1 - Pre-synaptopathiëen (Epilepsie & Migraine)
Bij synapsen is de fusie met het presynaptische membraan en recycling van vesicles
belangrijk. Alle stappen van de synaptic vesicle cycle:
1. Mobilisatie: vesicles zitten gebonden aan het cytoskelet door synapsins → Ca²⁺
influx → CaMKII fosforyleert synapsins → vesicles laten los en gaan naar actieve
zone. Er zijn drie vesicle pools:
● Readily releasable pool: direct beschikbaar voor fusie bij stimulatie (hoeven
niet gemobiliseerd te worden), wordt gebruikt bij laag intense stimulatie of aan
het begin van intense stimulatie
● Recycling pool: wordt aangesproken als de RRP uitgeput raakt (mobilisatie
nodig).
● Reserve pool: wordt pas bij langdurige of sterke stimulatie ingezet
(mobilisatie nodig). De synaps kan uiteindelijk ‘opraken’ en hierdoor zal de
amplitude van de respons steeds kleiner worden.
2. Docking: vesicles worden gepositioneerd bij het presynaptische membraan door
Rab3/RIM/Munc13-complex en GTP-bindende eiwitten
3. Priming: vesicles worden klaargemaakt voor fusie bij stimulatie door
membraangebonden:
● Munc18/STXBP1: essentieel voor de correcte vouwing van het
SNARE-complex voor de fusie
● Complexin: stabiliseert het SNARE-complex voor de fusie
4. Fusie: actiepotentiaal → Ca²⁺-kanaal opent → Ca²⁺-ionen stromen de presynaptische
terminal binnen → fusie → neurotransmitter vrijlating. SNARE-complex:
● Synaptotagmin (vesicle gebonden): Ca²⁺ sensor, induceert het
SNARE-complex
● Synaptobrevin (vesicle gebonden)
● Syntaxin + SNAP25 (membraangebonden)
5. Endocytose: de vesicles worden gerecycled via clathrine-gemedieerde
endocytose:
● Adaptine: bindt aan de cargo-receptoren
● Clathrine: bindt adaptine en vormt een coat rondom de vesicle
6. Budding: dynamine snoert het membraan af → een nieuw gevormde vesicle laat los
van het membraan. Actine-filamenten helpen bij verplaatsing van de vesicle
7. Uncoating: de clathrine-coat wordt verwijderd door:
● Hsc70 en auxiline: verwijderen de clathrine-coating
● Synaptojanine: helpt bij ontmanteling van de coating
8. Transmitter loading: de gerecyclede vesicle wordt opnieuw gevuld met
neurotransmitters door:
● vGLUT: transporteert neurotransmitters in de vesicles
● vATPase: pompt H⁺ in de vesicle, waardoor neurotransmitteropname mogelijk
wordt
Naast clathrine-gemedieerde endocytose kan er ook recycling van vesicles plaatsvinden via
endosomen. Na exocytose wordt een groot membraanfragment zonder clathrine
opgenomen. Dit membraan fuseert met een presynaptisch endosoom. Nieuwe vesicles
budden vervolgens van het endosoom af.
,Monogenetische ziekte:
● Mutatie is bekend (1 gen met puntmutatie dat zorgt voor ander aminozuur → ander
eiwit → andere functie).
● Early onset (ontstaat vroeg in het leven)
● Familiaal
● Voorbeelden: vorm van migraine, vorm van epilepsie
Polygenetische ziekte:
● Genetische component maar geen exact gen bekend (meerdere genen op
verschillende loci zijn aangedaan maar idiopathisch). Je kunt GWAS (genome
wide association studies) gebruiken om te zoeken naar:
○ SNPs (single nucleotide polymorphisms) → één base is verschillend tussen
individuen (hoeft niet in coderend gedeelte te zijn)
○ CNVs (copy number variants) → deleties of duplicaties van een stukje van
het genoom
● Late onset (ontstaan later in het leven)
● Sporadisch
● Voorbeelden: vorm van schizofrenie, vorm van epilepsie
Bij GWAS kunnen de verschillen groot zijn en is een duidelijke oorzaak moeilijk te vinden.
Verschillende combinaties van SNPs kunnen voor een ziekte zorgen. Als de p-value van
SNPs observaties groter zijn dan verwachtingen zijn die genen waarschijnlijk het meest
betrokken.
