Mielin

Myeliini on ainutlaatuinen muodostuma, jonka organisaatio mahdollistaa sähköisen impulssin kulkemisen hermokuitua pitkin minimaalisella energiankulutuksella. Myeliinituppi on erittäin organisoitunut monikerroksinen rakenne, joka koostuu Schwannin (pään hermostossa) ja oligodendrogliaalisolujen (keskushermostossa) erittäin venytetyistä ja muunnelluista plasmamembraaneista.

Myeliinin vesipitoisuus on noin 40 %. Myeliinin erottuva ominaisuus verrattuna muihin soluihin on, että se sisältää keskimäärin 70 % lipidejä ja 30 % proteiinia (kuivapainosta laskettuna). Useimmilla biologisilla kalvoilla on korkeampi proteiini-lipidisuhde.

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

Keskushermoston myeliinilipidit

Kaikki rotan aivoissa esiintyvät lipidit esiintyvät myös myeliinissä, eli ei ole olemassa lipidejä, jotka sijaitsivat yksinomaan myeliinittömässä osassa rakenteita (lukuun ottamatta spesifistä mitokondriaalista lipidi difosfatidyyliglyserolia). Myös päinvastoin on totta – ei ole olemassa myeliinilipidejä, joita ei esiintyisi aivojen muissa solunsisäisissä osissa.

Serebrosidi on myeliinin yleisin komponentti. Kehityksen varhaisimpia vaiheita lukuun ottamatta serebrosidin pitoisuus aivoissa on suoraan verrannollinen myeliinin määrään aivoissa. Vain 1/5 myeliinin galaktolipidien kokonaismäärästä esiintyy sulfatoituneessa muodossa. Serebrosideilla ja sulfatideilla on tärkeä rooli myeliinin vakauden varmistamisessa.

Myeliinille on ominaista myös sen tärkeimpien lipidien - kolesterolin, kokonaisgalaktolipidien ja etanoliamiinia sisältävän plasmalogeenin - korkeat pitoisuudet. On todettu, että jopa 70 % aivojen kolesterolista löytyy myeliinistä. Koska lähes puolet aivojen valkeasta aineesta voi koostua myeliinistä, on ilmeistä, että aivoissa on eniten kolesterolia verrattuna muihin elimiin. Aivojen, erityisesti myeliinin, korkea kolesterolipitoisuus määräytyy hermosolukudoksen päätehtävän - hermoimpulssien tuottamisen ja johtamisen - vuoksi. Myeliinin korkea kolesterolipitoisuus ja sen rakenteen ainutlaatuisuus johtavat ionien vuotamisen vähenemiseen hermosolukalvon läpi (sen korkean resistanssin vuoksi).

Fosfatidyylikoliini on myös myeliinin välttämätön osa, vaikka sfingomyeliiniä on läsnä suhteellisen pieniä määriä.

Sekä aivojen harmaan että valkean aineen lipidikoostumus eroaa merkittävästi myeliinin koostumuksesta. Kaikkien tutkittujen nisäkäslajien aivojen myeliinin koostumus on lähes identtinen; eroja on vain pieniä (esim. rotan myeliinissä on vähemmän sfingomyeliiniä kuin naudan tai ihmisen myeliinissä). Myeliinin sijainnista riippuen on myös joitakin vaihteluita; esimerkiksi selkäytimestä eristetyllä myeliinillä on korkeampi lipidi-proteiini-suhde kuin aivoista eristetyllä myeliinillä.

Myeliini sisältää myös polyfosfatidyyli-inositoleja, joista trifosfoinositidi muodostaa 4–6 % myeliinin kokonaisfosforista ja difosfoinositidi 1–1,5 %. Myeliinin pienempiin komponentteihin kuuluu ainakin kolme serebrosidiesteriä ja kaksi glyserolipohjaista lipidiä; läsnä on myös joitakin pitkäketjuisia alkaaneja. Nisäkkäiden myeliini sisältää 0,1–0,3 % gangliosideja. Myeliini sisältää enemmän monosialogangliosidia BM1 kuin aivokalvoissa. Monien organismien, myös ihmisten, myeliini sisältää ainutlaatuisen gangliosidin, sialosyyligalaktosyylikeramidin OM4.

