Molekulární
neurobiologie
Jana Šmardová
Jan Šmarda
Ústav experimentální biologie
Přírodovědecká fakulta MU
Přednáška kurzu Molekulární biologie eukaryot
5.12.2019
Osnova přednášky
• Cytoskelet a komponenty nervové soustavy
• Molekulární biologie nervové dráždivosti
• Molekulární patologie nervové soustavy
Cytoskelet a komponenty nervové
soustavy
• komunikace organismu s prostředím a uvnitř organismu
= vzrušivost a vodivost nervové tkáně
• záznam, analýza a uchování informací o vnitřním i
vnějším prostředí
• podmiňuje schopnost organismu adekvátně reagovat
• CNS = mozek + mícha
• PNS (periferní)
- aferentní (senzorické, „dostředivé“ nervy – do CNS)
- eferentní (hybné, motorické, výkonné, „odstředivé“)
• ANS/VNS (autonomní/vegetativní)
- vegetativní nervy (sympatikus, parasympatikus)
 vnitřní orgány, žlázy, hladké svalstvo
Nervový systém
Neurony
• základní jednotky nervové tkáně
• tvorba a vedení vzruchu
• zablokování v G1– fázi (člověk: od 19 t.g. )
• sekrece: neurotransmitery, neuromodulátory
• morfologie: tělo, axon, dendrity  fyziologická polarita
 Neurogeneze
 embryonální vznik nových mozkových buněk s výběžky
a synapsemi
• dlouho se věřilo, že se u savců zastaví po skončení embryogeneze
 nové buňky se v mozku rodí po celý život!
– neurogeneze u dospělých potvrzena pouze v některých
oblastech
– podmíněno přítomností progenitorových buněk
– účast gliových buněk (tvorba paměťových stop, při poškození)
– v různých oblastech mozku různé: konstitutivní neurogeneze (3
oblasti – např. ependym – epitelová tkáň vystýlající mozkové
komory)
https://www.prirodovedci.cz/zeptejte-se-prirodovedcu/1881
Gliové buňky
• CNS: 1,6:1 vůči neuronům (4:1 v mozkové kůře), proliferace
• stimulují/ovlivňují neurogenezi
• astrocyty (astroglie)
 přenos metabolitů mezi krví a neurony, syntéza
neurotransmiterů, sekrece cholesterolu
• oligodendrocyty (oligodendroglie)
 tvorba myelinu v CNS (v PNS Schwannovy buňky)
• NG2-glie
• mikroglie
 původem kostní dřeň (mesodermální původ);
příjem a degradace neurotransmiterů v synapsích
(udržování iontového prostředí)
Astrocyty
 nevytvářejí akční potenciály
 často propojeny do rozsáhlých sítí, funkčních syncytií
• napomáhají migraci neuronů, podílejí se na uspořádání vrstev šedé
hmoty mozkové
• poskytují strukturální oporu nervové tkáni
• obsahují glykogen, zásobárnu energie
• podílejí se na tvorbě mozkomíšní bariéry a hematoencefalické
bariéry
• udržují homeostázu mikroprostředí neuronů
• uvolňují neurotransmitery a neuromodulátory
• ovlivňují neuronální přenos, mohou se podílet na tvorbě nových
synapsí ( vliv na spánek, paměť, učení)
Chvátal A. Gliové buňky známé i neznámé. 2016
OIigodendrocyty
• myelinizující oligodendrocyty v bílé hmotě
 vytvářejí na axonech neuronů izolační vrstvy z myelinu, přerušované
tzv. Ranvierovými zářezy
 izolace umožňuje na axonech tzv. saltatorní (skokové), a tudíž
mnohem rychlejší šíření akčního potenciálu
 jeden oligodendrocyt může v CNS ve svém okolí obalit myelinovými
pochvami až 30 axonů
