Mielin

Myelin är en unik formation vars organisation gör att en elektrisk impuls kan ledas längs en nervfiber med minimal energiförbrukning. Myelinskidan är en välorganiserad flerskiktsstruktur som består av mycket uttänjda och modifierade plasmamembran från Schwann-celler (i PNS) och oligodendrogliala celler (i CNS).

Myelinets vattenhalt är cirka 40 %. Ett utmärkande drag för myelin jämfört med andra celler är att det innehåller i genomsnitt 70 % lipider och 30 % protein (baserat på torrvikt). De flesta biologiska membran har ett högre protein-till-lipid-förhållande.

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

CNS myelinlipider

Alla lipider som finns i råtthjärna finns också i myelin, dvs. det finns inga lipider lokaliserade uteslutande i icke-myeliniserade strukturer (förutom den specifika mitokondriella lipiden difosfatidylglycerol). Det motsatta gäller också - det finns inga myelinlipider som inte finns i andra subcellulära fraktioner av hjärnan.

Cerebrosid är den vanligaste komponenten i myelin. Förutom i de tidigaste utvecklingsstadierna är koncentrationen av cerebrosid i hjärnan direkt proportionell mot mängden myelin i den. Endast 1/5 av det totala galaktolipidinnehållet i myelin förekommer i sulfaterad form. Cerebrosider och sulfatider spelar en viktig roll för att säkerställa myelinets stabilitet.

Myelin kännetecknas också av höga halter av dess huvudsakliga lipider - kolesterol, totala galaktolipider och etanolamininnehållande plasmalogen. Det har fastställts att upp till 70 % av hjärnans kolesterol finns i myelin. Eftersom nästan hälften av hjärnans vita substans kan bestå av myelin är det uppenbart att hjärnan innehåller den största mängden kolesterol jämfört med andra organ. Den höga koncentrationen av kolesterol i hjärnan, särskilt i myelin, bestäms av neuronvävnadens huvudfunktion - att generera och leda nervimpulser. Det höga kolesterolinnehållet i myelin och dess unika struktur leder till en minskning av jonläckage genom neuronmembranet (på grund av dess höga resistans).

Fosfatidylkolin är också en viktig komponent i myelin, även om sfingomyelin finns i relativt små mängder.

Lipidsammansättningen av både grå och vit substans i hjärnan skiljer sig markant från myelinets. Sammansättningen av hjärnmyelin hos alla studerade däggdjursarter är nästan identisk; det finns endast mindre skillnader (t.ex. har råttmyelin mindre sfingomyelin än nötkreaturs- eller mänskligt myelin). Det finns också vissa variationer beroende på myelinets placering; till exempel har myelin isolerat från ryggmärgen ett högre lipid-till-protein-förhållande än myelin från hjärnan.

Myelin innehåller också polyfosfatidylinositoler, varav trifosfoinositid står för 4 till 6 % av den totala fosformängden i myelin och difosfoinositid för 1 till 1,5 %. Mindre komponenter i myelin inkluderar minst tre cerebrosidestrar och två glycerolbaserade lipider; vissa långkedjiga alkaner finns också. Däggdjursmyelin innehåller 0,1 till 0,3 % gangliosider. Myelin innehåller mer monosialogangliosid BM1 än vad som finns i hjärnmembran. Myelin från många organismer, inklusive människor, innehåller en unik gangliosid, sialosylgalaktosylceramid OM4.

Myelinlipider i PNS

Lipiderna i myelin i det perifera och centrala nervsystemet är kvalitativt lika, men det finns kvantitativa skillnader mellan dem. Myelin i PNS innehåller mindre cerebrosider och sulfatider och betydligt mer sfingomyelin än myelin i CNS. Det är intressant att notera närvaron av gangliosid OMR, vilket är karakteristiskt för myelin i PNS hos vissa organismer. Skillnader i lipidsammansättningen av myelin i det centrala och perifera nervsystemet är inte lika signifikanta som deras skillnader i proteinsammansättning.

CNS-myelinproteiner

Proteinsammansättningen av myelin i centrala nervsystemet är enklare än den hos andra hjärnmembran och representeras huvudsakligen av proteolipider och basiska proteiner, vilka utgör 60-80% av totalen. Glykoproteiner finns i mycket mindre mängder. Myelin i centrala nervsystemet innehåller unika proteiner.

Myelin i det mänskliga centrala nervsystemet kännetecknas av den kvantitativa förekomsten av två proteiner: det positivt laddade katjoniska myelinproteinet (myelinbasprotein, MBP) och myelinproteolipidproteinet (myelinproteolipidprotein, PLP). Dessa proteiner är huvudkomponenterna i myelin i centrala nervsystemet hos alla däggdjur.

