A MAP7 szerepének feltérképezése az axonok kollaterális elágazásában

A neuronok változatos és jellegzetes dendritikus és axonális morfológiával rendelkeznek. E struktúrák megfelelő fejlődése létfontosságú a normális működés és összekapcsolódás szempontjából. Valóban, az abnormális neuronális morfológiát különböző neurobiológiai és pszichiátriai rendellenességekkel hozták összefüggésbe (Luo és O’Leary, 2005). A változatos axonális morfológiák kialakulása attól függ, hogy a növekvő axonok képesek-e reagálni az extracelluláris jelzésekre. Ezek a jelzések lokalizált citoszkeletális átalakulást indukálnak az axonok elfordulása és elágazása érdekében (Armijo-Weingart és Gallo, 2017).

A DRG érzékelő neuronok axonjainak fejlődése erősen sztereotipizált, ezért jó modellt nyújt az axonok elágazási mechanizmusának megértéséhez. Ezek az érzékelő axonok a gerincvelőbe való belépéskor elágaznak, és a leányaxonok vagy elülső vagy hátsó irányba nyúlnak. Az elölről növekvő axon felfelé emelkedik, hogy az agyba szánt érzékszervi információt továbbítsa. Emellett a felszálló és leszálló axonágak intersticiális axonkollaterálisokat hoznak létre, amelyek a kialakult axontengelyről leválva különböző lamellákat innerválnak a gerincvelőn belüli dorzális-ventrális tengely mentén (Gibson és Ma, 2011).

Tymanskyj és munkatársai (2017) legújabb munkájában olyan fehérjék azonosítására törekedtek, amelyek közvetítik az axonális elágazást a DRG érzékelő neuronjaiban. Ehhez összehasonlították a DRG neuronok transzkripciós profiljait a kollaterális elágazások kialakulása előtt és után. Mivel a mikrotubulushoz kapcsolódó 7-es fehérje (MAP7) erősen felszabályozódott a kollaterális ágak kialakulását követően, a szerzők ezután a MAP7 overexpressziójának és knockdownjának hatásait vizsgálták a korai és késői embrionális stádiumban begyűjtött primer szenzoros neurontenyészeteken. A MAP7 overexpressziója növelte az intersticiális elágazások számát a fiatalabb neuronokban, amelyek jellemzően nem expresszálják a MAP7-et. Ezzel szemben a MAP7 lekoppintása idősebb neuronokban, amelyeket az in vivo elágazás kialakulása után tenyésztettek, kevesebb intersticiális elágazást eredményezett in vitro. Ezek a kísérletek azt mutatták, hogy a MAP7 elegendő és szükséges is az intersticiális elágazáshoz az érzékelő neuronokban.

Tymanskyj és munkatársai (2017) arra gondoltak, hogy az elágazásképzés szabályozója valószínűleg az axon azon régióiba lokalizálódik, ahol az elágazások keletkeznek. A szerzők valóban a MAP7 erős preferenciáját találták az elágazási pontokon. Mivel a kialakuló ágak filopodiákból alakulnak ki, amelyeket a mikrotubulusok behatolása stabilizál, a MAP7 lokalizációjának időzítése az elágazási pontokhoz utalna az elágazás kialakulásának időzítését és mintázatát szabályozó szerepére. A szerzők ezért élő képalkotást végeztek, és megállapították, hogy a fluoreszcensen jelölt MAP7 hiányzott a pionír filopodiákból, de késleltetett belépést mutatott az új, mikrotubulussal dúsított ágakba. További munkájuk során megállapították, hogy a MAP7 előnyösen lokalizálódott a hosszú és stabil elágazásokhoz. Ezek a vizsgálatok együttesen arra utalnak, hogy a MAP7 kritikus szerepet játszik az ágak érésében, de valószínűleg nem a kezdeti ágképződésben.

