Mielin

Myelin er en unik formasjon, hvis organisering tillater at en elektrisk impuls ledes langs en nervefiber med minimalt energiforbruk. Myelin-skjeden er en svært organisert flerlagsstruktur som består av svært strukkede og modifiserte plasmamembraner fra Schwann-celler (i PNS) og oligodendrogliaceller (i CNS).

Vanninnholdet i myelin er omtrent 40 %. Et særegent trekk ved myelin sammenlignet med andre celler er at det inneholder i gjennomsnitt 70 % lipider og 30 % protein (basert på tørrvekt). De fleste biologiske membraner har et høyere protein-til-lipid-forhold.

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

CNS myelinlipider

Alle lipider som finnes i rottehjerne finnes også i myelin, dvs. det finnes ingen lipider lokalisert utelukkende i ikke-myeliniserte strukturer (med unntak av det spesifikke mitokondrielle lipidet difosfatidylglyserol). Det motsatte er også sant – det finnes ingen myelinlipider som ikke finnes i andre subcellulære fraksjoner av hjernen.

Cerebrosid er den vanligste komponenten i myelin. Bortsett fra i de tidligste utviklingsstadiene, er konsentrasjonen av cerebrosid i hjernen direkte proporsjonal med mengden myelin i den. Bare 1/5 av det totale galaktolipidinnholdet i myelin forekommer i sulfatert form. Cerebrosider og sulfatider spiller en viktig rolle i å sikre myelinets stabilitet.

Myelin er også preget av høye nivåer av sine viktigste lipider - kolesterol, totale galaktolipider og etanolaminholdig plasmalogen. Det er fastslått at opptil 70 % av hjernens kolesterol finnes i myelin. Siden nesten halvparten av hjernens hvite substans kan bestå av myelin, er det åpenbart at hjernen inneholder den største mengden kolesterol sammenlignet med andre organer. Den høye konsentrasjonen av kolesterol i hjernen, spesielt i myelin, bestemmes av hovedfunksjonen til nevronvevet - å generere og lede nerveimpulser. Det høye kolesterolinnholdet i myelin og den unike strukturen fører til en reduksjon i ionelekkasje gjennom nevronmembranen (på grunn av dens høye motstand).

Fosfatidylkolin er også en essensiell komponent i myelin, selv om sfingomyelin er tilstede i relativt små mengder.

Lipidsammensetningen av både grå og hvit substans i hjernen er markant forskjellig fra myelin. Sammensetningen av myelin i hjernen hos alle pattedyrarter som er studert er nesten identisk; det er bare mindre forskjeller (f.eks. har rottemyelin mindre sfingomyelin enn myelin fra storfe eller mennesker). Det er også noen variasjoner avhengig av myelinets plassering; for eksempel har myelin isolert fra ryggmargen et høyere lipid-til-protein-forhold enn myelin fra hjernen.

Myelin inneholder også polyfosfatidylinositoler, hvorav trifosfoinositid står for 4 til 6 % av det totale fosforet i myelin og difosfoinositid for 1 til 1,5 %. Mindre komponenter i myelin inkluderer minst tre cerebrosidestere og to glyserolbaserte lipider; noen langkjedede alkaner er også tilstede. Myelin hos pattedyr inneholder 0,1 til 0,3 % gangliosider. Myelin inneholder mer monosialogangliosid BM1 enn det som finnes i hjernemembraner. Myelin fra mange organismer, inkludert mennesker, inneholder et unikt gangliosid, sialosylgalaktosylceramid OM4.

Myelinlipider i PNS

Lipidene i myelin i det perifere og sentrale nervesystemet er kvalitativt like, men det er kvantitative forskjeller mellom dem. Myelin i PNS inneholder mindre cerebrosider og sulfatider og betydelig mer sfingomyelin enn myelin i CNS. Det er interessant å merke seg tilstedeværelsen av gangliosid OMR, som er karakteristisk for myelin i PNS hos noen organismer. Forskjeller i lipidsammensetningen av myelin i det sentrale og perifere nervesystemet er ikke like signifikante som forskjellene i proteinsammensetning.

CNS myelinproteiner

Proteinsammensetningen til myelin i sentralnervesystemet er enklere enn i andre hjernemembraner, og består hovedsakelig av proteolipider og basiske proteiner, som utgjør 60–80 % av totalen. Glykoproteiner er tilstede i mye mindre mengder. Myelin i sentralnervesystemet inneholder unike proteiner.

Myelinen i det menneskelige sentralnervesystemet er karakterisert ved den kvantitative forekomsten av to proteiner: det positivt ladede kationiske myelinproteinet (myelin basisk protein, MBP) og myelinproteolipidproteinet (myelinproteolipidprotein, PLP). Disse proteinene er hovedkomponentene i myelinen i sentralnervesystemet hos alle pattedyr.

