Mielin

Myelin er en unik formation, hvis organisering tillader, at en elektrisk impuls kan ledes langs en nervefiber med minimalt energiforbrug. Myelinskeden er en velorganiseret flerlagsstruktur bestående af stærkt strakte og modificerede plasmamembraner af Schwann-celler (i PNS) og oligodendrogliale celler (i CNS).

Myelin har et vandindhold på omkring 40 %. Et karakteristisk træk ved myelin sammenlignet med andre celler er, at det i gennemsnit indeholder 70 % lipider og 30 % protein (baseret på tørvægt). De fleste biologiske membraner har et højere protein-lipid-forhold.

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

CNS myelinlipider

Alle lipider, der findes i rottehjerne, findes også i myelin, dvs. der er ingen lipider lokaliseret udelukkende i ikke-myeliniserede strukturer (bortset fra det specifikke mitokondrielle lipid diphosphatidylglycerol). Det modsatte er også tilfældet - der er ingen myelinlipider, der ikke findes i andre subcellulære fraktioner af hjernen.

Cerebrosid er den mest almindelige komponent i myelin. Bortset fra i de tidligste udviklingsstadier er koncentrationen af cerebrosid i hjernen direkte proportional med mængden af myelin i den. Kun 1/5 af det samlede galactolipidindhold i myelin forekommer i sulfateret form. Cerebrosider og sulfatider spiller en vigtig rolle i at sikre myelins stabilitet.

Myelin er også karakteriseret ved høje niveauer af dets vigtigste lipider - kolesterol, totale galaktolipider og ethanolaminholdigt plasmalogen. Det er blevet fastslået, at op til 70% af hjernens kolesterol findes i myelin. Da næsten halvdelen af hjernens hvide substans kan bestå af myelin, er det indlysende, at hjernen indeholder den største mængde kolesterol sammenlignet med andre organer. Den høje koncentration af kolesterol i hjernen, især i myelin, bestemmes af neuronvævets hovedfunktion - at generere og lede nerveimpulser. Det høje kolesterolindhold i myelin og den unikke struktur fører til et fald i ionlækage gennem neuronmembranen (på grund af dens høje modstand).

Fosfatidylcholin er også en essentiel bestanddel af myelin, selvom sphingomyelin er til stede i relativt små mængder.

Lipidsammensætningen af både grå og hvid substans i hjernen adskiller sig markant fra myelinens. Sammensætningen af hjernemyelin hos alle undersøgte pattedyrarter er næsten identisk; der er kun mindre forskelle (f.eks. har rottemyelin mindre sphingomyelin end bovint eller humant myelin). Der er også nogle variationer afhængigt af myelinens placering; for eksempel har myelin isoleret fra rygmarven et højere lipid-til-protein-forhold end myelin fra hjernen.

Myelin indeholder også polyphosphatidylinositoler, hvoraf triphosphoinositid tegner sig for 4 til 6% af det samlede fosfor i myelin og diphosphoinositid for 1 til 1,5%. Mindre komponenter i myelin omfatter mindst tre cerebrosidestere og to glycerolbaserede lipider; nogle langkædede alkaner er også til stede. Pattedyrsmyelin indeholder 0,1 til 0,3% gangliosider. Myelin indeholder mere monosialogangliosid BM1 end der findes i hjernemembraner. Myelin fra mange organismer, herunder mennesker, indeholder et unikt gangliosid, sialosylgalactosylceramid OM4.

Myelinlipider i PNS

Lipiderne i myelin i det perifere og centrale nervesystem er kvalitativt ens, men der er kvantitative forskelle mellem dem. Myelin i PNS indeholder færre cerebrosider og sulfatider og betydeligt mere sphingomyelin end myelin i CNS. Det er interessant at bemærke tilstedeværelsen af gangliosid OMR, som er karakteristisk for myelin i PNS hos nogle organismer. Forskelle i lipidsammensætningen af myelin i det centrale og perifere nervesystem er ikke så signifikante som deres forskelle i proteinsammensætning.

CNS myelinproteiner

Proteinsammensætningen af CNS-myelin er enklere end andre hjernemembraners og er hovedsageligt repræsenteret af proteolipider og basiske proteiner, som udgør 60-80% af det samlede antal. Glykoproteiner er til stede i meget mindre mængder. Myelin i centralnervesystemet indeholder unikke proteiner.

Myelinen i det menneskelige centralnervesystem er karakteriseret ved den kvantitative forekomst af to proteiner: det positivt ladede kationiske myelinprotein (myelin basisk protein, MBP) og myelinproteolipidproteinet (myelin proteolipidprotein, PLP). Disse proteiner er hovedkomponenterne i myelinen i centralnervesystemet hos alle pattedyr.

