Ricerche

Quando impari, i compartimenti sinaptici dei tuoi neuroni crescono e si rafforzano (come gemme in piena fioritura). Una nuova ricerca ha scoperto che durante questo processo, gli enzimi di segnalazione PKCD (le farfalle svolazzanti) si attivano per supportare il rafforzamento e la crescita delle sinapsi, inviano al contempo segnali (il polline) che si diffondono dalle sinapsi al nucleo del neurone per regolare l'ampia espressione genica della cellula. (Grafica: Helena Pinheiro)

Quando interagisci con il mondo intorno a te, le tue esperienze sono registrate come cambiamenti nella potenza delle connessioni tra i neuroni nel cervello. Questo processo, chiamato plasticità sinaptica, altera il modo in cui le informazioni fluiscono nel cervello ed è fondamentale per l'apprendimento, la memoria e persino il recupero dalle lesioni.

Una nuova ricerca guidata dal dott. Ryohei Yasuda, direttore scientifico del Max Planck Florida Institute for Neuroscience (MPFI)  e pubblicata sul Journal of Neuroscience, ha identificato il ruolo cruciale di un enzima di segnalazione chiamato 'proteina chinasi C delta' (PKCd, Protein Kinase C delta) in questo processo.

Il team di scienziati ha sviluppato biosensori per tracciare l'attività del PKCd durante la plasticità, superando le sfide dello studio della sua funzione. Attraverso questo nuovo approccio, hanno scoperto che il PKCd crea un 'effetto farfalla' che trasmette segnali locali da alcune delle migliaia di sinapsi in un neurone per regolare i cambiamenti a livello cellulare nell'espressione genica.

La plasticità sinaptica è costituita da centinaia di reazioni biochimiche coordinate che alterano la struttura e la funzione delle singole sinapsi, i piccoli compartimenti dove vengono trasferite le informazioni tra i neuroni. Queste reazioni biochimiche sono opera degli enzimi, proteine specializzate delle cellule che funzionano insieme durante la plasticità per accrescere fisicamente, o ridurre, le sinapsi e renderle più forti, o più deboli.

È interessante notare che, quando solo alcune sinapsi delle migliaia di un neurone subiscono la plasticità, queste reazioni si estendono oltre i singoli compartimenti sinaptici e si diffondono in tutto il neurone fino al nucleo, dove si verificano cambiamenti nell'espressione genica a livello di neurone.

Il coordinamento della plasticità locale nelle sinapsi con i cambiamenti nel nucleo consente cambiamenti duraturi nel trasferimento di informazioni nel cervello durante l'apprendimento. Tuttavia, gli enzimi e le reazioni che coordinano la segnalazione dalle sinapsi al nucleo non erano ancora del tutto chiari. Sviluppando nuovi approcci allo studio di vecchie questioni, gli scienziati dell'MPFI sono riusciti a capire che il PKCd è essenziale per questo processo critico.

Il PKCd fa parte della famiglia PKC, un gruppo di 12 enzimi strettamente correlati, che sappiamo essere necessario per la plasticità sinaptica. Tuttavia, il ruolo dei singoli enzimi nella famiglia PKC nella plasticità sinaptica non era chiaro. Questa incertezza era dovuta principalmente alla carenza di strumenti utili agli scienziati per distinguere i ruoli unici di questi membri della famiglia strettamente correlati.

Per superare questa limitazione, gli scienziati hanno sviluppato biosensori che visualizzano l'attività di membri specifici della famiglia di enzimi PKC. Il team ha scoperto che uno di questi enzimi, il PKCd, era indispensabile per la plasticità sinaptica. Il blocco della sua funzione impedisce l'aumento della forza e delle dimensioni delle connessioni sinaptiche.

In particolare, lo studio ha rivelato che l'attività del PKCd variava a seconda della natura dello stimolo di plasticità. Il PKCd si attivava in misura maggiore e per un tempo più lungo quando si rafforzavano diverse sinapsi. Inoltre, la sua attività si diffondeva in tutto il neurone, regolando le reazioni biochimiche dalle sinapsi in tutto il neurone fino al nucleo, dove attivavano la trascrizione genica.

"Questo lavoro fornisce nuovi strumenti, che superano i limiti di lunga data nello studio delle funzioni dei singoli enzimi PKC e ci fanno capire meglio la plasticità sinaptica, un processo critico nella funzione cerebrale", scrive il dott. Lesley Colgan, il primo autore dello studio. "Con questo approccio, abbiamo scoperto un meccanismo efficiente per lo scambio di informazioni tra sinapsi e trascrizione genica all'interno del nucleo, che converte la plasticità a breve termine in forme di durata più lunga, che probabilmente sottendono la formazione della memoria".

Come la diffusione dell'attività del PKCd da alcune sinapsi a tutto il neurone, gli scienziati credono che lo sviluppo di nuovi biosensori per la famiglia di enzimi PKC avrà un impatto oltre il campo della plasticità sinaptica. Come ha osservato il dott. Colgan,

"La famiglia di enzimi PKC è coinvolta in molte funzioni cellulari ed è stata implicata in molte malattie, che comprendono Alzheimer, cancro e malattie cardiache. Speriamo che gli strumenti sviluppati in questo studio possano essere usati da altri nella comunità scientifica per affrontare molte domande diverse e avere un impatto in questi importanti campi scientifici".