Mielin

Η μυελίνη είναι ένας μοναδικός σχηματισμός, η οργάνωση του οποίου επιτρέπει τη διεξαγωγή ενός ηλεκτρικού παλμού κατά μήκος μιας νευρικής ίνας με ελάχιστη ενεργειακή δαπάνη. Το έλυτρο μυελίνης είναι μια εξαιρετικά οργανωμένη πολυστρωματική δομή που αποτελείται από εξαιρετικά τεντωμένες και τροποποιημένες πλασματικές μεμβράνες κυττάρων Schwann (στο ΠΝΣ) και ολιγοδενδρογλοιακών (στο ΚΝΣ) κυττάρων.

Η περιεκτικότητα της μυελίνης σε νερό είναι περίπου 40%. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της μυελίνης σε σύγκριση με άλλα κύτταρα είναι ότι περιέχει κατά μέσο όρο 70% λιπίδια και 30% πρωτεΐνη (με βάση το ξηρό βάρος). Οι περισσότερες βιολογικές μεμβράνες έχουν υψηλότερη αναλογία πρωτεΐνης προς λιπίδια.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]

Λιπίδια μυελίνης του ΚΝΣ

Όλα τα λιπίδια που βρίσκονται στον εγκέφαλο αρουραίου υπάρχουν επίσης στη μυελίνη, δηλαδή δεν υπάρχουν λιπίδια που εντοπίζονται αποκλειστικά σε μη μυελινωμένες δομές (εκτός από το συγκεκριμένο μιτοχονδριακό λιπίδιο διφωσφατιδυλογλυκερόλη). Ισχύει επίσης και το αντίθετο - δεν υπάρχουν λιπίδια μυελίνης που να μην βρίσκονται σε άλλα υποκυτταρικά κλάσματα του εγκεφάλου.

Η σερεβροσίδη είναι το πιο κοινό συστατικό της μυελίνης. Εκτός από τα πρώτα στάδια ανάπτυξης, η συγκέντρωση της σερεβροσίδης στον εγκέφαλο είναι άμεσα ανάλογη με την ποσότητα μυελίνης σε αυτόν. Μόνο το 1/5 της συνολικής περιεκτικότητας σε γαλακτολιπίδια της μυελίνης βρίσκεται σε θειική μορφή. Οι σερεβροσίδες και τα σουλφατίδια παίζουν σημαντικό ρόλο στη διασφάλιση της σταθερότητας της μυελίνης.

Η μυελίνη χαρακτηρίζεται επίσης από υψηλά επίπεδα των κύριων λιπιδίων της - χοληστερόλης, ολικών γαλακτολιπιδίων και πλασματογόνου που περιέχει αιθανολαμίνη. Έχει διαπιστωθεί ότι έως και 70% της χοληστερόλης του εγκεφάλου βρίσκεται στη μυελίνη. Δεδομένου ότι σχεδόν το ήμισυ της λευκής ουσίας του εγκεφάλου μπορεί να αποτελείται από μυελίνη, είναι προφανές ότι ο εγκέφαλος περιέχει τη μεγαλύτερη ποσότητα χοληστερόλης σε σύγκριση με άλλα όργανα. Η υψηλή συγκέντρωση χοληστερόλης στον εγκέφαλο, ειδικά στη μυελίνη, καθορίζεται από την κύρια λειτουργία του νευρωνικού ιστού - τη δημιουργία και τη διεξαγωγή νευρικών ερεθισμάτων. Η υψηλή περιεκτικότητα σε χοληστερόλη στη μυελίνη και η μοναδικότητα της δομής της οδηγούν σε μείωση της διαρροής ιόντων μέσω της μεμβράνης των νευρώνων (λόγω της υψηλής αντίστασής της).

Η φωσφατιδυλοχολίνη είναι επίσης ένα απαραίτητο συστατικό της μυελίνης, αν και η σφιγγομυελίνη υπάρχει σε σχετικά μικρές ποσότητες.

