Neuronalt självundvikande

Figur 2. Mekanismer för neural utveckling beroende av neuronal självigenkänning. Självundvikande säkerställer att det inte finns någon överlappning av isoneurala grenar och ligger till grund för neuronal kretssammansättning.

Neuronalt självundvikande , eller isoneuralt undvikande , är en viktig egenskap hos neuroner som består i tendensen hos grenar ( dendriter och axoner ) som härrör från en enda soma (även kallad isoneuronala eller systergrenar) att vända sig bort från varandra. Arrangemangen av grenar inom neuronala arbors etableras under utveckling och resulterar i minimal korsning eller överlappning när de sprids över ett territorium, vilket resulterar i den typiska fascikulerade morfologin hos neuroner (Fig 1).

I opposition kan grenar från olika neuroner överlappa varandra fritt. Denna anständighet kräver att neuroner kan särskilja "jaget", vilket de undviker, från "icke-själv"-grenar som de samexisterar med. Denna neuronala självigenkänning uppnås genom familjer av celligenkännande molekyler som fungerar som individuella streckkoder, vilket gör det möjligt att urskilja vilken annan närliggande gren som antingen "jag" eller "icke-jag".

Självundvikande säkerställer att dendritiska territorier täcks fullständigt och ändå icke-redundant, vilket garanterar att grenar uppnår funktionellt lämplig täckning av ingående eller utgående territorier.

Neuronal kommunikation kräver en samordnad sammansättning av axoner, dendriter och synapser . Därför är självundvikande nödvändigt för korrekt neuronala ledningar och postnatal utveckling och, tillsammans med neuronal kakelsättning (heteroneuronal undvikande), är en avgörande avståndsmekanism för att mönstra neurala kretsar som resulterar i fullständig och icke-redundant innervering av sensoriskt eller synaptiskt utrymme.

Historia

Figur 3. Den medicinska blodiglens nervsystem ( H. medicilanis )

Begreppet neuronalt självundvikande uppstod för cirka 50 år sedan. Pionjärstudierna utfördes i blodiglen, med fokus på det centrala nervsystemet och utveckling av mekanosensoriska neuroner. Iglar från två arter: Hirudo medicinalis och Haementeria ghilianii , förblev huvudorganismen för studiet av frågan om neuronal självigenkänning och självundvikande. Hos detta djur tillät det upprepade segmentmönstret i nervsystemet tillsammans med det faktum att nervceller är relativt få till antalet, och många är tillräckligt stora för att erkännas, den experimentella studien av det allmänna problemet med neuronal specificitet. År 1968, genom kartläggningen av mekanoreceptorns axonala mottagliga fält i H. medicilalis , avslöjade Nicholls och Baylor distinkta typer av gränser mellan axoner från samma eller olika typer av neuroner, och även mellan individuella neuroner. De observerade att receptiva fält var uppdelade i diskreta områden, innerverade av de olika grenarna av en enda cell. Dessa gränser, till skillnad från de mellan intilliggande fält av olika celler, var abrupta och visade nästan ingen överlappning. Författarna föreslog sedan en mekanism för det rumsliga arrangemanget av axoner där "en fiber kan stöta bort andra grenar starkare om de kommer från samma cell än om de kommer från en homolog, och inte alls om de kommer från en cell med en olika modalitet" . 1976 bekräftade Yau sina upptäckter och föreslog att grenarna av en cell kände igen varandra, och därför undvek att växa in i samma territorium och etablerade de diskreta områdena som Nicholls och Baylor observerade. Det var då tydligt att mekanosensoriska neuroner, i blodiglar, visar självundvikande: med avstötning mellan grenar som härstammar från samma cell, men de visade inte klass-undvikande, vilket betyder att grenar från samma typ av neuroner kan överlappa varandra.

