L'apprendimento richiede una continua riconfigurazione delle connessioni tra le cellule nervose.

Due nuovi studi ora introducono nuove conoscenze sui meccanismi molecolari che stanno alla base del processo di apprendimento.

L'apprendimento e la memoria sono resi possibili dalla riorganizzazione incessante di connessioni nervose nel cervello. Entrambi i processi sono basati su modifiche mirate delle interfacce funzionali tra le cellule nervose - le cosiddette sinapsi - che ne modificano la forma, la composizione molecolare e le proprietà funzionali.

In effetti, le connessioni tra le cellule che sono spesso attivate ​​insieme sono modificate progressivamente in modo da rispondere ai segnali successivi più rapidamente e con più forza. In questo modo, le informazioni possono essere codificate in schemi di attività sinaptica e richiamate prontamente quando serve. Anche il contrario è vero: i comportamenti appresi possono essere persi dal mancato uso, perché le sinapsi inattive hanno di per sé meno probabilità di trasmettere un impulso in ingresso, portando al degrado di tali connessioni.

Il modo in cui le sinapsi si modificano, senza danneggiare contemporaneamente le cellule nervose nei dintorni o le altre sinapsi della stessa cellula è la questione centrale della ricerca di Michael Kiebler, biochimico titolare della cattedra di Biologia Cellulare alla Facoltà di Medicina della Ludwig-Maximilians-Universitaet di Monaco (LMU). "E' ormai chiaro che i cambiamenti avvengono nella cellula stimolata dall'input sinaptic0 - la cellula post-sinaptica - e in particolare nelle cosiddette spine dendritiche", dice, "e le particelle note come «granuli neuronali di RNA» consegnano molecole di mRNA a questi siti".

Questi mRNA rappresentano la cianografia della sintesi delle proteine responsabili della riconfigurazione delle sinapsi. La squadra di Kiebler ha sviluppato un modello, che postula che questi granuli migrano da dendrite a dendrite, e rilasciano i loro mRNA ai siti specifici che sono ripetutamente attivati. Questo farebbe sì che le proteine pertinenti siano sintetizzate solo dove sono necessarie all'interno della cellula.

Nonostante l'importanza potenziale del modello, erano finora rimasti oscuri i meccanismi molecolari necessari per la sua realizzazione. Le proteine che vincolano i mRNA, che includono Staufen2 (Stau2) e Barentsz, sono componenti essenziali dei granuli, e la squadra di Kiebler, in collaborazione con il gruppo di Giulio Superti-Furga (del CEMM di Vienna), hanno ora usato anticorpi specifici per isolare e caratterizzare i granuli neuronali che contengono Stau2 o Barentsz.

Diversità sorprendente

Si è generalmente assunto che tutti i granuli neuronali di RNA abbiano composizioni sostanzialmente simili. Tuttavia, i nuovi risultati indicano che questo non è vero. Un confronto tra granuli contenenti Stau2 e Barentsz rivela che essi differiscono per circa due terzi delle loro proteine. "Questo suggerisce che i granuli di RNA sono estremamente eterogenei e dinamici nella loro composizione", dice Kiebler. "E questo ha un senso per me, perché vorrebbe dire che i granuli possono svolgere funzioni diverse a seconda di quale mRNA portano". Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che i granuli non contengono praticamente nessuno dei fattori noti per promuovere la traduzione di mRNA in proteine. Al contrario, essi includono molte molecole che reprimono la sintesi proteica. Ciò implica che il processo del trasporto di mRNA è disaccoppiato dalla successiva produzione delle proteine che codificano.

In uno studio complementare, la squadra di Kiebler ha caratterizzato anche i carichi di mRNA associati con i granuli. "Fino ad ora, non era stata definita alcuna delle molecole di RNA presenti nei granuli contenenti Stau2 nelle cellule nervose di mammifero, ma siamo stati in grado di identificare molti mRNA specifici", spiega Kiebler. Ulteriori esperimenti hanno rivelato che la Stau2 stabilizza i mRNA, permettendo loro di essere usati più spesso per la produzione di proteine. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che delle strutture specialistiche all'interno di questi mRNA, chiamate "Strutture Riconosciute da Staufen" (SRS), sono essenziali per il loro riconoscimento e per la stabilizzazione dalla Stau2. "Questo ci permette di proporre per la prima volta un meccanismo molecolare per il riconoscimento del RNA", dice Kiebler.

Nel loro insieme, i due nuovi documenti forniscono nuove informazioni sui meccanismi molecolari che sono alla base dell'apprendimento e della memoria. Gli scienziati ora vogliono analizzare i dettagli in studi futuri. "Nel lungo termine, siamo particolarmente interessati alla questione di come una sinapsi attivata può alterare lo stato dei granuli e indurre la produzione di proteine", osserva Kiebler.

"Sta diventando sempre più chiaro che le proteine che legano il RNA hanno ruoli essenziali nelle cellule nervose. Lo sconvolgimento della loro azione può portare a malattie neurodegenerative e a disfunzioni neurologiche. Vanno considerate in questo contesto non solo le condizioni classiche come l'Alzheimer o il Parkinson, nelle quali le protene che legano l'RNA sono sempre coinvolte, ma anche i difetti cognitivi o le compromissioni della capacità di apprendimento associate all'età", conclude Kiebler

Fonte: Ludwig-Maximilians-Universitaet Muenchen (LMU).

Riferimenti: Renate Fritzsche, Daniela Karra, Keiryn L. Bennett, Foong yee Ang, Jacki E. Heraud-Farlow, Marco Tolino, Michael Doyle, Karl E. Bauer, Sabine Thomas, Melanie Planyavsky, Eric Arn, Anetta Bakosova, Kerstin Jungwirth, Alexandra Hörmann, Zsofia Palfi, Julia Sandholzer, Martina Schwarz, Paolo Macchi, Jacques Colinge, Giulio Superti-Furga, Michael A. Kiebler. Interactome of Two Diverse RNA Granules Links mRNA Localization to Translational Repression in Neurons. Cell Reports, 2013; DOI: 10.1016/j.celrep.2013.11.023

Pubblicato in uni-muenchen.de (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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