Retrograd signal - Retrograde signaling
Retrograd signalering i biologi er prosessen der et signal beveger seg bakover fra en målkilde til den opprinnelige kilden. For eksempel er kjernen i en celle den opprinnelige kilden for å lage signalproteiner. Under retrograd signal, i stedet for at signaler forlater kjernen, blir de sendt til kjernen. I cellebiologi skjer denne typen signalisering vanligvis mellom mitokondriene eller kloroplasten og kjernen. Signalmolekyler fra mitokondriene eller kloroplasten virker på kjernen for å påvirke kjernegenuttrykk. I denne forbindelse fungerer kloroplasten eller mitokondriene som en sensor for indre ytre stimuli som aktiverer en signalvei.
I nevrovitenskap refererer retrograd signalering (eller retrograd nevrotransmisjon ) mer spesifikt til prosessen der en retrograd messenger, for eksempel anandamid eller nitrogenoksid , frigjøres av en postsynaptisk dendrit eller cellelegeme , og beveger seg "bakover" over en kjemisk synapse for å binde seg til aksonterminalen til et presynaptisk nevron .
I cellebiologi
Retrogradsignaler overføres fra plastider til kjernen i planter og eukaryote alger, og fra mitokondrier til kjernen i de fleste eukaryoter. Retrograd -signaler anses generelt for å formidle intracellulære signaler relatert til stress og miljøfølelse. Mange av molekylene assosiert med retrograd signalering virker på å modifisere transkripsjonen eller ved direkte binding og fungere som en transkripsjonsfaktor . Resultatene av disse signalveiene varierer etter organisme og etter stimuli eller stress.
Utvikling
Retrograd signal antas å ha oppstått etter endocytose av mitokondrier og kloroplast for milliarder av år siden. Mitokondriene og kloroplasten opprinnelig antatt å være fotosyntetiske bakterier, og overførte noe av deres DNA til den membranbeskyttede kjernen. Således er noen av proteinene som kreves for mitokondriene eller kloroplastene inne i kjernen. Denne overføringen av DNA krevde videre et kommunikasjonsnettverk for å reagere riktig på eksterne og interne signaler og produsere nødvendige proteiner.
I gjær
De første retrograde signalveiene som ble oppdaget i gjær er RTG -banen. RTG -banen spiller en viktig rolle for å opprettholde metabolsk homeostase av gjær. Under begrensede ressurser må mitokondriene opprettholde en balanse mellom glutamat for sitronsyresyklusen . Retrograd signal fra mitokondriene starter produksjonsforløpermolekyler av glutamat for å balansere forsyningene i mitokondriene. Retrograd signalering kan også virke for å stoppe vekst hvis det oppstår problemer. I Saccharomyces cerevisiae , hvis mitokondriene ikke utvikler seg ordentlig, vil de slutte å vokse til problemet er løst eller celledød er indusert. Disse mekanismene er viktige for å opprettholde homeostase av cellen og sikre riktig funksjon av mitokondriene.
I planter
Et av de mest studerte retrograde signalmolekylene i planter er reaktive oksygenarter (ROS). Disse forbindelsene, tidligere antatt å være skadelige for cellen, har siden blitt oppdaget å fungere som et signalmolekyl. Reaktive oksygenarter dannes som et biprodukt av aerob respirasjon og virker på gener som er involvert i stressresponsen. Avhengig av belastningen kan reaktive oksygenarter virke på naboceller for å starte et lokalt signal. Ved å gjøre dette, blir omgivende celler "primet" for å reagere på stresset fordi gener som er involvert i stressrespons initieres før de møter stresset. Kloroplasten kan også fungere som en sensor for patogenrespons og tørke. Påvisning av disse spenningene i cellen vil indusere dannelse av forbindelser som deretter kan virke på kjernen for å produsere patogenresistensgener eller tørketoleranse.
I nevrovitenskap
Hovedformålet med retrograd nevrotransmisjon er regulering av kjemisk nevrotransmisjon . Av denne grunn tillater retrograd nevrotransmisjon at nevrale kretser kan lage tilbakemeldingsløkker . I den forstand at retrograd nevrotransmisjon hovedsakelig tjener til å regulere typisk, anterograd nevrotransmisjon, snarere enn å faktisk distribuere informasjon, ligner den på elektrisk nevrotransmisjon .
I motsetning til konvensjonelle (anterograde) nevrotransmittere, syntetiseres retrograd nevrotransmittere i det postsynaptiske nevronet og binder seg til reseptorer på aksonterminalen til det presynaptiske nevronet. I tillegg starter retrograd signalering en signalkaskade som fokuserer på det presynaptiske nevronet. Når retrograd signalering er startet, er det en økning i handlingspotensialer som begynner i det presynaptiske nevronet, noe som direkte påvirker det postsynaptiske nevronet ved å øke antallet reseptorer.
Endocannabinoider som anandamid er kjent for å fungere som tilbakegående budbringere, det samme er nitrogenoksid.
Retrograd signalering kan også spille en rolle i langsiktig potensiering (LTP), en foreslått mekanisme for læring og hukommelse, selv om dette er kontroversielt.