PNS:n myeliinilipidit

Keskushermoston ja perifeerisen hermoston myeliinin lipidit ovat laadullisesti samankaltaisia, mutta niiden välillä on määrällisiä eroja. Perifeerisen hermoston myeliini sisältää vähemmän cerebrosideja ja sulfatideja ja huomattavasti enemmän sfingomyeliiniä kuin keskushermoston myeliini. On mielenkiintoista huomata gangliosidi-OMR:n läsnäolo, joka on tyypillistä joidenkin organismien perifeerisen hermoston myeliinille. Keskushermoston ja perifeerisen hermoston myeliinin lipidikoostumuksen erot eivät ole yhtä merkittäviä kuin niiden proteiinikoostumuksen erot.

Keskushermoston myeliiniproteiinit

Keskushermoston myeliinin proteiinikoostumus on yksinkertaisempi kuin muiden aivokalvojen, ja sitä edustavat pääasiassa proteolipidit ja emäksiset proteiinit, jotka muodostavat 60–80 % kokonaismäärästä. Glykoproteiineja on läsnä paljon pienempiä määriä. Keskushermoston myeliini sisältää ainutlaatuisia proteiineja.

Ihmisen keskushermoston myeliinille on ominaista kahden proteiinin määrällinen esiintyvyys: positiivisesti varautunut kationinen myeliiniproteiini (myeliinin perusproteiini, MBP) ja myeliinin proteolipidiproteiini (myeliinin proteolipidiproteiini, PLP). Nämä proteiinit ovat kaikkien nisäkkäiden keskushermoston myeliinin pääkomponentteja.

Myeliiniproteolipidi PLP (proteolipidiproteiini), joka tunnetaan myös nimellä Folch-proteiini, liukenee hyvin orgaanisiin liuottimiin. PLP:n molekyylipaino on noin 30 kDa (Da - dalton). Sen aminohapposekvenssi on erittäin konservatiivinen, molekyyli muodostaa useita domeeneja. PLP-molekyyli sisältää kolme rasvahappoa, yleensä palmitiini-, öljy- ja steariinihappoja, jotka ovat liittyneet aminohapporadikaaleihin esterisidoksella.

Keskushermoston myeliini sisältää hieman pienempiä määriä toista proteolipidiä, DM-20:tä, joka on nimetty molekyylipainonsa (20 kDa) mukaan. Sekä DNA-analyysi että primaarirakenteen selvittäminen ovat osoittaneet, että DM-20 muodostuu, kun PLP-proteiinista pilkkoutuu 35 aminohappotähtettä. DM-20 ilmenee kehityksessä aikaisemmin kuin PLP (joissakin tapauksissa jopa ennen myeliinin ilmestymistä); myeliinin muodostumisessa tapahtuvan rakenteellisen roolinsa lisäksi sen uskotaan osallistuvan oligodendrosyyttien erilaistumiseen.

Toisin kuin ajatus, että PLP on välttämätön kompaktin monilamellaarisen myeliinin muodostumiselle, myeliinin muodostuminen PLP/DM-20-poistogeenisillä hiirillä tapahtuu vain pienin poikkeamin. Näiden hiirten elinikä on kuitenkin lyhyempi ja yleinen liikkuvuus heikentynyt. Sitä vastoin luonnossa esiintyvillä PLP:n mutaatioilla, mukaan lukien sen lisääntynyt ilmentyminen (normaali PLP:n yli-ilmentyminen), on vakavia toiminnallisia seurauksia. On huomattava, että merkittäviä määriä PLP- ja DM-20-proteiineja on läsnä keskushermostossa, PLP:n lähetti-RNA:ta on myös läsnä perifeerisessä hermostossa, ja pieni määrä proteiinia syntetisoidaan siellä, mutta sitä ei sisällytetä myeliiniin.

Myeliinin kationinen proteiini (MCP) on herättänyt tutkijoiden huomion antigeenisen luonteensa vuoksi – eläimille annettuna se aiheuttaa autoimmuunireaktion, niin kutsutun kokeellisen allergisen enkefalomyeliitin, joka on malli vakavasta neurodegeneratiivisesta sairaudesta – multippeliskleroosista.

