Mielin

Myeline is een unieke formatie waarvan de organisatie ervoor zorgt dat een elektrische impuls met minimaal energieverbruik langs een zenuwvezel kan worden geleid. De myelineschede is een zeer georganiseerde, meerlagige structuur die bestaat uit sterk uitgerekte en gemodificeerde plasmamembranen van Schwann-cellen (in het PZS) en oligodendrogliale cellen (in het CZS).

Het watergehalte van myeline is ongeveer 40%. Een onderscheidend kenmerk van myeline ten opzichte van andere cellen is dat het gemiddeld 70% lipiden en 30% eiwitten bevat (gebaseerd op drooggewicht). De meeste biologische membranen hebben een hogere eiwit/lipide-verhouding.

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

CNS myeline lipiden

Alle lipiden die in rattenhersenen worden aangetroffen, zijn ook aanwezig in myeline; er zijn dus geen lipiden die uitsluitend in niet-gemyeliniseerde structuren voorkomen (met uitzondering van het specifieke mitochondriale lipide difosfatidylglycerol). Het omgekeerde is ook waar: er zijn geen myelinelipiden die niet in andere subcellulaire hersenfracties voorkomen.

Cerebroside is het meest voorkomende bestanddeel van myeline. Behalve in de vroegste ontwikkelingsstadia is de concentratie cerebroside in de hersenen recht evenredig met de hoeveelheid myeline erin. Slechts 1/5 van het totale galactolipidegehalte van myeline komt voor in de gesulfateerde vorm. Cerebrosiden en sulfatiden spelen een belangrijke rol bij het waarborgen van de stabiliteit van myeline.

Myeline wordt ook gekenmerkt door hoge niveaus van de belangrijkste lipiden: cholesterol, totale galactolipiden en ethanolamine-bevattende plasmalogen. Er is vastgesteld dat tot 70% van de cholesterol in de hersenen zich in myeline bevindt. Aangezien bijna de helft van de witte stof in de hersenen uit myeline kan bestaan, is het duidelijk dat de hersenen de grootste hoeveelheid cholesterol bevatten in vergelijking met andere organen. De hoge concentratie cholesterol in de hersenen, met name in myeline, wordt bepaald door de belangrijkste functie van neuronaal weefsel: het genereren en geleiden van zenuwimpulsen. Het hoge cholesterolgehalte in myeline en de unieke structuur ervan leiden tot een afname van ionenlekkage door het neuronmembraan (vanwege de hoge weerstand).

Fosfatidylcholine is ook een essentieel onderdeel van myeline, hoewel sfingomyeline in relatief kleine hoeveelheden aanwezig is.

De lipidensamenstelling van zowel de grijze als de witte stof in de hersenen verschilt aanzienlijk van die van myeline. De samenstelling van hersenmyeline is bij alle bestudeerde zoogdiersoorten vrijwel identiek; er zijn slechts kleine verschillen (zo bevat rattenmyeline minder sfingomyeline dan runder- of mensenmyeline). Er zijn ook enkele variaties afhankelijk van de locatie van de myeline; zo heeft myeline uit het ruggenmerg een hogere lipide-eiwitverhouding dan myeline uit de hersenen.

Myeline bevat ook polyfosfatidylinositolen, waarvan trifosfoinositide 4 tot 6% van de totale fosfor in myeline uitmaakt en difosfoinositide 1 tot 1,5%. Minder belangrijke componenten van myeline zijn onder andere ten minste drie cerebroside-esters en twee glycerol-gebaseerde lipiden; ook enkele langketenige alkanen zijn aanwezig. Zoogdiermyeline bevat 0,1 tot 0,3% gangliosiden. Myeline bevat meer monosialoganglioside BM1 dan in hersenmembranen wordt aangetroffen. Myeline van veel organismen, waaronder mensen, bevat een unieke ganglioside: sialosylgalactosylceramide OM4.

