Retrograd signalering - Retrograde signaling

Retrograd signalering i biologi er den proces, hvor et signal bevæger sig baglæns fra en målkilde til sin oprindelige kilde. For eksempel er kernen i en celle den oprindelige kilde til at skabe signalproteiner. Under retrograd signalering, i stedet for at signaler forlader kernen, sendes de til kernen. I cellebiologi forekommer denne type signalering typisk mellem mitokondrierne eller kloroplasten og kernen. Signalmolekyler fra mitokondrier eller chloroplast virker på kernen for at påvirke nuklear genekspression. I denne henseende fungerer kloroplasten eller mitokondrierne som en sensor for interne eksterne stimuli, som aktiverer en signalvej.

I neurovidenskaben refererer retrograd signalering (eller retrograd neurotransmission ) mere specifikt til den proces, hvormed en retrograd messenger, såsom anandamid eller nitrogenoxid , frigives af en postsynaptisk dendrit eller cellelegeme og bevæger sig "baglæns" hen over en kemisk synapse for at binde til axonterminalen i et presynaptisk neuron .

I cellebiologi

Retrogradsignaler overføres fra plastider til kernen i planter og eukaryote alger og fra mitokondrier til kernen i de fleste eukaryoter. Retrograd -signaler anses generelt for at overføre intracellulære signaler relateret til stress og miljøfornemmelse. Mange af molekylerne forbundet med retrograd signalering virker på modifikation af transkriptionen eller ved direkte binding og fungerer som en transkriptionsfaktor . Resultaterne af disse signalveje varierer efter organisme og stimuli eller stress.

Udvikling

Retrograd signal antages at være opstået efter endocytose af mitokondrier og chloroplast for milliarder af år siden. Oprindeligt antaget at være fotosyntetiske bakterier, overførte mitokondrier og chloroplast noget af deres DNA til den membranbeskyttede kerne. Nogle af de proteiner, der kræves til mitokondrier eller chloroplast, er således inden for kernen. Denne overførsel af DNA krævede yderligere et kommunikationsnetværk for korrekt at reagere på eksterne og interne signaler og producere nødvendige proteiner.

I gær

De første retrograde signalveje opdaget i gær er RTG -vejen. RTG -vejen spiller en vigtig rolle for at opretholde gærens metaboliske homeostase. Under begrænsede ressourcer skal mitokondrier opretholde en balance mellem glutamat i citronsyrecyklussen . Retrograd signalering fra mitokondrierne starter produktionsforløbermolekyler af glutamat for korrekt at balancere forsyninger i mitokondrierne. Retrograd signalering kan også virke til at standse vækst, hvis der opstår problemer. I Saccharomyces cerevisiae , hvis mitokondrierne ikke udvikler sig ordentligt, vil de stoppe med at vokse, indtil problemet er løst, eller celledød induceres. Disse mekanismer er afgørende for at opretholde homeostase af cellen og sikre korrekt funktion af mitokondrierne.

I planter

Et af de mest undersøgte retrograde signalmolekyler i planter er reaktive iltarter (ROS). Disse forbindelser, der tidligere antages at være skadelige for cellen, er siden blevet opdaget at fungere som et signalmolekyle. Reaktive iltarter skabes som et biprodukt af aerob respiration og virker på gener involveret i stressresponsen. Afhængig af stress kan reaktive iltarter påvirke naboceller for at starte et lokalt signal. Ved at gøre dette "primes" omgivende celler for at reagere på stressen, fordi gener, der er involveret i stressrespons, initieres, før de støder på stressen. Kloroplasten kan også fungere som en sensor til patogenrespons og tørke. Påvisning af disse spændinger i cellen vil medføre dannelse af forbindelser, der derefter kan virke på kernen for at producere patogenresistensgener eller tørketolerance. 

Inden for neurovidenskab

Det primære formål med retrograd neurotransmission er regulering af kemisk neurotransmission . Af denne grund tillader retrograd neurotransmission neurale kredsløb at skabe feedback -sløjfer . I den forstand, at retrograd neurotransmission hovedsageligt tjener til at regulere typisk, anterograd neurotransmission, frem for faktisk at distribuere nogen information, ligner den elektrisk neurotransmission .

I modsætning til konventionelle (anterograde) neurotransmittere syntetiseres retrograde neurotransmittere i det postsynaptiske neuron og binder til receptorer på axonterminalen i det presynaptiske neuron. Derudover starter retrograd signalering en signalkaskade, der fokuserer på den presynaptiske neuron. Når først retrograd signalering er startet, er der en stigning i aktionspotentialer, der begynder i den presynaptiske neuron, som direkte påvirker den postsynaptiske neuron ved at øge antallet af dets receptorer.

Endocannabinoider som anandamid er kendt for at fungere som tilbagevendende budbringere, ligesom nitrogenoxid.

Retrograd signalering kan også spille en rolle i langsigtet potentiering (LTP), en foreslået mekanisme for læring og hukommelse, selvom dette er kontroversielt.