MBP:n aminohapposekvenssi on monissa organismeissa hyvin konservoitunut. MBP sijaitsee myeliinikalvojen sytoplasman puolella. Sen molekyylipaino on 18,5 kDa eikä sillä ole merkkejä tertiäärisestä rakenteesta. Tämä pääproteiini osoittaa mikroheterogeenisyyttä elektroforeesin aikana emäksisissä olosuhteissa. Useimmilla tutkituilla nisäkkäillä oli eri määriä MBP-isoformeja, joilla on merkittävä yhteinen osa aminohapposekvenssistä. MBP:n molekyylipaino hiirillä ja rotilla on 14 kDa. Pienimolekyylipainoisella MBP:llä on samat aminohapposekvenssit molekyylin N- ja C-terminaalisissa osissa kuin muulla MBP:llä, mutta eroaa noin 40 aminohappotähteen vähenemisessä. Näiden pääproteiinien suhde muuttuu kehityksen aikana: täysikasvuisilla rotilla ja hiirillä on enemmän 14 kDa:n molekyylipainoista MBP:tä kuin 18 kDa:n molekyylipainoista MBP:tä. Kahdella muulla MBP:n isoformilla, joita myös esiintyy monissa organismeissa, on molekyylimassat vastaavasti 21,5 ja 17 kDa. Ne muodostuvat, kun noin 3 kDa:n polypeptidisekvenssi lisätään päärakenteeseen.

Myeliiniproteiinien elektroforeettinen erottelu paljastaa suurempimolekyylipainoisia proteiineja. Niiden määrä riippuu organismin tyypistä. Esimerkiksi hiirillä ja rotilla voi olla jopa 30 % tällaisia proteiineja kokonaismäärästä. Näiden proteiinien pitoisuus vaihtelee myös eläimen iän mukaan: mitä nuorempi se on, sitä vähemmän myeliiniä sen aivoissa on, mutta sitä enemmän se sisältää suurempimolekyylipainoisia proteiineja.

Entsyymi 2' 3'-syklinen nukleotidi 3'-fosfodiesteraasi (CNP) muodostaa useita prosentteja keskushermostosolujen myeliiniproteiinin kokonaismäärästä. Tämä on paljon enemmän kuin muissa solutyypeissä. CNP-proteiini ei ole kompaktin myeliinin pääkomponentti; se on keskittynyt vain tietyille myeliinitupen alueille, jotka liittyvät oligodendrosyyttien sytoplasmaan. Proteiini lokalisoituu sytoplasmaan, mutta osa siitä on liittynyt kalvon sytoskeletoniin - F-aktiiniin ja tubuliiniin. CNP:n biologinen tehtävä voi olla sytoskeletonin rakenteen säätely kasvu- ja erilaistumisprosessien nopeuttamiseksi oligodendrosyyteissä.

Myeliiniin liittyvä glykoproteiini (MAG) on puhdistetun myeliinin vähäinen osa, sen molekyylipaino on 100 kDa ja sitä esiintyy keskushermostossa pieniä määriä (alle 1 % proteiinin kokonaismäärästä). MAGilla on yksi transmembraaninen domeeni, joka erottaa molekyylin erittäin glykosyloituneen solunulkoisen osan, joka koostuu viidestä immunoglobuliinin kaltaisesta domeenista, solunsisäisestä domeenista. Sen yleinen rakenne on samanlainen kuin hermosolujen adheesioproteiinin (NCAM).

MAGia ei esiinny kompaktissa, monilamellaarisessa myeliinissä, vaan se sijaitsee myeliinikerroksia muodostavien oligodendrosyyttien periaksonaalisissa kalvoissa. On syytä muistaa, että oligodendrosyytin periaksonaalinen kalvo on lähimpänä aksonin plasmakalvoa, mutta nämä kaksi kalvoa eivät kuitenkaan yhdisty, vaan ne on erotettu toisistaan solunulkoisella raolla. Tämä MAGin lokalisaation piirre sekä se, että tämä proteiini kuuluu immunoglobuliinien superperheeseen, vahvistaa sen osallistumisen adheesioprosesseihin ja tiedonsiirtoon (signalointiin) aksolemman ja myeliiniä muodostavien oligodendrosyyttien välillä myeliinin muodostumisen aikana. Lisäksi MAG on yksi keskushermoston valkean aineen komponenteista, joka estää neuriittien kasvua kudosviljelmässä.

