Mielin

Myelin je unikátní útvar, jehož organizace umožňuje vedení elektrického impulsu po nervovém vlákně s minimálním výdejem energie. Myelinová pochva je vysoce organizovaná vícevrstvá struktura sestávající z vysoce natažených a modifikovaných plazmatických membrán Schwannových (v PNS) a oligodendrogliálních (v CNS) buněk.

Obsah vody v myelinu je asi 40 %. Charakteristickým rysem myelinu ve srovnání s jinými buňkami je, že obsahuje v průměru 70 % lipidů a 30 % bílkovin (vztaženo na suchou hmotnost). Většina biologických membrán má vyšší poměr bílkovin k lipidům.

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

Myelinové lipidy CNS

Všechny lipidy nacházející se v mozku potkanů jsou přítomny také v myelinu, tj. neexistují žádné lipidy lokalizované výhradně v nemyelinizovaných strukturách (s výjimkou specifického mitochondriálního lipidu difosfatidylglycerolu). Platí i opak - neexistují žádné myelinové lipidy, které by se nenacházely v jiných subcelulárních frakcích mozku.

Cerebrosid je nejběžnější složkou myelinu. S výjimkou nejranějších stádií vývoje je koncentrace cerebrosidu v mozku přímo úměrná množství myelinu v něm. Pouze 1/5 celkového obsahu galaktolipidů v myelinu se vyskytuje v sulfátované formě. Cerebrosidy a sulfatidy hrají důležitou roli v zajištění stability myelinu.

Myelin se také vyznačuje vysokým obsahem hlavních lipidů - cholesterolu, celkových galaktolipidů a plazmalogenu obsahujícího ethanolamin. Bylo zjištěno, že až 70 % cholesterolu v mozku se nachází v myelinu. Vzhledem k tomu, že téměř polovina bílé hmoty mozku může tvořit myelin, je zřejmé, že mozek obsahuje největší množství cholesterolu ve srovnání s jinými orgány. Vysoká koncentrace cholesterolu v mozku, zejména v myelinu, je dána hlavní funkcí neuronální tkáně - generováním a vedením nervových impulsů. Vysoký obsah cholesterolu v myelinu a jedinečnost jeho struktury vedou ke snížení úniku iontů přes membránu neuronu (díky jeho vysokému odporu).

Fosfatidylcholin je také nezbytnou součástí myelinu, ačkoli sfingomyelin je přítomen v relativně malém množství.

Lipidové složení šedé i bílé hmoty v mozku se výrazně liší od složení myelinu. Složení mozkového myelinu u všech studovaných druhů savců je téměř identické; existují pouze drobné rozdíly (např. myelin potkanů má méně sfingomyelinu než hovězí nebo lidský myelin). Existují také určité variace v závislosti na umístění myelinu; například myelin izolovaný z míchy má vyšší poměr lipidů k proteinům než myelin z mozku.

Myelin také obsahuje polyfosfatidylinositoly, z nichž trifosfoinositid tvoří 4 až 6 % celkového fosforu v myelinu a difosfoinositid 1 až 1,5 %. Mezi vedlejší složky myelinu patří nejméně tři estery cerebrosidu a dva lipidy na bázi glycerolu; přítomny jsou také některé alkany s dlouhým řetězcem. Savčí myelin obsahuje 0,1 až 0,3 % gangliosidů. Myelin obsahuje více monosialogangliozidu BM1, než se nachází v mozkových membránách. Myelin z mnoha organismů, včetně lidí, obsahuje unikátní gangliosid, sialosylgalaktosylceramid OM4.

Myelinové lipidy PNS

Lipidy myelinu periferního a centrálního nervového systému jsou si kvalitativně podobné, ale existují mezi nimi kvantitativní rozdíly. Myelin PNS obsahuje méně cerebrosidů a sulfatidů a výrazně více sfingomyelinu než myelin CNS. Zajímavé je poznamenat přítomnost gangliozidu OMR, který je charakteristický pro myelin PNS některých organismů. Rozdíly v lipidovém složení myelinu centrálního a periferního nervového systému nejsou tak významné jako jejich rozdíly ve složení bílkovin.

Myelinové proteiny CNS

Složení bílkovin myelinu centrálního nervového systému je jednodušší než u jiných mozkových membrán a je zastoupeno hlavně proteolipidy a bazickými proteiny, které tvoří 60–80 % celkového množství. Glykoproteiny jsou přítomny v mnohem menším množství. Myelin centrálního nervového systému obsahuje unikátní proteiny.

Myelin lidského CNS se vyznačuje kvantitativní prevalencí dvou proteinů: pozitivně nabitého kationtového myelinu (myelinový bazický protein, MBP) a myelinu proteolipidu (myelinový proteolipidní protein, PLP). Tyto proteiny jsou hlavními složkami myelinu CNS všech savců.

