Сфингомиелиназа как модулятор нервно-мышечной передачи через пресинаптический механизм
- Авторы: Гафурова Ч.Р.1,2, Ценцевицкий А.Н.1, Мухутдинова К.А.1,2, Гиниатуллин А.Р.1,2, Петров А.М.1,2
-
Учреждения:
- Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук
- Казанский государственный медицинский университет
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 469-472
- Раздел: Материалы конференции
- Статья получена: 13.11.2023
- Статья одобрена: 18.11.2023
- Статья опубликована: 15.12.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/623292
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623292
- ID: 623292
Цитировать
Полный текст
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Аннотация
Секреторные сфингомиелиназы выделяются при действии на клетки различного рода стрессовых стимулов, включая воспаление [1]. Избыточная активность и освобождение сфингомиелиназ выступает в качестве патологического фактора, ускоряющего возрастные изменения в нервной системе, нейровоспаление, нейродегенерацию, а также мышечную дисфункцию [1–3]. С другой стороны, сфингомиелиназы были обнаружены в регионах около сайтов экзоцитоза и дендритных шипиках, а ингибирование сфингомиелиназ подавляло синаптическую передачу как на пресинаптическом, так постсинаптическом уровнях в гиппокампальных синапсах. Недостаточность кислой сфингомиелиназы ведёт к нейродегенеративному заболеванию Ниманна–Пика типа А, а нокауты нейтральных сфингомиелиназ у модельных мышей вызывают двигательные дефекты, а также нарушения, напоминающие таковые при болезни Альцгеймера [1, 2]. Всё это указывает на существование механизма регуляции синаптической передачи, который зависит от сфингомиелиназ.
В представленной работе, используя микроэлектродное отведение постсинаптических ответов, экзо-эндоцитозные FM-маркеры, а также чувствительные к мембранным свойствам флуоресцентные зонды, исследовали эффект нейтральной сфингомиелиназы на нейропередачу в диафрагмальной мышце мыши.
Было обнаружено, что добавление сфингомиелиназы (на 15 мин) в низкой концентрации (0,01 ед. акт./мл) ведёт к нарушению упаковки липидов избирательно синаптических мембран. В частности, в синаптических мембранах происходило появление скоплений церамида, подавление окрашивания меченной субъединицей B холерного токсина (маркер скоплений GM1 ганглиозидов), сдвиг в зелёную часть спектра флуоресценции F2N12S (показатель экспансии липид-неупорядоченной фазы), увеличение флуоресценции 22-NBD-холестерина (индикатор увеличения текучести мембран), а также встраивания экзогенного церамида во внешний монослой. Повышение концентрации сфингомиелиназы до 0,1 ед. акт./мл усиливает изменения и приводит также к тому, что указанные изменения мембранных свойств начинают проявляться и в мембранах мышечных волокон. В дальнейших экспериментах использовали 15 мин аппликацию сфингомиелиназы в низкой концентрации, оказывающей синапс-специфичное действие на свойства мембран.
Амплитуда и временные параметры миниатюрных постсинаптических ответов, а также мембранный потенциал покоя не изменялись при аппликации сфингомиелиназы. Также спонтанная секреция, как и вызванная секреция нейромедиатора, в ответ на одиночные стимулы не изменялась при действии сфингомиелиназы. Однако сфингомиелиназа существенно увеличивала секрецию нейромедиатора и темп освобождения экзоцитозом FM-красителей из синаптических везикул при стимуляции нерва с частотами 10, 20 и 70 Гц. Следует отметить, что потенцирующий нейропередачу эффект сфингомиелиназы был необратимым и несколько сильнее выражен при 10 Гц синаптической активности. Эксперименты с прерывистой стимуляцией нерва короткими пачками (по 60 стимулов) с частотами 10 или 20 Гц и короткими 0,5 с интервалами покоя, выявляли, что сфингомиелиназа увеличивает кратковременное облегчение секреции нейромедиатора в начале каждого следующего эпизода при 10 Гц (но не 20 Гц) стимуляции.
Опыты с комбинированием электрофизиологической детекции вызванных постсинаптических ответов, слежением за экзоцитозным освобождением FM1-43 красителя и применением тушителя флуоресценции FM1-43, проникающего через поры слияния, показали, что при высокочастотной (70 Гц) активности в норме существенная популяция синаптических везикул освобождает нейромедиатор через транзиторную пору слияния (kiss-and-run механизм) [4, 5]. Обработка сфингомиелиназой ингибирует подобный путь освобождения нейромедиатора, в итоге основная часть событий нейросекреции происходит за счёт экзоцитоза с полным встраиванием везикулярной мембраны в пресинаптическую мембрану.