• perineuronální (satelitní) oligodendrocyty převážně v šedé
hmotě
 jich funkce je stále neznámá
 předpokládá se, že se mohou podílet na metabolismu neuronů a
chránit je před apoptózou
Chvátal A. Gliové buňky známé i neznámé. 2016
NG2-glie
 někdy zařazovány mezi oligodendrocyty, protože mají stejný původ,
ale na základě svých zvláštních vlastností vyčleněny do zvláštní
skupiny
 někdy bývají nazývány jako synantocyty nebo polydendrocyty
 převážně hvězdicovité buňky, které se nacházejí v bílé i v šedé
hmotě
 nevytvářejí myelin a ve zralé tkáni se z nich vyvíjejí oligodendrocyty
 vytvářejí funkční synapse s neurony a odpovídají na uvolnění
neurotransmiterů do synapsí
 stále málo probádané gliové elementy v CNS…
Chvátal A. Gliové buňky známé i neznámé. 2016
Mikroglie
 jediný typ gliových buněk mezodermového původu (ostatní
ektodermálního): makrofágy, které do CNS pronikají ještě před
uzavřením hematoencefalické bariéry, kdy se díky svému
amébovitému pohybu podél cév a myelinizovaných vláken dostávají
do všech oblastí nervové tkáně
 v klidu mají rozvětvené výběžky, ale mohou se zpět měnit na
amébovité buňky s velkou schopností migrovat do místa poškození
nebo infekce, proliferovat a fagocytovat rozpadlé zbytky tkáně nebo
cizorodé částice
 mají receptory pro cytokiny a chemokiny, které modulují jejich
pohyblivost a chemotaxi
 mohou se rovněž uplatnit v průběhu vzniku nových synapsí během
raného vývoje jedince
 mohou odstranit již nefungující nebo špatně fungující synapse
Chvátal A. Gliové buňky známé i neznámé. 2016
Chvátal A. Gliové buňky známé i neznámé. 2016
Gliové buňky
 „Gliové buňky a neurony tvoří jeden, vzájemně neoddělitelný funkční celek.
Proto musíme na nervovou tkáň nahlížet jako na složitý organismus, který
se skládá z různých typů buněk, a pouze jejich vzájemná spolupráce
umožňuje normální fungování mozku a míchy a dokonce zajišťuje takové
funkce, jako je naše vědomí.“
neurony / astrocyt
Cytoskelet nervového systému
 většina cytoskeletálních proteinů
syntetizována v těle neuronu a následně
transportována do příslušných kompartmentů
• mikrofilamenta
• mikrotubuly
 sestavení spojeno s hydrolýzou ATP
(mikrofilamenta) a GTP (mikrotubuly)
• střední filamenta
 sestavují se bez účasti trinukleotidů
 u gliových buněk jsou tvořena homopolymery
bez postranních řetězců
 neurofilamenta jsou heteropolymery tvořeny
třemi typy podjednotek (NFH, NFM a NFL –
„high-, medium- and low-molecular-weight“;
NFH a NFM mají prodloužený C-konec, který
míří do strany a může být silně fosforylovaný
 málo v dendritech a tělech neuronů, bohatě
zastoupena v axonech
Třídy středních filament
Sharma P. et al, 2019
• NF-H – 115 kDa, 600 AA
• NF-M – 100 kDa, 500 AA
• NF-L – 60 kDa, 150 AA
Typy neurofilament (třídy IV)
Kevenaar JT and Hoogenraad CC. Front Mol Neurosci 8: 44, 2015
Cytoskelet axonu a struktury
specifické pro axon
Uspořádání mikrotubulů v
axonu
• mikrotubuly v axonech tvoří unikátní unipolární organizaci: všechny
míří svými plus konci distálním směrem!! (zatímco v dendritech mají
smíšenou polaritu!)