Fenomenet kändes igen men mycket förblev okänt, inklusive termen "Självundvikande" som uppstår 1982/1983 med Kramers studier. 1982 postulerade Kramer att isoneuronala axoner (axoner som växer från samma neuron), i motsats till heteroneuronala axoner, undviker varandra när de växer på samma substrat (se film). Detta undersöktes ytterligare, av andra författare, det faktum att detta självundvikande skulle kräva att neuriter skulle kunna skilja mellan jag och icke-jag, vilket förstärkte Yaus idéer. År 1983 föreslår Kramer och Kuwada att detta själverkännande av två växande axonala processer kan förmedlas av deras filopodia , som verkar skapa ömsesidiga kontakter. Denna idé backades upp av studier av Goodman et al. (1982) i insektsneuroner, som postulerade att filopodia spelade en viktig roll i igenkännandet och valet av axonala tillväxtvägar. Bevarandet av mekanismen hos ryggradslösa djur tillsammans med det faktum att vuxenmorfologi hos många neuroner verkar uppfylla regeln, antydde att icke-överlappning av isoneuronala processer kunde vara ett allmänt fenomen för neuronal utveckling. 1985 lades empiriska data till av Kramer och Stent med de experimentellt inducerade variationerna i förgreningsmönstret genom att kirurgiskt förhindra eller fördröja utväxten av axongrenarna. Som förutspåtts av förslaget om självundvikande, resulterade interferens med utväxten av en fältaxongren i spridningen av axongrenen av det andra fältet till vad som normalt inte var ett territorium. Således spelar neuronalt självundvikande en betydande roll i utvecklingen av mekanosensorisk receptiv fältstruktur.

Figur 4. Underfält av igelmekanosensoriska axoner tävlar om territorium. Mekanosensorisk neuron i vildtyp med tre separata underfält som innerverar intilliggande regioner av epidermis (A). Om tillväxtkonen på en gren krossas (B) eller försenas (C), växer syskonunderfälten och upptar det fria territoriet. Förenklade diagram, baserade på resultat i Kramer & Stent, 1985)

I slutet av 1980-talet började det molekylära maskineriet som kunde ligga till grund för fenomenen att avslöjas. Receptorer såsom celladhesionsmolekyler från cadherin och immunglobulin , som förmedlar interaktioner mellan motstående cellytor, och integriner som fungerar som receptorer för extracellulära matriskomponenter uttrycktes i stor utsträckning vid utveckling av neuriter .

År 1990 integrerade Macagno et al. resultaten från flera studier, och betonade återigen det evolutionära bevarandet av de övergripande fenomenen: Leech neuroner, liksom de hos andra ryggradslösa djur och de hos ryggradsdjur, genomgår specifika interaktioner under utvecklingen som möjliggör definitionen av vuxnas morfologier och synaptiska samband. Den morfologin återspeglar utvecklingskompromissen mellan neurons potential att växa och de begränsningar som ställs på den tillväxten av interna och externa faktorer. Således skulle den självigenkännande mekanismen vara användbar inte bara för självundvikande utan också som ett medel för individualisering. Under utvecklingen skulle konkurrens mellan neuroner av samma typ för ett begränsat utbud som krävs för processtillväxt och underhåll uppstå, där en cell får utrymme på bekostnad av andra. Hämmande interaktioner åberopades också, och detta placerade fenomenet självigenkänning i den större bilden av axonstyrningsprocessen . Tillsammans ledde dessa studier till uppfattningen att neurala kretsar uppstod som ett resultat av ett relativt litet antal olika signaler och deras receptorer, varav vissa agerar på ett graderat sätt och i olika kombinationer.

