya azalması sinaps oluşumu ve/veya fonksiyonunu etkilemeli

Sinaps oluşumu çok basamaklı bir süreçtir Sinaptik temasların kurulumu Pre- ve post sinaptik yapıların tesis edilmesi Yeni oluşmuş sinapsların işlevsel özelliklerini kazanması Sinaptik plastisitenin gözlenmesi

1. Temas Bölgelerinin Kurulması Oluşacak yeni sinaps bölgelerinde pre- ve postsinaptik nöronların birbirini tanıması

2. Moleküler Kurulum Sinaptik veziküllerin aktif zona yönlendirilmesi Postsinaptik dansite elemanlarının oluşmakta olan sinaptik temas bölgesine yönlendirilmesi Anatomik olarak ayırdedilebilir sinaps yapısının oluşması Bu aşamana henüz fonksiyonel değil

3. Fonksiyonun belirlenmesi Sinapsların fonksiyon kazanması kendi moleküler bileşenlerinin organizasyonu ile gerçekleşir. Sinapsa spesifik özellikler katar

Tüm bu süreçler Hücre adezyon moleküllerini gerektirir Bir dizi spesifik protein-protein etkileşimleri aracılığı ile gerçekleşir Aktivite bağımlıdır

SİNAPTİK HÜCRE ADEZYONUNUN YAPI TAŞLARI: Domainler, Özellikleri ve Fonksiyonları

Adheziv ve fonksiyonel özgüllükleri Sinaptik adezyon molekülleri, kimyasal sinapsların tanınması, moleküler kurulumu ve özelleşmesinde rol oynamak üzere çok farklı tipte protein moleküllerini içerir. Adheziv ve fonksiyonel özgüllükleri Sınırlı sayıda değişkenlik gösteren ekstraselüler domainlere bağlıdır.

Domainler Tekrarlayan birimler şeklindedir Olası etkileşim sayısını arttırır Sinaptik yarığın içine doğru çıkıntı yapmasına veya yarık boyunca uzanmasına olanak sağlar Mekanik destek

1. İmmunoglobulin- (Ig-) domainleri Sıklıkla diğer Ig-domainlerine bağlanan ve hayvanlara özgü CAM’leridir. Homo- veya heterofilik kompleksler oluştururlar Çoğunlukla disülfit bağları ile stabilize edilen β-sandviç motifi içerir Ig-domain içeren pek çok hücre adezyon molekülü aynı zamanda benzer β- sandviç katlanmasına sahip FnIII domaini de içerir

2. Kaderin domainleri Tüm- β katlanması ile karakterizedir Proteinde her zaman, 2-3 Ca2+ iyonu bağlayanan bir bağlayıcı ile bağlanmış, çok sayıda kopya şeklinde bulunur. Ekstraselüler kaderin domainlerinde tipik kavislenmeye neden olur Kaderin aracılı etkileşimler Ca2+ bağımlıdır Çoğunlukla homofiliktir

3. Lamin A, Neurexin ve Seks hormonu bağlanma protein (LNS) domainleri Laminin G-benzeri LG-domainleri olarak da bilinir. Değişken kenarında korunmuş Ca2+ bağlanma bölgesi içeren Lektin-benzeri β-sandviç’ten oluşur.

α-Nöreksinlerde ve Nöreksin-ilişkili CASPR proteinlerinde birkaç adet LNS domaini seri halinde bulunur Bu domainler çoğunlukla rijit EGF-benzeri domainler arasına serpiştirilmiştir. Bu yapılanma nöreksin-1 α’ya iki menteşe bölgesine sahip L şeklini verir.

4. Lösin zengin tekrarlar (LRRs) 20-30 aminoasit uzunluğunda lösinden zengin dizi paternine sahip domainlerdir. Ardışık lösin tekrarlarının karakteristik amino ve karboksi uç motifleri bulunur. At nalı şeklinde katlanmış bir yapıya sahiptir. Stabilizasyonunda, yapısında bulunan lösin aminoasitlerinin hidrofobik etkileşimleri önemli rol oynar.

SİNAPTİK ADEZYON MOLEKÜLLERİ

I. NÖREKSİNLER İlk olarak α-latrotoksin için presinaptik reseptör olarak tanımlanmıştır Örümcek zehri olan alfa-latrotoksin çok yoğun sinaptik vezikül ekzositozuna neden olur

Nöreksinler Presinaptik tip I membran proteinleridir. Büyük bir ekstraselüler kısım ve kısa bir sitoplazmik kuyruk bölgesi içerirler.