Formell definisjon av en retrograd nevrotransmitter
I 2009 uttalte Regehr et al. foreslåtte kriterier for å definere retrograd nevrotransmittere. Ifølge deres arbeid kan et signalmolekyl betraktes som en retrograd nevrotransmitter hvis den tilfredsstiller alle følgende kriterier:
- Passende maskineri for syntetisering og frigjøring av retrograde messenger må være lokalisert i det postsynaptiske nevronet
- Å forstyrre syntesen og/eller frigjøringen av budbringeren fra det postsynaptiske nevronet må forhindre retrograd signalering
- De riktige målene for retrograde budbringer må være plassert i den presynaptiske boutonen
- Å forstyrre målene for den retrograde budbringer i de presynaptiske boutonene må eliminere retrograd signalering
- Å eksponere den presynaptiske boutonen for budbringeren bør etterligne retrograd signalering forutsatt at tilstedeværelsen av retrograde messenger er tilstrekkelig til at retrograd signalering kan oppstå
- I tilfeller der retrograde messenger ikke er tilstrekkelig, bør sammenkobling av de andre faktorene med retrograde signalet etterligne fenomenet
Typer av retrograd nevrotransmittere
De mest utbredte endogene retrograd nevrotransmittere er nitrogenoksid og forskjellige endocannabinoider , som er lipofile ligander.
Den retrograde nevrotransmitteren, nitrogenoksid (NO) er en løselig gass som lett kan diffundere gjennom forskjellige cellemembraner. Nitrogenoksydsyntase er enzymet som er ansvarlig for syntesen av NO i forskjellige presynaptiske celler. Spesielt er det kjent at NO spiller en kritisk rolle i LTP, som spiller en viktig rolle i minnelagring i hippocampus. I tillegg antyder litteratur at NO kan fungere som intracellulære budbringere i hjernen og kan også ha en effekt på de presynaptiske glutamatergiske og GABAergiske synapser.
Ved å bruke retrograd signalisering blir endokannabinoider, en type retrograd nevrotransmitter, aktivert når de binder seg til G-proteinkoblede reseptorer på de presynaptiske terminalene til nevroner. Aktiveringen av endocannabinoider resulterer i frigjøring av bestemte nevrotransmittere ved de eksitatoriske og hemmende synapser av et nevron, noe som til slutt påvirker ulike former for plastisitet.
Retrograd signalering ved langsiktig potensiering
Når det gjelder LTP, er retrograd signalering en hypotese som beskriver hvordan hendelser som ligger til grunn for LTP kan begynne i det postsynaptiske nevronet, men kan spres til det presynaptiske nevronet , selv om normal kommunikasjon over en kjemisk synaps skjer i en presynaptisk til postsynaptisk retning. Det brukes mest av de som hevder at presynaptiske nevroner bidrar vesentlig til uttrykk for LTP.
Bakgrunn
Langsiktig potensiering er den vedvarende økningen i styrken til en kjemisk synapse som varer fra timer til dager. Det antas å skje via to tidsmessig adskilte hendelser, med induksjon som forekommer først, etterfulgt av uttrykk . De fleste LTP -etterforskere er enige om at induksjon er helt postsynaptisk, mens det er uenighet om uttrykk hovedsakelig er en presynaptisk eller postsynaptisk hendelse. Noen forskere mener at både presynaptiske og postsynaptiske mekanismer spiller en rolle i LTP -uttrykk.
Var LTP helt indusert og uttrykt postsynaptisk, ville det ikke være nødvendig for den postsynaptiske cellen å kommunisere med den presynaptiske cellen etter LTP -induksjon. Imidlertid krever postsynaptisk induksjon kombinert med presynaptisk uttrykk at den postsynaptiske cellen etter induksjon må kommunisere med den presynaptiske cellen. Fordi normal synaptisk overføring skjer i en presynaptisk til postsynaptisk retning, blir postsynaptisk til presynaptisk kommunikasjon betraktet som en form for retrograd overføring.
Mekanisme
Den retrograde signalhypotesen foreslår at den postsynaptiske cellen i de tidlige stadiene av LTP-uttrykk "sender en melding" til den presynaptiske cellen for å varsle den om at en LTP-induserende stimulus har blitt mottatt postsynaptisk. Den generelle hypotesen om retrograd signalering foreslår ikke en presis mekanisme som denne meldingen sendes og mottas. En mekanisme kan være at den postsynaptiske cellen syntetiserer og frigjør en retrograd messenger ved mottak av LTP-induserende stimulering. En annen er at den slipper en forhåndsformet retrograd messenger ved slik aktivering. Enda en annen mekanisme er at synapspennende proteiner kan endres av LTP-induserende stimuli i den postsynaptiske cellen, og at endringer i konformasjon av disse proteinene forplanter denne informasjonen over synapsen og til den presynaptiske cellen.
Sendebudets identitet
Av disse mekanismene har den retrograde messengerhypotesen fått mest oppmerksomhet. Blant tilhengerne av modellen er det uenighet om identiteten til den retrograde budbringer. En mengde arbeid på begynnelsen av 1990-tallet for å demonstrere eksistensen av en retrograd budbringer og for å bestemme dens identitet genererte en liste over kandidater inkludert karbonmonoksid , blodplateaktiverende faktor , arakidonsyre og nitrogenoksid. Nitrogenoksid har fått stor oppmerksomhet tidligere, men har nylig blitt erstattet av adhesjonsproteiner som spenner over den synaptiske kløften for å bli med de presynaptiske og postsynaptiske cellene. Den endocannabinoids Anandamid og / eller 2-AG , virker gjennom G-proteinkoblet cannabinoid-reseptorer , kan spille en viktig rolle i signalisering i retrograd LTP.