1991 blev forskare medvetna om att självundvikande också fanns i icke-neuronala celltyper, såsom blodiglekamceller, som på liknande sätt kan bilda diskreta domäner. Senare observerades detta även i däggdjursastrocyter. Wang och Macagno, 1998, återkommande till Hirudo medicinalis mechanosensoriska neuroner, utförde ett elegant experiment för att försöka svara på den fortfarande kvarstående frågan: "Hur känner en cell igen sig själv och reagerar genom att inte växa över eller längs med sig själv?" Författarna föreslog sedan två generella typer av mekanismer: I) Externa signaler: Syskonneuriter visar ytidentifierande molekylära faktorer, unika för varje cell, som kan binda homotyp och därför stöter bort syskonneuriter, eller II) Interna signaler: synkron cellaktivitet, såsom spänning, som överförs inuti cellen förmedlar en dynamisk mekanism för syskontillväxthämning. I motsats till den första hypotesen skulle den andra kräva kontinuitet och kommunikation mellan alla delar av cellen för att självundvikande ska ske. Så experimentet bestod av att ta bort en av neuronernas dendriter och se hur de återstående fästa dendriterna reagerade mot det lossnade fragmentet, "undviker de fortfarande överlappning?" Resultatet var att den lossnade grenen skulle sluta kännas igen som "själv" av de andra grenarna av neuronala, vilket ledde till dendritöverlappning. Den tydliga slutsatsen av studien var att kontinuitet mellan alla delar av neuronen är avgörande för att självundvikande ska fungera. Författarna föreslår sedan olika mekanismer som kräver kontinuitet och som skulle kunna fungera som igenkänningssignal, och därmed kan vara de ansvariga, såsom "elektrisk aktivitet, aktiv eller passiv, såväl som diffusion av cytoplasmatiska signaler antingen passivt eller genom snabb axonal transport" . I slutet av 1990-talet och därefter började modellorganismer användas i studierna och de molekylära mekanismerna för självundvikande började nystas upp. 1999 upptäckte Wu och Maniatis en slående organisation av en stor familj av humana neurala protocadherincelladhesionsgener som bildade ett genkluster som kodade för 58 protocadheriner. Medlemmarna i protokadheringenklustret var övertygande kandidater att tillhandahålla den molekylära kod som krävs för att upprätthålla den själv-/icke-självdiskriminering som ledde till självundvikande. Det bekräftades senare (2012) av Lefebvre et al., i en studie med amacrine celler och Purkinje-celler från Mus musculus , att dessa proteiner uttrycks i olika kombinationer i individuella neuroner, vilket ger "streckkoder" med som skiljer en neuron från annan.

År 2000, Schmucker et al., genom cDNA och genomiska analyser av Drosophila dendritiska arborisation sensoriska neuroner, avslöjades förekomsten av flera former av Downs syndrom celladhesionsmolekyl (Dscam) . Författarna såg att alternativ splitsning potentiellt skulle kunna generera mer än 38 000 Dscam-isoformer och antog att denna molekylära mångfald skulle kunna bidra till specificiteten hos neuronal anslutning och därmed självundvikande.

Tillsammans öppnade upptäckterna av de två stora familjerna av cellyteproteiner kodade av Dscam1-lokuset och de klustrade protocadherin (Pcdh)-lokus dörren till de många moderna studierna. De aktuella studierna drar stor nytta av inte bara upproret inom den molekylära och genomiska biologin utan också från de bioinformatikverktyg som utvecklats sedan 1800-talet.

Figur 6. Tidslinje angående viktiga upptäckter om neuronalt självundvikande. Författare och organismer som används i studierna presenteras.

Modeller, strukturer och utveckling av självundvikande

Djurmodeller

Självundvikande har diskuterats flitigt bland forskare och genom tiden har experimenten gjorts i flera djurmodeller. De första experimenten gjordes i blodiglar. 1981 försökte Wässle förstå hur retinala ganglieceller etablerar sina dendritiska territorier hos katter. Processer som dendritisk kakelsättning och självundvikande är extremt viktiga för att korrigera utvecklingen av neuronala strukturer, och i detta specifika fall måste ganglionceller täcka näthinnan för att garantera att varje punkt i det visuella rummet faktiskt "ses". Han såg att cellkroppar är ordnade i vanlig mosaik, och dendritiska fält anpassar sig till det tillgängliga utrymmet. Denna hypotes baserades dock på matematiska modeller: Dirichlet model .

