Η μοριακή και κυτταρική βιολογία ιονικών διαύλων

Απο το γονίδιο στη φυσιολογία

Γονίδια υπομονάδων ιονικών διαύλων Τα γονίδια για την υπομονάδα α του διαύλου GABAA GABRA1 GABRA2 GABRA5 GABRA3 GABRA4 GABRA6

Γονίδια υπομονάδων ιονικών διαύλων Η θέσεις των γονιδίων ισομορφών της υπομονάδας α στα χρωμοσώματα Υπομονάδα χρωμόσωμα άνθρωπος ποντίκι GABRA1 5 11 GABRA2 4 5 GABRA3 X X GABRA4 4 5 GABRA5 15 7 GABRA6 5 11 α1

Γονίδια υπομονάδων ιονικών διαύλων Συστάδες γονιδίων διαφορετικών υπομονάδων του GABAA υποδοχέα β2 α6 α1 γ2 Ο πολυπληθέστερος συνδυασμός GABAA υπομονάδων στον εγκέφαλο είναι, α1β2γ2: β1 α4 α2 γ1

Η γονιδιακή έκφραση των ιονικών διαύλων ρυθμίζεται Αναπτυξιακά: Αναπτυξιακό στάδιο Κυτταρικός τύπος Πλαστικότητα (δυναμική ρύθμηση της έκφρασης) Ηλεκτρική δραστηριότητα Τροφικοί παράγοντες Ορμονικοί παράγοντες Διαταραχές κυτταρικό τραύμα

Restrictive Silencer Factor Μεταγραφικοί παράγοντες ρυθμίζουν τη γονιδιακή έκφραση των ιονικών διαύλων Specificity Protein 1 Restrictive Silencer Factor αρνητικός ρυθμιστής δεν έχουν βρεθεί ακόμη μεταγραφικοί παράγοντες που δρουν αποκλειστικά σε γονίδια διαύλων

Επιγενετική ρύθμιση έκφρασης των ίονικών διαύλων μεθυλίωση DNA αναδιαμόρφωση χρωματίνης / ιστονών

Ιονικοί δίαυλοι ως ρυθμιστές επιγενετικών αλλαγών ηλεκτρική δραστηριότητα - υποδοχείς NMDA -δίαυλοι Ca2+ φωσφορυλίωση της ιστόνης H3  άνοιγμα της χρωματίνης για μεταγραφή

Ιονικοί δίαυλοι ως ρυθμιστές γονιδιακής έκφρασης ηλεκτρική δραστηριότητα υποδοχείς NMDA - δίαυλοι Ca2+ κυτταροπλασματικό Ca2+ CaRF / CREB / NFAT /MEF2 σύνδεση στις ρυθμιστικές περιοχές γονιδίου γονιδιακή έκφραση CaRF: Calcium response factor CREB: cAMP response element binding protein

Επεξεργασία του RNA και εναλλακτικό μάτισμα στους ιονικούς διαύλους Παράδειγμα οι δίαυλοι AMPA flip/flop Q/R

Επεξεργασία του RNA και εναλλακτικό μάτισμα στους ιονικούς διαύλους Exon 37a

Η σύνθεση των υπομονάδων των διαύλων απο το mRNA γίνεται στο αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο

Οι δίαυλοι μεταφέρονται μέσω του συστήματος ενδοκυτταρικών μεμβρανών στην κυτταρική μεμβράνη Ενδοπλασματικό δίκτυο – συσκευή Golgi – σύστημα ενδοσωμάτων

Οι δίαυλοι μεταφέρονται μέσω του συστήματος ενδοκυτταρικών μεμβρανών στην κυτταρική μεμβράνη μεταφορά σε κυστίδια με τη βοήθεια των μικροσωληνίσκων και ειδικών μορίων κινεσίνης. Εισαγωγή στη κυτταρικήμεμβράνη.

