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Autoevitación neuronal

Figura 2. Mecanismos del desarrollo neuronal dependientes del autorreconocimiento neuronal. La autoevitación garantiza que no haya superposición de ramas isoneurales y constituy...

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Figura 2. Mecanismos del desarrollo neuronal dependientes del autorreconocimiento neuronal. La autoevitación garantiza que no haya superposición de ramas isoneurales y constituye la base del ensamblaje de los circuitos neuronales.

La autoevitación neuronal , o evitación isoneural , es una propiedad importante de las neuronas que consiste en la tendencia de las ramificaciones ( dendritas y axones ) que surgen de un solo soma (también llamadas isoneuronales o ramas hermanas) a alejarse unas de otras. La disposición de las ramificaciones dentro de los árboles neuronales se establece durante el desarrollo y da como resultado un cruce o superposición mínimos [ 1 ] a medida que se extienden por un territorio, lo que da lugar a la morfología fasciculada típica de las neuronas (Fig. 1).

En oposición, las ramas de diferentes neuronas pueden superponerse libremente entre sí. Esta propiedad exige que las neuronas sean capaces de discriminar entre lo propio, que evitan, y las ramas ajenas, con las que coexisten. [ 2 ] Este autorreconocimiento neuronal se logra mediante familias de moléculas de reconocimiento celular que funcionan como códigos de barras individuales, permitiendo la discriminación de cualquier otra rama cercana como propia o ajena. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

La autoevitación asegura que los territorios dendríticos estén cubiertos de forma completa y no redundante [ 8 ], lo que garantiza que las ramas logren una cobertura funcionalmente apropiada de los territorios de entrada o salida. [ 9 ]

La comunicación neuronal requiere el ensamblaje coordinado de axones, dendritas y sinapsis . [ 10 ] Por lo tanto, la autoevitación es necesaria para el correcto cableado neuronal y el desarrollo posnatal y, junto con el mosaico neuronal (evitación heteroneuronal), es un mecanismo de espaciamiento crucial para la formación de patrones en los circuitos neuronales que resulta en una inervación completa y no redundante del espacio sensorial o sináptico. [ 11 ]

Historia

Figura 3. Sistema nervioso de la sanguijuela medicinal ( H. medicilanis ).

El concepto de autoevitación neuronal surgió  hace unos 50 años. Los estudios pioneros se realizaron en la sanguijuela, centrándose en el sistema nervioso central y el desarrollo de neuronas mecanosensoriales. Las sanguijuelas de dos especies: Hirudo medicinalis y Haementeria ghilianii , siguieron siendo el principal organismo para el estudio de la cuestión del autorreconocimiento y la autoevitación neuronal. En este animal, el patrón segmentario repetitivo del sistema nervioso, junto con el hecho de que las neuronas son relativamente pocas en número, y muchas son lo suficientemente grandes como para ser reconocidas [ 12 ], permitió el estudio experimental del problema general de la especificidad neuronal. En 1968, a través del mapeo de los campos receptivos axónicos mecanorreceptores en H. medicilalis , Nicholls y Baylor [ 12 ] revelaron distintos tipos de límites entre axones de los mismos o diferentes tipos de neuronas, y también entre neuronas individuales. Observaron que los campos receptivos estaban subdivididos en áreas discretas, inervadas por las diferentes ramas de una sola célula. Estos límites, a diferencia de los que existían entre campos adyacentes de diferentes células, eran abruptos y prácticamente no presentaban superposición. Los autores propusieron entonces un mecanismo para la disposición espacial de los axones en el que "una fibra podría repeler otras ramas con mayor fuerza si se originan en la misma célula que si provienen de un homólogo, y no repelerlas en absoluto si provienen de una célula con una modalidad diferente" . En 1976, Yau [ 13 ] confirmó sus hallazgos y propuso que las ramas de una célula se reconocían entre sí, evitando así crecer en el mismo territorio y estableciendo las áreas discretas que observaron Nicholls y Baylor. Quedó claro entonces que las neuronas mecanosensoriales, en la sanguijuela, muestran autoevitación: con la repulsión entre ramas originadas en la misma célula, pero no mostraban evitación de clase, lo que significa que las ramas del mismo tipo de neuronas podrían superponerse.

