Reseptor MT2 merangsang axonogenesis dan meningkatkan transmisi sinaptik dengan mengaktifkan pensinyalan Akt

Reseptor MT2 adalah jenis utama reseptor protein G-coupled yang terutama memediasi efek melatonin. Defisit sinyal melatonin / MT2 telah ditemukan pada banyak gangguan neurologis, termasuk penyakit Alzheimer, penyebab paling umum demensia pada orang tua, menunjukkan bahwa pelestarian reseptor MT2 mungkin bermanfaat bagi gangguan neurologis ini. Namun, bukti langsung yang menghubungkan reseptor MT2 dengan plastisitas sinaptik terkait kognisi masih harus ditetapkan. Di sini, kami melaporkan bahwa reseptor MT2, tetapi bukan reseptor MT1, sangat penting untuk axonogenesis keduanya.in vitrodanin vivo. Kami menemukan bahwa pembentukan akson terhambat pada tikus knockout reseptor MT2, irisan otak terporasi MT2-shRNA, atau neuron primer yang diobati dengan antagonis selektif reseptor MT2. Aktivasi reseptor MT2 mempromosikan axonogenesis yang dikaitkan dengan peningkatan transmisi sinaptik rangsang di neuron pusat. Komponen pensinyalan di hilir reseptor MT2 terdiri dari Akt / GSK-3β/CRMP-2 kaskade. Motif C-terminal reseptor MT2 berikatan dengan Akt secara langsung. Baik penghambatan reseptor MT2 atau gangguan pengikatan reseptor-Akt MT2 mengurangi axonogenesis dan transmisi sinaptik. Data kami menunjukkan bahwa reseptor MT2 mengaktifkan Akt/GSK-3β/ CRMP-2 menandakan dan diperlukan dan cukup untuk memediasi axonogenesis fungsional dan pembentukan sinaptik pada neuron pusat.

Sirkuit sinaptik didirikan di lokasi kontak akson-dendritik, akson-somatik, atau akson-aksonal, di mana aksonogenesis fungsional adalah langkah penting. Axonogenesis dapat diatur oleh banyak sinyal intraseluler yang melibatkan penataan ulang cytoskeletal, degradasi protein lokal, serta hambatan difusi. Selain itu, beberapa faktor neurotrofik ekstraseluler dan hormon juga telah terbukti memiliki peran dalam panduan akson dan pembentukan sinaptik di neuron pusat. Sampai saat ini, peran melatonin dan reseptornya dalam aksonogenesis masih belum jelas. Sebagian besar fungsi biologis melatonin dimediasi oleh dua reseptornya, reseptor MT1 dan MT2, keduanya termasuk dalam subfamili G protein-coupled receptor (GPCR) dan diekspresikan secara luas di seluruh sistem saraf pusat (SSP). Aktivasi reseptor MT2 sebagai respons terhadap melatonin sangat penting untuk mengendalikan ritme sirkadian dan pengaturan tidur gelombang lambat. Studi awal telah menunjukkan bahwa aktivasi reseptor MT2 di retina mengurangi pelepasan dopamin, sementara dopamin menghambat motilitas kerucut pertumbuhan dan pertumbuhan neurite selama perkembangan embrionik, menunjukkan keterlibatan reseptor MT2 dalam aksonogenesis fungsional. Pada tikus mutan dengan ekspresi gen MT2 yang kurang, induksi potensiasi jangka panjang (LTP) transmisi sinaptik rangsang terganggu, dan gangguan ini terkait erat dengan defisit dalam pembelajaran. Di hippocampus, reseptor MT2 menghambat arus yang dimediasi reseptor GABAA, yang terlibat dalam transmisi sinaptik. Pada penyakit Alzheimer, ekspresi reseptor MT2 berkurang secara signifikan, terutama di hippocampus. Seorang agonis parsial reseptor MT2, UCM765, menunjukkan sifat seperti anxiolytic dengan meningkatkan waktu yang dihabiskan di lengan terbuka dari tes plus-maze yang tinggi, dan dengan mengurangi latensi untuk makan di lingkungan baru dalam tes pemberian makan yang ditekan baru, menunjukkan perannya dalam kecemasan. Bersama-sama, temuan ini menunjukkan bahwa reseptor MT2 menghubungkan kaskade pensinyalan yang memediasi pembelajaran dan pembentukan memori, salah satu fungsi biologis penting melatonin; namun, peristiwa seluler dan molekuler yang mendasari hubungan ini belum ditetapkan.

