Marcado sináptico

El marcado sináptico , o la hipótesis del marcado sináptico, fue propuesto por primera vez en 1997 por Uwe Frey y Richard G. Morris ; busca explicar cómo la señalización neuronal en una sinapsis particular crea un objetivo para el tráfico posterior de productos relacionados con la plasticidad (PRP), esencial para la LTP y la LTD sostenidas . Aunque se desconoce la identidad molecular de las etiquetas, se ha establecido que se forman como resultado de la estimulación de alta o baja frecuencia , interactúan con los PRP entrantes y tienen una vida útil limitada. ^[1]

Investigaciones posteriores han sugerido que los productos relacionados con la plasticidad incluyen ARNm y proteínas tanto del soma como del eje dendrítico que deben ser capturadas por moléculas dentro de la columna dendrítica para lograr LTP y LTD persistentes. Esta idea se articuló en la hipótesis sináptica de etiquetado y captura. En general, el etiquetado sináptico se basa en los fundamentos moleculares de cómo se genera L-LTP y conduce a la formación de la memoria .

Historia

Un mecanismo molecular potencial para el marcado sináptico

Frey, investigador del Instituto Leibniz de Neurobiología , y Morris, investigador de la Universidad de Edimburgo , ^[2] sentaron las bases para la hipótesis del marcado sináptico, afirmando:

"Proponemos que la LTP inicia la creación de una 'etiqueta sináptica' independiente de la síntesis de proteínas de corta duración en la sinapsis potenciada que secuestra las proteínas relevantes para establecer la LTP tardía. En apoyo de esta idea, ahora mostramos que La estimulación tetánica, que normalmente sólo conduce a una LTP temprana, o la tetanización repetida en presencia de inhibidores de la síntesis de proteínas, resulta en una LTP tardía dependiente de la síntesis de proteínas, siempre que la tetanización repetida ya se haya aplicado en otra entrada a la misma población de neuronas. . La etiqueta sináptica decae en menos de tres horas. Estos hallazgos indican que la persistencia de LTP depende no sólo de eventos locales durante su inducción, sino también de la actividad previa de la neurona ". ^[2]

El estímulo inductor de L-LTP induce dos procesos independientes que incluyen una etiqueta biológica dendrítica que identifica la sinapsis como estimulada y una cascada genómica que produce nuevos ARNm y proteínas (productos de plasticidad). ^[3] Si bien la estimulación débil también marca las sinapsis, no produce la cascada. Las proteínas producidas en la cascada son característicamente promiscuas, ya que se adhieren a cualquier sinapsis marcada recientemente. Sin embargo, como descubrieron Frey y Morris, la etiqueta es temporal y desaparecerá si no se presenta ninguna proteína para su captura. Por lo tanto, la producción de etiquetas y proteínas deben superponerse si la estimulación de alta frecuencia va a inducir L-LTP .

El experimento realizado por Frey y Morris implicó la estimulación de dos conjuntos diferentes de fibras colaterales de Schaffer que hicieron sinapsis en la misma población de células CA1 . ^[3] Luego registraron el campo EPSP asociado con cada estímulo en las vías S1 o S2 para producir E-LTP y L-LTP en diferentes sinapsis dentro de la misma neurona., basado en la intensidad del estímulo. Los resultados mostraron 1) que el E-LTP producido por una estimulación débil podría convertirse en L-LTP si se administraba un fuerte estímulo S2 antes o después y 2) que la capacidad de convertir E-LTP en L-LTP disminuyó a medida que el intervalo entre los aumentaron dos estimulaciones, creando dependencia temporal. Cuando bloquearon la síntesis de proteínas antes de la administración de una fuerte estimulación S2, se evitó la conversión a L-LTP, lo que demuestra la importancia de traducir los ARNm producidos por la cascada genómica.

Investigaciones posteriores han identificado una propiedad adicional del marcado sináptico que implica asociaciones entre LTP tardío y LTD. Este fenómeno fue identificado por primera vez por Sajikumar y Frey en 2004 y ahora se denomina "marcado cruzado". ^[4] Implica interacciones asociativas tardías entre LTP y LTD inducidas en conjuntos de entradas sinápticas independientes.: la LTP tardía inducida en un conjunto de entradas sinápticas puede transformar la LTD temprana en LTD tardía en otro conjunto de entradas. También se produce el efecto contrario: la LTP temprana inducida en la primera sinapsis puede transformarse en LTP tardía si sigue un estímulo inductor de LTD tardío en una sinapsis independiente. Este fenómeno se observa porque la síntesis de proteínas relacionadas con la plasticidad (PRP) inespecíficas por LTP tardío o -LTD en la primera sinapsis es suficiente para transformar LTD / LTP temprano en LTD / LTP tardío en la segunda sinapsis después de que las etiquetas sinápticas hayan sido colocar.

