Feinstruktur der Bandscheibe und Herzverbindungen in der schwarzen Witwe Spinne Latrodectus mactans

Das offene Kreislaufsystem der Arthropoden besteht aus einem dorsalen Herzen und Arterien, aber es gibt keine Venen, um das Blut zurück zum Herzen zu bringen. Das Herz ist also einfach eine Aorta oder ein anderes Blutgefäß, und die Hämolymphe wird durch Muskelkontraktionen im ganzen Körper gepulst (Wirkner 2010; Wirkner et al. 2013)., Dennoch sind die Grundprinzipien und die strukturelle Organisation der Herzmuskelzellen bei komplexeren Wirbeltierarten ziemlich ähnlich (Kim und Moon 2018; Sun et al. 2020).

Grundsätzlich ist das Herz eine einfache Muskelröhre, die aus zwei Schichten der Herzwand besteht, dem inneren Myokard und dem äußeren Epikard. Das Myokard ist das Muskelgewebe, das für die Kontraktion des Herzens verantwortlich ist, und in dieser Schicht sind interkalierte Bandscheiben vorhanden (Sommer und Waugh 1978). Das Myokard in L., mactane zeigten sich als dicke Muskelschicht, die in direktem Kontakt mit der Hämolymphe ohne Intima stehen.

Bei Wirbeltieren, Manteltieren und einigen Weichtieren wird der Herzschlag von spezialisierten Gruppen von Muskelzellen, myokardleitenden Zellen, initiiert und reguliert. Obwohl sie eine der spezialisierten Herzmuskelzellen sind, initiieren die Myokardleitungszellen das Aktionspotential myogen (Gordon et al. 2000; van Weerd und Christoffels 2016). Es wurde jedoch berichtet, dass einige wirbellose Tiere, einschließlich Insekten, die Herzkontraktion durch externe Nerven initiiert und reguliert wird (Sherman 1987)., Unsere TEM-Beobachtung zeigt deutlich, dass die Herzmuskelfaser dieser Spinne durch einen Zweig äußerer Nerven durch neuromuskuläre Übergänge innerviert wird. Dies bedeutet, dass das Herz dieser Spinne nicht myogen, sondern neurogen angetrieben wird.

Typischerweise sind Herzmuskeln mit benachbarten Zellen durch interkalierte Scheiben verbunden, und sie werden unter dem Lichtmikroskop als dunkelfärbende Linien beobachtet, die senkrecht zur Richtung der Muskelfasern verlaufen. Im Herzmuskel von L., mactans, ein einzigartiges Merkmal ist das Vorhandensein von dunkelfärbenden Querlinien, die die Herzzellen in unregelmäßigen Abständen kreuzen. Sie treten an der Z-Linie des Sarkoms auf und können leicht sichtbar gemacht werden, wenn ein Längsschnitt des Gewebes beobachtet wird. Die interkalierte Bandscheibe stellt die elektrochemische und mechanische Verbindung zwischen benachbarten Herzmuskelzellen her (Bennett 2018). Da die interkalierten Bandscheiben als eine Art intrazelluläre Struktur angesehen wurden, gab es allgemeine Vereinbarungen, dass der Herzmuskel eine einzige funktionelle Einheit ist, die als Syncytium bezeichnet wird (Dewey 1969)., Dies liegt daran, dass Myokardgewebe aus vielen verzweigten Zellen besteht, die durch interkalierte Bandscheiben von Ende zu Ende verbunden sind (Paniagua et al. 1996).

Unsere elektronenmikroskopische Beobachtung zeigt auch, dass die interkalierte Scheibe aus der Plasmamembran benachbarter Zellen besteht. Es wurde berichtet, dass die Membranen der interkalierten Bandscheiben spezifische Assoziationen mit einer Vielzahl von intrazellulären und extrazellulären Strukturen herstellen (Forbes und Sperelakis 1985)., Es ist bekannt, dass die interkalierten Bandscheiben ein Gerüst für Myofibrillen bilden und eine schnelle Ausbreitung kontraktiler Reize zwischen Zellen ermöglichen (Gutstein et al. 2003; Goossens et al. 2007). Die schnelle Ausbreitung einer solchen Kontraktion ermöglicht es den Herzmuskeln, als funktionelles Synzytium zu fungieren.