• toto unipolární uspořádání má významný dopad na funkci –
ovlivňuje specifické třídění „nákladů“ (axonální proteiny, synaptické
váčky, organely - mitochondrie)
Kevenaar JT and Hoogenraad CC. Front Mol Neurosci 8: 44, 2015
Uspořádání mikrofilament v
axonu
• aktin je v axonu uspořádán do pravidelně vzdálených (180-190 nm)
prstenců, které pod plasmatickou membránou axon „obalují“
• prstence tvořeny krátkými aktinovými filamenty, která jsou
stabilizována proteinem adducinem a propojena napříč tetramery
spektrinu
• to dodává axonu elasticitu a mechanickou podporu a pomáhá
organizovat molekulární strukturu axonální membrány
Kevenaar JT and Hoogenraad CC. Front Mol Neurosci 8: 44, 2015
Presynaptická místa
• (i) na koncích větví telodendronu jako tzv. synaptické knoflíky a (ii)
podél axonů ve ztluštěninách – tzv. varikosity
• presynaptická místa spolu s postsynaptickými místy přijímajícího
neuronu tvoří faktická komunikační místa mezi neurony
• kritickým krokem synaptického přenosu je uvolnění
neurotransmiteru, ke kterému dochází exocytózou synaptických
váčků na základě (elektrického) akčního potenciálu
• v presynaptických funkcích je kritická účast aktinu
• účast mikrotubulů méně jasná, ale zřejmě také nutná
Kevenaar JT and Hoogenraad CC. Front Mol Neurosci 8: 44, 2015
Iniciální segment axonu
(axon initial segment - AIS)
• proximální část axonu bohatá na iontové kanály, buněčné adhezivní
molekuly a cytoskeletální proteiny
• je rozhodující pro vytvoření a šíření akčního potenciálu
• specifické uspořádání cytoskeletu tvoří „filtr“, který rozhoduje o
třídění a transportu molekul určených pro axonální (a ne
somatodendritický) kompartment
• protein ankyrin G (AnkG; tvořící lešení) spojuje transmembránové
proteiny a spektrin s aktinem a mikrotubuly: lešení spolu s
cytoskeletem tvoří pod plasmatickou membránou hustou síť, která
zajišťuje funkci AIS
Kevenaar JT and Hoogenraad CC. Front Mol Neurosci 8: 44, 2015
Růstový kužel (konus, growth cone)
• struktura na konci axonu zodpovědná za růst, jeho správné
směrování a větvení během vývoje
• 3 části:
• periferní (P) doména: tvořena lamelipodii (svazky) a filopodii
(větvené sítě) vyplněnými aktinem (AF  MT)
• transientní (T) zóna
• centrální (C) doména: obsahuje mikrotubuly, které směrem k tělu
(tzv. axonální shaft) více stabilizovány díky posttranslačním
modifikacím (detyrosinace, acetylace)
• 3 fáze růstu:
1. protahování filopodií a lamelipodií polymerizací aktinu
2. depolymerizace aktinu na opačné straně, tím vytváření
prostoru pro polymerizující MT
3. stabilizace MT a tím vytváření nového axonálního shaftu
v místě poškození axonu dojde k přestavbě cytoskeletu,
tím k zániku růstového kužele a nemožnosti regenerace
MT / AF
MT / AF
• proces, kterým během vývoje neurony vysílají axony,
aby dosáhly na své správné cíle
• axony rostou z růstového kužele
Navádění axonů (pathfinding)
Průběh:
• axony exprimují ve svých konečcích tzv. naváděcí
(„guidance“) receptory a navigují směrem k cílům 
hledání buněk v okolí (filopodia dendritů)  signál do
axonu  vytváření synapse (synaptické váčky,
proteiny a struktury)  sekrece neurotransmiteru
axonem  exprese PSD-95 („postsynaptic density
protein“)  stabilizace filopodií: exprese
neurotransmiterových receptorů  synapse
Navádění axonů („axon pathfinding“)
• neurotrofní faktory (atraktanty a
odpory), např. NGF, netriny,