Myelinový proteolipid PLP (proteolipidový protein), známý také jako Folchův protein, má schopnost rozpouštět se v organických rozpouštědlech. Molekulová hmotnost PLP je přibližně 30 kDa (Da - dalton). Jeho aminokyselinová sekvence je extrémně konzervativní, molekula tvoří několik domén. Molekula PLP obsahuje tři mastné kyseliny, obvykle palmitovou, olejovou a stearovou, spojené s aminokyselinovými radikály esterovou vazbou.

Myelin centrálního nervového systému obsahuje o něco menší množství dalšího proteolipidu, DM-20, pojmenovaného podle své molekulové hmotnosti (20 kDa). Analýza DNA i objasnění primární struktury ukázaly, že DM-20 vzniká odštěpením 35 aminokyselinových zbytků z proteinu PLP. DM-20 se objevuje dříve ve vývoji než PLP (v některých případech dokonce před objevením myelinu); kromě své strukturní role v tvorbě myelinu se předpokládá, že se podílí na diferenciaci oligodendrocytů.

Na rozdíl od myšlenky, že PLP je nezbytný pro tvorbu kompaktního multilamelárního myelinu, dochází k tvorbě myelinu u myší s knockoutem PLP/DM-20 pouze s drobnými odchylkami. Tyto myši však mají zkrácenou životnost a zhoršenou celkovou mobilitu. Naproti tomu přirozeně se vyskytující mutace v PLP, včetně jeho zvýšené exprese (normální nadměrná exprese PLP), mají závažné funkční důsledky. Je třeba poznamenat, že v CNS je přítomno významné množství proteinů PLP a DM-20, mediátorová RNA pro PLP je přítomna také v PNS a malé množství proteinu je zde syntetizováno, ale není začleněno do myelinu.

Myelinový kationtový protein (MCP) přitáhl pozornost výzkumníků díky své antigenní povaze – při podávání zvířatům vyvolává autoimunitní reakci, tzv. experimentální alergickou encefalomyelitidu, která je modelem těžkého neurodegenerativního onemocnění – roztroušené sklerózy.

Aminokyselinová sekvence MBP je u mnoha organismů vysoce konzervovaná. MBP se nachází na cytoplazmatické straně myelinových membrán. Má molekulovou hmotnost 18,5 kDa a postrádá jakékoli známky terciární struktury. Tento hlavní protein vykazuje mikroheterogenitu během elektroforézy za alkalických podmínek. Většina studovaných savců obsahovala různá množství izoforem MBP, které mají významnou společnou část aminokyselinové sekvence. Molekulová hmotnost MBP u myší a potkanů je 14 kDa. Nízkomolekulární MBP má stejné aminokyselinové sekvence na N- a C-terminálních částech molekuly jako zbytek MBP, ale liší se v redukci asi 40 aminokyselinových zbytků. Poměr těchto hlavních proteinů se během vývoje mění: dospělé krysy a myši mají více MBP s molekulovou hmotností 14 kDa než MBP s molekulovou hmotností 18 kDa. Dvě další izoformy MBP, které se také nacházejí u mnoha organismů, mají molekulové hmotnosti 21,5 a 17 kDa. Vznikají přidáním polypeptidové sekvence o velikosti asi 3 kDa k hlavní struktuře.

Elektroforetická separace myelinových proteinů odhaluje proteiny s vyšší molekulovou hmotností. Jejich množství závisí na typu organismu. Například myši a krysy mohou obsahovat až 30 % takových proteinů z celkového množství. Obsah těchto proteinů se také mění v závislosti na věku zvířete: čím je mladší, tím méně myelinu má v mozku, ale tím více proteinů s vyšší molekulovou hmotností obsahuje.

Enzym 2' 3'-cyklický nukleotid 3'-fosfodiesteráza (CNP) tvoří několik procent celkového obsahu myelinu v buňkách CNS. To je mnohem více než v jiných typech buněk. Protein CNP není hlavní složkou kompaktního myelinu; je koncentrován pouze v určitých oblastech myelinové pochvy spojených s cytoplazmou oligodendrocytů. Protein je lokalizován v cytoplazmě, ale část jeho je spojena s membránovým cytoskeletem – F-aktinem a tubulinem. Biologickou funkcí CNP může být regulace struktury cytoskeletu za účelem urychlení růstových a diferenciačních procesů v oligodendrocytech.