Nöreksinler Omurgalılarda 3 adet nöreksin geni bulunur Nrx1, Nrx2 ve Nrx3 Her bir gen biri uzun diğeri kısa olmak üzere iki izoform kodlar α-nöreksin ve β- nöreksin Pan-nöronal eksprese olurlar

α-Nöreksinler 6 adet LNS domaini Aralara serpiştirilmiş 3 adet EGF domaini

β-Nöreksinler Sadece 1 adet LNS domaini içerir Nöreksinin 6. LNS domainin özdeşidir

Ekstraselüler bölgeyi kodlayan 5 korunmuş alternatif ayıklanma bölgesi mevcuttur. Çok sayıda potansiyel izoform

Sitoplazmik domain PZD-domain bağlanma dizileri içerir CASK ve protein 4.1’e bağlanır

Nöreksinler evrimsel olarak korunmuştur Omurgalılarda farklı nöreksin izoformları ve ayıklanma ürünleri değişken ekspresyon gösterir «Recognition code»

Nöroliginler Nöreksin ligandları olarak tanımlanmış, tip I membran proteinleridir. Postsinaptik membranda yer alırlar. Omurgalılarda 4 farklı gen tarafından kodlanırlar NL1, NL2, NL3 ve NL4 α ve β-nöreksinler tüm nöroligin tiplerine bağlanır. Belirli sinapslarda lokalizedir (Pan-nöronal ekspresyon yok) NL1: ekstatör sinapslar NL2: inhibitör sinapslar NL3: inhibitör sinapslar NL4: ekstatör ve inhibitör sinapslar

Nöroliginler Ekstraselüler bölgenin büyük bir kısmı esteraz-benzeri domain içerir. Bu domain dimer oluşturur. Kısa sitoplazmik kuyruk bölgesi PDZ-domain içerir PSD-95, diğer PDZ-içeren proteinler ve gephirin’e bağlanır

Nöreksin-Nöroligin bağlantısı Trans-sinaptik kompleks α- ve β-nöreksin aynı LNS domaini ile nöroliginle etkileşmekle birlikte beraber bağlanma özellikleri farklıdır. Farklı izoformların bağlanma afiniteleri değişkenlik gösterir. Nöreksin ve nöroliginlerin bağlanmaları alternatif ayıklanma ile sıkıca düzenlenir.

Hücre-temelli deneyler ile sinaps oluşumunun araştırılması Bir nöron, nöroligin eksprese eden bir non-nöronal hücre ile temas ettiğinde bu hücrede presinaptik belirteçlerin membrana yönlenmesine neden olmaktadır. Bir nöron, nöreksin eksprese eden non-nöronal hücre ile temas ettiğinde postsinaptik belirteçlerin membrana yönlenmesine neden olmaktadır.

Nöroligin-1 delesyonu: Sinaps yoğunluğunda değişiklik yok Nöroligin’in aşırı ekspresyonu (overexpression): Nöronal sinaps yoğunluğunda dramatik bir artış Nöroligin-1: eksitatör Nöroligin-2: inhibitör Transgenik farelerde nöroligin-1 aşırı ekspresyonu: Sinaps yoğunluğunda artış. Nöroligin-1 delesyonu: Sinaps yoğunluğunda değişiklik yok

α-Nöreksinler ve Nöroliginlerin yaşamsal işlevleri

Nöreksin KO fare çalışmaları Her 3 α -nöreksin için kombine KO: Letal NT salınmasında şiddetli bozulma Beyin kökü kesitlerinde ve kültüre edilen kortikal hücrelerde glutamaterjik sinaptik iletim tamamen ortadan kalkıyor Sinaps yoğunluğunda anlamlı bir azalma yok Postsinaptik NMDA reseptör işlevinde değişiklikler İkili α-nöreksin KO: Hayvanlar erişkin döneme ulaşıyor ancak inhibitör sinaps yoğunluğunda azalma var Eksitatör sinaps yoğunluğunda değişme yok Tek alfa-nöreksin KO: Yaşayabiliyor Nöreksin-1α KO fareler: Hipokampüste azalmış eksitatör iletim ve davranış bozukluğu

Tüm bu bilgi verici çalışmalara rağmen nöreksinlerin kesin fonksiyonları tam olarak anlaşılabilmiş değil Ca2+ kanalları ve NT salımından sorumlu diğer bileşenlerin presinaptik uca yönlendirilmesi Postsinaptik yapıların kurulumu Moleküler mekanizma ???