ephriny, semaphoriny, …
• adheze – molekuly ECM (laminin,
fibronektin, kolageny,…)
• N-CAMs (cell adhesion
molecules), zejména IgSF-CAMs
a kadheriny
Navádění axonů (pathfinding)
Maturace axonů
• akumulace synapsinu, jeho crosslinking s aktinem
• transport synaptických veziklů
• neurofilamenta (NF)
 hustá síť IF především v axonech
 zvětšení průměru axonů při myelinizaci
 fosforylace NF kontrolovaná myelinizací
• typ A – pomalý (~ max. 1 mm za den):
polypeptidy asociované s NF a MT
• typ B – pomalý (~ max. 2-8 mm za den):
cca 100 polypeptidů, tubulin, aktin a jejich
asociované proteiny
• typ C – pomalý (cca 7-9 mm za den):
proteiny asociované s AF a MT
• rychlý (cca 200-400 mm za den):
podél MT, proteiny asociované s membránou
• mitochondrie (cca 50-100 mm za den)
podél MT
Axonální transport
Molekulární biologie nervové
dráždivosti
Synapse
 specializovaný funkční kontakt mezi membránami dvou
buněk, z nichž alespoň jedna je neuron
 funkcí synapse je přenos nervového vzruchu
Synapse
Typy synapsí
 podle zúčastněných prvků:
• interneuronální
– axo-dendritické, axo-somatické, dendro-dendritické, axoaxonální,
somato-dendritické
• neuroefektorové
– např. nervosvalová ploténka (kontakt mezi axonem a svalovým
vláknem)
• neuroreceptorové
– mezi neuronem a receptorem
Synapse
Typy synapsí
 podle druhu přenosu signálu:
• chemické
– u člověka nejčastější; signál je přenášen prostřednictvím
mediátoru (neurotransmiteru)
• elektrické
– u člověka spíše vzácné
• smíšené
– u nižších živočichů, například u ryb
• přímý pasivní tok elektrického proudu (iontů)
synchronizující aktivitu skupiny neuronů
• obousměrný tok, extrémně rychlý
Elektrické synapse
 tvořena konexony, složenými ze šesti proteinů - konexinů, které
společně vytváří spojení typu mezerových spojů (gap junction)
• uvolnění neurotransmiteru z jedné buňky  vazba na
receptory druhé buňky  depolarizace membrány
• obvykle 1 neuron  1 typ neurotransmiteru
• časová a prostorová sumace
• přenos informace v jednom směru:
axon  dendrit nebo tělo, často synapse axo-axon,
mezi těly neuronů nebo mezi dendrity
Chemická synapse
Synapse
 část buněčného obalu neuronu, který uvolňuje neurotransmiter,
synaptická štěrbina a část buněčného obalu neuronu, která
obsahuje receptory, na které se neurotransmitery váží
 elektrochemická vlna nazývaná akční potenciál je přenášena podél
axonu  když dorazí k synapsi, vyvolá uvolnění molekul
neurotransmiteru, které se následně naváží na druhé straně štěrbiny
na specializované molekuly – receptory a dojde k přenosu akčního
potenciálu na sousední neuron
 mozek člověka obsahuje stovky miliard buněk (nervových a
gliových) a ke každé nervové buňce (neuronu) přísluší 20-1000
synapsí
 v současnosti je ve výpočetní neurovědě považována synapse za
"jednotku" mozku - lidský mozek jich obsahuje pravděpodobně
triliony
Základní schéma synapse
 elektrochemická vlna nazývaná
akční potenciál je přenášena
podél axonu
 když dorazí k synapsi, vyvolá
uvolnění molekul
neurotransmiteru
 ten se naváže na druhé straně
štěrbiny na specializované
molekuly – receptory
 vazba na receptory vede ke
změně membránového potenciálu
cílových buněk a způsobí
„odpálení“ akčního potenciálu
 neurotransmiter je rychle
odstraněn
Klidový membránový potenciál
• na klidové PM existuje elektrické napětí
dané nerovnoměrným rozdělením iontů
uvnitř a vně buňky: koncentrace K+ asi 10x