Perry och Linden (1982) var de första som presenterade tydliga bevis på den dendritiska "konkurrensen" hos möss näthinna. Destruktion av ganglionceller ger deras närliggande celler chansen att förlänga sina dendritiska projektioner. De föreslog konkurrens om synapser som orsaken till jämvikt mellan tillväxt och avstötning av dendriter.

Även om mus och Drosophila är de modeller som för närvarande används för att konstruera en modell för självundvikande för ryggradsdjur respektive ryggradslösa djur, finns det genom tiden flera exempel på detta fenomen i andra modellarter och icke-modellarter:

Groda ( Xenopus laevis )

Trigeminusneuroner i huvudhuden uppvisar ett konkurrensbeteende och endast när en av dem är helt avlägsnad, till exempel det vänstra trigeminusgangliet , tillåter de högra ganglieneuriterna att korsa mittlinjen och innervera vänster sida av huvudet. Den korrekta innerveringen beror på frånstötande karaktär av interaktioner mellan dessa rörelsedetektorneuriter, vilket förstärker alla främre modeller av självundvikande.

Guldfisk ( Carassius spp. )

Näthinnan växer under hela livet genom att nya neuroner tillförs vid kanten och genom att ganglieneuroner dör i mitten. Återigen är det bevisat att varje cell känner av närliggande celler och kan uppta utrymme som lämnats av andra.

Zebrafisk ( Danio rerio )

Trigeminusneuroner, utvecklade 16 timmar efter befruktning, är en del av det perifera sensoriska systemet och upptäcker termiska och mekaniska stimuli i huden. "Tillväxt-och-repulsion"-modellen uppstod från komplex topografisk begränsning av tillväxtkoner mellan trigeminus- och Rohon-Beard-neuroner .

Planaria (Dugesia japonica)

Dscam- mutanter uppvisar allvarligt oorganiserade neurala nätverk och axonfascikulation.

Principiella strukturer för studier av självundvikande

De två huvudstrukturerna som används i självundvikande studier är retinala ganglionceller (RGC) i möss och somatosensoriska neuroner i Drosophila . Dessa strukturer pekas ut som olika molekylära modeller eftersom den huvudsakliga molekylen involverad i självundvikande är Dscam hos ryggradslösa djur och Protocadheriner hos ryggradsdjur.

Musens näthinna

Korrekt montering av komponenterna i möss näthinna är beroende av Dscam / DscamL1 korrekt uttryck för att bilda mosaiker av olika celltyper av RGC, soma-mellanrum och dendrit-arborisering, vilket säkerställer täckning av alla visuella områden av varje celltyp och mer specifikt för att hämma överdriven fascikulation och klumpning av cellkroppar i fotoreceptorer, stavbipolära celler (RBC) och amakrinceller i synsystemet. Förekomsten av korrekt stratifiering och koppling till synapser berättar att Dscam knockout endast påverkar de frånstötande interaktionerna och täckningen av de dendritiska arbors och funktionella bindningar bibehålls.

De faktiska huvudslutsatserna är baserade på identifieringen av olika typer av retinala neuroner, var och en med olika täckningsfaktorvärden som avslöjar graderade grader av homotypisk dendritisk repulsion. Accepterad utvecklingssekvens är 1) definiera antal och avstånd mellan celler, 2) kontrollerad tillväxt av grenar och 3) finjustering av dendritiska plattsättningen för maximal täckning av strukturen. Experiment med mutantmöss för Math5 och Brn3b (ansvariga för degenerering av 95 % respektive 80 % av retinala ganglionceller) visar att avlägsnande av ganglionceller inte minskar retinala gangliecelltyper och att positionen för dessa celler inte definieras av dendritiska endast homotypa interaktioner, men för någon form av inneboende genetiskt program.