Neuron hippocampal yang terdisosiasi telah umum digunakan sebagai yang sangat baik.in vitromodel dalam studi pengembangan akson dan transmisi sinaptik karena mereka mempertahankan karakteristik morfologis, fungsional, dan molekuler neuron hippocampalin vivo.Dalam neuron hippocampal yang terdisosiasi, transisi untuk pembentukan dan pematangan akson melibatkan lima tahap berikut: neuron tahap 1 (~ 2 hingga 4 jam setelah pelapisan) menampilkan lamellipodia dan filopodia berlimpah yang berkembang menjadi beberapa neurite pendek yang belum matang pada tahap 2 (~ 12 hingga 24 jam); polarisasi terjadi pada tahap 3 (~ 24 hingga 48 jam), di mana satu neurite memulai perpanjangan cepat untuk menjadi akson sementara yang lain memperoleh identitas dendritik; tahap 4 (~ 3-4 hari) ditandai dengan pertumbuhan akson dan dendrit yang cepat; dan pada tahap 5 (7 hari dan seterusnya), pematangan akson dan dendrit sangat penting untuk pembentukan sinapsis fungsional. Dalam studi ini, kami telah mengidentifikasi peran baru untuk reseptor MT2 dalam aksonogenesis fungsional dan menunjukkan bahwa aktivasi reseptor MT2 sangat penting untuk axonogenesis fungsional dan transmisi sinaptik di neuron pusat. Dengan menggunakan pencitraan fluorescence resonance energy transfer (FRET) yang dikombinasikan dengan uji pemblokiran peptida, kami telah mengidentifikasi Akt sebagai mitra yang berinteraksi dan substrat reseptor MT2. Aktivasi kaskade pensinyalan reseptor MT2-Akt mempromosikan pembentukan sinapsis fungsional di hippocampus, sedangkan penghambatan reseptor MT2 menangkap axonogenesis dan transmisi sinaptik. Mengingat implikasi reseptor MT2 dalam pembelajaran dan memori, kami mengusulkan bahwa penargetan sinyal reseptor-Akt MT2 mungkin merupakan strategi yang layak untuk merangsang perakitan sirkuit sinaptik fungsional.

Akumulasi reseptor MT2 dalam akson terpolarisasi

Untuk mengeksplorasi peran reseptor MT1 dan MT2 dalam pengembangan akson, pertama-tama kami mengukur lokalisasi seluler mereka pada neuron hippocampal tikus yang terdisosiasi dengan co-immunostaining untuk reseptor MT1 atau reseptor MT2 dan Tuj1, kelas neuron-spesifik III.β-tubulin. Kami menemukan bahwa reseptor MT2 didistribusikan secara seragam pada semua neurit dengan pengayaan ujung di neuron stadium 2, sementara sinyal fluoresensi yang kuat hanya terdeteksi di ujung akson terpolarisasi tetapi tidak di dendrit di neuron stadium 3. Analisis kuantitatif menunjukkan bahwa reseptor MT2 diperkaya secara diferensial pada ujung neurite pada neuron stadium 2, sedangkan pengayaan ujung akson yang lebih eksklusif dari reseptor MT2 diamati pada neuron stadium 3. Reseptor MT1 memiliki distribusi yang mirip dengan reseptor MT2 pada tahap 2, tetapi tidak ada distribusi terpolarisasi reseptor MT1 yang terdeteksi pada tahap 3. Kekhususan antibodi reseptor MT2 diverifikasi oleh percobaan pemblokiran peptida. Hasil ini menunjukkan bahwa reseptor MT2 mungkin memiliki peran potensial dalam diferensiasi akson, tahap awal perkembangan sinapsis.