Myelinelipiden van het PZS

Lipiden van myeline in het perifere en centrale zenuwstelsel zijn kwalitatief vergelijkbaar, maar er zijn kwantitatieve verschillen. Myeline in het PZS bevat minder cerebrosiden en sulfatiden en significant meer sfingomyeline dan myeline in het CZS. De aanwezigheid van ganglioside OMR is interessant, wat kenmerkend is voor myeline in het PZS van sommige organismen. Verschillen in de lipidensamenstelling van myeline in het centrale en perifere zenuwstelsel zijn minder significant dan de verschillen in eiwitsamenstelling.

CNS-myeline-eiwitten

De eiwitsamenstelling van CZS-myeline is eenvoudiger dan die van andere hersenmembranen en bestaat voornamelijk uit proteolipiden en basische eiwitten, die 60-80% van de totale samenstelling uitmaken. Glycoproteïnen zijn in veel kleinere hoeveelheden aanwezig. Myeline van het centrale zenuwstelsel bevat unieke eiwitten.

De myeline van het menselijk centraal zenuwstelsel wordt gekenmerkt door de kwantitatieve prevalentie van twee eiwitten: het positief geladen kationische myeline-eiwit (myeline-basisch eiwit, MBP) en het myeline-proteolipide-eiwit (myeline-proteolipide-eiwit, PLP). Deze eiwitten zijn de belangrijkste componenten van de myeline van het centraal zenuwstelsel van alle zoogdieren.

Myelineproteolipide PLP (proteolipide-eiwit), ook bekend als Folch-eiwit, is oplosbaar in organische oplosmiddelen. Het molecuulgewicht van PLP is ongeveer 30 kDa (Da - dalton). De aminozuurvolgorde is extreem conservatief; het molecuul bestaat uit verschillende domeinen. Het PLP-molecuul bestaat uit drie vetzuren, meestal palmitinezuur, oliezuur en stearinezuur, die via een esterbinding aan aminozuurradicalen zijn verbonden.

CNS-myeline bevat iets kleinere hoeveelheden van een andere proteolipide, DM-20, vernoemd naar zijn molecuulgewicht (20 kDa). Zowel DNA-analyse als opheldering van de primaire structuur hebben aangetoond dat DM-20 wordt gevormd door de splitsing van 35 aminozuren van het PLP-eiwit. DM-20 verschijnt eerder in de ontwikkeling dan PLP (in sommige gevallen zelfs vóór de vorming van myeline); naast zijn structurele rol in de myelinevorming, wordt gedacht dat het ook een rol speelt in de differentiatie van oligodendrocyten.

In tegenstelling tot het idee dat PLP noodzakelijk is voor de vorming van compact multilamellair myeline, vindt myelinevorming in PLP/DM-20 knockout-muizen plaats met slechts kleine afwijkingen. Deze muizen hebben echter een kortere levensduur en een verminderde algemene mobiliteit. Daarentegen hebben natuurlijk voorkomende mutaties in PLP, waaronder de verhoogde expressie ervan (normale PLP-overexpressie), ernstige functionele gevolgen. Opgemerkt dient te worden dat aanzienlijke hoeveelheden PLP- en DM-20-eiwitten aanwezig zijn in het centrale zenuwstelsel (CZS), dat het messenger-RNA voor PLP ook aanwezig is in het perifere zenuwstelsel (PZS), en dat een kleine hoeveelheid van het eiwit daar wordt gesynthetiseerd, maar niet in myeline wordt opgenomen.

Myeline-kationisch proteïne (MCP) heeft de aandacht van onderzoekers getrokken vanwege zijn antigene aard: wanneer het aan dieren wordt toegediend, veroorzaakt het een auto-immuunreactie, de zogenaamde experimentele allergische encefalomyelitis, een model voor een ernstige neurodegeneratieve ziekte: multiple sclerose.