Η λιπιδική σύνθεση τόσο της φαιάς όσο και της λευκής ουσίας στον εγκέφαλο διαφέρει σημαντικά από αυτή της μυελίνης. Η σύνθεση της εγκεφαλικής μυελίνης σε όλα τα θηλαστικά που μελετήθηκαν είναι σχεδόν πανομοιότυπη. Υπάρχουν μόνο μικρές διαφορές (π.χ., η μυελίνη αρουραίου έχει λιγότερη σφιγγομυελίνη από τη μυελίνη βοοειδών ή ανθρώπων). Υπάρχουν επίσης ορισμένες διακυμάνσεις ανάλογα με τη θέση της μυελίνης. Για παράδειγμα, η μυελίνη που απομονώνεται από τον νωτιαίο μυελό έχει υψηλότερη αναλογία λιπιδίων προς πρωτεΐνη από τη μυελίνη από τον εγκέφαλο.

Η μυελίνη περιέχει επίσης πολυφωσφατιδυλοϊνοσιτόλες, εκ των οποίων το τριφωσφοϊνοσιτίδιο αντιπροσωπεύει το 4 έως 6% του συνολικού φωσφόρου στη μυελίνη και το διφωσφοϊνοσιτίδιο το 1 έως 1,5%. Δευτερεύοντα συστατικά της μυελίνης περιλαμβάνουν τουλάχιστον τρεις εστέρες σερεβροσίδης και δύο λιπίδια με βάση τη γλυκερόλη. Υπάρχουν επίσης ορισμένα αλκάνια μακράς αλυσίδας. Η μυελίνη των θηλαστικών περιέχει 0,1 έως 0,3% γαγγλιοσίδια. Η μυελίνη περιέχει περισσότερο μονοσιαλογαγγλιοσίδιο BM1 από ό,τι βρίσκεται στις μεμβράνες του εγκεφάλου. Η μυελίνη πολλών οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, περιέχει ένα μοναδικό γαγγλιοσίδιο, το σιαλοσυλγαλακτοσυλκεραμίδιο OM4.

Λιπίδια μυελίνης του ΠΝΣ

Τα λιπίδια της μυελίνης του περιφερικού και του κεντρικού νευρικού συστήματος είναι ποιοτικά παρόμοια, αλλά υπάρχουν ποσοτικές διαφορές μεταξύ τους. Η μυελίνη του ΠΝΣ περιέχει λιγότερες σερεβροσίδες και σουλφατίδια και σημαντικά περισσότερη σφιγγομυελίνη από τη μυελίνη του ΚΝΣ. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί η παρουσία γαγγλιοσιδικού OMR, η οποία είναι χαρακτηριστική της μυελίνης του ΠΝΣ ορισμένων οργανισμών. Οι διαφορές στη λιπιδική σύνθεση της μυελίνης του κεντρικού και του περιφερικού νευρικού συστήματος δεν είναι τόσο σημαντικές όσο οι διαφορές τους στη σύνθεση πρωτεϊνών.

Πρωτεΐνες μυελίνης του ΚΝΣ

Η πρωτεϊνική σύνθεση της μυελίνης του ΚΝΣ είναι απλούστερη από αυτή άλλων εγκεφαλικών μεμβρανών και αντιπροσωπεύεται κυρίως από πρωτεολιπίδια και βασικές πρωτεΐνες, οι οποίες αποτελούν το 60-80% του συνόλου. Οι γλυκοπρωτεΐνες υπάρχουν σε πολύ μικρότερες ποσότητες. Η μυελίνη του κεντρικού νευρικού συστήματος περιέχει μοναδικές πρωτεΐνες.

