Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1105410.32607/actanaturae.11054Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleIntracellular Acidification Suppresses Synaptic Vesicle Mobilization in the Motor Nerve TerminalsЗакисление цитоплазмы угнетает мобилизацию синаптических везикул в двигательных нервных окончанияхZefirovA. L.ЗефировА. Л.
Russian Federation
fysio@rambler.ruMukhametzyanovR. D.МухамедзяновР. Д.
Russian Federation
fysio@rambler.ruZakharovA. V.ЗахаровА. В.
Russian Federation
fysio@rambler.ruMukhutdinovaK. A.МухутдиноваК. А.
Russian Federation
fysio@rambler.ruOdnoshivkinaU. O.ОдношивкинаЮ. О.
Russian Federation
fysio@rambler.ruPetrovA. M.ПетровА. М.
Russian Federation
fysio@rambler.ruKazan State Medical UniversityКазанский государственный медицинский университетInstitute of Neuroscience, Kazan State Medical UniversityИнститут нейронаук, Казанский государственный медицинский университетKazan Federal UniversityКазанский федеральный университетLaboratory of Biophysics of Synaptic Processes, Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Federal Research Center “Kazan Scientific Center of RAS”Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ «Казанский научный центр РАН»221220201241051131806202007092020Copyright ©; 2020, Zefirov A.L., Mukhametzyanov R.D., Zakharov A.V., Mukhutdinova K.A., Odnoshivkina U.O., Petrov A.M.Copyright ©; 2020, Зефиров А.Л., Мухамедзянов Р.Д., Захаров А.В., Мухутдинова К.А., Одношивкина Ю.О., Петров А.М.2020Zefirov A.L., Mukhametzyanov R.D., Zakharov A.V., Mukhutdinova K.A., Odnoshivkina U.O., Petrov A.M.Зефиров А.Л., Мухамедзянов Р.Д., Захаров А.В., Мухутдинова К.А., Одношивкина Ю.О., Петров А.М.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11054

Intracellular protons play a special role in the regulation of presynaptic processes, since the functioning of synaptic vesicles and endosomes depends on their acidification by the H+-pump. Furthermore, transient acidification of the intraterminal space occurs during synaptic activity. Using microelectrode recording of postsynaptic responses (an indicator of neurotransmitter release) and exo-endocytic marker FM1-43, we studied the effects of intracellular acidification with propionate on the presynaptic events underlying neurotransmitter release. Cytoplasmic acidification led to a marked decrease in neurotransmitter release during the first minute of a 20-Hz stimulation in the neuromuscular junctions of mouse diaphragm and frog cutaneous pectoris muscle. This was accompanied by a reduction in the FM1-43 loss during synaptic vesicle exocytosis in response to the stimulation. Estimation of the endocytic uptake of FM1-43 showed no disruption in synaptic vesicle endocytosis. Acidification completely prevented the action of the cell-membrane permeable compound 24-hydroxycholesterol, which can enhance synaptic vesicle mobilization. Thus, the obtained results suggest that an increase in [H+]in negatively regulates neurotransmission due to the suppression of synaptic vesicle delivery to the sites of exocytosis at high activity. This mechanism can be a part of the negative feedback loop in regulating neurotransmitter release.

Внутриклеточные протоны играют особую роль в регуляции пресинаптических процесcов, поскольку функционирование синаптических везикул и эндосомных структур зависит от закисления их содержимого H+-помпой. Более того, при синаптической активности в нервных окончаниях происходит закисление цитоплазмы. С использованием микроэлектродной регистрации постсинаптических сигналов (показатель секреции нейромедиатора) и экзо-эндоцитозного маркера FM1-43 нами изучено влияние закисления цитоплазмы пропионатом на пресинаптические процессы, обеспечивающие освобождение нейромедиатора. Обнаружено, что в диафрагме мыши и кожно-грудинной мышце лягушки внутриклеточный ацидоз вызывает выраженное снижение секреции нейромедиатора в начальную минуту 20 Гц-стимуляции. Это сопровождается резким замедлением освобождения FM1-43 в ходе экзоцитоза синаптических везикул в ответ на стимуляцию. Экcперименты с оценкой захвата FM1-43 показали отсутствие нарушений эндоцитоза синаптических везикул. Закисление полностью предотвращало действие проникающего через мембраны агента (24-гидроксихолестерина), усиливающего мобилизацию синаптических везикул. Мы предполагаем, что повышение [H+]in угнетает нейропередачу за счет замедления доставки синаптических везикул в сайты экзоцитоза при интенсивной активности. Этот механизм может регулировать секрецию нейромедиатора по принципу отрицательной обратной связи.