Сфингомиелин пресинаптических мембран и мембран синаптических везикул может играть разную роль в контроле освобождения нейромедиатора. Для проверки этой гипотезы во время аппликации сфингомиелиназы проводили стимуляцию процессов экзо-эндоцитоза синаптических везикул, таким образом, фермент получал доступ к мембранам синаптических везикул. В этих условиях потенцирующий эффект сфингомиелиназы на секрецию нейромедиатора и темп экзоцитоза FM1-43 был существенно подавлен.
Исходя из полученных данных, мы предполагаем, что под влиянием сфингомиелиназы (в низкой концентрации) происходит нарушение целостности липидных рафтов и образование скоплений церамида избирательно в синаптических мембранах в мышце. Это в свою очередь увеличивает мобилизацию синаптических везикул в сайты экзоцитоза в ходе 10–70 Гц активности. Предположительно, особенно активно рекрутируются в экзоцитоз синаптические везикулы, принадлежащие к отдельному пулу, который обеспечивает нейропередачу при 10 Гц активности. Более того, изменение свойств мембран при действии сфингомиелиназы ингибирует освобождение нейромедиатора через пору слияния при высокочастотной активности, направляя экзоцитоз по пути полного слияния. Гидролиз сфингомиелина не только плазматических мембран, но и мембран синаптических везикул ослабляет стимулирующие эффекты сфингомиелиназы, указывая на противоположное значение сфингомиелина пресинаптической и везикулярных мембран в контроле освобождения нейромедиатора [5].
Полный текст
Секреторные сфингомиелиназы выделяются при действии на клетки различного рода стрессовых стимулов, включая воспаление [1]. Избыточная активность и освобождение сфингомиелиназ выступает в качестве патологического фактора, ускоряющего возрастные изменения в нервной системе, нейровоспаление, нейродегенерацию, а также мышечную дисфункцию [1–3]. С другой стороны, сфингомиелиназы были обнаружены в регионах около сайтов экзоцитоза и дендритных шипиках, а ингибирование сфингомиелиназ подавляло синаптическую передачу как на пресинаптическом, так постсинаптическом уровнях в гиппокампальных синапсах. Недостаточность кислой сфингомиелиназы ведёт к нейродегенеративному заболеванию Ниманна–Пика типа А, а нокауты нейтральных сфингомиелиназ у модельных мышей вызывают двигательные дефекты, а также нарушения, напоминающие таковые при болезни Альцгеймера [1, 2]. Всё это указывает на существование механизма регуляции синаптической передачи, который зависит от сфингомиелиназ.
В представленной работе, используя микроэлектродное отведение постсинаптических ответов, экзо-эндоцитозные FM-маркеры, а также чувствительные к мембранным свойствам флуоресцентные зонды, исследовали эффект нейтральной сфингомиелиназы на нейропередачу в диафрагмальной мышце мыши.
Было обнаружено, что добавление сфингомиелиназы (на 15 мин) в низкой концентрации (0,01 ед. акт./мл) ведёт к нарушению упаковки липидов избирательно синаптических мембран. В частности, в синаптических мембранах происходило появление скоплений церамида, подавление окрашивания меченной субъединицей B холерного токсина (маркер скоплений GM1 ганглиозидов), сдвиг в зелёную часть спектра флуоресценции F2N12S (показатель экспансии липид-неупорядоченной фазы), увеличение флуоресценции 22-NBD-холестерина (индикатор увеличения текучести мембран), а также встраивания экзогенного церамида во внешний монослой. Повышение концентрации сфингомиелиназы до 0,1 ед. акт./мл усиливает изменения и приводит также к тому, что указанные изменения мембранных свойств начинают проявляться и в мембранах мышечных волокон. В дальнейших экспериментах использовали 15 мин аппликацию сфингомиелиназы в низкой концентрации, оказывающей синапс-специфичное действие на свойства мембран.
Амплитуда и временные параметры миниатюрных постсинаптических ответов, а также мембранный потенциал покоя не изменялись при аппликации сфингомиелиназы. Также спонтанная секреция, как и вызванная секреция нейромедиатора, в ответ на одиночные стимулы не изменялась при действии сфингомиелиназы. Однако сфингомиелиназа существенно увеличивала секрецию нейромедиатора и темп освобождения экзоцитозом FM-красителей из синаптических везикул при стимуляции нерва с частотами 10, 20 и 70 Гц. Следует отметить, что потенцирующий нейропередачу эффект сфингомиелиназы был необратимым и несколько сильнее выражен при 10 Гц синаптической активности. Эксперименты с прерывистой стимуляцией нерва короткими пачками (по 60 стимулов) с частотами 10 или 20 Гц и короткими 0,5 с интервалами покоя, выявляли, что сфингомиелиназа увеличивает кратковременное облегчение секреции нейромедиатора в начале каждого следующего эпизода при 10 Гц (но не 20 Гц) стимуляции.