De aminozuursequentie van MBP is in veel organismen sterk geconserveerd. MBP bevindt zich aan de cytoplasmatische zijde van myelinemembranen. Het heeft een molecuulgewicht van 18,5 kDa en vertoont geen enkele tertiaire structuur. Dit belangrijke eiwit vertoont microheterogeniteit tijdens elektroforese onder alkalische omstandigheden. De meeste bestudeerde zoogdieren bevatten verschillende hoeveelheden MBP-isovormen die een significant gemeenschappelijk deel van de aminozuursequentie hebben. Het molecuulgewicht van MBP bij muizen en ratten is 14 kDa. Laagmoleculair MBP heeft dezelfde aminozuursequenties aan de N- en C-terminale delen van het molecuul als de rest van MBP, maar verschilt in de reductie van ongeveer 40 aminozuren. De verhouding van deze belangrijke eiwitten verandert tijdens de ontwikkeling: volwassen ratten en muizen hebben meer MBP met een molecuulgewicht van 14 kDa dan MBP met een molecuulgewicht van 18 kDa. Twee andere isovormen van MBP, die ook in veel organismen voorkomen, hebben een moleculaire massa van respectievelijk 21,5 en 17 kDa. Ze worden gevormd door de toevoeging van een polypeptidesequentie van ongeveer 3 kDa aan de hoofdstructuur.

Elektroforetische scheiding van myeline-eiwitten onthult eiwitten met een hoger molecuulgewicht. Hun hoeveelheid is afhankelijk van het type organisme. Muizen en ratten kunnen bijvoorbeeld tot 30% van deze eiwitten van de totale hoeveelheid bevatten. Het gehalte aan deze eiwitten varieert ook afhankelijk van de leeftijd van het dier: hoe jonger het dier is, hoe minder myeline het in zijn hersenen heeft, maar hoe meer eiwitten met een hoger molecuulgewicht het bevat.

Het enzym 2' 3'-cyclische nucleotide 3'-fosfodiësterase (CNP) is verantwoordelijk voor enkele procenten van het totale myeline-eiwitgehalte in CZS-cellen. Dit is veel meer dan in andere celtypen. CNP-eiwit is niet het hoofdbestanddeel van compact myeline; het is alleen geconcentreerd in bepaalde delen van de myelineschede die verbonden zijn met het cytoplasma van de oligodendrocyt. Het eiwit is gelokaliseerd in het cytoplasma, maar een deel ervan is verbonden met het membraancytoskelet: F-actine en tubuline. De biologische functie van CNP is mogelijk het reguleren van de cytoskeletstructuur om groei- en differentiatieprocessen in oligodendrocyten te versnellen.

Myeline-geassocieerd glycoproteïne (MAG) is een klein onderdeel van gezuiverd myeline, heeft een molecuulgewicht van 100 kDa en is in kleine hoeveelheden aanwezig in het centrale zenuwstelsel (CZS) (minder dan 1% van het totale eiwit). MAG heeft één transmembraandomein dat het sterk geglycosyleerde extracellulaire deel van het molecuul, bestaande uit vijf immunoglobuline-achtige domeinen, scheidt van het intracellulaire domein. De algehele structuur is vergelijkbaar met die van neuronale celadhesieproteïne (NCAM).

MAG is niet aanwezig in compacte, multilamellaire myeline, maar bevindt zich in de periaxonale membranen van oligodendrocyten die myelinelagen vormen. Het periaxonale membraan van de oligodendrocyt ligt het dichtst bij het plasmamembraan van het axon, maar desondanks smelten deze twee membranen niet samen, maar worden ze gescheiden door een extracellulaire opening. Dit kenmerk van MAG-lokalisatie, evenals het feit dat dit eiwit tot de immunoglobulinesuperfamilie behoort, bevestigt zijn deelname aan de processen van adhesie en informatieoverdracht (signalering) tussen het axolemma en myelinevormende oligodendrocyten tijdens myelinisatie. Bovendien is MAG een van de componenten van de witte stof van het centrale zenuwstelsel, die de groei van neurieten in weefselkweek remt.

