Gelişmiş
bir sinir sisteminin tüm aktivitesi (duysal/motor/bilişsel) ancak milyonlarca
nöron arasındaki iletişimin doğru kurulması sayesinde gerçekleşebilir.
Sinir
sisteminin yapısı üzerine çalışmalar:
·
Yüz yıl önce Ramon y Cajal
·
Modern çalışmalar: Ramon y Cajal’ın tanımladığı yapıların hücresel ve moleküler
tanımlanması
·
Son on yıl: Nöral gelişimin moleküler boyutu ile ilgili
ilerlemeler. Nöronların farklılaşması, aksonlarını hedefe ulaştırması ve
sinaptik bağlantılar oluşturması ile ilgili protein yapıların gösterilmesi.
o Drosophila
o Caenhorabitis elegans
Gelişim:
·
Bu süreç esnasında özel alanlarda özel genlerin ekspresyonu.
·
Gen ekspresyonu: “hard-wired "
moleküler programlar ve genetik etki.
Gelişim
süreci:
·
Hücresel kaynaklar (hücre organelleri, sekrete edilen moleküller
vs.)
·
Dış uyaranlar (besin türleri, duysal uyaranların çeşitliliği vs.)
Önceki
iki bölüm: Uygun sayıda nöronun doğru zaman ve yerde istenilen özellikte farklılaşması
Soru: Örneğin bir zürafada bir nöronun aksonu metreler
boyunca uzun mesafelere ulaşabilir ve yol boyunca sinaps yapabileceği
milyarlarca potansiyel sinaptik hedeften geçer. Neden/nasıl onlarla değil,
hedeflediği nöron ile sinaps yapıncaya kadar büyümeye devam eder??
Cevap: Büyümekte olan akson, üzerindeki reseptörleri ile,
çevrede yer alan "moleküler" ipuçlarını değerlendirir.
Bu
bölümde:
-
"Pathway "ler boyunca bulunan ipuçları
-
Aksonların ipuçlarına yanıtı
-
Büyümekte olan akson ile çevresi arasındaki iletişimi sağlayan
moleküller
-
Akson yönlendirici molekül ailelerinin birbirleri ile ilişkisi
·
Yirminci yüzyılın büyük çoğunluğu: Akson yönlendirilmesinin nasıl
oluştuğuna dair tartışma.
o
Fizyolog Langley (aynı zamanda otonom
sinir sisteminin topografisini gösteren kişi): Bazı
moleküller aksonların yönlendirilmesinde rol oynamakta
o
Biyolog Paul Weiss: Aksonlar sadece genel
(özgül olmayan) bilgi alır, böylece aksonal büyüme tesadüfi olarak meydana
gelir. Ancak, uygun olmayan sinaptik bağlantılar ortadan kaybolurken, sinapsın
elektriksel aktivite modeline uygun olanlar yaşamını devam ettirir.
o
Weiss'in iddialarının dayanakları:
§
Aksonlar kültürlerde mekanik etkilere uyarlar, örneğin lam üzerinde
çatlak varsa onun boyunca büyümeye devam eder (Mekanik yönlendirme = Stereotropism
).
§
Bir sinapsın kendine özgü elektriksel aktivitesi vardır ve bundan
farklı bir elektriksel modelde varlığını sürdürmesi olanaklı değildir (resonance )
o
1940'larda Weiss'in görüşlerini çürüterek
moleküler kanıtları gösteren kişi: Roger Sperry (Weiss'in öğrencisi!!!)
o
Halen stereotaksi ve rezonansın gelişimdeki önemini dışlamayan
bilim insanları var.
Sperry'nin deneyi
·
Görsel bilgiler retinadaki gangliyon hücrelerinden sinir sistemine
ulaştırılır.
·
Alt sınıf vertebralılarda görüntü talamus
yolu ile superior kollikulus'a (optik tektum) ulaşır ve görme merkezi burasıdır.
·
Retinanın nasal tarafından gelen
aksonların çoğu tektumun temporaline,
temporal tarafından gelenlerin çoğu ise tektumun nasaline yansıyarak, görüntünün ters bir haritasını
oluşturur.
·
Kurbağada optik sinir kesildiği takdirde hayvan görme yeteneğini
kaybeder ancak, -memelilerdekinin aksine- bir süre sonra kesilmiş optik
aksonlar tektuma rejenere
olabilir.