Bij epilepsie zijn deze SNPs vooral kanalen:
● Voltage-gated Na+ kanalen → bij epilepsie gaan deze makkelijker open → meer
Na+ stroom → ongecontroleerde spiking
● Voltage-gated K+ kanalen → bij (temporal lobe) epilepsie gaan deze niet snel
genoeg open → extra excitatie
● Ca2+ activated K+ kanalen → betrokken bij absence epilepsie: mensen ervaren
kortdurende periodes van bewustzijnsverlies die gepaard gaan met abnormale
hersengolven (spike-and wave discharges).
Er zijn ook veel synaptische eiwitten betrokken bij epilepsie, waaronder:
● Synaptotagmin
● Munc18 (STXBP1): betrokken bij priming van synaptische vesicles, wat belangrijk is
voor de vorming van het SNARE-complex. Deze mutaties veroorzaken dus
problemen in de presynaptische priming van vesicles.
Een epileptische aanval is een hypersynchrone neuronale activiteit: grote populaties
cellen vuren synchroon en worden in een EEG ook wel delta-waves genoemd (lage
frequentie en hoge amplitude). Als je er 1 hebt gehad, neemt de kans toe op een
volgende. Een aanval begint lokaal en kan zich soms verspreiden:
● Generalized seizures: verspreiden zich over het hele brein (beide hersenhelften) en
daardoor geen bewustzijn:
1. Tonic-clonic seizures (grand mal): type aanval dat de meeste mensen
associëren met epilepsie. Het duurt enkele minuten en heeft twee fasen:
■ Tonic fase (thalamus, duurt minuten)
● Spierspanning en spasmen. De spieren van het hele lichaam
trekken plotseling samen
, ● Overmatige excitatie van neuronen
● AMPA- en NMDA-receptoren (glutamaat) worden actiever
doordat de Mg²⁺ blokkade wegvalt. Normaal gesproken houdt
een Mg²⁺ ion het NMDA kanaal gesloten, maar bij membraan
depolarisatie valt deze blokkade weg, waardoor de receptoren
geactiveerd kunnen worden en de Ca²⁺ geleidbaarheid
toeneemt
■ Clonic-fase
● Ritmische spasmen. De aanvallen worden chaotischer, met
een schokkend effect, waarbij de spieren ritmisch
samentrekken en ontspannen.
2. Absence: vaak bij kinderen, verdwijnt op latere leeftijd, duurt maar 10-15
seconden, kind is even afwezig
3. Atonic: plotseling verlies van alle spierspanning → duren meestal enkele
seconden, maar persoon kan vallen
● Focal/partial seizures zitten op een plek, maar kunnen ook verspreiden via de
thalamus en een generalized seizure worden:
○ Verspreiding naar motorische cortex kan leiden tot spiertrekkingen of
verlamming van lichaamsdelen
○ Verspreiding naar sensorische cortex kan leiden tot verlies van zintuiglijke
controle of emoties
○ Verspreiding naar autonome zenuwstelsel kan leiden tot fysieke reacties
zoals zweten of snelle ademhaling
Bij epilepsie is er vaak co-mobiliteit → je leidt ook aan andere aandoeningen.
Migraine komt vaak ook door een dysfunctie in kanalen, waardoor release van
neurotransmitters wordt verhoogd kunnen worden en presynaptische netwerken
hyperexciteerbaar kunnen worden. Bij verschillende familiaire vormen van migraine (FHM)
zijn verschillende kanalen betrokken:
● FHM1: P-type Ca²⁺ kanaal
● FHM2: Na+/K+ -ATPases
● FHM3: Na+ kanaal
Bij FHM1 en andere migraine vormen kan Munc18 ook weer betrokken zijn, of een
verhoogde synaptotagmin activiteit.
Bij FHM1 komt ook de mutatie S218L voor: puntmutatie die zich voordoet in P/Q type Ca²⁺
kanalen, wat hun activiteit verhoogt en zorgt voor verhoogde release van neurotransmitters:
● De kanalen worden sneller geactiveerd bij meer gehyperpolariseerde membranen, in
plaats van alleen bij gedepolariseerde membranen. Er is dus een toename in de
frequentie en amplitude van de spontane releases.
● De amplitude van de Ca²⁺ stroom is echter kleiner, want het sneller openen van de
kanalen is een presynaptisch mechanisme, terwijl de amplitude van de miniature
excitatory postsynaptic potentials (mEPSPs) afhankelijk is van de
postsynaptische receptoren, en het aantal postsynaptische receptoren verandert
niet door deze mutatie.
Een modelsysteem voor onderzoek is de neuromusculaire eindplaat (in bijvoorbeeld
Drosophila): atypische perifere synaps tussen een motorisch neuron en een spiercel en
biedt inzicht in synaptische afgifte en spierfunctie.