Η μυελίνη του ανθρώπινου ΚΝΣ χαρακτηρίζεται από την ποσοτική επικράτηση δύο πρωτεϊνών: της θετικά φορτισμένης κατιονικής πρωτεΐνης μυελίνης (βασική πρωτεΐνη μυελίνης, MBP) και της πρωτεολιπιδικής πρωτεΐνης μυελίνης (πρωτεΐνη μυελίνης πρωτεολιπιδίου, PLP). Αυτές οι πρωτεΐνες αποτελούν τα κύρια συστατικά της μυελίνης του ΚΝΣ όλων των θηλαστικών.

Το πρωτεολιπίδιο μυελίνης PLP (πρωτεολιπιδική πρωτεΐνη), επίσης γνωστό ως πρωτεΐνη Folch, έχει την ικανότητα να διαλύεται σε οργανικούς διαλύτες. Το μοριακό βάρος του PLP είναι περίπου 30 kDa (Da - dalton). Η αλληλουχία αμινοξέων του είναι εξαιρετικά συντηρητική, το μόριο σχηματίζει αρκετές περιοχές. Το μόριο PLP περιλαμβάνει τρία λιπαρά οξέα, συνήθως παλμιτικό, ελαϊκό και στεατικό, που συνδέονται με ρίζες αμινοξέων μέσω εστερικού δεσμού.

Η μυελίνη του ΚΝΣ περιέχει ελαφρώς μικρότερες ποσότητες ενός άλλου πρωτεολιπιδίου, του DM-20, που πήρε το όνομά του από το μοριακό του βάρος (20 kDa). Τόσο η ανάλυση DNA όσο και η διευκρίνιση της πρωτοταγούς δομής έχουν δείξει ότι το DM-20 σχηματίζεται με τη διάσπαση 35 υπολειμμάτων αμινοξέων από την πρωτεΐνη PLP. Το DM-20 εμφανίζεται νωρίτερα στην ανάπτυξη από το PLP (σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και πριν εμφανιστεί η μυελίνη). Εκτός από τον δομικό της ρόλο στο σχηματισμό μυελίνης, πιστεύεται ότι συμμετέχει στη διαφοροποίηση των ολιγοδενδροκυττάρων.

Σε αντίθεση με την ιδέα ότι η PLP είναι απαραίτητη για τον σχηματισμό συμπαγούς πολυστρωματικής μυελίνης, ο σχηματισμός μυελίνης σε ποντίκια με knockout PLP/DM-20 συμβαίνει με μικρές μόνο αποκλίσεις. Ωστόσο, αυτά τα ποντίκια έχουν μειωμένη διάρκεια ζωής και μειωμένη γενική κινητικότητα. Αντίθετα, οι φυσικές μεταλλάξεις στην PLP, συμπεριλαμβανομένης της αυξημένης έκφρασής της (φυσιολογική υπερέκφραση PLP), έχουν σοβαρές λειτουργικές συνέπειες. Πρέπει να σημειωθεί ότι σημαντικές ποσότητες πρωτεϊνών PLP και DM-20 υπάρχουν στο ΚΝΣ, το αγγελιοφόρο RNA για την PLP υπάρχει επίσης στο ΠΝΣ και μια μικρή ποσότητα της πρωτεΐνης συντίθεται εκεί αλλά δεν ενσωματώνεται στη μυελίνη.

Η κατιονική πρωτεΐνη μυελίνης (MCP) έχει προσελκύσει την προσοχή των ερευνητών λόγω της αντιγονικής της φύσης - όταν χορηγείται σε ζώα, προκαλεί μια αυτοάνοση αντίδραση, τη λεγόμενη πειραματική αλλεργική εγκεφαλομυελίτιδα, η οποία αποτελεί μοντέλο μιας σοβαρής νευροεκφυλιστικής νόσου - της σκλήρυνσης κατά πλάκας.