Myelinproteolipid PLP (proteolipidprotein), også kendt som Folch-protein, har evnen til at opløses i organiske opløsningsmidler. Molekylvægten af PLP er cirka 30 kDa (Da-dalton). Dens aminosyresekvens er ekstremt konservativ, molekylet danner flere domæner. PLP-molekylet omfatter tre fedtsyrer, normalt palmitinsyre, oliesyre og stearinsyre, forbundet med aminosyreradikaler via en esterbinding.

CNS-myelin indeholder lidt mindre mængder af et andet proteolipid, DM-20, opkaldt efter dets molekylvægt (20 kDa). Både DNA-analyse og opklaring af den primære struktur har vist, at DM-20 dannes ved spaltning af 35 aminosyrerester fra PLP-proteinet. DM-20 optræder tidligere i udviklingen end PLP (i nogle tilfælde endda før myelin optræder); udover dets strukturelle rolle i myelindannelse menes det at deltage i oligodendrocytdifferentiering.

I modsætning til ideen om, at PLP er nødvendig for dannelsen af kompakt multilamellar myelin, forekommer myelindannelse i PLP/DM-20 knockout-mus kun med mindre afvigelser. Disse mus har dog en reduceret levetid og nedsat generel mobilitet. I modsætning hertil har naturligt forekommende mutationer i PLP, herunder dens øgede ekspression (normal PLP-overekspression), alvorlige funktionelle konsekvenser. Det skal bemærkes, at betydelige mængder PLP- og DM-20-proteiner er til stede i CNS, messenger-RNA'et for PLP er også til stede i PNS, og en lille mængde af proteinet syntetiseres der, men inkorporeres ikke i myelin.

Myelin kationisk protein (MCP) har tiltrukket sig forskeres opmærksomhed på grund af dets antigene natur - når det administreres til dyr, forårsager det en autoimmun reaktion, den såkaldte eksperimentelle allergiske encephalomyelitis, som er en model for en alvorlig neurodegenerativ sygdom - multipel sklerose.

Aminosyresekvensen af MBP er stærkt bevaret i mange organismer. MBP er placeret på den cytoplasmatiske side af myelinmembraner. Det har en molekylvægt på 18,5 kDa og mangler tegn på tertiær struktur. Dette hovedprotein udviser mikroheterogenitet under elektroforese under alkaliske forhold. De fleste af de undersøgte pattedyr indeholdt forskellige mængder af MBP-isoformer, der har en betydelig fælles del af aminosyresekvensen. Molekylvægten af MBP hos mus og rotter er 14 kDa. Lavmolekylært MBP har de samme aminosyresekvenser ved N- og C-terminale dele af molekylet som resten af MBP, men adskiller sig ved reduktionen af omkring 40 aminosyrerester. Forholdet mellem disse hovedproteiner ændrer sig under udviklingen: modne rotter og mus har mere MBP med en molekylvægt på 14 kDa end MBP med en molekylvægt på 18 kDa. To andre isoformer af MBP, der også findes i mange organismer, har molekylmasser på henholdsvis 21,5 og 17 kDa. De dannes ved tilsætning af en polypeptidsekvens på omkring 3 kDa til hovedstrukturen.

Elektroforetisk separation af myelinproteiner afslører proteiner med højere molekylvægt. Deres mængde afhænger af typen af organisme. For eksempel kan mus og rotter indeholde op til 30% af sådanne proteiner ud af den samlede mængde. Indholdet af disse proteiner ændrer sig også afhængigt af dyrets alder: jo yngre det er, jo mindre myelin i dets hjerne, men jo flere proteiner med højere molekylvægt indeholder det.

Enzymet 2' 3'-cyklisk nukleotid 3'-phosphodiesterase (CNP) tegner sig for flere procent af det samlede myelinproteinindhold i CNS-celler. Dette er meget mere end i andre celletyper. CNP-protein er ikke hovedkomponenten i kompakt myelin; det er kun koncentreret i visse områder af myelinskeden, der er forbundet med oligodendrocytternes cytoplasma. Proteinet er lokaliseret i cytoplasmaet, men en del af det er forbundet med membrancytoskelettet - F-actin og tubulin. CNP's biologiske funktion kan være at regulere cytoskelettets struktur for at accelerere vækst- og differentieringsprocesser i oligodendrocytter.