Myelinem asociovaný glykoprotein (MAG) je minoritní složkou purifikovaného myelinu, má molekulovou hmotnost 100 kDa a je přítomen v CNS v malém množství (méně než 1 % celkového proteinu). MAG má jednu transmembránovou doménu, která odděluje vysoce glykosylovanou extracelulární část molekuly, složenou z pěti domén podobných imunoglobulinům, od intracelulární domény. Jeho celková struktura je podobná neuronálnímu buněčnému adheznímu proteinu (NCAM).

MAG se nenachází v kompaktním, multilamelárním myelinu, ale nachází se v periaxonálních membránách oligodendrocytů, které tvoří myelinové vrstvy. Připomeňme, že periaxonální membrána oligodendrocytu je nejblíže plazmatické membráně axonu, ale přesto se tyto dvě membrány neslučují, ale jsou odděleny extracelulární mezerou. Tato vlastnost lokalizace MAG, stejně jako skutečnost, že tento protein patří do nadrodiny imunoglobulinů, potvrzuje jeho účast v procesech adheze a přenosu informací (signalizace) mezi axolemmou a myelin tvořícími oligodendrocyty během myelinace. MAG je navíc jednou ze složek bílé hmoty centrálního nervového systému, která inhibuje růst neuritů v tkáňové kultuře.

Z dalších glykoproteinů bílé hmoty a myelinu je třeba zmínit minoritní myelin-oligodendrocytární glykoprotein (MOG). MOG je transmembránový protein obsahující jednu doménu podobnou imunoglobulinu. Na rozdíl od MAG, který se nachází ve vnitřních vrstvách myelinu, je MOG lokalizován v jeho povrchových vrstvách, díky čemuž se může podílet na přenosu extracelulárních informací do oligodendrocytu.

Menší množství charakteristických membránových proteinů lze identifikovat elektroforézou na polyakrylamidovém gelu (např. tubulin). Elektroforéza s vysokým rozlišením odhaluje přítomnost dalších minoritních proteinových pásů; ty mohou být způsobeny přítomností řady enzymů myelinové pochvy.

Myelinové proteiny PNS

Myelin PNS obsahuje některé unikátní proteiny a také některé proteiny společné s myelinovými proteiny CNS.

P0 je hlavní protein myelinu PNS, má molekulovou hmotnost 30 kDa a tvoří více než polovinu myelinových proteinů PNS. Je zajímavé poznamenat, že ačkoli se od PLP liší v aminokyselinové sekvenci, posttranslačních modifikačních drahách a struktuře, oba proteiny jsou stejně důležité pro tvorbu struktury myelinu CNS a PNS.

Obsah MBP v myelinu PNS je 5-18 % celkového proteinu, na rozdíl od CNS, kde jeho podíl dosahuje třetiny celkového proteinu. Stejné čtyři formy proteinu MBP s molekulovými hmotnostmi 21, 18,5, 17 a 14 kDa, které se nacházejí v myelinu CNS, jsou přítomny i v PNS. U dospělých hlodavců je MBP s molekulovou hmotností 14 kDa (podle klasifikace periferních myelinových proteinů se nazývá „Pr“) nejvýznamnější složkou všech kationtových proteinů. V myelinu PNS je také přítomen MBP s molekulovou hmotností 18 kDa (v tomto případě se nazývá „protein P1“). Je třeba poznamenat, že význam rodiny proteinů MBP není pro myelinovou strukturu PNS tak velký jako pro CNS.

PNS myelinové glykoproteiny

Kompaktní myelin PNS obsahuje 22kDa glykoprotein nazývaný periferní myelinový protein 22 (PMP-22), který tvoří méně než 5 % celkového obsahu proteinů. PMP-22 má čtyři transmembránové domény a jednu glykosylovanou doménu. Tento protein nehraje významnou strukturální roli. Abnormality v genu pmp-22 jsou však zodpovědné za některé dědičné lidské neuropatologie.

Před několika desetiletími se věřilo, že myelin tvoří inertní obal, který neplní žádné biochemické funkce. Později však bylo v myelinu objeveno velké množství enzymů zapojených do syntézy a metabolismu složek myelinu. Řada enzymů přítomných v myelinu se podílí na metabolismu fosfoinositidů: fosfatidylinositolkináza, difosfatidylinositolkináza, odpovídající fosfatázy a diglyceridkinázy. Tyto enzymy jsou zajímavé kvůli vysoké koncentraci polyfosfoinositidů v myelinu a jejich rychlému metabolismu. Existují důkazy o přítomnosti muskarinových cholinergních receptorů, G proteinů, fosfolipáz C a E a proteinkinázy C v myelinu.

V myelinu PNS byla nalezena Na/K-ATPáza, která transportuje monovalentní kationty, a 6'-nukleotidáza. Přítomnost těchto enzymů naznačuje, že myelin se může aktivně podílet na axonálním transportu.