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Scoperti meccanismi molecolari alla base dell'apprendimento e della memoria

Dei ricercatori hanno chiarito che l'acetilcolina scatena una cascata di segnali nelle cellule cerebrali che influenza direttamente l'apprendimento avverso e la formazione della memoria, aprendo la porta a nuove strategie terapeutiche per Alzheimer.

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I pazienti con morbo di Alzheimer (MA) hanno livelli più bassi del neuromodulatore acetilcolina (ACh) nel cervello. Il donepezil, un farmaco per MA, aumenta i livelli di ACh cerebrale e migliora i deficit di apprendimento associati al MA.


Ora, dei ricercatori hanno identificato la cascata del segnale intracellulare attraverso la quale l'ACh regola l'apprendimento avverso, un importante test preliminare per i farmaci di MA. I ricercatori hanno anche scoperto che il donepezil attiva questa cascata di segnale per regolare l'apprendimento avverso. I risultati indicano il potenziale della cascata di segnalazione come bersaglio farmacologico.


L'acetilcolina (ACh) è un neuromodulatore con un ruolo centrale nell'apprendimento avverso, che è il condizionamento rapido all'odore, al gusto o al tocco spiacevoli. Queste funzioni di apprendimento hanno luogo nelle cellule chiamate 'neuroni spinosi medi che esprimono il recettore D2' (D2R-MSN, D2 receptor-expressing medium spiny neurons) che si trovano nello striato/nucleus accumbens (NAc) del cervello.


I livelli di ACh aumentano nel NAc durante le esperienze di apprendimento avverse. Precedenti studi avevano dimostrato che l'ACh agisce sui D2R-MSN attraverso un recettore chiamato 'recettore muscarinico M1' (M1R), che a sua volta attiva la molecola di segnalazione a valle chiamata 'proteina chinasi C' (PKC).


Tuttavia, finora, non era chiaro l'esatto meccanismo di segnalazione intracellulare attraverso il quale l'ACh influenza l'apprendimento avverso, il che ha limitato lo sviluppo di strategie terapeutiche per MA che colpiscono direttamente la segnalazione intracellulare dell'ACh.


Di recente, in uno studio pubblicato su Molecular Psychiatry (ref. 1), i ricercatori del laboratorio del Prof. Kozo Kaibuchi alla Fujita Health University (FHU), hanno chiarito i meccanismi molecolari dell'ACh per l'apprendimento e la memoria.


“Questa è la prima volta che ci siamo riusciti nei 45 anni da quando è stata stabilita l'ipotesi colinergica del MA. Il nostro studio ci ha anche portato a comprendere il meccanismo intracellulare del donepezil e il suo effetto sull'apprendimento e sulla memoria. Questa scoperta entusiasmante apre le porte a nuove strategie terapeutiche per il MA”
, spiega l'assistente prof.ssa Yukie Yamahashi, prima autrice dello studio.


Le cascate di segnalazione molecolare sono facilitate da un processo chiamato fosforilazione, che prevede l'aggiunta di gruppi di fosfato a determinate molecole di substrato da parte delle chinasi all'interno delle cellule. Per studiare la fosforilazione, il team di ricerca ha impiegato una tecnica chiamata analisi fosfoproteomica orientata alla chinasi, che è stata sviluppata dal Prof. Kozo Kaibuchi, l'autore senior dello studio.


Il team di ricerca ha confermato il ruolo dell'ACh nello stimolare la PKC dopo il monitoraggio degli eventi di fosforilazione a seguito del legame dell'ACh agli M1R nelle fette di striato/NAc di topo in vivo. Successivamente, hanno eseguito l'analisi fosfoproteomica, che ha prodotto 116 candidati al substrato PKC, tra cui il β-PIX, l'attivatore di una proteina chiamata 'piccola GTPase Rac'.


"Abbiamo scoperto che la PKC ha fosforilato e attivato ​​β-PIX a valle dell'ACh, che a sua volta ha attivato una chinasi chiamata PAK, un bersaglio a valle di Rac. Abbiamo quindi esaminato il coinvolgimento della cascata identificata ACh-M1R-PKC-Rac-β-PIX-PAK nell'apprendimento avverso e nella memoria di avversione con test di evitamento passivo nei topi", afferma il dott. Yamahashi.


Infine, i ricercatori hanno anche scoperto che il donepezil attiva la cascata per migliorare l'apprendimento avverso. "Questo studio costituisce la prima evidenza dei meccanismi intracellulari del donepezil che regolano l'apprendimento e la memoria", afferma il dott. Yamahashi.


Queste scoperte si legano bene con un recente studio del laboratorio del Prof. Kaibuchi pubblicato sul Journal of Neurochemistry (ref. 2). Il primo autore dello studio, il dott. Md. Omar Faruk, ha avuto il premio Mark A. Smith dell'International Society for Neurochemistry (ISN). Lo studio ha dimostrato il coinvolgimento nell'apprendimento avverso del 'canale di potassio con tensione KCNQ2', che è stato identificato come un altro candidato al substrato PKC nell'analisi fosfoproteomica di cui sopra.


In effetti, il PKC fosforila direttamente il KCNQ2 alla treonina 217, il sito di fosforilazione precedentemente riportato per il possibile coinvolgimento della modulazione della sua attività del canale. Inoltre, la somministrazione di donepezil ha anche migliorato l'evento di fosforilazione nel NAc.


I risultati del team implicano direttamente che la cascata del segnale, M1R-PKC-β-PIX-PAK, è coinvolta nella memoria di riconoscimento e nell'apprendimento associativo. Ciò è molto significativo in quanto la stessa cascata offre una piattaforma per la selezione di farmaci per MA in fase di sviluppo.


“Anche se ci siamo concentrati solo su β-PIX e sul chiarimento del percorso M1R-PKC-PAK, i nostri dati fosfoproteomici hanno rivelato molti altri substrati PKC: proteine ​​pre-sinaptiche e proteine ​​dell'impalcatura postsinaptica per nominarne alcuni, che sono registrati in un database chiamato Kinase-Associated Neural PHOspho-Signaling (KANPHOS). Stiamo vedendo solo la punta dell'iceberg e crediamo che la ricerca futura potrebbe produrre nuovi meccanismi di trasduzione del segnale in altre aree cerebrali", afferma il dott. Yamahashi, riguardo alle prospettive future della loro ricerca.


Queste saranno sicuramente buone notizie per i pazienti con MA e per i loro cari, e offrono speranze per lo sviluppo di nuovi trattamenti che possono migliorare l'apprendimento e la funzione della memoria.

 

 

 


Fonte: Fujita Health University (> English) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti:

  1. Yukie Yamahashi, ...+13], Kozo Kaibuchi. Phosphoproteomic of the acetylcholine pathway enables discovery of the PKC-β-PIX-Rac1-PAK cascade as a stimulatory signal for aversive learning. Molecular Psychiatry, 2022, DOI
  2. Md. Omar Faruk, ...[+11], Kozo Kaibuchi. Muscarinic signaling regulates voltage-gated potassium channel KCNQ2 phosphorylation in the nucleus accumbens via protein kinase C for aversive learning. Journal of Neurochemistry, 8 Dec 2021, DOI

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