Dendritiska arborisationsneuroner

Drosophila melanogaster är modellen för experiment i multipla dendritiska (MD) neuroner som utgör det stereotypa mönstret av det perifera nervsystemet. Dendritiska arborisationsneuroner är den huvudsakliga undertypen av MD-neurongruppen och uppvisar starkt grenade dendriter under epidermis . Sugimura et al. visade dendritiska arborization (da) neuroner som stabiliserar deras grenar form i tidiga larvstadier och andra som fortsätter forma under hela livscykeln.

Som andra typer av celler involverade i processer som är beroende av självigenkänning (som självundvikande och plattsättning, se figur-2) kan dessa da-neuroner fylla de tomma utrymmena som lämnas av grannceller och denna ifyllningsprocess utlöses av förlust av lokala isoneurala hämmande kontakter.

Larvöga

Eftersom Drosophila är en av de bäst studerade modellerna i mekanismer för neuronal självigenkänning, kan vi hitta flera resultat som erhållits i larvstadier. Ett av de mest anmärkningsvärda exemplen är den felaktiga utvecklingen av dendritiska arbors i larvögat ( Bolwigs organ ) på grund av Dscam knockout-mutation.

Utveckling

Många modeller och strukturer med olika utvecklingstid och livscykler används i studier av självundvikande. Därför uppstår vissa konflikter när vi försöker definiera en strikt utvecklingsfas för förekomsten av dessa fenomen. Den ursprungliga tanken var att neurala celler i någon tidig utvecklingspunkt kommer i kontakt med varandra och organiserar sin distribution, men flera studier visade att självundvikande även finns i vuxenlivet.

För att lösa denna fråga skulle det vara idealiskt att övervaka dendritiska utvecklingen av neuroner från dess födelse till mognad inuti heluppbyggda djur.

I Drosophila omfattar studier både larv- och vuxenfas, och antalet timmar efter äggskiktet är avgörande för korrekt konstruktion av dendritiska plattsättningen i sensoriska neuroner. Tidigt i puppstadiet beskär dessa neuroner alla sina dendriter. Senare växer varje neuron en helt ny dendrit för vuxenfunktion. Medan dendriterna omformas, förblir axonerna i stort sett intakta och alla dessa faser kommer att påverkas negativt i händelse av störningar med egendomen om självundvikande.

Exoner av Dscam-domäner kan uttryckas olika beroende på flugans livscykelfas. Exon 9- splitsning är temporärt reglerad, med endast ett fåtal exon 9-sekvenser som bidrar till tidiga embryoisoformer och de återstående exon 9 möjliga sekvenserna blir vanligare med åldern. Dessa resultat bevisar att, oberoende av de tusentals isoformer som kan genereras, fortsätter mångfalden att kontrolleras tidsmässigt och rumsligt.

I musnäthinnan föds majoriteten av gangliecellerna vid E17 (embryonalt stadium/dag 17) . Vid denna ålder har näthinnan nått 25 % av sin mogna storlek

Molekylär grund för självundvikande

Cellulära studier av självundvikande innebär att varje underliggande molekylär mekanism måste framtvinga robust och selektiv kontaktberoende cellyteigenkänning endast mellan systergrenar, och måste koppla igenkänning till förändringar i tillväxtkonbeteende . Nyligen genomförda studier för att definiera den molekylära grunden för kontaktberoende homotypiska interaktioner ledde till identifieringen av två stora familjer av cellytproteiner kodade av Drosophila Downs syndrom celladhesionsmolekyl 1 (Dscam1) locus och de klustrade protocadherin (Pcdh ) loci hos däggdjur . Dessa proteiner, med olika extracellulära domäner och delade cytoplasmatiska presumtiva intracellulära signaleringsdomäner, kan tillhandahålla olika igenkänningsspecificiteter till ett stort antal olika neuriter , vilket ger neuroner en unik cellyteidentitet som gör att neuroner kan skilja sig själv från icke-jag. . Ytterligare självytreceptorer som är inblandade i självundvikande inkluderar immunglobulinsuperfamiljemedlemmen Turtle, som fungerar i vissa Drosophila da-neuroner för att framtvinga terminala grenavstånd.