Noha ezek az in vitro manipulációk megállapították a MAP7 szerepét a kollaterális elágazásban, a szerzők ezt egy olyan egérmutáns segítségével igyekeztek alátámasztani, ahol a MAP7 fehérje a C terminusnál csonkolva van (MAP7mshi) (Turner és mtsai., 1997). A MAP7 C terminusáról korábban kimutatták, hogy kölcsönhatásba lép a kinezinnel (Sung et al., 2008; Barlan et al., 2013). Így Tymanskyj és munkatársai (2017) arra következtettek, hogy ez az axonok elágazásának mechanizmusa, és a MAP7mshi neuronok kevesebb kollaterállal rendelkeznek. Meglepő módon a MAP7mshi egerekből tenyésztett szenzoros neuronokban drasztikusan megnőtt az axonok elágazódása a kontroll állatokból származó neuronokhoz képest. Ez a korábbi in vitro eredményekkel együtt erősen arra utal, hogy a MAP7 N-terminálisa, és nem a C-terminálisa létfontosságú az axonok kollaterális elágazásának elősegítésében. Érdekes módon, ha a C terminus nélkülözhető lenne az elágazás elősegítéséhez, akkor ésszerű lenne feltételezni, hogy a MAP7mshi neuronok hasonlóak lennének a kontroll neuronokhoz; ehelyett azonban a MAP7 C terminusának elvesztése a kollaterális elágazás erősödését eredményezi. Az egyik magyarázat az, hogy a C-terminális domén blokkolja az N-terminális funkciót, és a C-terminális elvesztése túlburjánzó elágazáshoz vezet. Az is lehetséges, hogy a C-terminális csonkítás abnormálisan magas MAP7 fehérjeszintet eredményez a mutáns egerekben, ami a MAP7 in vitro túlexpressziójához hasonlóan elősegíti az axonok elágazását. Bár Tymanskyj és munkatársai (2017) in situ analízis és RT-PCR segítségével megerősítették a csonka mRNS jelenlétét a MAP7mshi állatokban, a MAP7 hasonló expressziós szintjei nem egyértelműek. Így a C-terminus pontos szabályozó szerepe további vizsgálatokat igényel.

A MAP7mshi állatokból származó kulcsfontosságú felfedezés a DRG szenzoros neuronok projekcióinak elemzéséből származik. Az érzékelő neuronoknak megfelelően kell innerválniuk mind a perifériás célszövetet, például a bőrt és az izmokat, mind a gerincvelőt azáltal, hogy mindkét régióban számos axon-kollaterált képeznek a külső ingerekre való pontos érzékenységhez. Érdekes módon a MAP7mshi egerek a kontroll állatokhoz képest a gerincvelőbe elágazó axonkollaterálisok számának növekedését mutatták, míg az elülső mancsban a kollaterálisok száma normális volt. A MAP7mshi egerekben a DRG axonok rendellenes gerincvelői innervációja termikus hiperalgéziával járt együtt, ami arra utal, hogy a DRG nociceptorok a MAP7-re támaszkodnak a megfelelő axonképződéshez. Az, hogy a DRG neuronok más altípusai igénylik-e a MAP7-et, további vizsgálatokat igényel. Bár Tymanskyj és munkatársai (2017) a disszociált DRG-kből származó szenzoros neuronok heterogén populációját tenyésztették, ezeket a kultúrákat idegnövekedési faktorral (NGF) egészítették ki, amely csak a neuronalattípusok (azaz a nociceptorok) egy alcsoportja számára biztosít trofikus faktort (Lallemend és Ernfors, 2012). Más DRG neuronális altípusok (pl. proprioceptorok) nem kapnak trofikus támogatást az NGF-től, ezért kizártuk őket ezekből a kultúrákból (Lallemend és Ernfors, 2012). Az, hogy mind a nociceptorok, mind a proprioceptorok a MAP7-re támaszkodnak-e, különösen érdekes, mivel különböző célpontokra vetülnek. Figyelemre méltó azonban, hogy Tymanskyj és munkatársai (2017) azt találták, hogy (1) az elágazásoknak csak egy részhalmaza indult ki egy MAP7-dús régióból, (2) az axon mentén csak a MAP7-dús régiók egy részhalmaza termelt elágazásokat, és (3) a MAP7mshi egerek elágazási rendellenességeket mutattak a központi, de nem a perifériás projekciókban. Így valószínű, hogy más tényezők irányítják az elágazás kialakulását ezekben az axonokban.

Kiterjedt munkák kimutatták, hogy a környezeti jelzések úgy alakítják az axonok elágazódását, hogy citoszkeletális események erősen szabályozott sorozatát váltják ki, beleértve az aktin foltok kialakulását, a filopódiumok megjelenését, valamint a mikrotubulusok polimerizációját és depolimerizációját (Armijo-Weingart és Gallo, 2017). A mikrotubulus-asszociált fehérjék (MAP-ok) közvetíthetik a citoszkeletális változásokat azáltal, hogy pozitívan vagy negatívan befolyásolják a mikrotubulusok stabilitását és kötegelődését (Armijo-Weingart és Gallo, 2017). Hasonlóan a MAP7 új szerepéhez az érzékszervi ágak érésében, korábbi munkák azonosították a MAP7 szerepét a Sertoli sejtek mikrotubulus stabilitásában és a spermatogenezisben, ahol a MAP7 hiánya egerekben hím sterilitáshoz vezet (Komada et al., 2000; Magnan et al., 2009). Ezzel szemben Tymanskyj és mások (Tymanskyj és mtsai., 2012; Barnat és mtsai., 2016) a MAP1B-t az axonok elágazásának és érésének negatív szabályozójaként azonosították a kérgi és felnőtt DRG neuronokban. Ezek a munkák rávilágítanak az intrinsic ágérési programok rendelkezésére álló változatos fehérje eszköztárra. Érdekes kérdés, hogy mi szabályozza a pozitív és negatív szabályozók közötti versenyt az ágak építésének vagy pusztulásának közvetítéséért.

