[論文レビュー] Potential wells for AMPA receptors organized in ring nanodomains

Nathanaël Hozé, David Holcman|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2013

Neuroscience and Neuropharmacology Research参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、海馬 dendrite 上の AMPA 受容体が、複数の局所化されたポテンシャル井戸から構成されるリング状のナノドメインに一時的に閉じ込められていることを明らかにした。各井戸のエネルギー深さは 1.8–3.6 kT であり、超解像単粒子追跡と確率的解析を用いて、半径 500 nm から 1 µm のリング構造が数十分にわたり受容体の拡散を安定化させることを示した。これは、空間的に局所化された分子的相互作用を通じてシナプス可塑性を調節する、新しい幾何学的メカニズムを示唆する。

ABSTRACT

By combining high-density super-resolution imaging with a novel stochastic analysis, we report here a peculiar nano-structure organization revealed by the density function of individual AMPA receptors moving on the surface of cultured hippocampal dendrites. High density regions of hundreds of nanometers for the trajectories are associated with local molecular assembly generated by direct molecular interactions due to physical potential wells. We found here that for some of these regions, the potential wells are organized in ring structures. We could find up to 3 wells in a single ring. Inside a ring receptors move in a small band the width of which is of hundreds of nanometers. In addition, rings are transient structures and can be observed for tens of minutes. Potential wells located in a ring are also transient and the position of their peaks can shift with time. We conclude that these rings can trap receptors in a unique geometrical structure contributing to shape receptor trafficking, a process that sustains synaptic transmission and plasticity.

研究の動機と目的

• 高密度の超解像イメージングを用いて、樹状膜上における AMPA 受容体のナノスケール組織を調査すること。
• ポテンシャル井戸から構成される一時的でリング状の構造が、受容体の輸送およびシナプス機能に寄与するかどうかを特定すること。
• これらのリング構造の物理的および動的特性、特にその安定性、エネルギープロファイル、空間的組織の特徴を同定すること。
• 膜の湾曲性および分子的相互作用が、これらの一時的ナノドメインの形状をどのように決定するかを評価すること。
• 複雑なタンパク質相互作用によって駆動される非点状の受容体動態を同定することで、古典的ブラウン運動モデルに挑戦すること。

提案手法

• 文化的海馬 dendrite 上で個々の AMPA 受容体の軌跡をモニタリングするために、超解像顕微鏡を用いた単粒子追跡（SPT）を採用した。
• 受容体の軌跡から漂流ベクトル場を推定し、ポテンシャルエネルギー場を再構築するための新しい確率的解析フレームワークを適用した。
• 顕在拡散係数および密度分布関数を用いて、運動が制限された領域および分子密度が高くなる領域を同定した。
• 再構築されたポテンシャル井戸の曲率および安定性から導出されるエネルギー推定値（kT 単位）を用いて、井戸の深さを定量化した。
• 30–60 分の期間にわたり、リング構造およびポテンシャル井戸の時間的ダイナミクスを評価するための時間分解能イメージングを実施した。
• リングの空間的幾何学（内半径 ~500 nm、外半径 ~1 µm）と、多重量ポテンシャル構成および受容体密度ピークの関係を相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AMPA 受容体は樹状膜上に一時的なリング状ナノドメインを形成するか。その構造的および動的組織はいかなるものか？
• RQ2 これらのリング構造内のポテンシャル井戸のエネルギープロファイルおよび空間的分布は何か。それらは受容体の拡散にどのように影響するか？
• RQ3 これらのリング構造および関連するポテンシャル井戸は時間経過でどの程度安定しているか。それらの一時的な性質を決定する要因は何か？
• RQ4 古典的ブラウン運動モデルは、これらのリング構造内での受容体の閉じ込めを説明できるか。それとも、受容体動態の非点状記述を必要とするか？
• RQ5 膜の湾曲性やシナプス骨格タンパク質との相互作用などの、分子的または生物理的メカニズムが、これらのリングナノドメインの形成にどのように関与するか？

主な発見

• AMPA 受容体は、最大 30 分間、内半径約 500 nm、外半径約 1 µm のリング状ナノドメインに一時的に閉じ込められている。
• 各リングには最大3つの異なるポテンシャル井戸が存在し、エネルギー深さはそれぞれ 1.8 kT、3.0 kT、3.6 kT であり、結合親和性のばらつきを示している。
• 井戸内での AMPA 受容体の拡散係数は、約 0.6 µm²/s と比較的一定であり、エネルギー変化の動的変化にもかかわらず、一貫した移動性を示している。
• 主要なポテンシャル井戸のエネルギーは時間経過で変動しており（例：30 分で 6.6 kT、45 分で 7.8 kT、60 分で 5.2 kT）、捕獲部位の動的安定化および再構成を示している。
• リングは一時的に形成され、既存の構造と接続または分裂することが観察された。60 分間の時間分解能実験では、45 分にリングが出現し、60 分には消滅した。
• 1 つのリング内に複数の局所化されたポテンシャル井戸が共存していることから、100 nm スケールの空間的ドメイン内で受容体を安定化させる複雑なマルチポイント相互作用メカニズムが存在する可能性が示唆された。