El fenómeno fue reconocido pero mucho permaneció desconocido, incluido el término "autoevitación" que surge en 1982/1983 con los estudios de Kramer. En 1982, Kramer [ 14 ] postuló que los axones isoneuronales (axones que crecen de la misma neurona), a diferencia de los axones heteroneuronales, se evitan entre sí cuando crecen en el mismo sustrato (ver película). Esto fue explorado más a fondo por otros autores, el hecho de que esta autoevitación requeriría que las neuritas pudieran distinguir entre lo propio y lo ajeno, reforzando las ideas de Yau. En 1983, Kramer y Kuwada [ 2 ] propusieron que este autorreconocimiento de dos procesos axonales en crecimiento podría estar mediado por sus filopodios , que parecen hacer contactos mutuos. Esta idea fue respaldada por los estudios de Goodman et al. (1982) [ 15 ] en neuronas de insectos, que postularon que los filopodios desempeñaban un papel importante en el reconocimiento y la elección de las vías de crecimiento axonal. La conservación del mecanismo en invertebrados junto con el hecho de que la morfología adulta de muchas neuronas parece satisfacer la regla, sugirió que la no superposición de procesos isoneuronales podría ser un fenómeno general del desarrollo neuronal. En 1985, Kramer y Stent [ 1 ] añadieron datos empíricos con las variaciones inducidas experimentalmente en el patrón de ramificación mediante la prevención o el retraso quirúrgico del crecimiento de las ramas axónicas. Como predijo la propuesta de autoevitación, la interferencia con el crecimiento de una rama axónica de campo resultó en la propagación de la rama axónica del otro campo en lo que normalmente no era un territorio. Por lo tanto, la autoevitación neuronal desempeña un papel significativo en el desarrollo de la estructura del campo receptivo mecanosensorial.

Figura 4. Los subcampos de los axones mecanosensoriales de la sanguijuela compiten por territorio. Neurona mecanosensorial de sanguijuela de tipo silvestre con tres subcampos separados que inervan regiones adyacentes de la epidermis (A). Si el cono de crecimiento de una rama se aplasta (B) o se retrasa (C), los subcampos hermanos crecen ocupando el territorio libre. Diagramas simplificados, basados ​​en los resultados de Kramer y Stent, 1985.

A finales de la década de 1980, se empezó a desvelar la maquinaria molecular que podría ser la base de estos fenómenos. Receptores como las moléculas de adhesión celular de las superfamilias de cadherinas e inmunoglobulinas , que median las interacciones entre superficies celulares opuestas, e integrinas que actúan como receptores de componentes de la matriz extracelular se expresaban ampliamente en las neuritas en desarrollo . [ 16 ] [ 17 ]

En 1990, Macagno et al. [ 18 ] integraron los resultados de varios estudios, enfatizando una vez más la conservación evolutiva del fenómeno general: las neuronas de las sanguijuelas, al igual que las de otros invertebrados y vertebrados, experimentan interacciones específicas durante el desarrollo que permiten definir las morfologías adultas y las conexiones sinápticas. Dicha morfología refleja el equilibrio del desarrollo entre el potencial de crecimiento de la neurona y las limitaciones impuestas a ese crecimiento por factores internos y externos. Por lo tanto, el mecanismo de autorreconocimiento sería útil no solo para la autoevitación, sino también como medio de individualización. Durante el desarrollo, se produciría una competencia entre neuronas del mismo tipo por un suministro limitado necesario para el crecimiento y mantenimiento de los procesos, con una célula ganando espacio a expensas de las demás. También se invocaron interacciones inhibitorias, lo que situó el fenómeno del autorreconocimiento en el contexto más amplio del proceso de guía axonal . En conjunto, estos estudios llevaron a la conclusión de que el ensamblaje de los circuitos neuronales surgió como resultado de un número relativamente pequeño de señales diferentes y sus receptores, algunos actuando de manera gradual y en diferentes combinaciones. [ 19 ]