Es ist bekannt, dass der Skelettmuskel aus mehrkernigen Muskelfasern besteht und keine interkalierten Bandscheiben aufweist. Der Herzmuskel besteht jedoch aus einzelnen Herzmuskelzellen, die durch interkalierte Bandscheiben verbunden sind, um als ein einziges funktionelles Organ zu arbeiten (Franke et al. 2006)., Da die interkalierten Bandscheiben Herzmuskelzellen mit dem Syncytium verbinden, um die schnelle Ausbreitung von Aktionspotentialen des Herzgewebes zu unterstützen (Forbes und Sperelakis 1985; Gourdie et al. 1991; Veeraraghavan et al. 2014) können die interkalierten Scheiben eine synchronisierte Kontraktion des Myokards unterstützen. Es wurde bereits berichtet, dass die Membranen der interkalierten Scheiben spezifische Assoziationen mit einer Vielzahl von Proteinen und Glykoproteinen herstellen (Forbes und Sperelakis 1985; Bennett 2018).,

In den Herzmuskeln von Wirbeltieren ist bekannt, dass drei Grundtypen von Zellübergängen eine interkalierte Bandscheibe, Faszienadherene, Desmosomen und Spaltübergänge bilden (Ehler 2016). Bei L. mactans erhöht die Membran in der interkalierten Bandscheibe den Oberflächenkontakt zwischen den Zellen stark, und oben werden drei Arten von Zellübergängen an den interkalierten Bandscheiben der Herzmuskelfasern eindeutig identifiziert. Diese drei Membranübergänge haben ihre eigenen Funktionen und können die Kontraktion des Herzens koordinieren., Daher verstärken diese Ergebnisse die Prämisse, dass die kontraktile Bewegung des Herzens auch durch das gleitende Filamentsystem der Muskelkontraktion innerhalb des Sarkoms gesteuert wird.

Zunächst wird ein Adherens-Übergang als ein Zellübergang definiert, dessen zytoplasmatische Oberfläche mit dem Aktin-Zytoskelett verbunden ist (Hartsock und James 2007). So ist adherens Junction in L. mactans Verankerungsstellen für Aktin und verbindet sich mit dem Ende des benachbarten Sarkomers der Herzmuskelfasern., Insbesondere die Faszien-Anhänger der Spinne finden sich als breiter interzellulärer Übergang sowohl des Sarkolemmas als auch der interkalierten Bandscheibe. Diese Art der Verbindung findet sich im peripheren Bereich der zellulären Befestigung, wo Aktinfilamente des I-Bandes einfügen und enden. Dies steht im Einklang mit den Ergebnissen anderer Wirbeltiere, da bekannt ist, dass die Adherens-Übergänge aus N-Cadherin als Transmembrankomponente bestehen, die mit den Aktinfilamenten verbunden ist (Meng und Takeichi 2009; Ehler 2016).,

Zweitens sind die interkalierten Scheiben unregelmäßige transversale Verdickungen des Sarkolemmas, die eine andere Art von Anhängern enthalten, die als Makula-Anhänger oder Desmosom bezeichnet werden (Zhao et al. 2019). Desmosomen halten benachbarte Herzmuskelfasern während der Kontraktion zusammen, indem sie intermediäre Filamente binden (Delva et al. 2009). In L. mactans wird eine Makula adherens in Bereichen der scalloped Grenze des Sarkolemmas zwischen den Stellen der Filamenteinfügung entwickelt. Es ist bekannt, dass Desmosomen aus Desmosom-intermediären Filamentkomplexen bestehen (Franke et al., 2006), ein Gerüst aus Cadherin-Proteinen, Linker-Proteinen und Keratin-Zwischenfilamenten (Garrod und Martyn 2008). Somit wird diese Makula-Adherens-Verbindung von besonderer Bedeutung bei interkalierten Bandscheiben, bei denen das Herz einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt ist und sich anpassen muss, um seine kontraktile Funktion aufrechtzuerhalten (Pruna und Ehler 2020).

Drittens wirken die interkalierten Scheiben auch als Ankerpunkte für die kontraktilen Proteine und enthalten wichtige Kanäle, die als Gap Junctions bezeichnet werden (Forbes und Sperelakis 1985; Gourdie et al. 1991; Veeraraghavan et al. 2014)., Diese zytoplasmatischen Verbindungen benachbarter Herzmuskelfasern ermöglichen die schnelle Ausbreitung von Aktionspotentialen von einer Zelle zur anderen (Goodenough und Paul 2009). Wenn Spaltübergänge reichlich vorhanden sind, färben sich die Membranen dunkler und Histologen nannten diese Bereiche interkalierte Scheiben. Daher sind interkalierte Bandscheiben Spaltübergänge, die benachbarte Herzmuskeln verbinden, so dass elektrische Impulse zwischen Zellen wandern und fast gleichzeitig kontrahieren können (Severs 1989). In L., mactans, interkalierte Bandscheiben sind Teil des Herzmuskels Sarkolemma, so dass sie auch Spaltverbindungen für die Impulsleitung zwischen Muskelfasern enthalten. Dies gilt insbesondere, weil die Spaltenknoten Ionenkanäle für die interzelluläre Kommunikation zwischen Herzzellen bereitstellen (Gutstein et al. 2003), die Depolarisation des Herzmuskels (Franke et al. 2006). Somit sind Kardiomyozyten in der Lage, eine koordinierte Kontraktion zu erreichen, die durch die Spaltübergänge der interkalierten Bandscheiben gesteuert wird (Ehler 2016).,