exocytosissynaptic vesicle translocationneurotransmissionacidificationneuromuscular junctionэкзоцитозтранспорт синаптических везикулнейропередачаацидификациянервно-мышечный синапсРФФИRussian Foundation for Basic Research20-015-00507 и 20-04-00077RFBRРФФИDittman J.S., Ryan T.A. // Nat. Rev. Neurosci. 2019. V. 20. № 3. P. 177–186.Zefirov A.L., Zakharov A.V., Mukhamedzianov R.D., Petrov A.M. // Zh. Evol. Biokhim. Fiziol. 2008. V. 44. № 6. P. 603–612.Зефиров А.Л., Захаров А.В., Мухамедзянов Р.Д., Петров А.М. // Журн. эволюц. биохимии и физиологии. 2008. Т. 44. № 6. С. 603–612.Zakharov A.V., Petrov A.M., Kotov N.V., Zefirov A.L. // Biophysics. 2012. V. 57. № 4. P. 508–518.Rizzoli S.O. // EMBO J. 2014. V. 33. № 8. P. 788–822.Petrov A.M., Naumenko N.V., Uzinskaya K.V., Giniatullin A.R., Urazaev A.K., Zefirov A.L. // Neuroscience. 2011. V. 186. P. 1–12.Zhang Z., Nguyen K.T., Barrett E.F., David G. // Neuron. 2010. V. 68. № 6. P. 1097–1108.Rossano A.J., Kato A., Minard K.I., Romero M.F., Macleod G.T. // J. Physiol. 2017. V. 595. № 3. P. 805–824.Rossano A.J., Kato A., Minard K.I., Romero M.F., Macleod G.T.// J. Physiol. 2017. V. 595. № 3. P. 805–824.Sandvig K., Olsnes S., Petersen O.W., van Deurs B. // J. Cell Biochem. 1988. V. 36. № 1. P. 73–81.Brown C.M., Petersen N.O. // Biochem. Cell Biol. 1999. V. 77. № 5. P. 439–448.Dejonghe W., Kuenen S., Mylle E., Vasileva M., Keech O., Viotti C., Swerts J., Fendrych M., Ortiz-Morea F.A., Mishev K., et al. // Nat. Commun. 2016. V. 7. P. 11710.Watanabe S., Boucrot E. // Curr. Opin. Cell Biol. 2017. V. 47. P. 64–71.Bertone N.I., Groisman A.I., Mazzone G.L., Cano R., Tabares L., Uchitel O.D. // Synapse. 2017. V. 71. № 12. P. e22009.Bertone N.I., Groisman A.I., Mazzone G.L., Cano R., Tabares L., Uchitel O.D. // Synapse. 2017. V. 71. № 12. Р. e22009.Zakharov A.V. // Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki 2019. V. 161. № 2. P. 245–254.Захаров А.В. // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2019. Т. 161. № 2. С. 245–254.Kasimov M.R., Giniatullin A.R., Zefirov A.L., Petrov A.M. // Biochim. Biophys. Acta. 2015. V. 1851. № 5. P. 674–685.Kasimov M.R., Zakyrjanova G.F., Giniatullin A.R., Zefirov A.L., Petrov A.M. // Biochim. Biophys. Acta. 2016. V. 1861. № 7. P. 606–616.Zefirov A.L., Grigor’ev P.N., Petrov A.M., Minlebaev M.G., Sitdikova G.F. // Tsitologiia. 2003. V. 45. № 12. P. 1163–1171.Зефиров А.Л., Григорьев П.Н., Петров А.М., Минлебаев М.Г., Ситдикова Г.Ф. // Цитология. 2003. Т. 45. № 12. С. 1163–1171.Betz W.J., Bewick G.S. // J. Physiol. 1993. V. 460. № 1. P. 287–309.Kay A.R., Alfonso A., Alford S., Cline H.T., Holgado A.M., Sakmann B., Snitsarev V.A., Stricker T.P., Takahashi M., Wu L.G. // Neuron. 