Опыты с комбинированием электрофизиологической детекции вызванных постсинаптических ответов, слежением за экзоцитозным освобождением FM1-43 красителя и применением тушителя флуоресценции FM1-43, проникающего через поры слияния, показали, что при высокочастотной (70 Гц) активности в норме существенная популяция синаптических везикул освобождает нейромедиатор через транзиторную пору слияния (kiss-and-run механизм) [4, 5]. Обработка сфингомиелиназой ингибирует подобный путь освобождения нейромедиатора, в итоге основная часть событий нейросекреции происходит за счёт экзоцитоза с полным встраиванием везикулярной мембраны в пресинаптическую мембрану.
Сфингомиелин пресинаптических мембран и мембран синаптических везикул может играть разную роль в контроле освобождения нейромедиатора. Для проверки этой гипотезы во время аппликации сфингомиелиназы проводили стимуляцию процессов экзо-эндоцитоза синаптических везикул, таким образом, фермент получал доступ к мембранам синаптических везикул. В этих условиях потенцирующий эффект сфингомиелиназы на секрецию нейромедиатора и темп экзоцитоза FM1-43 был существенно подавлен.
Исходя из полученных данных, мы предполагаем, что под влиянием сфингомиелиназы (в низкой концентрации) происходит нарушение целостности липидных рафтов и образование скоплений церамида избирательно в синаптических мембранах в мышце. Это в свою очередь увеличивает мобилизацию синаптических везикул в сайты экзоцитоза в ходе 10–70 Гц активности. Предположительно, особенно активно рекрутируются в экзоцитоз синаптические везикулы, принадлежащие к отдельному пулу, который обеспечивает нейропередачу при 10 Гц активности. Более того, изменение свойств мембран при действии сфингомиелиназы ингибирует освобождение нейромедиатора через пору слияния при высокочастотной активности, направляя экзоцитоз по пути полного слияния. Гидролиз сфингомиелина не только плазматических мембран, но и мембран синаптических везикул ослабляет стимулирующие эффекты сфингомиелиназы, указывая на противоположное значение сфингомиелина пресинаптической и везикулярных мембран в контроле освобождения нейромедиатора [5].
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 21-14-00044, https://rscf.ru/project/21-14-00044/
Об авторах
Ч. Р. Гафурова
Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук; Казанский государственный медицинский университет
Email: alexey.petrov@kazangmu.ru
Россия, Казань; Казань
А. Н. Ценцевицкий
Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук
Email: alexey.petrov@kazangmu.ru
Россия, Казань
К. А. Мухутдинова
Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук; Казанский государственный медицинский университет
Email: alexey.petrov@kazangmu.ru
Россия, Казань; Казань
А. Р. Гиниатуллин
Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук; Казанский государственный медицинский университет
Email: alexey.petrov@kazangmu.ru
Россия, Казань; Казань
А. М. Петров
Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук; Казанский государственный медицинский университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: alexey.petrov@kazangmu.ru
Россия, Казань; Казань
Список литературы
- Xiang H., Jin S., Tan F., et al. Physiological functions and therapeutic applications of neutral sphingomyelinase and acid sphingomyelinase // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2021. Vol. 139. P. 111610. doi: 10.1016/j.biopha.2021.111610
- Park M.H., Jin H.K., Bae J.S. Potential therapeutic target for aging and age-related neurodegenerative diseases: the role of acid sphingomyelinase // Experimental & Molecular Medicine. 2020. Vol. 52, N 3. P. 380–389. doi: 10.1038/s12276-020-0399-8
- Petrov A.M., Shalaginam M.N., Protopopov V.A., et al. Changes in Membrane Ceramide Pools in Rat Soleus Muscle in Response to Short-Term Disuse // International Journal of Molecular Sciences. 2019. Vol. 20, N 19. P. 4860. doi: 10.3390/ijms20194860
- Petrov A.M., Zakirjanova G.F., Kovyazina I.V., et al. Adrenergic receptors control frequency-dependent switching of the exocytosis mode between “full-collapse” and “kiss-and-run” in murine motor nerve terminal // Life Sciences. 2022. Vol. 296. P. 120433. doi: 10.1016/j.lfs.2022.120433
- Tsentsevitsky A.N., Gafurova Ch.R., Mukhutdinova K.A., et al. Sphingomyelinase modulates synaptic vesicle mobilization at the mice neuromuscular junctions // Life Sciences. 2023. Vol. 318. P. 121507. doi: 10.1016/j.lfs.2023.121507
Дополнительные файлы