Η αλληλουχία αμινοξέων της MBP είναι ιδιαίτερα συντηρημένη σε πολλούς οργανισμούς. Η MBP βρίσκεται στην κυτταροπλασματική πλευρά των μεμβρανών μυελίνης. Έχει μοριακό βάρος 18,5 kDa και δεν παρουσιάζει κανένα σημάδι τριτοταγούς δομής. Αυτή η κύρια πρωτεΐνη παρουσιάζει μικροετερογένεια κατά την ηλεκτροφόρηση υπό αλκαλικές συνθήκες. Τα περισσότερα από τα θηλαστικά που μελετήθηκαν περιείχαν διαφορετικές ποσότητες ισομορφών MBP που έχουν ένα σημαντικό κοινό μέρος της αλληλουχίας αμινοξέων. Το μοριακό βάρος της MBP σε ποντίκια και αρουραίους είναι 14 kDa. Η MBP χαμηλού μοριακού βάρους έχει τις ίδιες αλληλουχίες αμινοξέων στα Ν- και C-τελικά μέρη του μορίου με την υπόλοιπη MBP, αλλά διαφέρει στη μείωση περίπου 40 υπολειμμάτων αμινοξέων. Η αναλογία αυτών των κύριων πρωτεϊνών αλλάζει κατά την ανάπτυξη: οι ώριμοι αρουραίοι και ποντίκια έχουν περισσότερη MBP με μοριακό βάρος 14 kDa από την MBP με μοριακό βάρος 18 kDa. Δύο άλλες ισομορφές της MBP, που βρίσκονται επίσης σε πολλούς οργανισμούς, έχουν μοριακές μάζες 21,5 και 17 kDa, αντίστοιχα. Σχηματίζονται με την προσθήκη μιας πολυπεπτιδικής αλληλουχίας περίπου 3 kDa στην κύρια δομή.

Ο ηλεκτροφορητικός διαχωρισμός των πρωτεϊνών μυελίνης αποκαλύπτει πρωτεΐνες με υψηλότερο μοριακό βάρος. Η ποσότητά τους εξαρτάται από τον τύπο του οργανισμού. Για παράδειγμα, τα ποντίκια και οι αρουραίοι μπορούν να περιέχουν έως και 30% τέτοιων πρωτεϊνών από τη συνολική ποσότητα. Η περιεκτικότητα σε αυτές τις πρωτεΐνες αλλάζει επίσης ανάλογα με την ηλικία του ζώου: όσο νεότερο είναι, τόσο λιγότερη μυελίνη υπάρχει στον εγκέφαλό του, αλλά τόσο περισσότερες πρωτεΐνες με υψηλότερο μοριακό βάρος περιέχει.

Το ένζυμο 2' 3'-κυκλική νουκλεοτιδική 3'-φωσφοδιεστεράση (CNP) ευθύνεται για αρκετά τοις εκατό της συνολικής περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη μυελίνης στα κύτταρα του ΚΝΣ. Αυτό είναι πολύ περισσότερο από ό,τι σε άλλους τύπους κυττάρων. Η πρωτεΐνη CNP δεν είναι το κύριο συστατικό της συμπαγούς μυελίνης. Συγκεντρώνεται μόνο σε ορισμένες περιοχές του ελύτρου μυελίνης που σχετίζονται με το κυτταρόπλασμα των ολιγοδενδροκυττάρων. Η πρωτεΐνη εντοπίζεται στο κυτταρόπλασμα, αλλά μέρος της σχετίζεται με τον κυτταροσκελετό της μεμβράνης - F-ακτίνη και τουμπουλίνη. Η βιολογική λειτουργία της CNP μπορεί να είναι η ρύθμιση της δομής του κυτταροσκελετού για την επιτάχυνση των διαδικασιών ανάπτυξης και διαφοροποίησης στα ολιγοδενδροκύτταρα.

Η γλυκοπρωτεΐνη που σχετίζεται με τη μυελίνη (MAG) είναι ένα δευτερεύον συστατικό της καθαρισμένης μυελίνης, έχει μοριακό βάρος 100 kDa και υπάρχει στο ΚΝΣ σε μικρές ποσότητες (λιγότερο από 1% της συνολικής πρωτεΐνης). Η MAG έχει μία μόνο διαμεμβρανική περιοχή που διαχωρίζει το εξαιρετικά γλυκοζυλιωμένο εξωκυτταρικό τμήμα του μορίου, που αποτελείται από πέντε περιοχές που μοιάζουν με ανοσοσφαιρίνες, από την ενδοκυτταρική περιοχή. Η συνολική της δομή είναι παρόμοια με την πρωτεΐνη προσκόλλησης νευρωνικών κυττάρων (NCAM).

