Введение 8
1. Обзор литературы 10
1.1 Актиновые филаменты в конусах роста 10
1.2 Микротрубочки в конусах роста 11
1.3 Межклеточные сигналы 12
1.3.1 Фосфорилирование 12
1.3.2 Ионы кальция и клеточные сигналы 13
1.3.3 Кальмодулин 16
1.4 NO-cGMP, контролирующий направление конуса роста при
помощи модуляуции цитозольного кальция 18
1.5 Переключатель CaMKII/CaN, контролирующий направление
кальций зависимого конуса роста 21
1.6 Роль белков Homer1 и EPAC 24
1.7 МАРК протеинкиназы 24
1.8 Фосфорилирование CRN2 с помощью CK2 24
1.9 Роль PDE в управлении конусом роста аксона 25
1.10 Влияние белка VASP и гельзолина 25
1.11 Взаимосвязь cAMP и cGMP в управлении конусом роста . . . 26
1.12 Различия между аденилатциклазами 28
1.13 Влияние электрического поля 29
1.13.1 Способы воздействия внеклеточного ЭП на нейрон . . 30
1.13.2 Роль нейротрофинов в направлении конуса роста при
воздействии электрическим полем 31
1.13.3 Роль ГТФаз в направлении конуса роста при
воздействии электрическим полем 34
1.13.4 Изменение концентрации Ca2+ каналов при
воздействии электрическим полем 36
1.13.5 Применение электрического поля в медицине 37
2. Математическая модель 40
2.1 Моделирование 40
2.2 Схематическое пояснение образования областей
деполяризации и гиперполяризации 41
2.3 Схема сигнальной системы, управляющей конусом роста
аксона 43
2.4 Описание динамики кальция в микровыростах конуса роста
аксона нервной клетки 46
2.5 Моделирование динамики кальция в отростке аксона
нервной клетки 47
2.5.1 Ток активного транспорта 47
2.5.2 Ток пассивного транспорта 48
2.5.3 Численное решение дифференциального уравнения . . 51
3. Анализ математической модели 54
Заключение 56
Список литературы 57
Конус роста аксона - утолщение неправильной формы, которое прокладывает путь через окружающую ткать и находится на конце развивающегося аксона нервной клетки. Он заполнен мелкими, иногда соединёнными друг с другом, мембранными пузырьками неправильной формы, также митохондриями, микротрубочками и нейрофиламентами. Непосредственно под складчатыми участками мембраны и в шипиках на конусе роста находится плотная масса перепутанных актиновых филаментов. Конус роста удлиняется и сокращается за счет широких пластинок, называемых ламеллиподиями, и тонких, остроконечных выпячиваний, называемых филоподиями. Филопо- дии достигают размеров в несколько десятков микрометров и могут удлиняться и сокращаться, как бы ощупывая субстрат во всех направлениях. Они адгезируют к определенному субстрату и тянут конус роста в этом направлении.
Актин играет ключевую роль в подвижности конуса роста. Как ламел- липодии, так и филоподии богаты филаментным актином и веществами, ингибирующими полимеризацию актина. Выпячивание и ретракция ламелли- подий и филоподий, а также движение вперед самого конуса роста управляется двумя процессами: (1) полимеризацией и разборкой актиновых филаментов и (2) зависимой от миозина транслокацией актиновых филаментов прочь от ведущего края конуса роста.
Оба процесса используют энергию гидролиза АТФ и могут управляться белками, связывающими актин. Кальций, протеинкиназы и другие внутриклеточные вторичные посредники управляют активностью связывающих актин белков.
Итак, рост аксона, его движение вдоль клеток определяется различными ростовыми и ингибирующими факторами, которые синтезируются клетками и встраиваются в их мембраны, но каким же образом регулируется направление роста аксонов? Актуальным является вопрос выявления этого механизма.
Цель данной работы: Провести модельные исследования сигнальной системы, управляющей конусом роста аксонов.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. На основе данных, представленных в литературе, составить схему сигнальной системы, которая управляет конусом роста аксона.
2. Построить математическую модель системы, описывающей динамику кальция в микровыростах конуса роста аксона - филоподиях.
3. Используя построенную модель, провести анализ нашей сигнальной системы.
Направление развития конуса роста аксона определяется сигнальной системой, работа которой, несмотря на все проведенные исследования, до сих пор остается не до конца выясненной.
В целом считается, что физические и химические факторы во внеклеточной среде играют важную роль в определении направления роста нейритов. Одним из видов физических факторов, определяющих направление конуса роста аксонов, является наличие в ткани слабых внеклеточных электрических полей. Причем исследования показывают, что рост нейритов в экспериментах был направлен преимущественно к катоду внеклеточного электрического поля. Мы попытались объяснить результаты экспериментов на основе анализа внутриклеточных процессов.
Когда происходит развитие конуса роста аксонов, прежде всего, формируются филоподии (Ф) - тонкие выросты диаметром примерно 0.1 мкм и длиной до 10 мкм и более. Нами был проведен анализ динамики кальция в таком микровыросте конуса роста аксона нервной клетки при помощи математической модели и были сделаны выводы об автономности Ф относительно ламеллиподий и друг друга. Из свойства автономности следует, что изменение концентрации стационарного кальция при изменении трансмембранной разности потенциалов будет происходить независимо у каждой Ф. Изменение концентрации стационарного кальция у Ф, находящихся со стороны анода, никак не повлияет на изменение концентрации стационарного кальция у Ф со стороны катода. Следовательно, автономность в контексте кальциевой сигнализации позволяет рассматривать каждый микровырост отдельно от конуса роста аксона в целом.
Таким образом, мы предполагаем, что механизм управления конусом роста аксонов с помощью электрического поля обусловлен тем, что в Ф, направленных в сторону катода, происходит увеличение концентрации стационарного кальция, которое индуцирует активацию сигнальной системы, представленной в виде схемы в данной работе, приводящей к сборке, а со стороны анода при уменьшении концентрации кальция - к разборке цитоскелета.
