Molecular sorting mechanisms ensure delivery of proteins to discrete membrane compartments
Whilst pathways by which selected membrane-associated proteins are delivered to the correct destination have been established in general terms, many intriguing questions regarding the selection process itself remain. Hoe komt het dat bepaalde membraaneiwitten in het cellichaam blijven, bijvoorbeeld glycosyltransferasen van de Golgi, terwijl andere worden verpakt voor aflevering aan het axon? Hoe bereiken sommige getransporteerde eiwitten, zoals natrium- en kaliumionkanalen, de axolemma, terwijl andere, zoals presynaptische receptoren, synaptische vesikels of afgescheiden neuropeptiden, de lengte van het axon afleggen naar het zenuwuiteinde of in de synaptische spleet terechtkomen? Tenslotte, hoe worden organellen zoals het synaptische vesikel naar axonen en presynaptische terminals geleid, maar niet naar dendritische arbors? Deze vraag wordt bijzonder dwingend voor dorsale wortel ganglion sensorische neuronen, waar de centrale tak van het enkele axon presynaptische terminals heeft, terwijl de perifere tak van datzelfde axon er geen heeft.
De antwoorden op deze vragen blijven onvolledig, maar sommige mechanismen zijn begonnen naar voren te komen. Sommige informatie is afkomstig van studies op gepolariseerde epitheelcellen, waar de identiteit van moleculaire bestemmingssignalen voor de levering van nieuw gesynthetiseerde eiwitten aan basolaterale of apicale membranen kan worden getest. Deze mechanismen zijn relevant voor het neuron, omdat virale eiwitten die normaal naar de epitheliale basolaterale membranen gaan, in neuronale dendritische compartimenten terechtkomen, terwijl eiwitten die bestemd zijn voor apicale compartimenten in het axon terecht kunnen komen. De onderliggende mechanismen blijken echter complex te zijn. Signalen kunnen “toegevoegd” worden, als post-translationele modificaties zoals glycosylering, acylering of fosforylering, of “ingebouwd” worden, in de vorm van discrete aminozuursequenties. Beide mechanismen lijken in cellen te werken. Zo leidt de toevoeging van mannose-6-fosfaat aan eiwitten deze naar lysosomen, terwijl aminozuursequenties zijn geïdentificeerd die eiwitten naar de kern of naar mitochondriën leiden. In het algemeen zullen de richtsignalen waarschijnlijk eiwitten naar specifieke organellen leiden, terwijl andere mechanismen organellen naar de juiste eindbestemmingen leiden.
Specifieke membraancomponenten moeten worden afgeleverd op de plaats waar zij worden gebruikt en mogen niet op ongeschikte plaatsen worden achtergelaten. Een synaptisch blaasje moet naar presynaptische terminals gaan omdat ze geen functie hebben in een axon of cellichaam. Het probleem wordt nog vergroot doordat veel presynaptische terminals zich niet aan het einde van een axon bevinden. Vaak komen talrijke terminals achtereenvolgens langs één axon voor, en maken en passant contact met meerdere doelen. Synaptische vesikels kunnen dus niet alleen maar naar het einde van axonale MTs bewegen en het richten van synaptische vesikels wordt een complexer probleem. Vergelijkbare complexiteiten doen zich voor met membraan-eiwitten die bestemd zijn voor het axolemma of een nodale membraan.
Een voorgesteld mechanisme voor het richten van organellen op terminals kan algemene implicaties hebben. De synapsin familie van fosfoproteïnen , die geconcentreerd is in de presynaptische terminal, kan betrokken zijn bij het richten van synaptische vesicles. Gefosforyleerd synapsine bindt zich stevig aan zowel synaptische vesikels als actine microfilamenten (MFs), terwijl fosforylering beide loslaat. Gefosforyleerd synapsine remt axonaal transport van MBOs in geïsoleerd axoplasma, terwijl gefosforyleerd synapsine bij vergelijkbare concentraties geen effect heeft. Wanneer een synaptisch blaasje door een gebied passeert dat rijk is aan gefosforyleerd synapsine, kan het door synapsine aan de beschikbare MF matrix gekruist worden. Dergelijke cross-linked vesicles zouden verwijderd worden van snel axonaal transport en effectief gericht worden op een synapsine- en MF-rijk domein, de presynaptische terminal. Calcium-geactiveerde kinasen mobiliseren vervolgens de doelgerichte vesikels voor overbrenging naar de actieve zones voor de afgifte van neurotransmitters (zie Hoofdstuk 9). Dit suggereert een algemeen mechanisme dat, met variaties, MBO’s zou kunnen richten op andere specifieke domeinen.
Ten slotte heeft dit hoofdstuk zich bijna geheel gericht op axonaal transport, maar dendritisch transport bestaat ook. Aangezien dendrieten gewoonlijk postsynaptische gebieden omvatten, terwijl de meeste axonen eindigen in presynaptische elementen, ontvangen dendritisch en axonaal transport elk een aantal unieke eiwitten. Bewijs voor sorteermechanismen komt van studies in gekweekte hippocampale neuronen met gebruik van twee verschillende virale eiwitten. Basaal gerichte virale glycoproteïnen werden uitsluitend getransporteerd naar de dendritische processen van gekweekte neuronen, terwijl glycoproteïnen van het apicaal ontluikende virus werden aangetroffen in axonen. Een extra niveau van complexiteit voor intraneuronale transportverschijnselen is de intrigerende observatie dat mRNA naar dendrieten wordt getransporteerd, waar het betrokken is bij de lokale eiwitsynthese op postsynaptische plaatsen, maar dat ribosomale componenten en mRNA grotendeels worden geweerd uit axonale domeinen. Vergelijkbare processen van mRNA transport zijn beschreven in gliale cellen.