Fig 54-1 A
·
Sperry: Optik siniri hasarladıktan sonra rejenere olmadan önce göz küresini 180° döndürerek yerleştirdi.
·
Bağlantılar yeni duruma göre değil, orijinal konuma göre (nazalden temporale, temporalden nazale) gelişti ve
kurbağa oryantasyon açısından ters hareket etmeye
başladı. Ayrıca kurbağa bu kusuru düzeltmeyi hiç bir zaman öğrenemedi.
Fig 54-1 B
·
Sonuç: Aksonlar, rastgele oluşmuş bağlantıların
fonksiyonel geçerliliklerine göre değil, bazı kimyasal ipuçları ile
yönlendirilir (Chemospecificity theory ).
·
Modern görüş: Embriyonik dönemde aksonların
yönlendirilmesi özgül kimyasal ipuçları ile yapılır ancak, uygun bir sinaptik
bağlantının oluşması için elektriksel model olarak da uygunluk sağlanmalıdır.
Bir Retinal Gangliyon Hücresinin Hedefe Doğru 'Adım Adım'
İlerlemesi
·
Aksonun retinayı terk etmesi; akson optik sinir
tabakasına girer ve retinal bazal lamina boyunca büyümeye devam eder, daha
sonra optik sinir sapına girerek beyne kadar ulaşır.
·
Bu yolu kat eden ilk aksonların 'öncü' aksonlar
olduğu, diğer aksonların bu öncüleri izlediği gösterilmiştir.
·
Optik kiazmaya kadar aynı yolu izleyen aksonlar
burada bir 'seçim' yapar: Retinanın temporalinden gelenler aynı tarafta yolu
izlemeye devam ederken, nazalden gelenler karşı tarafa geçerek ilerler.
·
Optik kiazmadan sonra tüm aksonlar optik traktusa
katılarak diensefalonun ventral yüzeyi boyunca ilerlerken belirli akson
grupları değişik yerlerde traktusu terk eder.
o
Çoğu vertebralıda aksonların çoğunluğu tektumda (superior kollikulus)
sonlanırken küçük bir kısmı LGN'a (talamusun lateral genikulat nukleusu) uzanır.
o
İnsanlarda ise, tersine, aksonların büyük kısmı LGN'a,
az bir kısmı superior kollikulusa uzanırken küçük bir
kısmı da pulvinar ve pretektal
nukleuslarda sonlanır.
·
Tektuma ulaşan ve burada dış dünyanın topografik
yansımasını oluşturan aksonlar bundan sonra tektal nöropil içine girer ve uygun
tabakalarda sonlanır.
Fig 54-2
·
Aksonların doğru yönlenmesine yönelik bir çok
araştırmadan biri; Godemont ve ark. (1994). Retinal boya ile işaretlenmiş
aksonların video kaydı ile izlenmesi.
Fig 54-3
·
Sonuç: Optik kiazmanın orta hattında yer
alan hücreler kontrlateral veya ipsilateral
aksonlar için ara bir hedef niteliği taşır. Salgıladıkları moleküller ile
aksonları kendine doğru çeker ya da uzaklaştırır.
-------------
·
Aksonların belli bir hedef tarafından "attrakte"
edilemesinin bir başka kanıtı; Nakamura
ve O'Leary (1989). Retinanın belli bir bölgesinden
gelen aksonlar tektumda belli bir hedefte
toplanırlar. Hedefi geçmiş olanlar bile geri dönerek uygun yerde sonlanır!
Fig 54-4
·
Embriyonik doku nakli ile yapılan hedef çalışması; Harris (1989). Greftler farklı
pozisyonlarda implante edilmesine rağmen, kendi
orijinal yönlerinde hareket eder.
Fig 54-5
Motor Nöronların Periferik Sinirler Boyunca Büyümesi
·
Bir kasa giden motor nöronlar medulla spinaliste bir "motor
havuz" içinde bulunur. Buradan çıkan aksonlar, uzun mesafeler kat
etmelerine rağmen doğru yönlendirme sayesinde hedeflerine ulaşırlar.
·
Bu yönlendirme de retinal aksonlara
benzer şekilde adımlar şeklinde oluşur.
o
Tüm medulla spinalis boyunca buradan ayrılan aksonlar kendi
türünden olanlar ile bir araya gelir.
o
Dorsal ve ventral kaslara gidecek aksonlar kendi içerinde bir
pleksus oluşturur.
o
Aksonlar kıkırdak ve deri yapılarından uzak kalarak periferik sinir
içinde yol almaya devam eder.