vyšší uvnitř buňky, naopak koncentrace
Na+ a Cl- vyšší vně buňky
• tento nepoměr udržován pomocí Na+/K+
ATPázy
• v klidu je PM propustná pro K+, ale
nepropustná pro Na+ a Cl•
K+ volně difunduje z buňky z buňky po
koncentračním spádu, což vytváří záporný
elektrický potenciál (-50 až -90 mV) na
vnitřní straně PM
Akční potenciál (nervový impuls)
• neuron je aktivován signálem, obvykle z jiného neuronu
• to způsobí náhlou místní depolarizaci PM, tj. změnou
membránového potenciálu na méně zápornou hodnotu
• to vede k otevření sodných kanálů a vstup Na+ iontů do buňky po
koncentračním i elektrickém gradientu, což rychle sníží membránový
potenciál a to vyvolá akční potenciál
• rychle následuje inaktivace, tj. uzavření sodných kanálů a návrat
potenciálu ke klidovým hodnotám (repolarizace)
• akční signál se šíří axonem do presynaptického zakončení axonu,
kde umožní otevření vápníkových kanálů a příliv Ca2+ iontů
• vysoká koncentrace Ca2+ iontů vede k interakci PM v presynaptické
oblasti s membránami synaptických vezikul  jejich splynutí  vylití
obsahu do synaptické štěrbiny …
• derivovány z GA nebo ER-odvozených endosomů
• malé (50 nm) (SV):
acetylcholin, glutamát, GABA (kyselina -aminomáselná),
glycin
zásobní pool – vazba na AF, membrane pool
• velké (100nm) (LV):
distální lokalizace
katecholaminy a rozpustné peptidy
• sekrece neurotrasmiteru  fúze váčku s PM  po
sekreci endocytóza veziklů, SV znovu naplněny v
terminálu, LV zpět do GA a tam recyklace
Synaptické vezikly
Vesicle docking
 přesun váčků do aktivní zóny a uchycení k
cytoplazmatické membráně
• synapsiny = proteiny s reverzibilní vazbou na
synaptické vezikly a AF („zásobní pool“); jejich vazba
na SV/aktin ovlivněna fosforylací PKA ( uvolnění
SV… fúze s membránou a exocytóza)
• proteiny Bassoon a Piccolo = lešení
• rabphillin – interakce s AF
• Munc-13 – vazba Ca2+ a diacylglycerolu
• Rab3 (GTPáza) – disociace při uvolnění váčku z
poolu
Fúze synaptických veziklů s PM
• pouze část dokovaných veziklů fúzuje
• SNARE komplex – receptor pro SNAP proteiny
(synaptosomal nerve-associated protein) (syntaxinPM,
synaptobrevinSV, SNAP-25)
botulotoxiny  štěpení SNARE  blokování
sekrece neurotransmiterů  paralýza, smrt
• regulace exocytózy: synaptotagmin
Recyklace veziklů
• clathrin + další asociované proteiny (auxilin,
dynemin), transportérové proteiny pro transport do
cytoplazmy
• vesicle loading (naplnění neurotransmitery)
Recyklace synaptických váčků
Dva modely:
• „kiss-and-run“- vytvoření transientního fúzního póru, uvolnění
pouze části vezikulárního obsahu a recyklace vezikulu
• „kiss-and-stay“ - uvolnění celého obsahu („full-collapse fusion“),
následované endocytózou zprostředkovanou clathrinem (CME)
Chanaday NL. et al, J Neurosci 39 (4): 8209-8216, 2019
Struktura některých neurotransmiterů
• adrenalin – funguje hlavně jako hormon vylučovaný dření nadledvin,
někdy využíván i jako neurotransmiter
• noradrenalin – naopak funguje hlavně jako neurotransmiter a jen
příležitostně i jako hormon
• dopamin - odpovědný hlavně za pocity štěstí, ale zapojen také do
řízení pohybu
• serotonin - přispívá k pocitům pohody a štěstí
• GABA – inhibuje degeneraci neuronů v CNS; vysoké hladiny zvyšují
soustředění, nízké hladiny vyvolávají úzkost a strach
• acetylcholin – zapojen v mozku do procesů přemýšlení, učení a
paměti
• kyselina glutamová - nejběžnější neurotransmiter v mozku