Muista valkean aineen ja myeliinin glykoproteiineista on huomattava myeliini-oligodendrosyyttiglykoproteiini (MOG). MOG on transmembraaninen proteiini, joka sisältää yhden immunoglobuliinin kaltaisen domeenin. Toisin kuin MAG, joka sijaitsee myeliinin sisäkerroksissa, MOG sijaitsee sen pintakerroksissa, minkä ansiosta se voi osallistua solunulkoisen tiedon välittämiseen oligodendrosyytille.

Pieniä määriä tyypillisiä kalvoproteiineja voidaan tunnistaa polyakryyliamidigeelielektroforeesilla (esim. tubuliini). Korkean resoluution elektroforeesi paljastaa muiden vähäisempien proteiinijuovien läsnäolon; nämä voivat johtua useiden myeliinitupen entsyymien läsnäolosta.

PNS:n myeliiniproteiinit

PNS-myeliini sisältää joitakin ainutlaatuisia proteiineja sekä joitakin proteiineja, jotka ovat yhteisiä keskushermoston myeliiniproteiinien kanssa.

P0 on perifeerisen hermoston myeliinin pääproteiini, jonka molekyylipaino on 30 kDa ja joka muodostaa yli puolet perifeerisen hermoston myeliiniproteiineista. On mielenkiintoista huomata, että vaikka se eroaa PLP:stä aminohapposekvenssin, translaation jälkeisten modifikaatioreittien ja rakenteen osalta, molemmat proteiinit ovat yhtä tärkeitä keskushermoston ja perifeerisen hermoston myeliinin rakenteen muodostumiselle.

Perifeerisen hermoston myeliinissä MBP:n osuus on 5–18 % proteiinin kokonaismäärästä, toisin kuin keskushermostossa, jossa sen osuus on jopa kolmannes proteiinin kokonaismäärästä. Samat neljä MBP-proteiinin muotoa, jotka esiintyvät keskushermoston myeliinissä, esiintyvät myös perifeerisen hermoston myeliinissä. Aikuisilla jyrsijöillä 14 kDa:n molekyylipainoinen MBP (perifeeristen myeliiniproteiinien luokituksen mukaan sitä kutsutaan nimellä "Pr") on merkittävin komponentti kaikista kationisista proteiineista. Perifeerisen hermoston myeliinissä on myös 18 kDa:n molekyylipainoinen MBP (tässä tapauksessa sitä kutsutaan "proteiini P1"). On huomattava, että MBP-proteiiniperheen merkitys ei ole yhtä suuri perifeerisen hermoston myeliinin rakenteelle kuin keskushermostolle.

PNS-myeliinin glykoproteiinit

Perifeerisen hermoston kompakti myeliini sisältää 22 kDa:n glykoproteiinia, jota kutsutaan perifeeriseksi myeliiniproteiiniksi 22 (PMP-22), ja joka muodostaa alle 5 % proteiinin kokonaismäärästä. PMP-22:lla on neljä transmembraanista domeenia ja yksi glykosyloitunut domeeni. Tällä proteiinilla ei ole merkittävää rakenteellista roolia. pmp-22-geenin poikkeavuudet ovat kuitenkin vastuussa joistakin perinnöllisistä ihmisen neuropatologioista.

Muutama vuosikymmen sitten uskottiin, että myeliini muodostaa inertin vaipan, jolla ei ole mitään biokemiallisia toimintoja. Myöhemmin myeliinistä löydettiin kuitenkin suuri määrä entsyymejä, jotka osallistuvat myeliinin komponenttien synteesiin ja metaboliaan. Useat myeliinissä olevat entsyymit osallistuvat fosfoinositidien metaboliaan: fosfatidyyli-inositolikinaasi, difosfatidyyli-inositolikinaasi, vastaavat fosfataasit ja diglyseridikinaasit. Nämä entsyymit ovat kiinnostavia myeliinissä olevien polyfosfoinositidien suuren pitoisuuden ja niiden nopean metabolian vuoksi. On näyttöä muskariinikolinergisten reseptorien, G-proteiinien, fosfolipaasien C ja E sekä proteiinikinaasi C:n esiintymisestä myeliinissä.

Perifeerisen hermoston myeliinistä on löydetty Na/K-ATPaasia, joka kuljettaa yksiarvoisia kationeja, ja 6'-nukleotidaasia. Näiden entsyymien läsnäolo viittaa siihen, että myeliini saattaa olla aktiivisesti mukana aksonien kuljetuksessa.