Bij synapsen is de fusie met het presynaptische membraan en recycling van vesicles
belangrijk. Alle stappen van de synaptic vesicle cycle:
1. Mobilisatie: vesicles zitten gebonden aan het cytoskelet door synapsins → Ca²⁺
influx → CaMKII fosforyleert synapsins → vesicles laten los en gaan naar actieve
zone. Er zijn drie vesicle pools:
● Readily releasable pool: direct beschikbaar voor fusie bij stimulatie (hoeven
niet gemobiliseerd te worden), wordt gebruikt bij laag intense stimulatie of aan
het begin van intense stimulatie
● Recycling pool: wordt aangesproken als de RRP uitgeput raakt (mobilisatie
nodig).
● Reserve pool: wordt pas bij langdurige of sterke stimulatie ingezet
(mobilisatie nodig). De synaps kan uiteindelijk ‘opraken’ en hierdoor zal de
amplitude van de respons steeds kleiner worden.
2. Docking: vesicles worden gepositioneerd bij het presynaptische membraan door
Rab3/RIM/Munc13-complex en GTP-bindende eiwitten
3. Priming: vesicles worden klaargemaakt voor fusie bij stimulatie door
membraangebonden:
● Munc18/STXBP1: essentieel voor de correcte vouwing van het
SNARE-complex voor de fusie
● Complexin: stabiliseert het SNARE-complex voor de fusie
4. Fusie: actiepotentiaal → Ca²⁺-kanaal opent → Ca²⁺-ionen stromen de presynaptische
terminal binnen → fusie → neurotransmitter vrijlating. SNARE-complex:
● Synaptotagmin (vesicle gebonden): Ca²⁺ sensor, induceert het
SNARE-complex
● Synaptobrevin (vesicle gebonden)
● Syntaxin + SNAP25 (membraangebonden)
5. Endocytose: de vesicles worden gerecycled via clathrine-gemedieerde
endocytose:
● Adaptine: bindt aan de cargo-receptoren
● Clathrine: bindt adaptine en vormt een coat rondom de vesicle
6. Budding: dynamine snoert het membraan af → een nieuw gevormde vesicle laat los
van het membraan. Actine-filamenten helpen bij verplaatsing van de vesicle
7. Uncoating: de clathrine-coat wordt verwijderd door:
● Hsc70 en auxiline: verwijderen de clathrine-coating
● Synaptojanine: helpt bij ontmanteling van de coating
8. Transmitter loading: de gerecyclede vesicle wordt opnieuw gevuld met
neurotransmitters door:
● vGLUT: transporteert neurotransmitters in de vesicles
● vATPase: pompt H⁺ in de vesicle, waardoor neurotransmitteropname mogelijk
wordt
Naast clathrine-gemedieerde endocytose kan er ook recycling van vesicles plaatsvinden via
endosomen. Na exocytose wordt een groot membraanfragment zonder clathrine
opgenomen. Dit membraan fuseert met een presynaptisch endosoom. Nieuwe vesicles
budden vervolgens van het endosoom af.
,Monogenetische ziekte:
● Mutatie is bekend (1 gen met puntmutatie dat zorgt voor ander aminozuur → ander
eiwit → andere functie).
● Early onset (ontstaat vroeg in het leven)
● Familiaal
● Voorbeelden: vorm van migraine, vorm van epilepsie
Polygenetische ziekte:
● Genetische component maar geen exact gen bekend (meerdere genen op
verschillende loci zijn aangedaan maar idiopathisch). Je kunt GWAS (genome
wide association studies) gebruiken om te zoeken naar:
○ SNPs (single nucleotide polymorphisms) → één base is verschillend tussen
individuen (hoeft niet in coderend gedeelte te zijn)
○ CNVs (copy number variants) → deleties of duplicaties van een stukje van
het genoom
● Late onset (ontstaan later in het leven)
● Sporadisch
● Voorbeelden: vorm van schizofrenie, vorm van epilepsie
Bij GWAS kunnen de verschillen groot zijn en is een duidelijke oorzaak moeilijk te vinden.
Verschillende combinaties van SNPs kunnen voor een ziekte zorgen. Als de p-value van
SNPs observaties groter zijn dan verwachtingen zijn die genen waarschijnlijk het meest
betrokken.
