Eliberarea neurotransmițătorului reglementată de un complex presinaptic MALS - liprin-α
Olav Olsen
1 Departamentul de fiziologie, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
Kimberly A. Moore
2 Departamentul de farmacologie celulară și moleculară, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
Masaki Fukata
1 Departamentul de fiziologie, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
Toshinari Kazuta
1 Departamentul de fiziologie, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
Jonathan C. Trinidad
3 Departamentul de chimie farmaceutică, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
Fred W. Kauer
1 Departamentul de fiziologie, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
Michel Streuli
4 ImmunoGen, Inc., Cambridge, MA 02139
Hidemi Misawa
5 Departamentul de Neurologie, Metropolitan Institute for Neuroscience, Tokyo 183-8526, Japonia
Alma L. Burlingame
3 Departamentul de chimie farmaceutică, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
Roger A. Nicoll
1 Departamentul de fiziologie, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
2 Departamentul de farmacologie celulară și moleculară, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
David S. Bredt
1 Departamentul de fiziologie, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94143
Abstract
Sinapsele sunt joncțiuni intercelulare foarte specializate, organizate de molecule adezive și de schele care aliniază eliberarea veziculară presinaptică cu receptorii neurotransmițătorilor postsinaptici. Complexul MALS/Veli - CASK - Mint-1 de proteine PDZ apare pe ambele părți ale sinapsei și are potențialul de a lega moleculele de aderență transsinaptică de citoschelet. În acest studiu, am purificat complexul proteic MALS din creier și am găsit liprina-α ca componentă majoră. Proteinele liprinice organizează zona activă presinaptică și reglează eliberarea neurotransmițătorului. În mod adecvat, șoarecii mutanți care nu au toate cele trei izoforme MALS au murit perinatal cu dificultăți de respirație și cu transmisie sinaptică excitativă afectată. Curenții postsinaptici de excitare au fost reduși dramatic în culturile autaptice de la șoareci MALS triple knockout din cauza unui deficit presinaptic în ciclul veziculelor. Aceste descoperiri sunt în concordanță cu un model prin care complexul MALS - CASK - liprin-α recrutează componente ale mașinilor de eliberare sinaptică pentru a adera proteinele din zona activă.
Introducere
Transmisia sinaptică necesită alinierea precisă a specializărilor pre- și postsinaptice. Pe partea presinaptică, veziculele sinaptice care conțin neurotransmițători trebuie aliniate și ancorate în zonele active, unde veziculele se fuzionează cu membrana presinaptică pentru secreție (Südhof, 2004). Pe partea postsinaptică, receptorii neurotransmițătorilor trebuie să fie grupați împreună cu mașinile relevante de transducție a semnalului pentru a răspunde emițătorilor eliberați. Studii recente au început să elucideze mecanismul molecular responsabil pentru organizarea joncțiunilor sinaptice. Molecule de adeziune care acoperă funcția de despicătură sinaptică atât în stabilizarea, cât și în definirea zonei active presinaptice și specializarea postsinaptică (Ichtchenko și colab., 1995; Fannon și Colman, 1996; Flanagan și Vanderhaeghen, 1998). Moleculele citosolice asociate cu acești factori adezivi ajută la poziționarea veziculelor sinaptice și a receptorilor neurotransmițătorilor pe laturile lor respective ale sinapselor (Hata și colab., 1996; Torres și colab., 1998; Perego și colab., 2000).
Un astfel de set de proteine modulare de schelă cuprinde un complex ternar de MALS/Veli (omolog LIN-7 de mamifere/omolog vertebrat al LIN-7), CASK (proteină de membrană plasmatică periferică) și Mint-1 (proteină interacțiune 1 munc-18), care sunt omologi de vertebrate ale unui complex identificat pentru prima dată în Caenorhabditis elegans care mediază dezvoltarea vulvalului (Kaech și colab., 1998). În creierul mamiferelor, complexul MALS - CASK - Mint-1 apare pe ambele părți ale joncțiunilor sinaptice și se crede că servește roluri distincte în aceste două locații. Presinaptic, acest complex se leagă de neurexină (Hata și colab., 1996), o moleculă de adeziune care se leagă pe sinapsă de neuroligina postsinaptică (Ichtchenko și colab., 1995). Mai mult, Mint-1 se asociază cu Munc18-1, o componentă esențială a mașinilor de fuziune a veziculelor sinaptice (Okamoto și Südhof, 1997). Postsinaptic, MALS se leagă de N-metil-d-aspartat (NMDA) - tipul receptorilor de glutamat (Jo și colab., 1999) și este raportat că transportă veziculele receptorului NMDA de-a lungul microtubulilor (Setou și colab., 2000).
Studiile genetice nu au reușit să stabilească rolurile esențiale ale complexului MALS - CASK - Mint-1 din creier. Trei gene MALS există la mamifere (Borg și colab., 1998; Butz și colab., 1998; Jo și colab., 1999), iar întreruperea țintită a MALS-1 și MALS-2 duce la o reglare compensatorie a MALS-3 în SNC (Misawa și colab., 2001). Șoarecii mutanți Mint-1 nu prezintă defecte în transmisia sinaptică excitativă și doar un defect subtil în transmisia sinaptică inhibitoare (Ho și colab., 2003). De asemenea, nu a fost raportată nicio analiză sinaptică pentru eliminările CASK care mor la naștere din cauza defectelor liniei medii (Laverty și Wilson, 1998).
Mai multe molecule care mediază dezvoltarea sinapselor au fost identificate prin studii genetice de nevertebrate. De exemplu, mutația C. elegans syd-2 dispersează zonele active presinaptice (Zhen și Jin, 1999). Un defect structural similar apare la muștele lipsite de Drosophila melanogaster syd ortolog liprin-α, care prezintă o scădere concomitentă a transmisiei sinaptice (Kaufmann și colab., 2002). Liprin-α se leagă de o proteină receptor tirozin fosfatază, Dlar (Serra-Pages și colab., 1998), sugerând un model prin care liprin-α și Dlar cooperează pentru a organiza zone active presinaptice. Modul în care liprin-α se leagă de mașinile veziculelor sinaptice rămâne incert.
Pentru a defini rolurile esențiale pentru complexul MALS la mamifere, am purificat complexul MALS din creier. Izolarea complexului MALS a relevat o asociere cu o familie de molecule de adeziune cito-scheletice și presinaptice. Important, am găsit liprin-α1, -α2, -α3 și -α4 în complexul MALS. Asocierea cu acest complex este mediată prin domeniile SAM în liprin-α și o regiune terminală NH2 în CASK. Folosind domeniile motivului α steril (SAM) ale liprinei-a ca negativ dominant, am perturbat complexul MALS-liprin din neuronii disociați. Pentru a înțelege funcția complexului MALS, am generat șoareci mutanți care nu au toate cele trei gene MALS. Șoarecii lipsiți de o singură genă au fost viabile și fertili. Cu toate acestea, șoarecii care nu au toate cele trei gene MALS au murit în decurs de o oră de la naștere. Această letalitate perinatală este asociată cu funcția presinaptică afectată, reflectând deficitele presinaptice ale nevertebratelor lipsite de ortologi liprin-α. Aceste studii stabilesc un rol crucial pentru complexul MALS în exocitoza veziculei sinaptice și implică liprina-α în acest proces.