Myelinproteolipid PLP (proteolipidprotein), også kjent som Folch-protein, har evnen til å løse seg opp i organiske løsningsmidler. Molekylvekten til PLP er omtrent 30 kDa (Da-dalton). Aminosyresekvensen er ekstremt konservativ, molekylet danner flere domener. PLP-molekylet inneholder tre fettsyrer, vanligvis palmitinsyre, oljesyre og stearinsyre, som er koblet til aminosyreradikaler via en esterbinding.

Myelin i sentralnervesystemet inneholder litt mindre mengder av et annet proteolipid, DM-20, oppkalt etter molekylvekten (20 kDa). Både DNA-analyse og primærstrukturoppklaring har vist at DM-20 dannes ved spalting av 35 aminosyrerester fra PLP-proteinet. DM-20 opptrer tidligere i utviklingen enn PLP (i noen tilfeller til og med før myelin opptrer); i tillegg til sin strukturelle rolle i myelindannelse, antas det å delta i oligodendrocyttdifferensiering.

I motsetning til ideen om at PLP er nødvendig for dannelsen av kompakt multilamellar myelin, forekommer myelindannelse i PLP/DM-20 knockout-mus med bare mindre avvik. Disse musene har imidlertid redusert levetid og svekket generell mobilitet. I motsetning til dette har naturlig forekommende mutasjoner i PLP, inkludert økt uttrykk (normal PLP-overuttrykk), alvorlige funksjonelle konsekvenser. Det bør bemerkes at betydelige mengder PLP- og DM-20-proteiner er tilstede i CNS, budbringer-RNAet for PLP er også tilstede i PNS, og en liten mengde av proteinet syntetiseres der, men blir ikke innlemmet i myelin.

Myelin kationisk protein (MCP) har tiltrukket seg forskeres oppmerksomhet på grunn av sin antigene natur – når det administreres til dyr, forårsaker det en autoimmun reaksjon, den såkalte eksperimentelle allergiske encefalomyelitten, som er en modell for en alvorlig nevrodegenerativ sykdom – multippel sklerose.

Aminosyresekvensen til MBP er svært konservert i mange organismer. MBP er lokalisert på den cytoplasmatiske siden av myelinmembraner. Det har en molekylvekt på 18,5 kDa og mangler tegn til tertiærstruktur. Dette hovedproteinet viser mikroheterogenitet under elektroforese under alkaliske forhold. De fleste pattedyrene som ble studert inneholdt forskjellige mengder MBP-isoformer som har en betydelig felles del av aminosyresekvensen. Molekylvekten til MBP hos mus og rotter er 14 kDa. Lavmolekylært MBP har de samme aminosyresekvensene ved N- og C-terminaldelene av molekylet som resten av MBP, men skiller seg ut i reduksjonen av omtrent 40 aminosyrerester. Forholdet mellom disse hovedproteinene endres under utvikling: modne rotter og mus har mer MBP med en molekylvekt på 14 kDa enn MBP med en molekylvekt på 18 kDa. To andre isoformer av MBP, som også finnes i mange organismer, har molekylmasser på henholdsvis 21,5 og 17 kDa. De dannes ved å legge til en polypeptidsekvens på omtrent 3 kDa til hovedstrukturen.

Elektroforetisk separasjon av myelinproteiner avslører proteiner med høyere molekylvekt. Mengden av disse avhenger av typen organisme. For eksempel kan mus og rotter inneholde opptil 30 % av den totale mengden slike proteiner. Innholdet av disse proteinene endres også avhengig av dyrets alder: jo yngre det er, desto mindre myelin i hjernen, men desto flere proteiner med høyere molekylvekt inneholder det.

Enzymet 2' 3'-syklisk nukleotid 3'-fosfodiesterase (CNP) står for flere prosent av det totale myelinproteininnholdet i CNS-celler. Dette er mye mer enn i andre celletyper. CNP-protein er ikke hovedkomponenten i kompakt myelin; det er kun konsentrert i visse områder av myelinskjeden assosiert med oligodendrocyttens cytoplasma. Proteinet er lokalisert i cytoplasmaet, men deler av det er assosiert med membrancytoskjelettet - F-aktin og tubulin. Den biologiske funksjonen til CNP kan være å regulere cytoskjelettstrukturen for å akselerere vekst- og differensieringsprosesser i oligodendrocytter.