Nöroligin KO fare çalışmaları Üçlü NL-1, NL-2 ve NL-3 KO FARELER : Perinatal letalite Sinaptik iletim yok Nöreksinlere benzer biçimde sinaps yoğunluğunda belirgin bir değişiklik yok Sinaps yapısının organize edilmesi NL-1 KO fareler Eksitatör sinapsaların kuvveti azalıyor NMDA- / AMPA-reseptör aracılı yanıt oranında azalma NL-2 KO fareler: İnhibitör sinaptik iletim azalıyor

Özet Nrxn ve Nlgn KO farelerde sinaps sayısında artma ya da azalma yok Sinaps fonksiyonu etkileniyor Sinapsın oluşmasında değil kurulum ve fonksiyonda önemli

N-Kaderin Sinaptik aktivite N-kaderinin dendritik dikenlere yönelmesine Postsinaptik yapıların lokalizasyonuna Gelişen ve olgun sinapslarda LTP sırasında meydana gelen yapısal değişimlerin stabilizasyonuna neden olur. Sinaptik yarık boyunca etki göstererek presinaptik plastisiteyi de düzenler. Presinaptik N-kaderin adezyonunun azalması vezikül geri dönüşümünü etkiler

III. KADERİNLER Klasik kaderin molekülleri, yapısı en iyi bilinen hücre adezyon molekülleridir 5 adet ekstraselüler kaderin tekrar domaini içeririer Amino terminal EC1 domaini trans olarak adezyona aracılık eder.

N-Kaderin Beyinde bulunan klasik kaderin Homofilik etkileşim Sinapsların çevresinde lokalize Sinaps sayısını kontrol etmez ve sinaps oluşumunda rol oynamaz Sinaps gelişiminde düzenleyici bir rolü olduğu düşünülmekte

Sinapslarda diğer kaderin-ilişkili proteinler Drosophila: Flamingo (omurgalı homoloğu CELSR) Çok sayıda kaderin tekrarı içerir Hücre polaritesi ve sinaps spesifitesinde rol oynar Protokaderinler: Ɣ-protokaderinler Kısmen de olsa sinaptik Spinal kordaki internöronların postnatal canlılığı için gerekli Kalsinteninler: Fonksiyon?

IV. SynCAM proteinleri (Cadm / Nektin-benzeri moleküller) Sinaptik CAM Eksitatör sinaps sayısında artışı destekler 3 adet ekstraselüler Ig- domain, 1 adet transmemran domain ve intraselüler FERM- ve PDZ-bağlanma motifleri Beyinde yüksek oranda eksprese olurlar Pre- ve postsinaptik bölgelerde lokalizedirler

SynCAM 1 Gelişen nöronlarda, aksonal büyüme konilerinin yüzeyinde lokalizedir Büyüme konilerindeki «temas algılayıcısı (contact sensor)» na benzer biçimde akso-dendritik temas bölgelerinde hızlıca kararlı adezyon kompleksleri şeklinde yapılanır Bu bölgede sinaptik belirteçlerin toplanmasına neden olur Homo- ve heterofilik etkileşim gösterir

SynCAM1 Transgenik fare modelleri Artmış SynCAM1 ekspresyonu: Fonksiyonel eksitatör sinaps sayısında artış Sinaptik yapının sürdürülmesi SynCAM1 kaybı Eksitatör sinaps sayısında azalma İletimde azalma Sinaptik membran yapılarının kısa süreli varlığı

SynCAM1 Olgun sinapslarda LTD’nin negatif düzenleyicisi Uzaysal öğrenmede etkili Nöronal ağların kurulması ve plastisitesinde önemli Göz-spesifik yanıtların adaptif değişiklikleri sırasında, görme korteksinde alışılmadık ekspresyon değişikliklerinin gözlenmesi Yaralanmayı takiben spinal kord motor nöronlarında restrasyon sırasında yüksek oranda ekspresyon değişikliğinin gözlenmesi SynCAM 2 ve SynCAM 3 Benzer işlevler

V. LAR ailesinin Reseptör Fosfo-Tirozin Fosfatazları (RPTP) LAR (Leukocyte-associated receptor), RPTP-σ ve RPTP-δ Ekstraselüler domainleri 3 adet Ig-domain, 8 adet fibronektin tip III tekrarı içerir LAR-tip RPTPler hücre içi bağlanma partnerleri alfa liprin’e bağlanarak sinaps oluşumunda rol oynarlar Ekstraselüler olarak iki ligandı tanımlanmıştır Netrin-G ligandı Nörotrofin reseptörü TrkC