Fig 54-6
o
Bir kas grubuna giden motor aksonlar uygun yerde periferik siniri
terk eder.
o
Aksonlar kas içinde yol alırken uygun yerde liften ayrılarak
gerekli sinaptik bağlantıları oluşturur.
Çevredeki Hücresel Yapıların Büyümekte Olan Aksona
Rehberliği
·
Ekstrasellüler matriks adhezyon
kuvvetleri.
·
Öncü aksonlar. Embriyonik dönemin ilk aşamalarında (uzaklıklar
göreceli olarak az iken) bir öncü akson ipuçlarından yararlanarak hedefine ulaşır.
Daha sonra büyüme ile uzaklıklar da artar ancak, diğer aksonlar öncü akson
sayesinde hedefe ulaşır.
·
Hücre yüzey molekülleri. Kemotaksis
benzeri etki gösterirler.
·
Diğer kimyasal çekiciler (attractors
)
·
Negatif (inhibitör) etkiler.
Fig 54-7
AKSONUN YÖNLENDİRİCİ İPUÇLARINA CEVAP VEREN BİRİMİ:
BÜYÜME KONİSİ (GROWTH CONE )
·
İlk kez 1890'larda Ramon y Cajal tarafından öne sürüldü! Çok sonraları araştırmalar
ile kanıtlandı.
o
"bu işlemleri oluşturan mucizevi güçler... büyüme ve
dallanmayı sağlarken... protoplazmik öpüşmelerle...
epik bir aşk hikayesinin son kendinden geçiren coşkusunu (ecstasy)
oluşturur"
o
Daha modern ve sıradan sözcüklerle; büyüme konisi, pozitif ve
negatif ipuçlarını sinyallere dönüştürerek sitoskeletonu
düzenler ve aksonun büyümesini yönlendirir.
·
Büyüme konisinin üç bölgesi:
o
Mikrotübül, mitokondri ve diğer organellerden zengin merkezi
kısım
o
Gövdeden çıkan ince uzantılar: filopodia
o
Filpodia arasında yer alan, kırışık görüntülü ve hareketli
kısım: lamellipodia
Fig 54-8
·
Büyüme konisinin ipuçlarına duyarlı kısmı filopodia üzerindeki aktinden zengin bölgesidir. Bu bölge üzerinde kimyasallara
duyarlı çok miktarda reseptör bulunur.
·
Çıkıntılı durumdaki filopodia, etrafı "araştırı",
sinyalleri alarak büyüme konisine iletir ve aksonun ilerlemesi, gerilemesi ya
da dönmesi için gerekli uyarıların oluşmasını sağlar.
·
Akson hareketi, aktin, miyozin ve daha başka membran elemanları
tarafından sağlanır.
·
Adheziv bir maddeye temas eden filopodia, membran veziküllerinin füzyonu
ile ilerler, daha sonra aktin polimerizasyonu ile hareket ilerler.
Fig 54-9
Sitoskeletonun İlerleyici Hareketinde İkinci
Haberciler
·
Filopodia üzerindeki reseptörler genellikle ikinci haberci
sistemleri ile bağlantılıdır.
·
İkinci habercilerin en önemlilerinden biri: Ca2+ ;
büyüme konisinin aktivasyonu için bölgedeki Ca2+ konsantrasyonu
önemli.
AKSONLARI YÖNLENDİREN İPUÇLARI (İŞARETLERİN)
SINIFLANDIRILMASI
·
Uyarıcılar / inhibe ediciler
·
Hücre yüzeyinde yer alanlar / ekstrasellüler matrikste yer alanlar
·
Membrana bağlı olanlar / çözünmüş durumda bulunanlar
·
......
İntegrin - Laminin
İlişkisi
·
Çoğu periferik sinir aksonu bağ dokusu veya bazal lamina boyunca
ilerler.
o
Önceleri bunun bir kanal yapısı veya sert yüzey nedeniyle
gerçekleştiği düşünülmekteydi.
o
Sonraki çalışmalar bunun bilinçli bir tercih olduğunu gösterdi:
Aksonlar ortamda daha destekleyici sert bir yüzey olsa bile ilerlemek için adheziv (yapışkan) yüzeyleri tercih eder.
