[논문 리뷰] Potential wells for AMPA receptors organized in ring nanodomains

Nathanaël Hozé, David Holcman|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 13.

Neuroscience and Neuropharmacology Research참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 해마 수상돌기의 AMPA 수용체가 여러 개의 동시 존재하는 잠재 에너지 움직임이 있는 고리형 나노도메인에 일시적으로 갇히며, 각각의 깊이가 다른 에너지 움직임(1.8–3.6 kT)을 가짐을 밝혀냈다. 초해상도 단일입자 추적 및 확률적 분석을 통해 저자들은 반경 500 nm에서 1 µm 사이의 고리형 구조가 수십 분간 수용체의 확산을 안정화시키며, 이는 공간적으로 제한된 분자 상호작용을 통해 시냅스 가소성을 조절하는 새로운 기하학적 메커니즘을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 초해상도 영상 기법을 사용하여 수상돌기 막에서 AMPA 수용체의 나노스케일 조직을 조사하기.
• 잠재 에너지 움직임으로 구성된 일시적인 고리형 구조가 수용체 이동 및 시냅스 기능에 기여하는지 확인하기.
• 이 고리형 구조의 물리적 및 동적 특성, 즉 안정성, 에너지 프로파일, 공간적 조직을 특성화하기.
• 막 곡률과 분자 상호작용이 이러한 일시적인 나노도메인 형성에 미치는 영향을 평가하기.
• 복잡한 단백질 상호작용에 의해 유도되는 점입자 형태가 아닌 수용체 동역학을 규명함으로써 고전적 브라운 운동 모델을 도전하기.

제안 방법

• 배양된 해마 수상돌기에서 개별 AMPA 수용체 궤적을 초해상도 현미경을 사용한 단일입자 추적(SPT)을 통해 모니터링하였다.
• 수용체 궤적에서 이동 벡터 필드를 추론하고 잠재 에너지 장을 재구성하기 위해 새로운 확률적 분석 프레임워크를 적용하였다.
• 표현된 확산 계수와 밀도 분포 함수를 사용하여 운동 제한 영역과 고밀도 분포 영역를 식별하였다.
• 재구성된 잠재 에너지 움직임의 곡률과 안정성에서 유도된 에너지 추정치(kT 단위)를 사용해 잠재 움직임 깊이를 정량화하였다.
• 30–60분 동안의 시간에 따른 고리형 구조와 잠재 에너지 움직임의 안정성 동역학을 평가하기 위해 시간 순차 영상 촬영을 실시하였다.
• 공간적 고리 기하학(내반경 ~500 nm, 외반경 ~1 µm)을 다중 움직임 잠재 에너지 구성과 수용체 밀도 피크와 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AMPA 수용체는 수상돌기 막에서 일시적인 고리형 나노도메인을 형성하는가? 만약 그렇다면, 그들의 구조적 및 동적 조직은 어떠한가?
• RQ2 이 고리형 구조 내부의 잠재 에너지 움직임의 에너지 프로파일과 공간 분포는 무엇이며, 수용체 확산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 고리형 구조와 관련된 잠재 에너지 움직임은 시간이 지남에 따라 얼마나 안정적인가? 그리고 그 일시성은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 고전적 브라운 운동 모델은 이러한 고리형 구조 내 수용체의 제약을 설명할 수 있는가? 아니면 점입자 형태가 아닌 수용체 동역학의 기술이 필요한가?
• RQ5 막 곡률 또는 지지 단백질 상호작용 등의 분자 또는 생물물리적 메커니즘이 이러한 고리형 나노도메인 형성에 기여하는가?

주요 결과

• AMPA 수용체는 내반경 약 500 nm, 외반경 약 1 µm인 고리형 나노도메인에 일시적으로 갇히며, 최대 30분 동안 관찰되었다.
• 각 고리에는 에너지 깊이가 각각 1.8 kT, 3.0 kT, 3.6 kT인 최대 3개의 별개의 잠재 에너지 움직임이 존재하며, 이는 다양한 결합 친화도를 시사한다.
• 각 움직임 내에서 AMPA 수용체의 확산 계수는 약 0.6 µm²/s로 비교적 일정하게 유지되어, 동적 에너지 변화에도 불구하고 일관된 이동성을 나타낸다.
• 주요 잠재 에너지 움직임의 에너지가 시간에 따라 변동함(예: 30분 시점 6.6 kT, 45분 시점 7.8 kT, 60분 시점 5.2 kT)을 통해, 갇힘 위치의 동적 안정화 및 재구성 가능성을 보여준다.
• 시간 순차 영상에서 고리형 구조가 일시적으로 형성되거나 기존 구조와 연결되거나 분리되는 것을 관찰하였으며, 60분 동안의 시간 순차 실험에서 45분에 고리가 나타나 60분에는 사라지는 것을 확인하였다.
• 한 개의 고리 내에 공존하는 다중 잠재 에너지 움직임의 존재는 100 nm 스케일의 공간 영역 내에서 수용체를 안정화시키는 복잡한 다중점 상호작용 메커니즘을 시사한다.