Myelin-associeret glykoprotein (MAG) er en mindre komponent af oprenset myelin, har en molekylvægt på 100 kDa og findes i CNS i små mængder (mindre end 1% af det samlede protein). MAG har et enkelt transmembrant domæne, der adskiller den højt glycosylerede ekstracellulære del af molekylet, der består af fem immunoglobulinlignende domæner, fra det intracellulære domæne. Dets overordnede struktur ligner neuronalt celleadhæsionsprotein (NCAM).

MAG findes ikke i kompakt, multilamellært myelin, men er placeret i de periaxonale membraner i oligodendrocytter, der danner myelinlag. Husk, at oligodendrocyttens periaxonale membran er tættest på axonets plasmamembran, men ikke desto mindre smelter disse to membraner ikke sammen, men er adskilt af et ekstracellulært mellemrum. Dette træk ved MAG-lokalisering, såvel som det faktum, at dette protein tilhører immunoglobulin-superfamilien, bekræfter dets deltagelse i processerne for adhæsion og informationsoverførsel (signalering) mellem axolemmaet og myelin-dannende oligodendrocytter under myelinisering. Derudover er MAG en af komponenterne i den hvide substans i centralnervesystemet, som hæmmer neuritvækst i vævskultur.

Af de andre glykoproteiner i hvid substans og myelin bør det mindre myelin-oligodendrocytiske glykoprotein (MOG) bemærkes. MOG er et transmembranprotein, der indeholder et enkelt immunoglobulinlignende domæne. I modsætning til MAG, som er placeret i myelinens indre lag, er MOG lokaliseret i dets overfladelag, hvorved det kan deltage i transmissionen af ekstracellulær information til oligodendrocytten.

Mindre mængder af karakteristiske membranproteiner kan identificeres ved polyacrylamidgelelektroforese (f.eks. tubulin). Højopløsningselektroforese afslører tilstedeværelsen af andre mindre proteinbånd; disse kan skyldes tilstedeværelsen af en række myelinskedeenzymer.

Myelinproteiner i PNS

PNS-myelin indeholder nogle unikke proteiner samt nogle proteiner, der har fælles med CNS-myelinproteiner.

P0 er det primære protein i PNS-myelin, har en molekylvægt på 30 kDa og tegner sig for mere end halvdelen af PNS-myelinproteinerne. Det er interessant at bemærke, at selvom det adskiller sig fra PLP i aminosyresekvens, posttranslationelle modifikationsveje og struktur, er begge proteiner lige vigtige for dannelsen af strukturen af CNS- og PNS-myelin.

Indholdet af MBP i myelinen i PNS er 5-18% af det samlede protein, i modsætning til CNS, hvor dets andel når en tredjedel af det samlede protein. De samme fire former af MBP-proteinet med molekylvægte på henholdsvis 21, 18,5, 17 og 14 kDa, der findes i myelinen i CNS, findes også i PNS. Hos voksne gnavere er MBP med en molekylvægt på 14 kDa (ifølge klassificeringen af perifere myelinproteiner kaldes det "Pr") den vigtigste komponent af alle kationiske proteiner. I myelinen i PNS er MBP med en molekylvægt på 18 kDa også til stede (i dette tilfælde kaldes det "protein P1"). Det skal bemærkes, at MBP-proteinfamiliens betydning ikke er lige så stor for myelinstrukturen i PNS som for CNS.

PNS myelin glykoproteiner

Kompakt myelin i PNS indeholder et 22 kDa glykoprotein kaldet perifert myelinprotein 22 (PMP-22), som tegner sig for mindre end 5% af det samlede proteinindhold. PMP-22 har fire transmembrane domæner og et glycosyleret domæne. Dette protein spiller ikke en væsentlig strukturel rolle. Imidlertid er abnormiteter i pmp-22-genet ansvarlige for nogle arvelige humane neuropatologier.

For flere årtier siden troede man, at myelin dannede en inert kappe, der ikke udførte nogen biokemiske funktioner. Senere blev et stort antal enzymer involveret i syntesen og metabolismen af myelinkomponenter dog opdaget i myelin. En række enzymer, der findes i myelin, er involveret i metabolismen af fosfoinositider: phosphatidylinositolkinase, diphosphatidylinositolkinase, de tilsvarende fosfataser og diglyceridkinaser. Disse enzymer er interessante på grund af den høje koncentration af polyfosfoinositider i myelin og deres hurtige metabolisme. Der er tegn på tilstedeværelsen af muskariniske kolinerge receptorer, G-proteiner, fosfolipaser C og E samt proteinkinase C i myelin.

Na/K-ATPase, som transporterer monovalente kationer, og 6'-nukleotidase er blevet fundet i myelinen i PNS. Tilstedeværelsen af disse enzymer antyder, at myelin kan være aktivt involveret i aksonal transport.