Az egyetlen neuronból származó lokálisan szegregált ágak reagálhatnak megengedő és/vagy korlátozó jelzésekre. Mint már említettük, Tymanskyj és munkatársai (2017) azt találták, hogy a MAP7mshi egereknél a gerincvelőben aberrált a kollaterális elágazás, de az elülső lábszárban nem, ami arra utal, hogy ezek az eltérő elágazások különböző környezeti jelzésekre reagálnak. A MAP7 funkciónak ez a látszólagos korlátozása a központi, de nem a perifériás kollaterális elágazásokra tükrözi a SAD kinázok egyoldalú funkcióját a proprioceptív neuronok, egy másik szenzoros neuron altípus központi, de nem perifériás innervációjában (Lilley et al., 2013). Lilley és munkatársai (2013) egy olyan modellt javasolnak, amelyben a SAD-kinázok egymást követő hosszú és rövid távú neurotrofin-expozíciók révén alakítják ki az axonális ágakat. A proprioceptív neuronok tónusos hosszú távú neurotrofin-3 expozíciót kapnak perifériás célpontokból, például az izomból, ami a SAD kináz expressziójának felszabályozását eredményezi. Ez az upreguláció előkészíti az axonokat az intrinsic elágazás programozására, de ez az előkészített útvonal csak a gerincvelőben lévő célneuronoktól, például a motoros neuronoktól származó rövid ideig tartó neurotrofin-3 expozíciót követően indul be, hogy bőséges elágazást indukáljon a ventrális gerincvelőben (Lilley és mtsai., 2013). Ezzel szemben az axonok mintázódását más neuronalattípusokban különböző extracelluláris jelzések irányíthatják. Például a szimpatikus idegrendszer, egy másik neurotrofin-függő populáció, az axonális projekció során két különböző neurotrofikus jelre reagál egymást követő lépésekben. A szimpatikus axonok kezdetben a vérerek mentén nőnek, ami egy köztes célpont, amely egy neurotrofint választ ki, amely elősegíti az axon meghosszabbodását (Kuruvilla és mtsai., 2004). A végső innerváció során azonban az axonvégződések NGF-nek vannak kitéve, amelyet a célszövet termel. A targetből származó NGF egy jelátviteli kapcsolót indukál, amely megállítja az axon növekedését és ösztönzi az elágazást, hogy lehetővé tegye a target kiterjedt innervációját (Suo és mtsai., 2015). Talán a MAP7-függő elágazási érés is vagy (1) egyetlen, időben és lokálisan eltérő mintázatú axonmintázó jelre, vagy (2) a köztes és végső célpontoktól származó különböző szekvenciális jelekre támaszkodik.

A neurológiai rendellenességekhez megváltozott axonviselkedés és agyi konnektivitás társulhat, ami hozzájárul összetett és multifaktoriális jellegükhöz. Érdekes módon a MAP7 expresszálódik az embrionális egéragyakban, és a finom genetikai térképezési vizsgálatok jelentős összefüggést mutatnak a MAP7 egynukleotid-polimorfizmusokban a skizofréniával (Fabre-Jonca et al., 1998; Torri et al., 2010; Venkatasubramanian, 2015). Tymanskyj és munkatársai (2017) perifériás idegrendszerben tett felfedezéseit követően kritikus fontosságú lesz a MAP7 axonágak érésének MAP7 általi szabályozásának vizsgálata az agyban a MAP7 és a skizofrénia közötti esetleges kapcsolat tisztázása érdekében. Emellett a perifériás idegrendszeri fejlődésen túl az axonok kollaterális elágazása az egész idegrendszerben szükséges, és kritikus fontosságú a megfelelő vezetékezéshez. Korábbi tanulmányok azt mutatják, hogy a mikrotubulus-polimerizációt elősegítő intrinsikus sejtprogramok aktiválása pozitívan szabályozhatja az axonok visszanövését és elágazását sérülést követően (Ruschel és mtsai., 2015). Ezért az axonok visszanövekedésének potenciális terápiás célpontjainak felismerése érdekében a jövőbeli vizsgálatok a MAP7-re összpontosíthatnak az intrinzikális fejlődési programozás újraindítása érdekében.