Η MAG δεν υπάρχει στη συμπαγή, πολυστρωματική μυελίνη, αλλά βρίσκεται στις περιαξονικές μεμβράνες των ολιγοδενδροκυττάρων που σχηματίζουν στρώματα μυελίνης. Υπενθυμίζεται ότι η περιαξονική μεμβράνη του ολιγοδενδροκυττάρου είναι η πλησιέστερη στην πλασματική μεμβράνη του άξονα, αλλά παρόλα αυτά αυτές οι δύο μεμβράνες δεν συγχωνεύονται, αλλά διαχωρίζονται από ένα εξωκυτταρικό κενό. Αυτό το χαρακτηριστικό του εντοπισμού της MAG, καθώς και το γεγονός ότι αυτή η πρωτεΐνη ανήκει στην υπεροικογένεια των ανοσοσφαιρινών, επιβεβαιώνει τη συμμετοχή της στις διαδικασίες προσκόλλησης και μεταφοράς πληροφοριών (σηματοδότησης) μεταξύ του αξονολήματος και των ολιγοδενδροκυττάρων που σχηματίζουν μυελίνη κατά τη μυελίνωση. Επιπλέον, η MAG είναι ένα από τα συστατικά της λευκής ουσίας του κεντρικού νευρικού συστήματος, η οποία αναστέλλει την ανάπτυξη νευριτών σε καλλιέργεια ιστών.

Από τις άλλες γλυκοπρωτεΐνες της λευκής ουσίας και της μυελίνης, πρέπει να σημειωθεί η ελάσσονα μυελινο-ολιγοδενδροκυτταρική γλυκοπρωτεΐνη (MOG). Η MOG είναι μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη που περιέχει μία μόνο περιοχή τύπου ανοσοσφαιρίνης. Σε αντίθεση με την MAG, η οποία βρίσκεται στα εσωτερικά στρώματα της μυελίνης, η MOG εντοπίζεται στα επιφανειακά της στρώματα, λόγω της οποίας μπορεί να συμμετέχει στη μετάδοση εξωκυτταρικών πληροφοριών στο ολιγοδενδροκύτταρο.

Μικρές ποσότητες χαρακτηριστικών πρωτεϊνών μεμβράνης μπορούν να αναγνωριστούν με ηλεκτροφόρηση σε πήκτωμα πολυακρυλαμιδίου (π.χ. τουμπουλίνη). Η ηλεκτροφόρηση υψηλής ανάλυσης αποκαλύπτει την παρουσία άλλων δευτερευουσών πρωτεϊνικών ζωνών. Αυτές μπορεί να οφείλονται στην παρουσία ορισμένων ενζύμων του ελύτρου μυελίνης.

Πρωτεΐνες μυελίνης του ΠΝΣ

Η μυελίνη του ΠΝΣ περιέχει ορισμένες μοναδικές πρωτεΐνες καθώς και ορισμένες πρωτεΐνες κοινές με τις πρωτεΐνες μυελίνης του ΚΝΣ.

Η P0 είναι η κύρια πρωτεΐνη της μυελίνης του PNS, έχει μοριακό βάρος 30 kDa και αντιπροσωπεύει περισσότερο από το ήμισυ των πρωτεϊνών μυελίνης του PNS. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι, αν και διαφέρει από την PLP στην αλληλουχία αμινοξέων, στις οδούς μετα-μεταφραστικής τροποποίησης και στη δομή, και οι δύο πρωτεΐνες είναι εξίσου σημαντικές για τον σχηματισμό της δομής της μυελίνης του ΚΝΣ και του PNS.