Ryggradslösa djur

DSCAM1

Flera studier har implicerat Drosophila Dscam1 i dendritisk och axonal självundvikande och processmellanrum i olika neuronala populationer, inklusive svampkroppsaxoner , olfaktoriska projektionsneuron (PN) dendriter och dendritisk arborisation (da) neurondendriter. Det är anmärkningsvärt att funktionen av Dscam hos ryggradslösa djur är både sammanhang och artberoende, eftersom molekylen har visat sig reglera repulsion, utväxt, attraktion/vidhäftning och synapsbildning i olika system.

Dscam1 kodar för en immunglobulin (Ig) superfamiljmedlem som i Drosophila kan generera upp till 19 008 proteiner med distinkta ektodomäner . I bindningsanalyser visar Dscams isoformspecifika homofila interaktioner, men liten interaktion förekommer mellan olika, men ändå nära besläktade, isoformer .

Dscam1 kontrollerar självundvikande

Dscam1- medierad självigenkänning är avgörande för självundvikande mellan systerneuriter Hughes et al. (2007) rapporterade att Dscam -förlust av funktion i da-neuroner orsakade överdriven självkorsning av dendriter från samma neuron. Dscam-överuttryck tvingade respektive dendriter att separera från varandra. Baserat på dessa data resulterar Dscam i en brist på självundvikande av systerdendriter. Därför måste de direkta isoformspecifika homofila Dscam-Dscam-interaktionerna resultera i signaltransduktionshändelser som leder till repulsion av dendriter som uttrycker identiska Dscam-isoformer. Denna omvandling av en initial Dscam-beroende cell-yta-interaktion till ett repulsivt svar som leder till dendritseparation i da-neuroner stöds av Matthews et al. (2007) i en studie som visade att det ektopiska uttrycket av identiska Dscam-isoformer på dendriterna i olika celler främjade tillväxt bort från varandra. Författarna föreslår också att identiska Dscam-isoformer uttryckta i två cellpopulationer in vitro inducerade deras aggregation på ett isoform-specifikt sätt, vilket visar att Dscam ger celler förmågan att skilja mellan olika cellytor. Dessutom förhindrade uttryck av enstaka Dscam1-molekyler som saknade det mesta av deras cytoplasmatiska svans segregering av ektopisk gren och ledde istället till till synes stabil vidhäftning mellan dendriter. Tillsammans stöder dessa resultat en enkel modell för en direkt roll för Dscam i självigenkänning där identiska Dscam- ektodomäner på ytorna av isoneuronala dendriter känner igen varandra och inducerar en efterföljande repulsiv signal som förmedlas av domäner i den cytoplasmatiska svansen (Figur 7) ).

Homofilt erkännande ger den molekylära grunden för självundvikande

För att testa om homofil bindning av Dscam1-isoformer krävs för självundvikande, genererade Wu och medarbetare par chimära isoformer som binder till varandra (heterofila) men inte till sig själva (homofila). Dessa isoformer kunde inte stödja självundvikande. Däremot återställde samuttryck av komplementära isoformer inom samma neuron självundvikande. Dessa data fastställer att igenkänning mellan Dscam1 -isoformer på motsatta ytor av neuriter från samma cell ger den molekylära grunden för självundvikande.

Mångfald på Dscam1-stället är avgörande för själverkännande

Mångfald av Dscam-isoformer i individuella neuroner krävs inte för självundvikande ...

År 2004, Zhan et al. publicerade en studie där funktionen av Dscam-diversitet undersöktes genom att bedöma de isoformer av Dscam som uttrycks av de utvecklande mushroom body (MB)-neuronerna, såväl som individuella isoformers förmåga att rädda Dscam- fenotyperna med förlust av funktion och konsekvenserna. av ektopiskt uttryck av enstaka Dscam-isoformer. De visade att olika subtyper av MB-neuroner uttrycker olika arrayer av Dscam-isoformer och att förlust av Dscam1 i dessa neuroner leder till ett misslyckande i grenseparationen, en fenotyp som kan räddas genom uttryck av enstaka godtyckliga isoformer i enstaka neuroner. Dessutom, i da-neuroner, räddade enstaka godtyckligt valda isoformer Dscam1-fenotypen för noll självundvikande. Dessa resultat leder till slutsatsen att Dscam1-diversitet inte krävs i individuella neuroner för självundvikande.