In jüngster Zeit wurde die Klassifizierung von Zellübergängen durch Beobachtungen in Frage gestellt, dass klassische Desmosomenproteine auch in Adherensübergängen durch Immunelektronenmikroskopie identifiziert wurden. Molekulare Studien haben gezeigt, dass interkalierte Scheiben zum größten Teil aus gemischten Typ-Adherens-Übergängen bestehen. Daher wurde die Terminologie von „Composite Junction“ oder „area composita“ eingeführt, um Plaque tragende Zell-Zell-Kontakte an der interkalierten Scheibe zu beschreiben (Franke et al. 2006). Diese stellen im Gegensatz zu verschiedenen Epithelien eine Verschmelzung typischer desmosomaler und faszienadherener Proteine dar., So unterscheiden sich Adherens-Junctions im Herzmuskel von epithelialen Adherens-Junctions und Desmosomen (Shimada et al. 2004; Borrmann et al. 2006).

Sarkolemma wird in elektronenmikroskopischen Studien verwendet, um die Einheitsmembran zu beschreiben, die das Zytoplasma der Muskelzelle umschließt (McNutt 1975). In L. mactans hat das Sarkolemma der Herzmuskelzelle eine basische Einheitenmembran, die aus einer Plasmamembran und zwei Grenzlamina besteht. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Grenzlamina eine spezielle Oberflächenschicht ist, die aus fibrillärem Glykoproteinmaterial besteht (Forbes und Sperelakis 1985)., Die Oberflächenschicht oder Glykokalyx bedeckt den größten Teil des äußeren Aspekts des Sarkolemmas, den sogenannten Sarcolemma-Glykokalyx-Komplex (Lee 1987). Die Glykokalyx kann eine Stelle der Kalziumbindung und des Austauschs über die Zellmembran im Herzmuskel sein (Adams und Schwartz 1980), da die Depolarisation des Sarkolemmas mit einem Zustrom von Kalzium in die Zelle verbunden ist.

Die neuronale Kontrolle der Muskelsysteme bei Spinnentieren ist im Vergleich zu den anderen großen Klassen von Arthropoden wie Krebstieren und Insekten (Sherman 1987) schlecht verstanden., Es wurde berichtet, dass Spinnen das neurogene Herz aus den Befunden eines Herzganglions am Herzen haben (Wilson 1967), elektrische Impulse des Herzschlags aufzeichnen (Sherman und Pax 1968) und detaillierte histologische Untersuchung des Herzganglions (Bursey und Sherman 1970)., Der neurogene Herzschlag bei Hummern und Hufeisenkrabben erzeugt periodische Ausbrüche von Aktionspotentialen durch die mit dem Myokard verbundenen neuronalen Elemente, der myogene Herzschlag bei Weichtieren und Wirbeltieren initiiert jedoch rhythmische Kontraktionen des Myokards durch die Muskelzellen selbst im Herzen (Sherman 1987).

Unsere transmissionselektronenmikroskopische Beobachtung zeigt deutlich, dass sich neuronale Axone aus dem Herzganglion in das Myokard erstrecken. Darüber hinaus sind auch neuromuskuläre Synapsen entlang der Oberfläche der Myokardzellen vorhanden., Dies steht im Einklang mit den physiologischen Beweisen für die mehrfache neuronale Eingabe in jede Myokardzelle (Sherman und Pax 1968; Ude und Richter 1974), was darauf hindeutet, dass die Schrittmacherzellen in Spinnen modifizierte Neuronen sind, die an das Herz gebunden sind. Dies ist ein wichtiger Unterschied im Vergleich zu Wirbeltieren, da die Herzkontraktion nicht selbst oder myogen, sondern neuronal gesteuert ist. Obwohl Wirbeltierherzen in ähnlicher Weise von Neuronen aus dem autonomen Nervensystem innerviert werden, wirken diese Neuronen nur in einer modulatorischen Funktion.