En 1991, los científicos se percataron de que la autoevitación también estaba presente en tipos de células no neuronales, como las células del peine de sanguijuela, que podrían formar dominios discretos de manera similar. [ 20 ] Posteriormente, esto también se observó en astrocitos de mamíferos. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] Wang y Macagno, [ 24 ] en 1998, recurriendo nuevamente a las neuronas mecanosensoriales de Hirudo medicinalis , realizaron un elegante experimento para intentar responder a la pregunta aún pendiente: "¿Cómo reconoce una célula a sí misma y responde no creciendo sobre sí misma o a lo largo de ella?" Los autores propusieron entonces dos tipos generales de mecanismos: I) Señales externas: las neuritas hermanas muestran factores moleculares de identificación de superficie, únicos para cada célula, que son capaces de unión homotípica y por lo tanto repelen a las neuritas hermanas, o II) Señales internas: actividad celular sincrónica, como el voltaje, que se transmite dentro de la célula mediando un mecanismo dinámico de inhibición del crecimiento de las hermanas. Contrariamente a la primera hipótesis, la segunda requeriría la continuidad y comunicación entre todas las partes de la célula para que se produjera la autoevitación. Por lo tanto, el experimento consistió en separar una de las dendritas de la neurona y observar cómo reaccionaban las dendritas restantes hacia el fragmento separado: "¿aún evitan superponerse?". El resultado fue que la rama separada dejaba de ser reconocida como "propia" por las otras ramas de la neurona, lo que provocaba la superposición de las dendritas. La clara conclusión del estudio fue que la continuidad entre todas las partes de la neurona es fundamental para que funcione la autoevitación. Los autores sugieren entonces varios mecanismos que requieren continuidad y que podrían funcionar como señal de reconocimiento, y por lo tanto podrían ser los responsables, como "la actividad eléctrica, activa o pasiva, así como la difusión de señales citoplasmáticas, ya sea pasiva o mediante transporte axonal rápido ". A finales de la década de 1990 y posteriormente, se empezaron a utilizar organismos modelo en los estudios y se comenzaron a desentrañar los mecanismos moleculares de la autoevitación. En 1999, Wu y Maniatis [ 25 ] descubrieron una organización sorprendente de una gran familia de genes de adhesión celular de protocadherina neural humana que formaban un grupo de genes que codificaban 58 protocadherinas. Los miembros del grupo de genes de protocadherina eran candidatos convincentes para proporcionar el código molecular necesario para el mantenimiento de la discriminación entre lo propio y lo ajeno que conducía a la autoevitación. Posteriormente (2012), Lefebvre et al. [ 6 ] lo confirmaron en un estudio con células amacrinas y células de Purkinje de Mus musculus.que estas proteínas se expresan en diferentes combinaciones en neuronas individuales, proporcionando así "códigos de barras" que distinguen una neurona de otra.

En 2000, Schmucker et al. [ 26 ] , mediante análisis genómicos y de ADNc de neuronas sensoriales de arborización dendrítica de Drosophila , revelaron la existencia de múltiples formas de la molécula de adhesión celular del síndrome de Down (Dscam) . Los autores observaron que el empalme alternativo podría generar potencialmente más de 38 000 isoformas de Dscam e hipotetizaron que esta diversidad molecular podría contribuir a la especificidad de la conectividad neuronal y, por lo tanto, a la autoevitación.

En conjunto, el descubrimiento de las dos grandes familias de proteínas de la superficie celular codificadas por el locus Dscam1 y el locus de la protocadherina agrupada (Pcdh) abrió la puerta a numerosos estudios modernos. Los estudios actuales se benefician enormemente no solo del auge de la biología molecular y genómica, sino también de las herramientas bioinformáticas desarrolladas desde el siglo XIX.

Figura 6. Cronología de los descubrimientos más importantes sobre la autoevitación neuronal. Se presentan los autores y los organismos utilizados en los estudios.

Modelos, estructuras y desarrollo de la autoevitación

modelos animales

La autoevitación ha sido ampliamente discutida entre los científicos y a lo largo del tiempo se han realizado experimentos en varios modelos animales. Los primeros experimentos se realizaron en sanguijuelas. En 1981, Wässle intentó comprender cómo las células ganglionares de la retina establecen sus territorios dendríticos en gatos. Procesos como el mosaico dendrítico y la autoevitación son extremadamente importantes para el correcto desarrollo de las estructuras neuronales, y en este caso específico las células ganglionares tienen que cubrir la retina para garantizar que cada punto del espacio visual sea realmente "visto". Observó que los cuerpos celulares están dispuestos en un mosaico regular, y los campos dendríticos se adaptan al espacio disponible. Sin embargo, esta hipótesis se basaba en modelos matemáticos: el modelo de Dirichlet .