... men mångfalden av Dscam-isoformer uttryckta av neuroner av olika typer är avgörande för att skilja mellan själv- och icke-självneuriter

För att testa om segregering av systergrenar kräver att angränsande svampkroppsaxoner uttrycker olika uppsättningar av Dscam-isoformer, Hattori et al. (2009) reducerade hela repertoaren av Dscam-ektodomäner till bara en enda isoform med hjälp av homolog rekombination och undersökte svampkroppsmorfologi hos Dscam - ^enkel- och kontrolldjur. I majoriteten av de svampkropparna saknades en av de två loberna helt och i de få återstående proverna var den ena loben betydligt tunnare än den andra. Denna dominerande fenotyp indikerar att defekterna inte beror på förlusten av någon isoform, utan snarare närvaron av samma isoform på alla axoner. Dessa studier ledde till slutsatsen att varje neuron uttrycker en uppsättning Dscam1-isoformer som till stor del skiljer sig från sina grannar och att det är avgörande för närliggande neuroner att uttrycka distinkta Dscam-isoformer, men den specifika identiteten hos de isoformer som uttrycks i en enskild neuron är oviktig, eftersom länge som systergrenar uttrycker den identiska uppsättningen av isoformer för att möjliggöra den homotypiska repulsionen mellan dem.

Tusentals isoformer krävs för korrekt självigenkänning

Senare, Hattori et al. (2009) tog en genomisk ersättningsstrategi för att generera muterade djur där antalet potentiella Dscam1-isoformer var begränsat. Deras mål var att bestämma hur många isoformer som var nödvändiga för att säkerställa att neuriter inte på ett olämpligt sätt känner igen och undviker icke-självneuriter. Förgreningsmönster förbättrades när det potentiella antalet isoformer ökade, oberoende av isoformernas identitet. Sammanfattningsvis är storleken på isoformpoolen som krävs för robust diskriminering mellan jag och icke-jag i tusentals.

Sammanfattningsvis leder isoform identitet mellan grenar av samma neuron till igenkänning via den extracellulära regionen och repulsion medierad av den intracellulära svansen av Dscam1. Eftersom Dscam1-isoformerna som uttrycks i olika da-neuroner sannolikt är olika, känner inte dendriter av olika da-neuroner olämpligt igen icke-jaget som jag. Således krävs Dscam1-proteiner för självundvikande och tillhandahåller den molekylära koden genom vilken neuriter skiljer mellan själv-dendriter och de från närliggande celler (Figur 7).

Ryggradsdjur

DSCAM och DSCAML1

Självundvikande har först nyligen undersökts i utvecklingen av ryggradsdjurens hjärna och främst i samband med mönstring av neuriter i de inre plexiforma skikten (IPL). I motsats till Drosophila är mus DSCAMs typiska cellytemolekyler, som saknar den massiva alternativa splitsningen av flugan Dscam1 ortologous genomgår. Så även om DSCAM kan behålla en bevarad funktion när det gäller att förmedla självundvikande hos ryggradsdjur, gör frånvaron av molekylär mångfald det klart att de inte spelar en roll i självigenkänning.