Η περιεκτικότητα της MBP στη μυελίνη του ΠΝΣ είναι 5-18% της συνολικής πρωτεΐνης, σε αντίθεση με το ΚΝΣ, όπου το μερίδιό της φτάνει το ένα τρίτο της συνολικής πρωτεΐνης. Οι ίδιες τέσσερις μορφές της πρωτεΐνης MBP με μοριακά βάρη 21, 18,5, 17 και 14 kDa, αντίστοιχα, που βρίσκονται στη μυελίνη του ΚΝΣ, υπάρχουν επίσης στο ΠΝΣ. Σε ενήλικα τρωκτικά, η MBP με μοριακό βάρος 14 kDa (σύμφωνα με την ταξινόμηση των περιφερειακών πρωτεϊνών μυελίνης, ονομάζεται "Pr") είναι το πιο σημαντικό συστατικό όλων των κατιονικών πρωτεϊνών. Στη μυελίνη του ΠΝΣ, υπάρχει επίσης MBP με μοριακό βάρος 18 kDa (σε αυτήν την περίπτωση, ονομάζεται "πρωτεΐνη P1"). Πρέπει να σημειωθεί ότι η σημασία της οικογένειας πρωτεϊνών MBP δεν είναι τόσο μεγάλη για τη δομή μυελίνης του ΠΝΣ όσο για το ΚΝΣ.

Γλυκοπρωτεϊνες μυελίνης PNS

Η συμπαγής μυελίνη του ΠΝΣ περιέχει μια γλυκοπρωτεΐνη 22 kDa που ονομάζεται περιφερειακή μυελινική πρωτεΐνη 22 (PMP-22), η οποία αντιπροσωπεύει λιγότερο από το 5% της συνολικής περιεκτικότητας σε πρωτεΐνες. Η PMP-22 έχει τέσσερις διαμεμβρανικές περιοχές και μία γλυκοζυλιωμένη περιοχή. Αυτή η πρωτεΐνη δεν παίζει σημαντικό δομικό ρόλο. Ωστόσο, ανωμαλίες στο γονίδιο pmp-22 είναι υπεύθυνες για ορισμένες κληρονομικές ανθρώπινες νευροπαθολογίες.

Πριν από αρκετές δεκαετίες, πιστευόταν ότι η μυελίνη σχημάτιζε ένα αδρανές περίβλημα που δεν εκτελούσε καμία βιοχημική λειτουργία. Ωστόσο, αργότερα, ανακαλύφθηκε στη μυελίνη ένας μεγάλος αριθμός ενζύμων που εμπλέκονται στη σύνθεση και τον μεταβολισμό των συστατικών της μυελίνης. Ορισμένα ένζυμα που υπάρχουν στη μυελίνη εμπλέκονται στον μεταβολισμό των φωσφοϊνοσιτιδίων: η φωσφατιδυλινοσιτόλη κινάση, η διφωσφατιδυλινοσιτόλη κινάση, οι αντίστοιχες φωσφατάσες και οι διγλυκεριδικές κινάσες. Αυτά τα ένζυμα παρουσιάζουν ενδιαφέρον λόγω της υψηλής συγκέντρωσης πολυφωσφοϊνοσιτιδίων στη μυελίνη και του ταχύτατου μεταβολισμού τους. Υπάρχουν ενδείξεις για την παρουσία μουσκαρινικών χολινεργικών υποδοχέων, πρωτεϊνών G, φωσφολιπασών C και E και πρωτεϊνικής κινάσης C στη μυελίνη.

Η Na/K-ATPάση, η οποία μεταφέρει μονοσθενή κατιόντα, και η 6'-νουκλεοτιδάση έχουν βρεθεί στη μυελίνη του ΠΝΣ. Η παρουσία αυτών των ενζύμων υποδηλώνει ότι η μυελίνη μπορεί να εμπλέκεται ενεργά στην αξονική μεταφορά.