Η πλευρά της διαμεμβρανικής πρωτεϊνης που ήταν κυτταροπλασματική κατά τη σύνθεση στο ΑΕΔ παραμένει κυτταροπλασματική και στη κυτταρική μεμβράνη

Οι ιονικοί δίαυλοι εντοπίζονται σε εξειδικευμένες περιοχές της κυτταρικής μεμβράνης Μερικοι δίαυλοι μπορεί να εντοπίζονται διάχυτοι σε όλη τη μεμβράνη Οι περισσότεροι δίαυλοι εντοπίζονται σε συγκεκριμένη περιοχή ανάλογα με τη λειτουργία τους

Οι ιονικοί δίαυλοι στο αρχικό τμήμα του άξονα Axon Initial Segment (AIS) τομή ιπποκάμπου κυτταροκαλλίεργεια Πολικότητα στον εντοπισμό δύο ισομορφών των διαύλων νατρίου κατα μήκος του AIS

Ειδική αλληλουχία στην ενδοπλασματική περίοχη μεταξύ των δομών II και III της α υπομονάδας των διαύλων Na+ συμβάλει στον εντοπισμό τους στο AIS εντοπισμος απομονωμένης ΕΠΔ ΙΙ-ΙΙΙ στο AIS αφαίρεση της αλληλουχίας “AIS” της ΕΠΔ II-III προκαλεί αποδιοργάνωση εντοπισμού διαυλων Na+ στο AIS Η αλληλουχία ”AIS” συνδέεται με την ανγκυρίνη-3 (ANK3). Η ANK3 είναι πρωτεΐνη που συμμετέχει στη σύνδεση άλλων πρωτεϊνών με τον κυτταροσκελετό, εντοπίζεται στο AIS και τους κόμβους του Ranvier

Εντοπισμός τασεοευαίσθητων διαύλων στους κόμβους του Ranvier K+ Na+

Δίαυλοι νατρίου εντοπίζονται και στους δενδρίτες λειτουργία: συμμετέχουν στην ενίσχυση του συναπτικού σήματος, στη δημιουργία δενδριτικών δυναμικών ενέργειας σε κάποια κύτταρα τα οποία παίζουν ρόλο στη νευρική πλαστικότητα.

Εντοπισμός διαύλων στις συνάψεις μετασυναπτικά μετασυναπτική πλευρά της σύναψης: συσσώρευση διαύλων- υποδοχέων νευροδιαβιβαστή Οι συνάψεις στο μετασυναπτικό κύτταρο γίνονται στο σώμα και τους δενδρίτες

Εντοπισμός διαύλων στις συνάψεις - μετασυναπτικά εντοπισμός στον κορμό του δενδρίτη ή στις άκανθες Για τους νευρώνες που έχουν άκανθες, ο εντοπισμός των διαύλων του γλουταμινικού γίνεται στις άκανθες ενώ αυτών των διαύλων GABAA στον κύριο κορμό

Διαφοροποίηση εντοπισμού υπομονάδων των διαύλων ανάλογα με την υποπεριοχή της μεμβράνης

στα πυραμιδικά κυτταρα του φλοιού του εγκεφάλου Τα ηλεκτροφυσιολογικά χαρακτηριστικά της μεμβράνης του δενδρίτη διαφέρουν ανάλογα με την τοποθεσία μεγαλύτερο συναπιτκό ρεύμα για τις συνάψεις μακρύτερα απο το σώμα στα πυραμιδικά κυτταρα του φλοιού του εγκεφάλου

Η οργάνωση συναπτικών διαύλων με άλλες μεμβρανικές και κυτταροπλασματικές πρωτεΐνες Σύνδεση με κυτταροσκελετό Μεταξύ των πρωτεϊνών που είναι οργανωμένες στις συνάψεις, είναι πρώτεΐνες που παίζουν ρόλο σε ενδοκυττάριους σηματοδοτικούς μηχανισμούς (CAMK)