Perry y Linden (1982) [ 27 ] fueron los primeros en presentar evidencia clara de la "competencia" dendrítica en la retina de ratones. La destrucción de las células ganglionares permite que las células vecinas extiendan sus proyecciones dendríticas. Propusieron que la competencia por las sinapsis es la causa del equilibrio entre el crecimiento y la repulsión de las dendritas.

Si bien el ratón y la mosca de la fruta (Drosophila) son los modelos que se utilizan actualmente para construir un modelo de autoevitación para vertebrados e invertebrados respectivamente, a lo largo del tiempo existen varios ejemplos de este fenómeno en otras especies modelo y no modelo:

Las neuronas trigeminales en la piel de la cabeza exhiben un comportamiento competitivo y solo cuando una de ellas se elimina por completo, por ejemplo, el ganglio trigeminal izquierdo , las neuritas del ganglio derecho pueden cruzar la línea media e inervar el lado izquierdo de la cabeza. La correcta inervación se debe a la naturaleza repulsiva de las interacciones entre estas neuritas detectoras de movimiento, lo que refuerza todos los modelos anteriores de autoevitación. [ 28 ]

La retina crece a lo largo de la vida mediante la adición de nuevas neuronas en el margen y la muerte de neuronas ganglionares en el centro. Una vez más, se demuestra que cada célula detecta a las células vecinas y puede ocupar el espacio dejado por otras. [ 29 ]

Las neuronas trigeminales, que se desarrollan 16 horas después de la fecundación, forman parte del sistema sensorial periférico y detectan estímulos térmicos y mecánicos en la piel. El modelo de "crecimiento y repulsión" surgió de la compleja restricción topográfica de los conos de crecimiento entre las neuronas trigeminales y las de Rohon-Beard . [ 30 ]

  • Planaria (Dugesia japonica)

Los mutantes de Dscam exhiben una red neuronal y una fasciculación axonal gravemente desorganizadas. [ 31 ]

Estructuras principales para los estudios de autoevitación

Las dos estructuras principales utilizadas en los estudios de autoevitación son las células ganglionares de la retina (CGR) en ratones y las neuronas somatosensoriales en Drosophila . Estas estructuras se consideran modelos moleculares diferentes porque la molécula principal implicada en la autoevitación es Dscam en invertebrados y las protocadherinas en vertebrados. [ 32 ]

retina de ratón

El correcto ensamblaje de los componentes en la retina de los ratones depende de la expresión correcta de Dscam / DscamL1 para formar mosaicos de diferentes tipos de células RGC, espaciamiento del soma y arborización dendrítica, asegurando así la cobertura de toda el área visual por cada tipo de célula y, más específicamente, inhibiendo la fasciculación y agrupamiento excesivos de los cuerpos celulares en los fotorreceptores, las células bipolares de bastones (RBC) y las células amacrinas en el sistema visual. La ocurrencia de una estratificación correcta y la conexión con las sinapsis nos indica que la eliminación de Dscam afecta solo las interacciones repulsivas y la cobertura de las arborizaciones dendríticas, y que las uniones funcionales se mantienen. [ 33 ] [ 34 ]

Las principales conclusiones se basan en la identificación de diferentes tipos de neuronas retinianas, cada una con un factor de cobertura distinto que revela grados graduales de repulsión dendrítica homotípica. La secuencia de desarrollo aceptada es: 1) definir el número y el espaciamiento de las células, 2) crecimiento controlado de las ramificaciones y 3) ajuste fino del mosaico dendrítico para lograr la máxima cobertura de la estructura. Los experimentos con ratones mutantes para Math5 y Brn3b (responsables de la degeneración del 95 % y el 80 % de las células ganglionares de la retina, respectivamente) muestran que la eliminación de células ganglionares no disminuye los tipos de células ganglionares de la retina y que la posición de estas células no está definida únicamente por interacciones homotípicas dendríticas, sino también por algún tipo de programa genético intrínseco. [ 35 ]

Neuronas con arborización dendrítica

Drosophila melanogaster es el modelo para experimentos en neuronas dendríticas múltiples (MD) que componen el patrón estereotipado del sistema nervioso periférico. Las neuronas de arborización dendrítica son el subtipo principal del grupo de neuronas MD y presentan dendritas altamente ramificadas debajo de la epidermis . Sugimura et al. [ 36 ] mostraron neuronas de arborización dendrítica (da) que estabilizan la forma de sus ramas en las primeras etapas larvarias y otras que continúan formándose a lo largo del ciclo de vida.