Van de andere glycoproteïnen van witte stof en myeline moet het minor myeline-oligodendrocytair glycoproteïne (MOG) worden genoemd. MOG is een transmembraaneiwit met één immunoglobuline-achtig domein. In tegenstelling tot MAG, dat zich in de binnenste lagen van myeline bevindt, is MOG gelokaliseerd in de oppervlaktelagen, waardoor het kan deelnemen aan de overdracht van extracellulaire informatie naar de oligodendrocyt.

Kleine hoeveelheden karakteristieke membraaneiwitten kunnen worden geïdentificeerd met behulp van polyacrylamidegelelektroforese (bijvoorbeeld tubuline). Hoge-resolutie-elektroforese onthult de aanwezigheid van andere kleine eiwitbanden; deze kunnen het gevolg zijn van de aanwezigheid van een aantal myelineschede-enzymen.

Myeline-eiwitten van het PZS

PNS-myeline bevat een aantal unieke eiwitten en ook een aantal eiwitten die gemeenschappelijk zijn met CNS-myeline-eiwitten.

P0 is het belangrijkste eiwit van de myeline in het centrale zenuwstelsel (PZS), heeft een moleculair gewicht van 30 kDa en is goed voor meer dan de helft van de myeline-eiwitten in het PZS. Het is interessant om op te merken dat, hoewel het verschilt van PLP in aminozuursequentie, posttranslationele modificatiepaden en structuur, beide eiwitten even belangrijk zijn voor de vorming van de structuur van zowel de myeline in het centrale zenuwstelsel als in het PZS.

Het MBP-gehalte in de myeline van het PZS bedraagt 5-18% van het totale eiwit, in tegenstelling tot het CZS, waar het aandeel een derde van het totale eiwit bedraagt. Dezelfde vier vormen van het MBP-eiwit met molecuulgewichten van respectievelijk 21, 18,5, 17 en 14 kDa, die in de myeline van het CZS voorkomen, zijn ook in het PZS aanwezig. Bij volwassen knaagdieren is MBP met een molecuulgewicht van 14 kDa (volgens de classificatie van perifere myeline-eiwitten "Pr" genoemd) de belangrijkste component van alle kationische eiwitten. In de myeline van het PZS is ook MBP met een molecuulgewicht van 18 kDa aanwezig (in dit geval "proteïne P1" genoemd). Opgemerkt moet worden dat het belang van de MBP-eiwitfamilie voor de myelinestructuur van het PZS minder groot is dan voor die van het CZS.

PNS myeline glycoproteïnen

Compacte myeline van het PZS bevat een glycoproteïne van 22 kDa, genaamd Peripheral Myeline Protein 22 (PMP-22), dat minder dan 5% van het totale eiwitgehalte uitmaakt. PMP-22 heeft vier transmembraandomeinen en één geglycosyleerd domein. Dit eiwit speelt geen significante structurele rol. Afwijkingen in het PMP-22-gen zijn echter verantwoordelijk voor sommige erfelijke neuropathologieën bij de mens.

Enkele decennia geleden werd gedacht dat myeline een inerte schede vormde die geen biochemische functies vervulde. Later werd echter een groot aantal enzymen ontdekt die betrokken zijn bij de synthese en het metabolisme van myelinecomponenten in myeline. Een aantal enzymen in myeline zijn betrokken bij het metabolisme van fosfoinositiden: fosfatidylinositolkinase, difosfatidylinositolkinase, de overeenkomstige fosfatasen en diglyceridekinasen. Deze enzymen zijn interessant vanwege de hoge concentratie polyfosfoinositiden in myeline en hun snelle metabolisme. Er zijn aanwijzingen voor de aanwezigheid van muscarine cholinerge receptoren, G-proteïnen, fosfolipasen C en E, en proteïnekinase C in myeline.

Na/K-ATPase, dat monovalente kationen transporteert, en 6'-nucleotidase zijn aangetroffen in de myeline van het PZS. De aanwezigheid van deze enzymen suggereert dat myeline mogelijk actief betrokken is bij axonaal transport.