1999. V. 24. № 4. P. 809–817.Petrov A.M., Giniatullin A.R., Sitdikova G.F., Zefirov A.L. // J. Neurosci. 2008. V. 28. № 49. P. 13216–13222.Betz W.J., Mao F., Smith C.B. // Curr. Opin. Neurobiol. 1996. V. 6. № 3. P. 365–371.Kasimov M.R., Fatkhrakhmanova M.R., Mukhutdinova K.A., Petrov A.M. // Neuropharmacology. 2017. V. 117. P. 61–73.Mukhutdinova K.A., Kasimov M.R., Zakyrjanova G.F., Gumerova M.R., Petrov A.M. // Neuropharmacology. 2019. V. 150. P. 70–79.Bonnet U., Bingmann D., Speckmann E.J., Wiemann M. // Life Sci. 2018. V. 204. P. 65–70.Mukhametshina A.R., Fedorenko S.V., Petrov A.M., Zakyrjanova G.F., Petrov K.A., Nurullin L.F., Nizameev I.R., Mustafina A.R., Sinyashin O.G. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. V. 10. № 17. P. 14948–14955.Petrov A.M., Giniatullin A.R., Zefirov A.L. // Neurochem. J. 2008. V. 2. № 3. P. 175–182.Petrov A.M., Kasimov M.R., Giniatullin A.R., Zefirov A.L. // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2014. V. 44. № 9. P. 1020–1030.Marra V., Burden J.J., Thorpe J.R., Smith I.T., Smith S.L., Hausser M., Branco T., Staras K. // Neuron. 2012. V. 76. № 3. P. 579–589.Teixeira G., Vieira L.B., Gomez M.V., Guatimosim C. // Neurochem. Int. 2012. V. 61. № 7. P. 1151–1159.Wasser C.R., Ertunc M., Liu X., Kavalali E.T. // J. Physiol. 2007. V. 579. Pt 2. P. 413–429.Krivoi I.I., Petrov A.M. // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. № 5. P. 1046.Zakyrjanova G.F., Gilmutdinov A.I., Tsentsevitsky A.N., Petrov A.M. // Biochim. Biophys. Acta. Mol. Cell. Biol. Lipids. 2020. V. 1865. № 9. P. 158739.Xiong Z.Q., Saggau P., Stringer J.L. // J. Neurosci. 2000. V. 20. № 4. P. 1290–1296.Bonnet U., Bingmann D., Speckmann E.J., Wiemann M. // J. Neural. Transm. (Vienna). 2018. V. 125. № 10. P. 1495–1501.Majdi A., Mahmoudi J., Sadigh-Eteghad S., Golzari S.E., Sabermarouf B., Reyhani-Rad S. // J. Neurosci. Res. 2016. V. 94. № 10. P. 879–887.Meldrum B.S. // Neurology. 1994. V. 44. № 11 Suppl 8. P. S14–23.Sugita S., Fleming L.L., Wood C., Vaughan S.K., Gomes M.P., Camargo W., Naves L.A., Prado V.F., Prado M.A., Guatimosim C., Valdez G. // Skelet. Muscle. 2016. V. 6. P. 31.Bonnet U., Bingmann D., Speckmann E.J., Wiemann M. // Brain Res. 2019. V. 1710. P. 146–156.Pekun T.G., Lemeshchenko V.V., Lyskova T.I., Waseem T.V., Fedorovich S.V. // J. Mol. Neurosci. 2013. V. 49. № 1. P. 211–222.Trudeau L.E., Parpura V., Haydon P.G. // J. Neurophysiol. 1999. V. 81. № 6. P. 2627–2635.Sinning A., Hubner C.A. // FEBS Lett. 2013. V. 587. № 13. P. 1923–1928.Kohler S., Schmoller K.M., Crevenna A.H., Bausch A.R. // Cell Rep. 2012. V. 2. № 3. P. 433–439.