Myelin-assosiert glykoprotein (MAG) er en mindre komponent av renset myelin, har en molekylvekt på 100 kDa og finnes i CNS i små mengder (mindre enn 1 % av det totale proteinet). MAG har et enkelt transmembrandomene som skiller den sterkt glykosylerte ekstracellulære delen av molekylet, som består av fem immunoglobulinlignende domener, fra det intracellulære domenet. Dens overordnede struktur ligner på neuronalt celleadhesjonsprotein (NCAM).

MAG finnes ikke i kompakt, multilamellært myelin, men befinner seg i de periaxonale membranene til oligodendrocytter som danner myelinlag. Husk at den periaxonale membranen til oligodendrocytten er nærmest plasmamembranen til aksonet, men likevel smelter ikke disse to membranene sammen, men er atskilt av et ekstracellulært gap. Denne egenskapen ved MAG-lokalisering, samt det faktum at dette proteinet tilhører immunoglobulinsuperfamilien, bekrefter dets deltakelse i prosessene for adhesjon og informasjonsoverføring (signalering) mellom axolemmaet og myelindannende oligodendrocytter under myelinisering. I tillegg er MAG en av komponentene i den hvite substansen i sentralnervesystemet, som hemmer nevrittvekst i vevskultur.

Av de andre glykoproteinene i hvit substans og myelin bør det mindre myelin-oligodendrocytiske glykoproteinet (MOG) bemerkes. MOG er et transmembranprotein som inneholder et enkelt immunoglobulinlignende domene. I motsetning til MAG, som er lokalisert i de indre lagene av myelin, er MOG lokalisert i overflatelagene, noe som gjør det mulig for det å delta i overføringen av ekstracellulær informasjon til oligodendrocytten.

Mindre mengder karakteristiske membranproteiner kan identifiseres ved polyakrylamidgelelektroforese (f.eks. tubulin). Høyoppløselig elektroforese avslører tilstedeværelsen av andre mindre proteinbånd; disse kan skyldes tilstedeværelsen av en rekke myelinskjedeenzymer.

Myelinproteiner i PNS

PNS-myelin inneholder noen unike proteiner, samt noen proteiner som har felles med myelinproteiner i CNS.

P0 er hovedproteinet i myelin i PNS, har en molekylvekt på 30 kDa og står for mer enn halvparten av myelinproteinene i PNS. Det er interessant å merke seg at selv om det skiller seg fra PLP i aminosyresekvens, posttranslasjonelle modifikasjonsveier og struktur, er begge proteinene like viktige for dannelsen av strukturen til myelin i CNS og PNS.

Innholdet av MBP i myelinen i PNS er 5–18 % av det totale proteinet, i motsetning til i CNS, hvor andelen når en tredjedel av det totale proteinet. De samme fire formene av MBP-proteinet med molekylvekter på henholdsvis 21, 18,5, 17 og 14 kDa, som finnes i myelinen i CNS, finnes også i PNS. Hos voksne gnagere er MBP med en molekylvekt på 14 kDa (i henhold til klassifiseringen av perifere myelinproteiner kalles det "Pr") den viktigste komponenten av alle kationiske proteiner. I myelinen i PNS er MBP med en molekylvekt på 18 kDa også tilstede (i dette tilfellet kalles det "protein P1"). Det skal bemerkes at betydningen av MBP-proteinfamilien ikke er like stor for myelinstrukturen i PNS som for CNS.

PNS myelin glykoproteiner

Kompakt myelin i PNS inneholder et 22 kDa glykoprotein kalt perifert myelinprotein 22 (PMP-22), som utgjør mindre enn 5 % av det totale proteininnholdet. PMP-22 har fire transmembrane domener og ett glykosylert domene. Dette proteinet spiller ikke en betydelig strukturell rolle. Imidlertid er abnormiteter i pmp-22-genet ansvarlige for noen arvelige nevropatologier hos mennesker.

For flere tiår siden trodde man at myelin dannet en inert kappe som ikke utførte noen biokjemiske funksjoner. Senere ble imidlertid et stort antall enzymer involvert i syntesen og metabolismen av myelinkomponenter oppdaget i myelin. En rekke enzymer som finnes i myelin er involvert i metabolismen av fosfoinositider: fosfatidylinositolkinase, difosfatidylinositolkinase, de tilsvarende fosfatasene og diglyseridkinasene. Disse enzymene er av interesse på grunn av den høye konsentrasjonen av polyfosfoinositider i myelin og deres raske metabolisme. Det finnes bevis for tilstedeværelsen av muskariniske kolinerge reseptorer, G-proteiner, fosfolipasene C og E, og proteinkinase C i myelin.

Na/K-ATPase, som transporterer monovalente kationer, og 6'-nukleotidase er funnet i myelinen i PNS. Tilstedeværelsen av disse enzymene antyder at myelin kan være aktivt involvert i aksonal transport.