Εντοπισμός διαύλων στις συνάψεις - μετασυναπτικά Συναπτικοί και εξωσυναπτικοί υποδοχείς νευροδιαβιβαστών . α1β2γ2 συναπτικοί δίαυλοι GABAA με μικρή συγγένεια για τον νευροδιαβιβαστή. Ενεργοποιούνται απο συναπτικά απευλευθερωμένο νευροδιαβιβαστή (μεγάλη συγκέντρωση στη σύναψη) . α4β1δ εξωσυναπτικοί δίαυλοι GABAA με μεγάλη συγγένεια για τον νευροδιαβιβαστή. Ανιχνέυουν και ενεργοποιούνται απο χαμηλές συγκεντρώσεις νευροδιαβιβαστή που υπάρχουν στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό

Ανακύκλωση ιονικών διαύλων Ο αριθμός των διαύλων σε μία σύναψη δεν είναι σταθερός , είναι δυναμικός και μεταβάλλεται ανάλογα με τη λειτουργία (π.χ. πλαστικότητα) εισαγωγή διαύλων AMPA κατα το LTP Αφαίρεση διαύλων AMPA κατα το LTD

Ανακύκλωση ιονικών διαύλων Ο αριθμός των διαύλων σε μία σύναψη δεν είναι σταθερός , είναι δυναμικός και μεταβάλλεται ανάλογα με τη λειτουργία (π.χ. πλαστικότητα) εισαγωγή διαύλων AMPA κατα το LTP Αφαίρεση διαύλων AMPA κατα το LTD

Ρύθμιση αριθμού διαυλων AMPA στη σύναψη κατα το LTP και το LTD Πολλαπλά μονοπάτια συμμετέχουν στη ρύθμιση του αριθμού των διαύλων στη σύναψη. Βασικό ρόλο παίζουν σε αυτά το Ca2+ CAMKII

Ρύθμιση αριθμού διαυλων AMPA στη σύναψη κατα το LTP και το LTD Οι δίαυλοι είναι αποθηκεύμενοι σε κυστίδια κοντά στη σύναψη

Οι ιονικοί δίαυλοι μπορούν και μετακινούνται στη μεμβράνη Σταθεροποίηση διαύλων γλουταμινικού με συναπτική διαβίβαση δενδρίτης ενός νευρικού κυττάρου χρωματισμένος με χρωστική (πράσινο) ένα πεπτίδιο GluR1 υπομονάδας του υποδοχέα AMPA σεσημασμένο με φθορίζουσα χρωστική (κόκκινο) 1η φάση: πρίν τη συναπτική διαβίβαση 2η φάση: μετά τη συναπτική διαβίβαση n διέγερση συναπτικής διαβίαβασης συμμετοχή σηματοδοτικών μηχανισμών στα μετασυναπτικά σύμπλοκα πρωτεϊνών

Πως ρυθμίζεται η υποκυτταρική έκφραση των διαύλων Το παράδειγμα της νευρομυϊκής σύναψης

Πως ρυθμίζεται η υποκυτταρική έκφραση των διαύλων Το παράδειγμα της νευρομυϊκής σύναψης σήματα έκφρασης των διαύλων nACh σε συγκεκριμένο σημείο τις μυϊκής ίνας Θετικό σήμα: Αγρίνη (βρίσκεται στη μεμβράνη του κινητικού νευρώνα) Αρνητικό σήμα: Ακετυλοχολίνη

Πως ρυθμίζεται η υποκυτταρική έκφραση των διαύλων Το παράδειγμα της νευρομυϊκής σύναψης Η αγρίνη συνδέεται στον υποδοχέα της, Lrp4/Musk στη μυϊκή ίνα και ενεργοποιεί σηματοδοτικό μονοπάτι

