«МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3 томах 3 Перевод с английского канд. биол. наук В. П. Коржа, канд. биол. наук Н.В. Сониной, ...»

19.8.3. Место нервно-мышечного контакта отличается устойчивой специализацией базальной мембраны [64] Каждую мышечную клетку окружает базальная мембрана (см. рис. 19-16 и 19-18, А). В случае сильного повреждения мышечное волокно дегенерирует и отмирает, а его остатки уничтожаются макрофагами. Однако базальная мембрана при этом сохраняется и служит как бы «формой», в которой из оставшихся стволовых клеток может образоваться новое мышечное волокно (разд. 17.6.3). Даже тогда, когда разрушено не только мышечное волокно, но и нервное окончание, место прежнего нервно-мышечного контакта все еще можно определить по неровной поверхности базальной мембраны в этом участке. Эта синоптическая базальная мембрана обладает особыми химическими свойствами, и можно получить антитела, которые будут избирательно связываться с ее поверхностью. Интересно то, что именно синаптическая базальная мембрана определяет локализацию остальных компонентов синапса. Значение базальной мембраны для образования нервно-мышечного соединения было продемонстрировано в серии экспериментов на амфибиях. После одновременного разрушения нерва и мышечной клетки когда остается лишь пустая оболочка из базальной мембраны, можно Рис. 19-76. Скопление ацетилхолиновых рецепторов в том участке мембраны развивающегося мышечного волокна, где образуется синапс между окончанием двигательного аксона и клеткой. Это скопление отчасти обусловлено диффузией рецепторов из соседних участков мембраны мышечного волокна, а отчасти тем, что здесь в мембрану включаются вновь синтезируемые рецепторы. По-видимому, эти процессы не зависят от выделения из нервного окончания нейромедиатора, так как происходят и в присутствии веществ, блокирующих потенциалы действия в нервной клетке, и даже при наличии во внеклеточной среде высоких концентраций -бунгаротоксина (компонент змеиного яда, который, связываясь с ацетилхолиновыми рецепторами, блокирует их взаимодействие с ацетилхолином). Рецепторы, скопившиеся в месте образования синапса, находятся как бы в ловушке-скорость обновления этих рецепторов здесь гораздо ниже, чем в других участках мембраны, и время жизни достигает пяти дней и легко убедиться, что синаптический участок базальной мембраны специфически удерживает молекулы ацетилхолинэстеразы, которая в нормальном синапсе гидролизует выделяемый нервными окончаниями ацетилхолин. К тому же базальная мембрана удерживает в месте синапса и окончание аксона; если разрушить только мышечную клетку, оно остается связанным с базальной мембраной на протяжении многих дней. С другой стороны, удаление базальной мембраны с помощью коллагеназы приводит к тому, что окончание аксона отделяется даже при сохранности мышечной клетки.

В самом деле, по-видимому, базальная мембрана сама по себе способна направлять процесс регенерации окончания аксона. Это было продемонстрировано в следующем опыте: нерв и мышечную клетку разрушают, а затем дают возможность нерву регенерировать, и хотя чехол из базальной мембраны остается пустым, регенерирующий аксон отыскивает место первоначального синапса и образует здесь синаптическое окончание. Кроме того, базальная мембрана контролирует локализацию ацетилхолиновых рецепторов в месте синаптического соединения. Если разрушить нерв и мышечное волокно и дать возможность регенерировать мышце, а регенерацию нерва блокировать, то рецепторы ацетилхолина, синтезируемые регенерировавшей мышцей, локализуются преимущественно в области прежнего соединения, несмотря на отсутствие нерва (рис.

19-77). Как и следовало ожидать, экстракты, приготовленные из базальной мембраны нервно-мышечного соединения, содержат белок, называемый агрином, который способствует агрегации рецепторов в культуре мышечных клеток.

Очевидно, когда аксон контактирует с мышечной клеткой, он откладывает (или заставляет откладывать мышечную клетку) такие макромолекулы, как агрин, стабилизирующие синаптическое соединение. Однако базальной мембраны недостаточно для образования нервномышечного синапса: далеко не все встречи аксона с мышечной клеткой приводят к образованию синапса, и не все вновь образуемые синапсы абсолютно стабильны.

Рис. 19-77. Эксперимент, показывающий, что специфические свойства базальной мембраны нервно-мышечного соединения регулируют 19.8.4. Восприимчивость мышечной клетки к образованию синапсов регулируется ее электрической активностью [63, 65] Если у крысы перерезать нерв и передвинуть его конец так, чтобы он оказался над соседней нормальной мышцей, то перерезанные аксоны будут регенерировать и расти по поверхности этой мышцы; но до тех пор, пока нормальная иннервация этой мышцы не нарушена, чужеродные аксоны не будут вступать в контакт с отдельными клетками этой мышцы и образовывать на них синапсы. Если же перерезать нерв, в норме иннервирующий эту мышцу, то будут наблюдаться поразительные изменения. За несколько дней изменятся метаболизм и свойства мембраны мышечных клеток - в частности, будет синтезироваться и включаться в мембрану большое количество новых ацетилхолиновых рецепторов, что сделает клетку сверхчувствительной к ацетилхолину. В то же время мышечные клетки станут восприимчивыми к образованию новых синапсов с «чужими» аксонами, растущими на поверхности мышцы. Хотя эти аксоны предпочитают участки, где раньше находились синапсы, они смогут образовывать синапсы и на новых участках мышечных клеток. Как только синапсы будут сформированы, равномерное распределение ацетилхолиновых рецепторов исчезнет (как и в процессе эмбрионального развития)-они сохранятся в высоких концентрациях лишь в местах образования синапсов (рис. 19-78).