Fig 54-10A
o
Bazal laminanın tercih edilmesinin nedeni
ise burada bulunan ve şimdiye kadar 14 trimeri
gösterilmiş olan laminin grubu proteinler,
o
Büyüme konisindeki bir çok "matrix-binding " proteinden biri olan integrin
grubu ise hem kollajene, hem de lamininlere
bağlanabilme yeteneğinde.
Fig 54-10B
Hücre-Hücre Adhezyonuna
Neden Olabilen Moleküller, Akson Büyümesini de Hızlandırır
·
Hücrelerin gruplar oluştururken seçici davranmasının, eski
bilgilere göre, sadece karşı karşıya gelen membranlar arasındaki benzer adheziv ilişkilerden kaynaklandığı düşünülürdü.
Fig 54-11A
·
Daha sonraki bilgiler iki ana bağlayıcı eleman grubunun varlığını
ortaya çıkardı:
o
Kalsiyuma bağımlı bağlayıcı gruplar: Cadherin
grubu
§
Bilinen en önemli üyesi: N-cadherin
o
Kalsiyumdan bağımsız bağlayıcı gruplar: Ig-benzeri
adhezyon molekülleri.
§
Bilinen en önemli üyesi: (neural
cell adhesion molecule ) NCAM
o
Her bir grupta şimdiye kadar gösterilmiş 100 kadar protein
bulunmaktadır.
Fig 54-11B
·
Cadherin grubu ve Ig-benzeri adhezyon molekülleri hücreleri sıkıca
"yapıştırarak" bir arada tutmaz; zayıf bir bağlanmadan sonra ortaya
çıkan sitoplazmik reaksiyonlar bu bağlanmayı güçlendirir.
·
Cadherinlerin sitoplazmik kısmı catenin
adı verilen bir protein grubu ile bağlantılıdır, ilk adhezyon
gerçekleştikten sonra catenin grubu aktive olarak sitoskeleton organizasyonunu değiştirebilir.
·
Benzer şekilde Ig-benzeri adhezyon molekülleri de, protein tirozin fosfataz veya
protein tirozin kinaz gibi katalitik aktivitesi olan enzimlerle bağlantılıdır.
·
Bağlayıcı moleküllerin bu şekilde hücre içindeki moleküller ile
bağlantılı olması "outside-in signalling " olarak adlandırılır.
Netrin Grubu: Kimyasal Çekiciliği Olan
Faktörler
·
Çözünebilir büyüme faktörleri en az iki farklı yolla etki gösterir:
o
Nöronun canlı kalmasını ve diğer faktörlerle yönlendirilen
büyümesini sağlar. Trofik faktörlerden en iyi tanınan: Nörotrofinler
o
Kemotaksis oluşturan kimyasal faktörler, nöronu yönlendirir: Tropism.
o
Bazı faktörler hem trofik, hem de tropik olabilir.
§
Genellikle, Trofik faktörler aynı zamanda tropik etki de
gösterebilirken, tropik faktörler sadece tek yönlü etki gösterir.
·
Netrinler: Glikoprotein yapısındaki tropik faktörler.
Fig 54-12
·
Netrinler, etkilerini netrin
reseptörleri aracılığıyla gösterir.
o
Kurtçuk, sinek ve omurgalılarda bir bölgenin orta hattındaki
hücrelerden salgılanan özgül maddeler netrin
reseptörleri üzerinde benzer etiler oluşturarak ventral ya da dorsal yönde
büyümeye neden olur: (evolutionary conservation ).
o
Protein kinaz A aktivitesi, netrin
yanıtını değiştirici etkiye sahiptir.
Fig 54-13
Ephrin ve Semaphorin Grubu Proteinler: Büyüme Konisi
Üzerinde İnhibitör (Uzaklaştırıcı) Etki
·
Walter et al. (Bonhoeffer 1987), retinanın
anterior ve posterior kısımlarından kaynaklanan akson membranlarını optik tektumda şeritler halinde implante
ettiler.
·
Posteriordan gelen membranlar sadece anterior şeritler yönünde
ilerleyebilirken, anteriordan gelenler her iki şerit
boyunca ilerleyebildi; Posterior membranlar üzerinde ephrinin
uzaklaştırıcı etkisi.