Dscams verkar för att motverka celltypsspecifika interaktioner snarare än att aktivt främja repulsion hos ryggradsdjurs neuriter

Med tanke på att Dscam och Dscaml1 har icke-överlappande uttrycksmönster i musens näthinna, där Dscam uttrycks i en undergrupp av amakrinceller och de flesta retinala ganglionceller (RGC) och Dscaml1 uttryckta i stavkretsen, Fuerst et al. (2009) undersökte retinala gangliecellpopulationer i Dscam ^-/− möss och bedömde dessutom retinal anatomi i stavkretsen med hjälp av en genfälla-knockout- allel av Dscaml1 . I frånvaro av endera genen visade cellerna som normalt skulle uttrycka den överdriven fascikulation av deras dendriter och klumpar av deras cellkroppar. Dessa fynd ledde till slutsatsen att Dscam och Dscaml1 förhindrar överdriven vidhäftning, främst genom att maskera celltypspecifika adhesiva interaktioner mellan dendriter av samma cellklass, snarare än att aktivt främja repulsion mellan dem. Sålunda, i frånvaro av mångfald, ger inte däggdjurs DSCAMs celler med förmågan att skilja mellan sina egna processer och processerna för alla andra celler, inklusive processer från celler av samma typ. Istället verkar DSCAM för att förneka celltypspecifika interaktioner som främjas av andra igenkänningsmolekyler.

Protocadherin

Nyare studier visade att möss använder en annan familj av celligenkänningsmolekyler: klustrade Protocadheriner (Pcdhs), i en fluga Dscam1-liknande strategi för att reglera självundvikande. Även om både klustrade Pcdhs- och Dscam1-gener genererar familjer av proteiner med olika ektodomäner anslutna till en gemensam cytoplasmatisk domän, är sättet att generera klustrade Pcdhs och flyg Dscam1-motsvarighetsmångfald markant annorlunda. Pcdhs mångfald genereras till stor del av alternativa promotorval, i motsats till alternativ splitsning. Antalet Pcdhs-isoformer varierar mellan olika ryggradsdjursarter, men sammanlagt finns det vanligtvis i storleksordningen 50 isoformer.

Isoformspecifik homofil igenkänning

Övertygande bevis för diskreta bindningsspecificiteter för olika klustrade Pcdhs- isoformer avslöjades 2010 av Schreiner & Weiner, som verifierade att Pcdhs främjar isoformspecifik homofil igenkänning. Medan antalet Pcdhs-isoformer bleknar i jämförelse med antalet Dscam1-isoformer, ökar heterooligomerisering av Pcdhs markant antalet diskreta bindningsspecificiteter som kodas av lokuset. Pcdhs krävs för självundvikande

För att söka roller för Pcdh-γs i självundvikande, Lefebvre et al. (2012) fokuserade på ett retinalt interneuron , starburst amacrine cell (SAC), som uttrycker Pcdh-γs och uppvisar dramatisk dendritisk självundvikande. De använde ett Cre-Lox-system för att ta bort alla variabla domäner av Pcdh-γ- lokuset i den utvecklande näthinnan och verifierade att dendriter som härrörde från en enda SAC ofta korsade varandra och ibland bildade lösa buntar, på samma sätt som avlägsnandet av Dscam1 från da neuroner (Figur 8).

Pcdhs mångfald är avgörande för själverkännande

Vidare bedömde Lefebvre och kollegor kravet på isoformdiversitet i Pcdh-γ- beroende självundvikande. De visade att enstaka godtyckligt valda isoformer räddade självundvikande defekter av Pcdh-y- mutant och att uttryck av samma isoform i närliggande SAC minskade överlappningen mellan dem. Deras resultat indikerar att mångfald verkar ligga bakom själv-/icke-självdiskriminering, förmodligen för att närliggande neuroner sannolikt inte kommer att uttrycka samma isoformer och därför är fria att interagera. Därför gör isoformdiversitet det möjligt för SAC att skilja isoneuronala från heteroneuronala dendriter. Som med Dscam1 förlitar sig självundvikande i SAC inte på en specifik isoform, utan kräver snarare att isoformanvändningen skiljer sig mellan närliggande celler. Således verkar två phyla ha rekryterat olika molekyler för att förmedla liknande, komplexa strategier för självigenkännande, och därigenom främja självundvikande.

Se även