Al igual que otros tipos de células involucradas en procesos dependientes del autorreconocimiento (como la autoevitación y el teselado, véase la figura 2), estas neuronas da pueden llenar los espacios vacíos dejados por las células vecinas, y este proceso de relleno se desencadena por la pérdida de contactos inhibitorios isoneurales locales.

ojo larvario

Dado que Drosophila es uno de los modelos mejor estudiados en los mecanismos de autorreconocimiento neuronal, podemos encontrar varios resultados obtenidos en etapas larvarias. Uno de los ejemplos más notables es el desarrollo incorrecto de las arborizaciones dendríticas en el ojo larvario ( órgano de Bolwig ) debido a una mutación de inactivación del gen Dscam.

Desarrollo

En los estudios sobre la autoevitación se utilizan numerosos modelos y estructuras con diferentes tiempos de desarrollo y ciclos de vida. Por lo tanto, surgen algunas discrepancias al intentar definir una fase de desarrollo precisa para la aparición de estos fenómenos. La idea inicial era que, en algún punto temprano del desarrollo, las células neuronales se conectan entre sí y organizan su distribución, pero varios estudios han demostrado que la autoevitación también está presente en la vida adulta.

Para resolver esta cuestión, lo ideal sería monitorizar el desarrollo dendrítico de las neuronas desde su nacimiento hasta su maduración en animales enteros . [ 34 ] [ 35 ]

En Drosophila , los estudios abarcan tanto las fases larvaria como adulta, y el número de horas después de la puesta del huevo es determinante para la correcta construcción del mosaico dendrítico en las neuronas sensoriales. [ 36 ] Al principio de la etapa pupal, esas neuronas podan todas sus dendritas. Posteriormente, cada neurona desarrolla una dendrita completamente nueva para la función adulta. Mientras las dendritas se remodelan, los axones permanecen en gran medida intactos [ 37 ] y todas estas fases se verán afectadas negativamente en caso de interferencia con la propiedad de autoevitación.

Los exones de los dominios Dscam pueden expresarse de forma diferente según la fase del ciclo de vida de la mosca. El empalme del exón 9 está regulado temporalmente: solo unas pocas secuencias del exón 9 contribuyen a las isoformas del embrión temprano, y las secuencias posibles restantes del exón 9 se vuelven más frecuentes con la edad. Estos resultados demuestran que, independientemente de las miles de isoformas que podrían generarse, la diversidad sigue estando controlada temporal y espacialmente. [ 38 ]

En la retina del ratón, la mayoría de las células ganglionares nacen en E17 (etapa embrionaria/día 17) . A esta edad, la retina ha alcanzado el 25% de su tamaño maduro [ 35 ] [ 39 ].

Bases moleculares de la autoevitación

Los estudios celulares de autoevitación implican que cualquier mecanismo molecular subyacente debe imponer un reconocimiento de la superficie celular robusto y selectivo dependiente del contacto solo entre ramas hermanas, y debe vincular el reconocimiento con cambios en el comportamiento del cono de crecimiento . Estudios recientes para definir la base molecular de las interacciones homotípicas dependientes del contacto llevaron a la identificación de dos grandes familias de proteínas de la superficie celular codificadas por el locus de la molécula de adhesión celular 1 del síndrome de Down de Drosophila ( Dscam1 ) y los loci de la protocadherina agrupada (Pcdh) en mamíferos. Estas proteínas, con diversos dominios extracelulares y dominios de señalización intracelular presuntivos citoplasmáticos compartidos, son capaces de proporcionar diversas especificidades de reconocimiento a una amplia gama de neuritas diferentes , dotando a las neuronas de una identidad única de la superficie celular que les permite distinguir lo propio de lo ajeno. Otros receptores de la superficie propia implicados en la autoevitación incluyen a Turtle, miembro de la superfamilia de las inmunoglobulinas, que funciona en algunas neuronas da de Drosophila para imponer el espaciamiento de las ramas terminales. [ 40 ]