VI. Diğer Ig-domain proteinleri Contactin’ler NCAM/L1 ailesi

VII. LRR Proteinleri LRRTMler Netrin-G ligandları (NGLler) Sinaptik adezyon benzeri moleküller (SALMler a.k.a. Lrfn)

Netrin-G1 ve Netrin-G2 Ligandları Netrin G1 ve G2, Netrin izoformalarıdır Omurgalılara özgüdür Aksonal membrana GPI-çapası ile tutunurlar. NGL’ler netrin-G1’e bağlanabilmeleri nedeni ile tanımlanmış ve isimlendirilmişlerdir. LRRC4 olarak da bilinirler

Omurgalılarda NGL1-3 Tip I membran proteinleridirler Ekstraselüler LRR dizisi, 1 adet Ig-domain, transmembran bölge ve PSD-95’e bağlanabilen kısa bir sitoplazmik kuyruk bölgesi içerirler Postsinaptik membranlara lokalizedir. NGL1 ve NGL2’nin presinaptik netrin-G1 ve netrin-G2’ye; NGL3’ün de LAR-tip RPTPlara bağlandığı düşünülmektedir.

Netrin-G2 veya NGL2 KO fareler: Hayatta kalabiliyor, fertil ve hafif davranış değişikliği gösteriyor Fonksiyon: Düzenleyici sinyalizasyon sistemi olarak işlev gördükleri düşünülüyor.

SALMler Omurgalılarda 5 adet SALM geni Tip I membran proteinleri Amino terminalinde LRR domaini, tek Ig-domain ve fibronektin III domain, transmembran bölge ve sitoplazmik kuyruk bölgesi SALM-1 ve SALM-3: PSD95

SALMler Ekstraselüler bölgede SALM-4 ve -5 homofilik kompleksler oluştururlar SALM’lerin bir kısmı AMPA- ve/veya NMDA-tip glutamat reseptörleri ile etkileşime girebilir Nöronal gelişim ve nörit filizlenmesinde rol oynayabilecekleri düşünülmekte. Sinapslardaki kesin rolleri ?

Eksitaör Sinaps Gelişiminde Tirozin Kinaz Reseptör Sinyalizasyonu Klasik CAM’lerine ilave olarak transmembran reseptör tirozin kinazlarıjnda sinaps gelişiminde rol oynadığı bilinmektedir.

Eph/Eph reseptörleri EphB reseptör tirozin kinazlar Ephrin ligandlarının bağlanması ile postsinaptik sinyal oluştururlar

EphB1 ve B3 ikili delesyonu sinaps yoğunluğunda belirgin azalma ve dendritik dikenlerde morfolojik değişiklikler Hücre iskeletinin yeniden şekillendirilmesi üzerinden sinaptik fonksiyonu düzenlerler RhoA ve Rac gibi Rho ailesi GTPaz’lar üzerinden postsinaptik dendritik dikenlerde aktin hücre iskeletinde şekil değişikliğine neden olurlar

Trk Reseptörleri Nörotrofin sinyalizasyonuna aracılık ederler Uygun sinaps sayısı ve ince yapılanması için gereklidirler Aktivite-bağımlı olarak sinapslarda yapısal ve işlevsel değişiklikleri düzenlerler İnsülin reseptörü ErbB reseptörleri

İlave Yüzey Etkileşimleri İntegrinler: Sinaps matürasyonu Sinaps fizyolojisi Trans-sinaptik etkileşimler klasik CAM’lerine sınırlı değildir. Pentraksinler Ekstraselüler olarak AMPA reseptörlerine bağlanarak eksitatör sinaps gelişimini düzenlerler.

ÖZET Sinaps oluşumu: Sinapsların sınırlarını belirleyen ve sinaptik bileşenlerin karşılıklı gelmesini, Oluşmuş sinapsların olgunlaşmasını sağlayacak mekanizmaların varlığını gerektirir. Hücre adezyon molekülleri, sinyal iletim proteinleri

Cevaplanmayı bekleyen sorular: Bu proteinler gerçekten in vivo ortamda da sinaps oluşumu için gerekli yönergeyi oluşturuyor mu? Bu trans-sinaptik etkileşimler aslında farklı moleküler etkileşimlerin kooperatif bir etkisi midir? Bu etkileşimler olgun bir sinapsta plastisiteyi ve sürdürülebilirliği nasıl etkiliyor? Bu moleküllerin işlevleri kesin olarak belirli midir? Yoksa bir sinapsın ömrü boyunca değişiyor olabilir mi? Bu proteinler hangi hücre içi sinyal iletim yollarını kullanmaktadır?

SİNAPTİK HÜCRE ADEZYONU VE BEYİN HASTALIKLARI Nörolojik Nörogelişimsel