Ομοιοστατική ρύθμιση εκφρασης διαύλων στην μεμβράνη Κύριο ρόλο παίζουν σε αυτό οι τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι ασβεστίου (VGCC) αριθμός διαυλων στη μεμβράνη βαθμός ηλεκτρικής δραστηριότητας τασεοευαίσθητοι δίαυλοι ασβεστίου κυτταροπλασματικό ασβέστιο μηχανισμοί σηματοδότησης ένζυμα - γονίδια

Το τελικό κομβίο του άξονα – προσυναπτικό άκρο Εντοπισμός διαύλων ασβεστίου N, P/Q και R στο προσυναπτικό άκρο για την απελευθέρωση νευροδιαβιβατή Αντίθετα οι δίαυλοι ασβεστίου L και T εντοπίζονται κυρίως στο σώμα και στους δενδρίτες και είναι υπεύθυνοι για την εισροή ασβεστίου σε αυτές τις περιοχές. Όμως, δίαυλοι Ν μπορούν να εντοπιστούν και σοτυς δενδρίτες.

Φωσφορυλίωση των διαύλων μεταβάλλει τη λειτουργία τους

Θέσεις φωσφορυλίωσης στον Kv2.1 δίαυλο καλίου στα αμινοξέα σερίνη και θρεονίνη ένζυμα PKA, PKC,

Η εξέλιξη των διαύλων

Ιονικά κανάλια σε προκαρυωτικούς ορανισμούς πολλες από τις οικογένειες διαύλων των ευκαρυωτικών υπάρχουν και εξελίχθηκαν σε προκαρυωτικούς

Η υπεροικογένεια των τασεοελεγχόμενων ιονικών διαύλων πρωτοεμφανίστηκε αλλά και διαφοροποιήθηκε σε προκαρυωτικά κύτταρα. οικογένειες διαύλων καλίου δίαυλοι διαπερατοί στο ασβεστίο και στο νάτρίο δίαυλοι καλίου που ενεργοποιούνται απο το γλουταμινικό οξύ Παρόλα αυτά οι δίαυλοι προκαρυωτικών διαφέρουν απο αυτούς των μεταζώων, πχ λείπουν συγκεκριμένες δομές

Καινούργοι ιοντικοί δίαυλοι εξελίχθηκαν στα ευκαρυωτικά κύτταρα Καινούργοι ιοντικοί δίαυλοι εξελίχθηκαν στα ευκαρυωτικά κύτταρα για παράδειγμα οι δίαυλοι P2X Οι ψευδοτετραμερείς δίαυλοι νατρίου και ασβεστίου πρωτοεμφανίζονται στους μύκητες (αλλα με αρκετές διαφορές με τις ζωϊκές οικογένειες NaV, CaV)

Choanoflagellatea μονοκύτταροι ευκαρυωτικόι οργανισμοί πιο κοντινοί φυλογενετικά στους ζωϊκούς οργανισμούς Οικογένεια καναλιών ομόλογη της NaV οικογένεια ομόλογη των CaV1 (L-type) Δίαυλους P2X Κατιονικούς δίαυλους ευαίσθητους στα κυκλικά νουκελοτίδια ομόλογα με τα μετάζωα

Εξελικτικό δέντρο τασεοευαίσθητων διαύλων Οι περισσότερες γνωστές σήμερα οικογένειες διαύλων εμφανίστηκαν πρώτα στα «βασικά μετάζωα»

Εξελικτικό δένδρο μεταζώων εμφάνιση/εξέλιξη του νευρικού συστήματος βασικά μετάζωα κνιδάρια, κτενοφόρα, πλακόζωα Πιθανόν η εξέλιξη πολλών ιονικών διαύλων να σχετίζεται με τις ανάγκες σηματοδότησης στο νευρικό σύστημα

Εξελικτική διαφοροποίηση ιονικών διαύλων και των ισομορφών τους με διπλασιασμό/αντιγραφή γονιδίων (gene duplication) α αy αx β αy1 αx1 γ βx αy αx γx β2 α6 α1 γ2 β1 α4 α2 γ1