Fig 54-14
·
Bu uzaklaştırıcı etki önce (repulsive axon guidance signal
) RAGS olarak adlandırıldı. Daha sonra membran bağlantılı ephrin
molekülleri ve eph kinazlar olarak adlandırılan reseptörleri tanımlandı.
·
Memelide izole edilen ilk inhibitör molekül: Collapsin-1 , daha sonra semaphorin grubu olarak adlandırılmıştır.
o
En az 15 semaphorin tipi izole
edilmiştir.
o
Semaphorinin ortamda bulunması büyüme konisinin 10 dakika
içinde kollabe olmasına neden olabilir.
o
Büyüme konisi üzerinde semaphorinlere
duyarlı iki reseptör grubu gösterilmiştir: Neuropilin ve plexin reseptörleri.
Fig 54-15
Çözünebilir (Soluble) Faktörler: Çekici veya Uzaklaştırıcı Etkiler
·
Daha önce söz edilen semaphorinler;
membrana bağlı inhibitör moleküller.
o
Bazı semaphorinler çözünebilir formda da
bulunabilir.
·
Daha önce söz edilen netrinler:
Çözünebilir çekici moleküller.
o
Bazı netrinler ise bazı nöronlar üzerinde
inhibitör etki yapabilir.
o
Örneğin, medulla spinalisin komissural
aksonları üzerinde atraktif etki yapan netrinler, troklear motor
aksonlar üzerinde itici/uzaklaştırıcı etki yapabilir.
Fig 54-16
DEĞİŞİK GRUPLARDAN FARKLI TÜRLERDE MOLEKÜLLER
AKSONLARA YOL BOYUNCA REHBERLİK EDEBİLİR
·
Şimdiye kadar tartışıldığı gibi, aksonun büyümesi sırasında bir çok
farklı tipte çekici veya itici ya da inhibitör molekül akson için ipuçları
oluşturabilir.
·
Daha önce Sperry tarafından göz küresinin
değişik açıda yerleştirilmesi ile elde edilen ilk bulgularda daha sonra integrin ve cadherinlerin olaya
etki ettiği gösterilmiştir.
·
Bonhoeffer tarafından kullanılan farklı kökenden gelen implantların şeritler halinde yerleştirilmesi (Fig 54-14) deneyi daha sonra özgül attraktor
ya da inhibitörlerin gösterilmesi için çok önemli bir araç haline gelmiştir.
·
Sperry ve Bonhoeffer tarafından kullanılan
tekniklerin birleştirilmesi iki önemli ligand (ephrin
A2 ve ephrin A5) varlığını ortaya çıkarmıştır.
o
Eph A3 (ephrin kinaz); retinada temporal
yönde düşükten yükseğe doğru bir konsantrasyon gradyanında
bulunan ve her ikisini ephrin ligandını da
bağlayabilen reseptör türü.
o
Ephrin A2 ve A5 de optik tektumda benzeri bir
temporal topografi gösterir.
o
Eph A3 fakir bölgeden kaynaklanan aksonlar Ephrin
A2 ve A5 zengin bölgeye ulaşırken, Eph A3 zengin
bölgeden kaynaklanan aksonlar Ephrin A2 ve A5 fakir
bölgeye ulaşır.
o
Ephrin A2 aşırı ekspresyonunda akson dağılımında anormallik ortaya
çıkabilir.
o
Ephrin A5 mutant farede ise aksonlar normal
olmayan mesafelere ulaşabilir.
Fig 54-17
·
Sonuç:
o
Optik tektumda integrin,
cadherin ve ephrinlerin topografiyi nasıl etkilediği gösterilmişse de, olasılıkla
daha bir çok molekül işleve uygun yapının oluşabilmesi için eşzamanlı olarak
işe karışmaktadır.
o
Nöronların kusursuz işlev görebilmesi için doğru yerde doğru
bağlantılar yapması çok önemli; bunun gerçekleşmesi için akson yönlendirmesi
çok titizlikle düzenlenmekte
o
Bu düzenleme rastgele değil, moleküler
ipuçlarından yararlanarak yapılmakta
o
Aksonun büyüme konisi bu ipuçlarını değerlendiren en önemli bölge.
o
Moleküler biyolojik gelişmelerdeki hızlanma ile moleküler ipuçları
hızla anlaşılmaya başlandı. Bu durum yakın gelecekte bir çok nörolojik
hastalığın çözümüne ışık tutabilir.