Come si collegano i neuroni

16 August 2013

Ricercatori della University of Arizona (UA) hanno scoperto che due diverse versioni della stessa proteina di segnalazione dicono ad una cellula nervosa quale dei due lati, le due polarità, formare.

I risultati potrebbero contribuire a migliorare le terapie per le lesioni alla spina dorsale e per le neurodegenerazioni.

Scienziati della UA hanno scoperto un meccanismo sconosciuto che stabilisce la polarità nello sviluppo delle cellule nervose. Capire come stabiliscono i collegamenti le cellule nervose è un passo importante nello sviluppo di cure per le lesioni nervose derivanti da lesioni del midollo spinale o per le malattie neurodegenerative come l'Alzheimer.

In uno studio pubblicato il 12 Agosto sulla rivista Proceedings of National Academy of Sciences, la dottoranda Sara Parker dell'UA e il suo mentore, l'assistente professore di medicina cellulare e molecolare Sourav Ghosh, riferiscono che la decisione su quale sarà il lato "più" e quello "meno" in una cellula nervosa neonata è presa da una versione lunga e una corta della stessa molecola di segnalazione.

Le cellule nervose (neuroni) differiscono da molte altre cellule per la loro forma molto asimmetrica: somigliante vagamente ad un albero, il neurone ha un lunga estensione, come un tronco, (chiamato assone) che termina con un ciuffo di peli che assomigliano alle radici. All'estremità opposta del corpo cellulare germogliano strutture ramificate note come dendriti. Collegando i "rami" dei dendriti alle "punte delle radici" degli assoni di altri neuroni, le cellule nervose formano le reti neurali, che possono essere semplici come i pochi collegamenti coinvolti nel riflesso istintivo, o complesse come quelle del cervello umano.

La Parker e il suo team hanno scoperto che le cellule nervose embrionali producono un noto enzima di segnalazione chiamato proteina chinasi C atipica (aPKC) in due varietà: uno a lunghezza piena e uno tronco. Entrambe le varietà fanno a gara per legare lo stesso partner molecolare, una proteina chiamata Par3. Se la forma breve dell'aPKC si accoppia alla Par3, dice alla cellula di far crescere un dendrite, mentre se è quella lunga ad accoppiarsi alla Par3, si produce invece un assone.

Quando i ricercatori hanno bloccato la produzione della forma breve, la cellula nervosa ha fatto nascere vari assoni e nessun dendrite. Quando hanno creato un'abbondanza artificiale della forma breve, si sono formati solo dendriti a spese degli assoni. La studentessa UA laureanda Sophie Hapak ha eseguito molti degli esperimenti che rivelano come le due isoforme competono per [accoppiarsi al]la Par3. "Abbiamo dimostrato che il cablaggio di un circuito neuronale è molto più complesso di quanto si pensasse", ha detto Ghosh. "Il processo ha una robustezza incorporata che definisce esplicitamente quale parte della cellula è 'positiva' e quale è 'negativa' ".

"Per ottenere un circuito neuronale funzionante, si deve avere l'estremità di ricezione e quella di invio", ha detto la Parker. "Inizialmente, quando un neurone si forma, manca della polarità necessaria per diventare parte di un circuito. Il meccanismo che abbiamo scoperto stabilisce quella polarità".

"Il modo in cui si collegano le diverse regioni del cervello è la base delle emozioni, della memoria e delle funzioni cognitive", ha detto Ghosh, che fa parte del BIO5 della UA. "Stabilire la polarità neuronale nei neuroni singoli è assolutamente essenziale perchè si formino i circuiti neuronali". "Capire questo meccanismo, ci permetterebbe di pensare ai metodi per stimolare [la crescita di] nuovi assoni dopo che quelli originali sono stati recisi da una lesione traumatica del midollo spinale, per esempio".

I risultati sfidano la conoscenza convenzionale, in base alla quale un neurone in sviluppo produce dendriti in modo predefinito, a meno che non sia istruito dalla forma lunga dell'aPKC di generare un assone. Coltivando e studiando i neuroni appena dopo la nascita, la Parker ed il suo gruppo hanno scoperto che entrambe le forme dell'aPKC, lunga e corta, vengono distribuite equamente in tutta la cellula. Queste forme successivamente si separano in diverse parti della cellula quando il neurone matura e stabilisce le polarità.

Poiché le cellule studiate sono state isolate dal cervello di ratto e mantenute in coltura, i ricercatori hanno potuto dimostrare che non sono necessarie indicazioni esterne da altre cellule, per istruire un neurone in sviluppo. Non si sa ancora se la creazione delle polarità è un processo casuale o se altri segnali non ancora identificati hanno un ruolo nel regolare l'abbondanza delle due varietà di aPKC.

Finanziata dal National Institutes of Health e da una borsa di studio assegnata alla Parker da Achievement Rewards for College Scientists Foundation, Inc., questa ricerca è il risultato da una collaborazione tra tre dipartimenti dell'UA: medicina cellulare e molecolare, farmacologia e fisiologia.

Fonte: University of Arizona. Articolo originale scritto da Daniel Stolte.

Riferimento: S. S. Parker, E. K. Mandell, S. M. Hapak, I. Y. Maskaykina, Y. Kusne, J.-Y. Kim, J. K. Moy, P. A. St. John, J. M. Wilson, K. M. Gothard, T. J. Price, S. Ghosh. Competing molecular interactions of aPKC isoforms regulate neuronal polarity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; DOI: 10.1073/pnas.1301588110

Pubblicato in Science Daily (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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