Come archiviano i neuroni le informazioni sugli eventi passati? All'Istituto Nencki di Biologia Sperimentale dell'Accademia Polacca delle Scienze di Varsavia, è stato scoperto un meccanismo finora sconosciuto per rintracciare i ricordi.

Sembra che almeno alcuni eventi siano ricordati grazie ... alla geometria.

Visualizzazione al computer della struttura spaziale del nucleo cellulare dei neuroni ottenuta dopo aver combinato le immagini inter-sezionali al microscopio confocale. (Credit: Nencki Institute)

I neuroni sono le cellule più importanti del sistema nervoso. Scienziati dell'Istituto Nencki di Biologia Sperimentale dell'Accademia Polacca delle Scienze di Varsavia hanno mostrato che, durante la stimolazione dei neuroni, si osservano modifiche permanenti nella disposizione dei geni all'interno del nucleo della cellula.

Questa scoperta, riportata sul Journal of Neuroscience, è significativa per capire meglio i processi che avvengono nella mente e i disordini del sistema nervoso, soprattutto nel cervello.

"Nel condurre esperimenti sui topi dopo crisi epilettiche, abbiamo osservato che un gene può spostarsi sempre più in profondità nel nucleo delle cellule del neurone. Poiché la modifica della struttura geometrica del nucleo porta a cambiamenti nell'espressione genica, questo è il modo in cui il neurone ricorda ciò che è accaduto", spiega il Prof. Grzegorz Wilczynski dal Laboratorio di Neuromorfologia Molecolare e Sistemica dell'Istituto Nencki.

I neuroni si collegano tra di loro tramite le sinapsi, formando reti estese. Affinché le reti neuronali conservino le tracce degli stimoli che hanno causato l'attivazione, deve cambiare la forma e il funzionamento delle singole sinapsi. Perchè la traccia dello stimolo sia permanente, sono necessarie modifiche nell'espressione di molti geni situati nel nucleo cellulare dei singoli neuroni. I geni sono sezioni delle proteine che codificano le catene di acido desossiribonucleico (DNA). Ma la presenza di un gene nel DNA non significa che esso sia attivo.

E' noto da diversi anni che l'espressione genica dipende anche dall'ambiente all'interno della cellula. La cromatina, che riempie le cellule, contiene geni che attivano o sopprimono le sostanze."Questo assomiglia un po' alle relazioni interpersonali. Quando si partecipa ad una riunione sociale l'importanza di quello che dici avrà un impatto diverso a seconda dell'ambiente. Se l'ambiente è favorevole, il parere sarà acquisito e rinforzato e si otterrà un impatto sociale. Se l'ambiente è meno cordiale, la tua opinione sarà ignorata", spiega il Prof. Wilczynski.

Nel caso dei neuroni, i processi epigenetici durante i quali viene decisa l'espressione genica dall'ambiente, finora sono stati associati solo alle reazioni chimiche all'interno della cromatina. La ricerca effettuata all'Istituto Nencki dimostra che nei neuroni abbiamo a che fare con un altro tipo di effetti epigenetici ancora: modifiche alla struttura spaziale del nucleo della cellula con conseguente formazione di tracce permanenti di memoria. This is possible for two reasons. Questo è possibile per due ragioni. Prima di tutto per la presenza della membrana nucleare: i geni possono attaccarsi o staccarsi da essa, cosa che incide sulla loro espressione. La seconda ragione è legata alla struttura specifica del nucleo cellulare.

Il nucleo di una cellula consiste di molti globuli, chiamati domini, o territori, cromosomici. Ogni dominio è riempito da un solo cromosoma, che può spostarsi leggermente all'interno del suo territorio. Come risultato di tale movimento sui punti di incontro di domini confinanti, possono venire a contatto frammenti delle catene di DNA contenenti i diversi geni. Questo porta al silenziamento di un gruppo di geni o alla loro espressione: la formazione di una fabbrica di trascrizione. Tuttavia, un leggero movimento della catena del DNA in qualsiasi dominio cambia la situazione: l'unità del gene silenziato riprende l'attività o la fabbrica smette di funzionare.