При денервации мышцы прекращается нормальная стимуляция этой мышцы со стороны нерва: к описанным выше изменениям приводит главным образом отсутствие электрической активности в мышечных клетках; оно же приводит и к выделению фактора, стимулирующего ветвление аксонов, о котором упоминалось раньше (разд. 19.8.4). Все эти эффекты денервации, в результате которых мышца становится более восприимчивой к образованию синапсов, можно воспроизвести с помощью местной анестезии интактного нерва, блокирующей проведение импульсов к мышце. И наоборот, если лишенную иннервации мышцу искусственно стимулировать через вживленные электроды, то чувствительность внесинаптических участков мембраны к ацетилхолину будет подавлена, так же как и образование новых синапсов. В норме электрическая активность, вызываемая нейроном, уже образовавшим синапс, «оберегает» клетку от нежелательной дополнительной иннервации.

Примерно таким же образом электрическая активность регулирует элиминацию синапсов во время развития. У зародыша позвоночных к неиннервированной мышце практически одновременно приходит много нервных окончаний, и вначале образуется немало лишних синапсов.

Свойственная зрелой мышце иннервация, при которой на каждой мышечной клетке имеется только по одному синапсу, создается в результате двух разных процессов, разделенных во времени. Первый из них - это гибель избыточных мотонейронов, а второй - удаление лишних ветвей аксона (элиминация синапсов).

Рис. 19-78. Эксперимент на камбаловидной мышце крысы, который показывает, что денервированная мышечная клетка способна к образованию синапса после пересадки чужеродного нервного волокна. Обратите внимание, что в результате денервации распределение ацетилхолиновых рецепторов в мембране мышечной клетки изменяется: вновь синтезируемые рецепторы распределяются по всей клеточной поверхности, хотя в месте прежнего нервно-мышечного соединения концентрация рецепторов остается особенно высокой. После денервации изменяется и электрическая возбудимость мембраны, так как в мембране появляется новый класс потенциал-зависимых каналов, которые относительно 19.8.5. Электрическая активность мышцы влияет на выживание эмбриональных мотонейронов [59, 66] Как уже отмечалось, примерно 50% мотонейронов зародыша погибает вскоре после образования синаптических контактов с мышечными клетками. Такую гибель лишних нейронов можно предотвратить, блокировав нервно-мышечную передачу (например, -бунгаротоксином), или, наоборот, усилить, подвергнув мышцу прямой электрической стимуляции. Это позволяет предполагать, что электрическая активность мышцы регулирует образование в мышце нейротропного фактора, необходимого для выживания эмбриональных мотонейронов. Этот фактор, возможно, идентичен тому фактору, который, как полагают, вызывает рост аксонных окончаний по направлению к денервированной мышце. Когда мышца бездействует в результате блокирования синаптической передачи или из-за отсутствия иннервирующих аксонов, этот фактор образуется в больших количествах как сигнал о том, что клетка нуждается в иннервации. Электрическая активация мышцы под действием искусственных стимулов или в результате спонтанного возбуждения иннервирующих ее мотонейронов подавляет образование фактора, и часть незрелых мотонейронов зародыша гибнет в конкуренции за его оставшиеся малые количества.

19.8.6. Электрическая активность регулирует конкурентную элиминацию синапсов в соответствии с «правилом возбуждения» [61, 67] Даже после гибели половицы эмбриональных мотонейронов на развивающейся мышце остается большой избыток синапсов. Каждый мотонейрон сильно ветвится, образуя синапсы на нескольких мышечных клетках, и каждая клетка чаще всего иннервируется отростками нескольких нейронов. Для того чтобы создалась система связей, присущая взрослому организму, необходима элиминация всех синапсов, кроме одного, на каждой мышечной клетке. Процесс элиминации синапсов во время развития был хорошо изучен на камбаловидной мышце (m. soleus) крысы, где к моменту рождения отдельная мышечная клетка иннервируется в среднем тремя мотонейронами. В последующие две-три недели каждый нейрон втягивает значительную часть своих терминальных ветвей, пока каждая клетка не будет иннервироваться одной-единственной ветвью одного мотонейрона (рис. 19-79). Если бы излишние ветви аксонов уничтожались случайным образом, Рис. 19-79. Устранение лишних синапсов в скелетной мышце млекопитающего после рождения. Для ясности показаны далеко не все концевые ветви двигательных аксонов; на самом деле один аксон в зрелой мышце иннервирует своими разветвлениями несколько сотен мышечных волокон.