Formel definition af en retrograd neurotransmitter

I 2009 udgav Regehr et al. foreslåede kriterier for definition af retrograd neurotransmittere. Ifølge deres arbejde kan et signalmolekyle betragtes som en retrograd neurotransmitter, hvis det opfylder alle følgende kriterier:

  • Det passende maskineri til syntetisering og frigivelse af retrograde messenger skal være placeret i den postsynaptiske neuron
  • Afbrydelse af syntesen og/eller frigivelsen af ​​messenger fra det postsynaptiske neuron skal forhindre retrograd signalering
  • De passende mål for den retrograde messenger skal være placeret i den presynaptiske bouton
  • Afbrydelse af målene for den retrograde messenger i de presynaptiske boutons skal eliminere retrograd signalering
  • At udsætte den presynaptiske bouton for messenger bør efterligne retrograd signalering, forudsat at tilstedeværelsen af ​​retrograde messenger er tilstrækkelig til, at retrograd signalering kan forekomme
  • I tilfælde, hvor den retrograde messenger ikke er tilstrækkelig, bør parring af de andre faktorer med det retrograde signal efterligne fænomenet

Typer af retrograd neurotransmittere

De mest udbredte endogene retrograd neurotransmittere er nitrogenoxid og forskellige endocannabinoider , som er lipofile ligander.

Den retrograde neurotransmitter, nitrogenoxid (NO) er en opløselig gas, der let kan diffundere gennem forskellige cellemembraner. Nitrogenoxidsyntase er det enzym, der er ansvarligt for syntesen af ​​NO i forskellige presynaptiske celler. Specifikt er NO kendt for at spille en kritisk rolle i LTP, som spiller en vigtig rolle i hukommelseslagring inden for hippocampus. Derudover tyder litteratur på, at NO kan fungere som intracellulære budbringere i hjernen og også kan have en effekt på de presynaptiske glutamatergiske og GABAergiske synapser.

Ved hjælp af retrograd signalering aktiveres endocannabinoider, en type retrograd neurotransmitter, når de binder til G-proteinkoblede receptorer på de presynaptiske terminaler af neuroner. Aktiveringen af ​​endocannabinoider resulterer i frigivelse af særlige neurotransmittere ved excitatoriske og hæmmende synapser af et neuron, hvilket i sidste ende påvirker forskellige former for plasticitet.

Retrograd signalering i langsigtet potentiering

Som det vedrører LTP, er retrograd signalering en hypotese, der beskriver, hvordan hændelser, der ligger til grund for LTP, kan begynde i den postsynaptiske neuron, men kan spredes til den presynaptiske neuron , selvom normal kommunikation på tværs af en kemisk synaps forekommer i en presynaptisk til postsynaptisk retning. Det bruges mest almindeligt af dem, der hævder, at presynaptiske neuroner bidrager væsentligt til udtryk for LTP.

Baggrund

Langsigtet forstærkning er den vedvarende stigning i styrken af ​​en kemisk synaps, der varer fra timer til dage. Det menes at forekomme via to tidsmæssigt adskilte hændelser, hvor induktion forekommer først, efterfulgt af udtryk . De fleste LTP -efterforskere er enige om, at induktion helt er postsynaptisk, hvorimod der er uenighed om, hvorvidt udtryk hovedsageligt er en presynaptisk eller postsynaptisk hændelse. Nogle forskere mener, at både presynaptiske og postsynaptiske mekanismer spiller en rolle i LTP -udtryk.

Var LTP fuldstændig induceret og udtrykt postsynaptisk, ville der ikke være behov for den postsynaptiske celle til at kommunikere med den presynaptiske celle efter LTP -induktion. Imidlertid kræver postsynaptisk induktion kombineret med presynaptisk udtryk, at postsynaptisk celle efter induktion skal kommunikere med den presynaptiske celle. Fordi normal synaptisk transmission forekommer i en presynaptisk til postsynaptisk retning, betragtes postsynaptisk til presynaptisk kommunikation som en form for retrograd transmission.

Mekanisme

Den retrograde signalhypotese foreslår, at den postsynaptiske celle i de tidlige stadier af LTP-ekspression "sender en besked" til den presynaptiske celle for at underrette den om, at en LTP-inducerende stimulus er blevet modtaget postsynaptisk. Den generelle hypotese om retrograd signalering foreslår ikke en præcis mekanisme, hvormed denne besked sendes og modtages. En mekanisme kan være, at den postsynaptiske celle syntetiserer og frigiver en retrograd messenger efter modtagelse af LTP-inducerende stimulering. En anden er, at den frigiver en forudformet retrograd messenger ved en sådan aktivering. Endnu en anden mekanisme er, at synaps-spændende proteiner kan ændres af LTP-inducerende stimuli i den postsynaptiske celle, og at ændringer i konformation af disse proteiner formerer denne information på tværs af synapsen og til den presynaptiske celle.

Messengerens identitet

Af disse mekanismer har den retrograde messengerhypotese fået størst opmærksomhed. Blandt tilhængerne af modellen er der uenighed om identiteten af ​​den retrograde budbringer. En strøm af arbejde i begyndelsen af ​​1990'erne for at demonstrere eksistensen af ​​en retrograd messenger og for at bestemme dens identitet genererede en liste over kandidater, herunder kulilte , trombocytaktiverende faktor , arachidonsyre og nitrogenoxid. Nitrogenoxid har tidligere modtaget stor opmærksomhed, men er for nylig blevet afløst af adhæsionsproteiner, der spænder over den synaptiske kløft for at slutte sig til de presynaptiske og postsynaptiske celler. Den endocannabinoids anandamid og / eller 2-AG , der gennem G-proteinkoblede cannabinoidreceptorer , kan spille en vigtig rolle i retrograd signalering i LTP.

Referencer