Blitzer y su equipo de investigación propusieron una modificación a la teoría en 2005, afirmando que las proteínas capturadas por la etiqueta sináptica son en realidad proteínas locales que se traducen a partir de ARNm ubicados en las dendritas. ^[3] Esto significa que los ARNm no son un producto de la cascada genómica iniciada por un estímulo fuerte, sino que se administran como resultado de una transcripción basal continua . Propusieron que incluso las sinapsis débilmente estimuladas que estaban marcadas pueden aceptar proteínas producidas a partir de una fuerte estimulación cercana a pesar de carecer de la cascada genómica.

Tráfico de ARNm hacia la columna dendrítica y el citoesqueleto.

La teoría del etiquetado sináptico / etiquetado y captura potencialmente aborda el problema significativo de explicar cómo el ARNm, las proteínas y otras moléculas pueden ser transportados específicamente a ciertas espinas dendríticas durante la fase tardía de la LTP. Se sabe desde hace mucho tiempo que la fase tardía de LTP depende de la síntesis de proteínas dentro de la espina dendrítica particular, como se demuestra al inyectar anisomicina en una espina dendrítica y observar la ausencia resultante de LTP tardía. ^[5] Para lograr la traducción dentro de la columna dendrítica, las neuronas deben sintetizar el ARNm en el núcleo, empaquetarlo dentro de un complejo de ribonucleoproteína , iniciar el transporte, prevenir la traducción durante el transporte y finalmente entregar el complejo RNP a la columna dendrítica apropiada. ^[6]Estos procesos abarcan una serie de disciplinas y el etiquetado / etiquetado y captura sinápticos no puede explicarlos todos; sin embargo, el marcado sináptico probablemente juega un papel importante en la dirección del tráfico de ARNm hacia la columna dendrítica apropiada y en la señalización del complejo ARNm-RNP para que se disocie y entre en la columna dendrítica.

La identidad de una célula y las identidades de las estructuras subcelulares están determinadas en gran medida por las transcripciones de ARN . Teniendo en cuenta esta premisa, se deduce que la transcripción celular, el tráfico y la traducción de ARNm se modifican en varias coyunturas diferentes. ^[7] Comenzando con la transcripción, las moléculas de ARNm se modifican potencialmente mediante el empalme alternativo de exones e intrones . Los mecanismos de empalme alternativos permiten que las células produzcan un conjunto diverso de proteínas a partir de un solo gen dentro del genoma. Los desarrollos recientes en la secuenciación de próxima generación han permitido una mayor comprensión de la diversidad que logran las células eucariotas a través de variantes de empalme. ^[8]

El ARNm transcrito debe llegar a la espina dendrítica deseada para que la espina exprese L-LTP. Las neuronas pueden transportar ARNm a espinas dendríticas específicas en un paquete junto con un complejo de ribonucleoproteína de transporte (RNP); el complejo de transporte RNP es un subtipo de un gránulo de ARN. Se ha identificado que los gránulos que contienen dos proteínas de importancia conocida para la plasticidad sináptica, CaMKII (Quinasa II dependiente de Calmodulina) y el gen temprano inmediato Arc, se asocian con un tipo de proteína quinesina motora, KIF5. ^[9] Además, existe evidencia de que el ARNm poliadenilado se asocia con microtúbulos en neuronas de mamíferos, al menos in vitro. ^[10] Dado que las transcripciones de ARNm experimentan poliadenización antes de exportarse desde el núcleo, esto sugiere que el ARNm esencial para la LTP de fase tardía puede viajar a lo largo de los microtúbulos dentro del eje dendrítico antes de llegar a la columna dendrítica.

Una vez que el complejo ARN / RNP llega a través de la proteína motora a un área cercana a la espina dendrítica específica, de alguna manera debe ser "capturado" por un proceso dentro de la espina dendrítica. Este proceso probablemente involucra la etiqueta sináptica creada por estimulación sináptica de fuerza suficiente. El marcado sináptico puede resultar en la captura del complejo ARN / RNP a través de varios mecanismos posibles, tales como:

1. La etiqueta sináptica desencadena la entrada transitoria de microtúbulos dentro de la columna dendrítica. Investigaciones recientes han demostrado que los microtúbulos pueden entrar transitoriamente en las espinas dendríticas de una manera dependiente de la actividad. [ ^[11] ]
2. La etiqueta sináptica desencadena la disociación de la carga de la proteína motora y de alguna manera la guía hacia microfilamentos formados dinámicamente.

Síntesis de proteínas locales

Desde la década de 1980, se ha vuelto cada vez más claro que las dendritas contienen ribosomas , proteínas y componentes de ARN para lograr la traducción de proteínas local y autónoma. Muchos ARNm que se encuentran localizados en las dendritas codifican proteínas que se sabe que están involucradas en LTP, incluidas las subunidades del receptor AMPA y CaMKII, y las proteínas MAP2 y Arc relacionadas con el citoesqueleto . ^[12]

Los investigadores ^[13] proporcionaron pruebas de síntesis local al examinar la distribución del ARNm de Arc después de la estimulación selectiva de ciertas sinapsis de una célula del hipocampo. Descubrieron que el ARNm de Arc se localizaba en las sinapsis activadas y que la proteína Arc aparecía allí simultáneamente. Esto sugiere que el ARNm se tradujo localmente.