• endorfiny - jejich vyplavení je spojeno s pocity euforie a snížením
bolesti (přirození „zabíječi bolesti“ těla)
Funkce některých neurotransmiterů
1) Ionotropní receptory
• přímo spojené s iontovými kanály
• 2 funkční domény:
extracelulární – interakce s neurotransmitery
membránová – vytváří iontový kanál
2) Metabotropní receptory
• pohyb iontů realizován přes jeden nebo více
metabolických kroků
• ovlivnění iontových kanálů prostřednictvím G-proteinů
Postsynaptické receptory
Typy postsynaptických receptorů
Molekulární patologie nervové
soustavy
• nástup příznaků kolem 60 let, incidence 1 : 500
• chvění rukou, třes končetin, ztuhlost kloubů,
neschopnost ovlivnit pohyb
• eliminace dopaminergních neuronů (úbytek nervových
buněk produkujících dopamin v oblasti substantia nigra
pars compacta )  deficit dopaminu  podávání
prekursorů
Parkinsonova choroba
Příčiny:
• neurotoxiny, pesticidy, insekticidy, samotný dopamin, …
• genetická dispozice – mutace v genech:
 -synuclein – porucha tvorby dopaminových
veziklů
 parkin – poruchy v ubikvitinaci proteinů (blok
degradace/autofagie poškozených mitochondrií)
• oxidativní stres
• dysfunkce mitochondrií, která způsobuje zvýšení
hladiny reaktivních kyslíkových radikálů
Parkinsonova choroba
• jeden z typů stařecké demence
• 7-10% nad 60 let, 40% nad 80 let
• ztráta paměti (nejprve krátkodobá), dezorientace
(prostorová, časová), halucinace, upoutání na lůžko,
smrt
• histologická diagnostika post mortem:
senilní plaky (-amyloid) – extracelulárně
neurofibrilární vřeténka (hyperfosforylovaný tauprotein)
- intracelulárně
• komplexní onemocnění (genetické predispozice, vlivy
prostředí – např. hliník, věk)
Alzheimerova choroba
-amyloidní prekurzorový protein
(-APP)
• transmembránový protein nejasné funkce
• blízko N-konce je sekvence 42 aminokyselin nazývaná amyloidní βpeptid
- tento fragment vytváří proteinové agregáty nalézané v
mozcích pacientů s diagnózou Alzheimerova choroba
• tyto neuritické plaky se sporadicky vyskytují i u zdravých jedinců, u
pacientů s Alzheimerovou chorobou jsou přítomny ve velkém
množství
• „proteinové infekce“ ( prionopatie)
• posttranslační změna konformace proteinu (v
nervových buňkách)
• lidské:
• Gertsmann-Sträussler-Scheinkerův syndrom
(GSS) = kuru
• Creutzfeld-Jacobova choroba (CJD)
• variantní Creutzfeld-Jacobova choroba (vCJD)
• živočišné:
• scrapie (klusavka) – onemocnění ovcí
• bovinní spongiformní encefalopatie (BSE)
• felinní spongiformní encefalopatie (FSE)
Priony
a) standardní forma:
převaha -helixu, jen
asi 5% -skládaného
listu
b) patogenní forma:
zastoupení skládaného
listu asi
40%
Vznik prionů
• posttranslační změna konformace proteinu
• protein Prpc (gen PRNP na CH20)– standardní
membránový glykoprotein
• Prpc  Prpsc
Priony
1. mimořádná odolnost k fyzikálním vlivům
2. absolutní odolnost k degradaci
(odklízení vadných bílkovin)
3. schopnost konvertovat standardní
prionové proteiny
 hromadění masy propojených vadných
proteinů, které buňku zcela zaplní a zničí
• autoimunitní onemocnění, které ničí gliové buňky
vytvářející myelinovou pochvu; tím je narušeno vedení
vzruchu
• nemoc postihuje zejména mladé dospělé (od 20 do
40 let); výskyt je častější u žen (přibližně v poměru 2:1)
• prevalence: 2 až 150 pacientů na 100 000 obyvatel
Roztroušená skleróza
onemocnění jako
první popsal v roce
1868 Jean-Martin
Charcot