Myelinproteolipiden PLP (proteolipidprotein), även känd som Folch-protein, har förmågan att lösas upp i organiska lösningsmedel. Molekylvikten för PLP är ungefär 30 kDa (Da-dalton). Dess aminosyrasekvens är extremt konservativ, molekylen bildar flera domäner. PLP-molekylen innehåller tre fettsyror, vanligtvis palmitinsyra, oljesyra och stearinsyra, kopplade till aminosyraradikaler via en esterbindning.

Myelin i centrala nervsystemet innehåller något mindre mängder av en annan proteolipid, DM-20, uppkallad efter sin molekylvikt (20 kDa). Både DNA-analys och primärstrukturberedning har visat att DM-20 bildas genom klyvning av 35 aminosyrarester från PLP-proteinet. DM-20 uppträder tidigare i utvecklingen än PLP (i vissa fall till och med innan myelin uppträder); förutom sin strukturella roll i myelinbildning tros det delta i oligodendrocytdifferentiering.

I motsats till idén att PLP är nödvändigt för bildandet av kompakt multilamellärt myelin, sker myelinbildning hos PLP/DM-20 knockout-möss med endast mindre avvikelser. Dessa möss har dock en reducerad livslängd och nedsatt generell rörlighet. Däremot har naturligt förekommande mutationer i PLP, inklusive dess ökade uttryck (normal PLP-överuttryck), allvarliga funktionella konsekvenser. Det bör noteras att betydande mängder PLP- och DM-20-proteiner finns i CNS, budbärar-RNA för PLP finns också i PNS, och en liten mängd av proteinet syntetiseras där men inkorporeras inte i myelin.

Myelin katjoniskt protein (MCP) har uppmärksammats av forskare på grund av sin antigena natur – när det administreras till djur orsakar det en autoimmun reaktion, den så kallade experimentella allergiska encefalomyeliten, som är en modell för en allvarlig neurodegenerativ sjukdom – multipel skleros.

Aminosyrasekvensen för MBP är mycket konserverad i många organismer. MBP är beläget på den cytoplasmatiska sidan av myelinmembran. Det har en molekylvikt på 18,5 kDa och saknar tecken på tertiär struktur. Detta huvudprotein uppvisar mikroheterogenitet under elektrofores under alkaliska förhållanden. De flesta av de studerade däggdjuren innehöll olika mängder MBP-isoformer som har en betydande gemensam del av aminosyrasekvensen. Molekylvikten för MBP hos möss och råttor är 14 kDa. Lågmolekylärt MBP har samma aminosyrasekvenser vid N- och C-terminala delarna av molekylen som resten av MBP, men skiljer sig åt i reduktionen av cirka 40 aminosyrarester. Förhållandet mellan dessa huvudproteiner förändras under utvecklingen: mogna råttor och möss har mer MBP med en molekylvikt på 14 kDa än MBP med en molekylvikt på 18 kDa. Två andra isoformer av MBP, som också finns i många organismer, har molekylmassor på 21,5 respektive 17 kDa. De bildas genom tillsats av en polypeptidsekvens på cirka 3 kDa till huvudstrukturen.

Elektroforetisk separation av myelinproteiner avslöjar proteiner med högre molekylvikt. Deras mängd beror på typen av organism. Till exempel kan möss och råttor innehålla upp till 30 % av den totala mängden sådana proteiner. Halten av dessa proteiner varierar också beroende på djurets ålder: ju yngre det är, desto mindre myelin i hjärnan, men desto fler proteiner med högre molekylvikt innehåller det.

Enzymet 2' 3'-cyklisk nukleotid 3'-fosfodiesteras (CNP) står för flera procent av det totala myelinproteininnehållet i CNS-celler. Detta är mycket mer än i andra celltyper. CNP-protein är inte huvudkomponenten i kompakt myelin; det är koncentrerat endast i vissa områden av myelinskidan associerade med oligodendrocyternas cytoplasma. Proteinet är lokaliserat i cytoplasman, men en del av det är associerat med membranets cytoskelett - F-aktin och tubulin. CNP:s biologiska funktion kan vara att reglera cytoskelettstrukturen för att accelerera tillväxt- och differentieringsprocesser i oligodendrocyter.

