L'actina tira su e stabilizza le proteine solubili 'leganti l'elemento di poliadenilazione citoplasmatica' in fibre più lunghe e insolubili di tipo prionico, un processo che si ritiene cruciale per stabilizzare la memoria a lungo termine. I ricercatori della Rice University hanno simulato la forza (F) applicata dall'actina attraverso modelli computerizzati che predicono la suscettibilità delle proteine a trovare i loro stati meno energetici (e più stabili). Illustrazione di Ming Chen Chen
Dobbiamo ringraziare dei piccoli "muscoli" presenti nei neuroni se riusciamo a ricordare dove viviamo, come appaiono i nostri amici e la famiglia, e molto di più.

Una nuova ricerca eseguita alla Rice University suggerisce che i filamenti di actina che controllano la forma delle cellule neuronali possono essere la chiave del meccanismo molecolare che forma e memorizza i ricordi a lungo termine.

Il laboratorio della Rice del teorico fisico biologico Peter Wolynes riferisce in PNAS una teoria sul modo in cui viene prodotta la memoria a lungo termine; la teoria si basa su simulazioni che analizzano il panorama di energia nelle proteine ​​coinvolte.

Wolynes e i suoi colleghi sono pionieri nello sviluppo di una teoria panoramica dell'energia delle proteine, che ha permesso loro di costruire modelli al computer di proteine, prevedendo il modo in cui si piegano. Queste simulazioni molecolari-dinamiche impiegano il principio di «minima frustrazione» per cui le proteine ​​trovano le forme piegate più stabili. La stabilità è desiderabile per la memoria a lungo termine.

Wolynes e i co-autori, Ming Chen Chen e il ricercatore postdottorato Weihua Zheng, hanno determinato che il percorso della codifica dei ricordi potrebbe risiedere nel modo in cui i filamenti di actina (la parte 'muscolo' del citoscheletro di ogni cellula eucariotica) tirano su e stabilizzano le proteine solubili «​leganti l'​elemento di poliadenilazione citoplasmatica» (CPEB- cytoplasmic polyadenylation element binding), trasformandole in fibre insolubili più lunghe di tipo prionico.

I prioni sono proteine ​​che, quando mal ripiegate, diventano auto-propaganti, causando malattie infettive come la malattia della mucca pazza, il morbo di Creutzfeldt-Jakob e altri disturbi. Ma la loro stessa esistenza e le transizioni che avvengono nelle sinapsi suggeriscono che i prioni correttamente piegati devono avere una funzione biologica, hanno scritto i ricercatori. Queste transizioni sono state al centro del loro studio.

Le proteine ​​CPEB, quando sono prodotte nelle cellule, inizialmente si legano un po' alla volta formando oligomeri, che sono eliche alfa a spirale. I panorami intrinseci di energia di questi oligomeri permettono alle forze meccaniche fornite dall'actina di indurre una transizione in filamenti beta più lunghi che sono molto più stabili. Si ritiene che queste fibre, ora stabili, si aggregano e codificano i ricordi nelle regioni sinaptiche dei neuroni.

Wolynes ha detto che Francis Crick, co-scopritore della struttura del DNA, aveva visto qualcosa 20 anni fa, quando ha scritto della memoria e del turnover molecolare. Crick era perplesso per il fatto che i ricordi tendono a durare molto più a lungo di quanto in genere avviene per le proteine nelle cellule viventi. "Crick ha leggermente anticipato, in una frase, che forse quella che abbiamo davanti è una forma di proteina che si aggrega da qualche parte. In virtù dello stato di aggregazione, non può muoversi. In tal modo sarebbe in grado di marcare una particolare sinapsi".

"E' ovviamente molto difficile studiare le basi molecolari della memoria, perché la memoria comporta un'attività piuttosto complessa", ha detto Wolynes. "Non si può studiare in un batterio. Bisogna studiarla in un tipo di organismo che può imparare. Allo stesso tempo, è chiaro che formare ricordi comporta una elaborazione neurale di ordine molto alto, e altre cose a livello subcellulare per immagazzinare le tantissime informazioni che si memorizzano. Ci sono molte fasi nella memoria che in realtà non capiamo per niente".

Ha detto che la ricerca precedente dimostra che i ricordi apportano modifiche nelle sinapsi, le migliaia di aree di ogni neurone responsabili dell'invio di segnali elettrici e chimici ad altri neuroni. "I ricordi a breve termine che durano all'incirca meno di un'ora sembrano essere prodotti dal circuito biochimico elettrico e diretto. Formare questi ricordi non sembra richiedere la creazione di nuove proteine​​", ha detto Wolynes.

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"Ancora non comprendiamo l'inizio del processo, come si passa dalla memoria a breve termine a quella a lungo termine", ha detto Chen il primo autore dello studio. "Ma ora possiamo vedere che l'actina inizia a formarsi in una posizione particolare in risposta a segnali elettrici. L'actina prende quindi tutti gli oligomeri CPEB che le sono intorno e li attiva, il che produce altra actina e provoca la formazione di un prione auto-replicante del CPEB. Quel prione si aggrega fino a fermarsi, modificando la struttura della sinapsi in un modo che dovrebbe durare per un lungo periodo di tempo, forse decenni".

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Wolynes considera il nuovo studio una testa di ponte per lanciarne altri e determinare l'intero processo della formazione dei ricordi, così come le implicazioni per le malattie come l'Alzheimer e il Parkinson che coinvolgono l'aggregazione proteica.

Il National Institute of General Medical Sciences ha sostenuto la ricerca. I ricercatori hanno utilizzato il supercomputer DaVinci della National Science Foundation (NSF), amministrato dal Ken Kennedy Institute for Information Technology della Rice.