Estas transcripciones de ARNm se traducen de manera dependiente de la tapa, lo que significa que utilizan un punto de anclaje "tapa" para facilitar la unión del ribosoma a la región no traducida 5 '. Los miembros del grupo del factor de iniciación eucariota 4 (eIF4) reclutan subunidades ribosómicas en el extremo del ARNm, y el ensamblaje del complejo de iniciación eIF4F es un objetivo del control de la traducción: la fosforilación de eIF4F expone el límite para una recarga rápida, acelerando el paso limitante de la traducción. Se sugiere que la formación del complejo eIF4F se regule durante LTP para aumentar la traducción local. ^[12] Además, el complejo eIF4F excesivo desestabiliza la LTP.

Los investigadores han identificado secuencias dentro del ARNm que determinan su destino final, llamados elementos de localización (LE), códigos postales y elementos de orientación (TE). Estos son reconocidos por proteínas de unión a ARN, de las cuales algunos candidatos potenciales son MARTA y ZBP1. ^{[14] [15]} Reconocen los ET y esta interacción da como resultado la formación de complejos de proteína ribonucleotídica (RNP), que viajan a lo largo de los filamentos del citoesqueleto hasta la columna con la ayuda de proteínas motoras. Se han identificado TE dendríticos en la región no traducida de varios ARNm, como MAP2 y alphaCaMKII. ^{[16] [17]}

Posibles modelos de etiquetas

Es probable que el marcado sináptico implique la adquisición de mecanismos de mantenimiento molecular por una sinapsis que luego permitiría la conservación de los cambios sinápticos. ^[18] Hay varios procesos propuestos a través de los cuales funciona el etiquetado sináptico. ^[19] Un modelo sugiere que la etiqueta permite la síntesis de proteínas locales en la sinapsis especificada que luego conduce a modificaciones en la fuerza sináptica. Un ejemplo de este mecanismo sugerido implica el anclaje de PKMzetaARNm a la sinapsis marcada. Este ancla entonces restringiría la actividad de la PKMzeta traducida, una proteína importante relacionada con la plasticidad, a esta ubicación. Un modelo diferente propone que los cambios sinápticos a corto plazo inducidos por el estímulo son en sí mismos la etiqueta; Los productos proteicos entregados o traducidos posteriormente actúan para fortalecer este cambio. Por ejemplo, la eliminación de los receptores AMPA debido a la estimulación de baja frecuencia que conduce a LTD se estabiliza mediante un nuevo producto proteico que estaría inactivo en las sinapsis donde no se había producido la internalización. La etiqueta también podría ser un rastro de memoria latente, como sugiere otro modelo. La actividad de las proteínas sería entonces necesaria para que el rastro de la memoria condujera a cambios sostenidos en la fuerza sináptica. Según este modelo, los cambios inducidos por la huella de la memoria latente, como el crecimiento de nuevas filipodias , son en sí mismos la etiqueta. Estas etiquetas requieren productos proteicos para la estabilización, la formación de sinapsis y la estabilización de la sinapsis. Finalmente, otro modelo propone que los productos moleculares requeridos se dirijan a las ramas dendríticas apropiadas y luego encuentren las sinapsis específicas bajo modificación de eficacia, siguiendo gradientes de microconcentración de Ca ++ a través de canales de Ca ++ activados por voltaje. ^[20]

Etiquetado de comportamiento

Si bien el concepto de la hipótesis del marcado sináptico resultó principalmente de experimentos que aplicaban estimulación a las sinapsis, se puede establecer un modelo similar considerando el proceso de aprendizaje en un sentido más amplio, conductual. ^[21]Fabricio Ballarini y sus colegas desarrollaron este modelo de etiquetado conductual al probar el reconocimiento de objetos espaciales, el condicionamiento contextual y la aversión al gusto condicionada en ratas con un entrenamiento débil. El entrenamiento aplicado normalmente solo da como resultado alteraciones de la memoria a corto plazo. Sin embargo, emparejaron este entrenamiento débil con un evento de comportamiento arbitrario separado que se supone que induce la síntesis de proteínas. Cuando los dos eventos conductuales se acoplaron dentro de un cierto período de tiempo, el entrenamiento débil fue suficiente para provocar cambios relacionados con la tarea en la memoria a largo plazo. Los investigadores creían que la formación débil conduce a una "etiqueta de aprendizaje". Durante la tarea posterior, la escisión de proteínas dio como resultado la formación de memoria a largo plazo para esta etiqueta. El modelo de marcado de comportamiento corresponde al modelo de marcado sináptico.Una estimulación débil establece E-LTP que puede servir como etiqueta utilizada para convertir la potenciación débil en L-LTP más fuerte y persistente, una vez que se aplica la estimulación de alta intensidad.

Referencias

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