Le modifiche alla disposizione spaziale dei geni all'interno del nucleo cellulare sono già state osservate in alcuni tipi di cellule, come nelle cellule epiteliali. La ricerca condotta all'Istituto Nencki dimostra che gli stimoli esterni possono causare cambiamenti all'interno dei neuroni. Inoltre, gli scienziati dimostrano che tali cambiamenti sono permanenti e creano una traccia di memoria genetica distinta all'interno della struttura neuronale - nonostante non ci siano variazioni registrate nelle stesse catene del DNA.

I neuroni usati in questo studio provenivano da ratti dopo una crisi epilettica, che è un disturbo della plasticità cerebrale. Durante la crisi i neuroni attivati sono luoghi di espressione genica turbolenta. Gli scienziati dell'Istituto Nencki hanno deciso di indagare due geni, conosciuti come BDNF e TRKB. In collaborazione con il gruppo del Prof. Marek Świtoński dell'Università di Scienze della Vita di Poznań, e con il Prof. Marion Cremer di Monaco di Baviera, è stata contrassegnata la posizione di questi geni all'interno delle catene di DNA, con una sostanza fluorescente dopo la stimolazione con luce laser.

Sono stati analizzati al microscopio confocale i preparati provenienti da neuroni da ratti di controllo e da neuroni provenienti da ratti dopo le crisi epilettiche."Il microscopio confocale registra immagini solo in prossimità del piano focale. Pertanto ogni immagine rappresenta una sezione piatta e sottile della preparazione. Per ricostruire la struttura spaziale del nucleo cellular e la disposizione dei genie da una serie di molti di tali spicchi, abbiamo dovuto progettare un software speciale. Questo compito si è rivelato difficile perchè stavamo lavorando al limite del potere di risoluzione del microscopio", dice il dottor Błażej Ruszczycki dell'Istituto Nencki.

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Il software ha richiesto un anno per essere sviluppato. E' stato usato per studiare più di 5.000 nuclei di cellula per determinare la posizione sia dei geni di interesse in relazione ai centri dei nuclei, che la membrana nucleare. Per il gene BDNF, è stato osservato un cambiamento nella sua posizione di qualche centinaio di nanometri (un miliardesimo di metro); negli animali di controllo questo gene era presente vicino alla membrana nucleare, o su di essa, nel 50% dei nuclei, mentre negli animali dopo le crisi epilettiche questo valore è sceso a circa il 25%.

"Una caduta doppia è un grande cambiamento in biologia. Inoltre, abbiamo osservato che esso rimane visibile per diverse settimane. La conclusione è quindi chiara: gli eventi passati sono ricordati dai neuroni grazie anche ai cambiamenti all'interno dell'architettura dei loro nuclei cellulari", osserva il Prof. Wilczynski.

Questa ricerca è stata finanziata dal Polish-Norwegian Grant e dall'Innovative Economy Operational Programme.

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Fonte: Nencki Institute of Experimental Biology, via AlphaGalileo.

Riferimento: A. Walczak, AA Szczepankiewicz, B. Ruszczycki, A. Magalska, K. Zamlynska, J. Dzwonek, E. Wilczek, K. Zybura-Broda, M. Rylski, M. Malinowska, M. Dabrowski, T. Szczepinska, K. Pawlowski, M. Pyskaty, J. Wlodarczyk, I. Szczerbal, M. Switonski, M. Cremer, GM Wilczynski. Novel Higher-Order Epigenetic Regulation of the Bdnf Gene upon Seizures . Journal of Neuroscience , 2013; 33 (6): 2507 DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1085-12.2013

Pubblicato in Science Daily il 7 Marzo 2013 - Traduzione di Franco Pellizzari.

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