Bij epilepsie zijn deze SNPs vooral kanalen:
● Voltage-gated Na+ kanalen → bij epilepsie gaan deze makkelijker open → meer
Na+ stroom → ongecontroleerde spiking
● Voltage-gated K+ kanalen → bij (temporal lobe) epilepsie gaan deze niet snel
genoeg open → extra excitatie
● Ca2+ activated K+ kanalen → betrokken bij absence epilepsie: mensen ervaren
kortdurende periodes van bewustzijnsverlies die gepaard gaan met abnormale
hersengolven (spike-and wave discharges).
Er zijn ook veel synaptische eiwitten betrokken bij epilepsie, waaronder:
● Synaptotagmin
● Munc18 (STXBP1): betrokken bij priming van synaptische vesicles, wat belangrijk is
voor de vorming van het SNARE-complex. Deze mutaties veroorzaken dus
problemen in de presynaptische priming van vesicles.
Een epileptische aanval is een hypersynchrone neuronale activiteit: grote populaties
cellen vuren synchroon en worden in een EEG ook wel delta-waves genoemd (lage
frequentie en hoge amplitude). Als je er 1 hebt gehad, neemt de kans toe op een
volgende. Een aanval begint lokaal en kan zich soms verspreiden:
● Generalized seizures: verspreiden zich over het hele brein (beide hersenhelften) en
daardoor geen bewustzijn:
1. Tonic-clonic seizures (grand mal): type aanval dat de meeste mensen
associëren met epilepsie. Het duurt enkele minuten en heeft twee fasen:
■ Tonic fase (thalamus, duurt minuten)
● Spierspanning en spasmen. De spieren van het hele lichaam
trekken plotseling samen
, ● Overmatige excitatie van neuronen
● AMPA- en NMDA-receptoren (glutamaat) worden actiever
doordat de Mg²⁺ blokkade wegvalt. Normaal gesproken houdt
een Mg²⁺ ion het NMDA kanaal gesloten, maar bij membraan
depolarisatie valt deze blokkade weg, waardoor de receptoren
geactiveerd kunnen worden en de Ca²⁺ geleidbaarheid
toeneemt
■ Clonic-fase
● Ritmische spasmen. De aanvallen worden chaotischer, met
een schokkend effect, waarbij de spieren ritmisch
samentrekken en ontspannen.
2. Absence: vaak bij kinderen, verdwijnt op latere leeftijd, duurt maar 10-15
seconden, kind is even afwezig
3. Atonic: plotseling verlies van alle spierspanning → duren meestal enkele
seconden, maar persoon kan vallen
● Focal/partial seizures zitten op een plek, maar kunnen ook verspreiden via de
thalamus en een generalized seizure worden:
○ Verspreiding naar motorische cortex kan leiden tot spiertrekkingen of
verlamming van lichaamsdelen
○ Verspreiding naar sensorische cortex kan leiden tot verlies van zintuiglijke
controle of emoties
○ Verspreiding naar autonome zenuwstelsel kan leiden tot fysieke reacties
zoals zweten of snelle ademhaling
Bij epilepsie is er vaak co-mobiliteit → je leidt ook aan andere aandoeningen.
Migraine komt vaak ook door een dysfunctie in kanalen, waardoor release van
neurotransmitters wordt verhoogd kunnen worden en presynaptische netwerken
hyperexciteerbaar kunnen worden. Bij verschillende familiaire vormen van migraine (FHM)
zijn verschillende kanalen betrokken:
● FHM1: P-type Ca²⁺ kanaal
● FHM2: Na+/K+ -ATPases
● FHM3: Na+ kanaal
Bij FHM1 en andere migraine vormen kan Munc18 ook weer betrokken zijn, of een
verhoogde synaptotagmin activiteit.
Bij FHM1 komt ook de mutatie S218L voor: puntmutatie die zich voordoet in P/Q type Ca²⁺
kanalen, wat hun activiteit verhoogt en zorgt voor verhoogde release van neurotransmitters:
● De kanalen worden sneller geactiveerd bij meer gehyperpolariseerde membranen, in
plaats van alleen bij gedepolariseerde membranen. Er is dus een toename in de
frequentie en amplitude van de spontane releases.
● De amplitude van de Ca²⁺ stroom is echter kleiner, want het sneller openen van de
kanalen is een presynaptisch mechanisme, terwijl de amplitude van de miniature
excitatory postsynaptic potentials (mEPSPs) afhankelijk is van de
postsynaptische receptoren, en het aantal postsynaptische receptoren verandert
niet door deze mutatie.
Een modelsysteem voor onderzoek is de neuromusculaire eindplaat (in bijvoorbeeld
Drosophila): atypische perifere synaps tussen een motorisch neuron en een spiercel en
biedt inzicht in synaptische afgifte en spierfunctie.