Myelinassocierat glykoprotein (MAG) är en mindre komponent av renat myelin, har en molekylvikt på 100 kDa och finns i CNS i små mängder (mindre än 1 % av det totala proteinet). MAG har en enda transmembrandomän som separerar den högglykosylerade extracellulära delen av molekylen, bestående av fem immunoglobulinliknande domäner, från den intracellulära domänen. Dess övergripande struktur liknar neuronalt celladhesionsprotein (NCAM).

MAG finns inte i kompakt, multilamellärt myelin, utan är beläget i de periaxonala membranen hos oligodendrocyter som bildar myelinlager. Kom ihåg att oligodendrocytens periaxonala membran är närmast axonets plasmamembran, men dessa två membran går ändå inte samman utan är separerade av ett extracellulärt gap. Denna egenskap hos MAG-lokaliseringen, liksom det faktum att detta protein tillhör immunoglobulinsuperfamiljen, bekräftar dess deltagande i processerna för adhesion och informationsöverföring (signalering) mellan axolemma och myelinbildande oligodendrocyter under myelinisering. Dessutom är MAG en av komponenterna i den vita substansen i centrala nervsystemet, vilket hämmar neurittillväxt i vävnadskultur.

Av de andra glykoproteinerna i vit substans och myelin bör det mindre myelin-oligodendrocytiska glykoproteinet (MOG) noteras. MOG är ett transmembranprotein som innehåller en enda immunoglobulinliknande domän. Till skillnad från MAG, som är belägen i myelinets inre lager, är MOG lokaliserat i dess ytlager, vilket gör att det kan delta i överföringen av extracellulär information till oligodendrocyten.

Mindre mängder av karakteristiska membranproteiner kan identifieras med polyakrylamidgelelektrofores (t.ex. tubulin). Högupplöst elektrofores avslöjar närvaron av andra mindre proteinband; dessa kan bero på närvaron av ett antal myelinskidsenzymer.

Myelinproteiner i PNS

PNS-myelin innehåller några unika proteiner samt några proteiner som är gemensamma med CNS-myelinproteiner.

P0 är det huvudsakliga proteinet i PNS-myelin, har en molekylvikt på 30 kDa och står för mer än hälften av PNS-myelinproteinerna. Det är intressant att notera att även om det skiljer sig från PLP i aminosyrasekvens, posttranslationella modifieringsvägar och struktur, är båda proteinerna lika viktiga för bildandet av strukturen hos CNS- och PNS-myelin.

MBP-halten i myelinen i PNS är 5–18 % av det totala proteinet, till skillnad från i CNS, där dess andel når en tredjedel av det totala proteinet. Samma fyra former av MBP-proteinet med molekylvikter på 21, 18,5, 17 respektive 14 kDa, som finns i myelinen i CNS, finns också i PNS. Hos vuxna gnagare är MBP med en molekylvikt på 14 kDa (enligt klassificeringen av perifera myelinproteiner kallas det "Pr") den viktigaste komponenten av alla katjoniska proteiner. I myelinen i PNS finns även MBP med en molekylvikt på 18 kDa (i detta fall kallas det "protein P1"). Det bör noteras att MBP-proteinfamiljens betydelse inte är lika stor för myelinstrukturen i PNS som för CNS.

PNS myelin glykoproteiner

Kompakt myelin i PNS innehåller ett 22 kDa glykoprotein som kallas perifert myelinprotein 22 (PMP-22), vilket står för mindre än 5 % av det totala proteininnehållet. PMP-22 har fyra transmembrandomäner och en glykosylerad domän. Detta protein spelar ingen signifikant strukturell roll. Emellertid är avvikelser i pmp-22-genen ansvariga för vissa ärftliga mänskliga neuropatologier.

För flera decennier sedan trodde man att myelin bildade en inert mantel som inte utförde några biokemiska funktioner. Senare upptäcktes dock ett stort antal enzymer involverade i syntesen och metabolismen av myelinkomponenter i myelin. Ett antal enzymer som finns i myelin är involverade i metabolismen av fosfoinositider: fosfatidylinositolkinas, difosfatidylinositolkinas, motsvarande fosfataser och diglyceridkinaser. Dessa enzymer är av intresse på grund av den höga koncentrationen av polyfosfoinositider i myelin och deras snabba metabolism. Det finns bevis för närvaron av muskarina kolinerga receptorer, G-proteiner, fosfolipaserna C och E, och proteinkinas C i myelin.

Na/K-ATPas, som transporterar monovalenta katjoner, och 6'-nukleotidas har hittats i myelin i PNS. Närvaron av dessa enzymer tyder på att myelin kan vara aktivt involverat i axonal transport.