The quest for the ganglioside functions; what did we learn more from «evo-devo» or signaling of long-term maintenance?

Abstract

Gangliosides are characteristic extracellular-facing plasma membrane determinants in vertebrate brain. The four major gangliosides (GM1, GD1a, GD1b and GT1b) dominate among more than one hundred glycolipid structures in nervous tissue. During brain development the expression of simple gangliosides shifts toward more complex ones, accompanied by a multiple increase in their total amount. The shift is precisely regulated and some specific structures represent well established neurodevelopmental milestones. From the evolutionary perspective, the ganglioside content in fish and amphibian brain is significantly lower than in mammalian brain, but the general variability is greater. More-polar structures, abundant in Antarctic fishes, are rare in higher vertebrates or expressed only in a narrow developmental frame. Reptiles, birds and mammals share identical common structures expressed in similar patterns with minor interspecies differences. On the contrary, fish and amphibian brains show significant interspecies differences in amount, structure and expression patterns. The initial assumption of evolutionary studies was that the variations in lipid content, particularly the glycolipid content, during temperature adaptations in ectothermic and hibernating heterothermic animals, represent an efficient molecular mechanism of the membrane function preservation. Studies of ordered lipid domains in the last decade verified the ganglioside-mediated regulation of membrane proteins (receptor kinases, neurotransmitter receptors and ion channels) as well as receptor-ligand interaction important for cell signaling.

Гангліозиди – характеристичні детермінанти, які локалізовані на зовнішній поверхні мембран клітин мозку хребетних. Чотири основних гангліозиди (GM1, GD1a, GD1b i GT1b) переважають серед сотень інших сполук гліколіпідів нервової тканини. У процесі розвитку мозку експресія простих гангліозидів зміщується у бік синтезу більш складних сполук, що супроводжується багаторазовим зростанням їхньої загальної кількості. Зміщення експресії – строго регульований процес, за якого поява деяких специфічних структур репрезентує добре відомі стадії розвитку нервової тканини. З точки зору еволюції вміст гангліозидів у мозку риб та амфібій значно нижчий, ніж у мозку ссавців, проте загальна їхня варіабельність суттєво вища. Більш полярні сполуки, які широко представлені у антарктичних риб, є рідкісними для ссавців або характерними для певного короткотривалого етапу онтогенезу. Плазуни, птахи і ссавці зберігають ідентичні спільні структури, що мають подібні патерни експресії з незначними міжвидовими відмінностями. Навпаки, для мозку риб та амфібій відзначено істотну міжвидову відмінність щодо кількості, структури та патерну експресії. Першочерговим припущенням еволюційного дослідження стало те, що варіації у вмісті ліпідів, зокрема гліколіпідів, під час температурної адаптації у холоднокровних і гетеротермних тварин, які впадають у сплячку, є високоефективним молекулярним механізмом захисту функціонування мембран. Вивчення впорядкованих доменів ліпідів за останнє десятиліття підтверджує гангліозид-опосередковану регуляцію мембранних білків (рецептори з кіназною активністю, рецептори нейротрансмітерів та іонні канали), так само як і взаємодію рецептор–ліганд, важливу для передачі позаклітинного сигналу.

Ганглиозиды – характеристические детерминанты, локализованные на внешней поверхности мембран клеток мозга хребетных. Четыре основных ганглиозида (GM1, GD1a, GD1b и GT1b) преобладают среди сотень других соединений гликолипидов нервной ткани. В процессе развития мозга экспрессия простых ганглиозидов замещается синтезом более сложных соединений, что сопровождается многократным увеличением их общего количества. Смещение экспрессии – строго регулированный процесс, при котором появление некоторых специфических структур представляет хорошо известные стадии развития нервной ткани. Содержание ганглиозидов в мозге рыб и амфибий значительно ниже, чем в мозге млекопитающих, однако их общая вариабельность существенно выше. Более полярные соединения, широко представленные у антарктических рыб, являются редкими для млекопитающих или характерными для определенного кратковременного этапа онтогенеза. Пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие сохраняют общие идентичные структуры с подобными паттернами экспрессии, имеющими незначительные межвидовые отличия. Наоборот, для мозга рыб и амфибий отмечены существенные межвидовые отличия, касающиеся количества, структуры и паттерна экспрессии. Первоочередным предположением эволюционного исследования стало то, что вариации в содержании липидов, в частности гликолипидов, во время температурной адаптации у хладнокровных и гетеротермных животных, впадающих в спячку, являются высокоэффективным молекулярным механизмом защиты функционирования мембран. Изучение упорядоченных доменов липидов за последнее десятилетие подтверждает ганглиозид-опосредованную регуляцию мембранных белков (рецепторы с киназной активностью, рецепторы нейротрансмиттеров и ионные каналы), так же как и взаимодействие рецептор–лиганд, важное для передачи внеклеточного сигнала.