Invertebrados

DSCAM1

Varios estudios han implicado a Drosophila Dscam1 en la autoevitación dendrítica y axonal y el espaciamiento de procesos en diversas poblaciones neuronales, incluyendo axones de cuerpos fungiformes , dendritas de neuronas de proyección olfativa (PN) y dendritas de neuronas de arborización dendrítica (da) [ 3 ] [ 4 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] Es notable que la función de Dscam en invertebrados es dependiente tanto del contexto como de la especie, ya que se ha demostrado que la molécula regula la repulsión, el crecimiento, la atracción/adhesión y la formación de sinapsis en diferentes sistemas. [ 47 ] [ 48 ]

Dscam1 codifica un miembro de la superfamilia de inmunoglobulinas (Ig) que, en Drosophila, puede generar hasta 19.008 proteínas con ectodominios distintos . [ 26 ] En ensayos de unión , las Dscam muestran interacciones homofílicas específicas de isoforma, pero se produce poca interacción entre isoformas diferentes, aunque estrechamente relacionadas . [ 49 ] [ 50 ]

Dscam1 controla la autoevitación

El autorreconocimiento mediado por Dscam1 es esencial para la autoevitación entre neuritas hermanas Hughes et al. (2007) informaron que la pérdida de función de Dscam en neuronas da causó un autocruce excesivo de dendritas de la misma neurona. La sobreexpresión de Dscam obligó a las dendritas respectivas a segregarse entre sí. Con base en estos datos, Dscam resulta en una falta de autoevitación de dendritas hermanas. Por lo tanto, las interacciones homofílicas directas específicas de isoforma Dscam-Dscam deben resultar en eventos de transducción de señales que conducen a la repulsión de dendritas que expresan isoformas idénticas de Dscam. Esta conversión de una interacción inicial de la superficie celular dependiente de Dscam en una respuesta repulsiva que conduce a la separación de dendritas en neuronas da está respaldada por Matthews et al. (2007) en un estudio que demostró que la expresión ectópica de isoformas idénticas de Dscam en las dendritas de diferentes células promovía el crecimiento en direcciones opuestas. Los autores también sugieren que las isoformas idénticas de Dscam expresadas en dos poblaciones celulares in vitro indujeron su agregación de manera específica para cada isoforma, lo que demuestra que Dscam proporciona a las células la capacidad de distinguir entre diferentes superficies celulares. Además, la expresión de moléculas individuales de Dscam1 que carecían de la mayor parte de su cola citoplasmática impidió la segregación ectópica de las ramas y, en cambio, condujo a una adhesión aparentemente estable entre las dendritas. En conjunto, estos resultados respaldan un modelo simple para un papel directo de Dscam en el autorreconocimiento en el que los ectodominios idénticos de Dscam en las superficies de las dendritas isoneuronales se reconocen entre sí e inducen una señal repulsiva subsiguiente que está mediada por dominios en la cola citoplasmática (Figura 7).

El reconocimiento homofílico proporciona la base molecular para la autoevitación.

Para comprobar si la unión homofílica de las isoformas de Dscam1 es necesaria para la autoevitación, Wu y colaboradores generaron pares de isoformas quiméricas que se unen entre sí (heterofílicas) pero no consigo mismas (homofílicas). Estas isoformas no lograron sustentar la autoevitación. Por el contrario, la coexpresión de isoformas complementarias dentro de la misma neurona restauró la autoevitación. Estos datos demuestran que el reconocimiento entre las isoformas de Dscam1 en superficies opuestas de las neuritas de la misma célula proporciona la base molecular para la autoevitación. [ 7 ]

La diversidad en el locus Dscam1 es esencial para el autorreconocimiento.

La diversidad de isoformas de Dscam en neuronas individuales no es necesaria para la autoevitación...

En 2004, Zhan et al. publicaron un estudio en el que se exploró la función de la diversidad de Dscam evaluando las isoformas de Dscam expresadas por las neuronas del cuerpo fungiforme (MB) en desarrollo , así como la capacidad de isoformas individuales para rescatar los fenotipos de pérdida de función de Dscam y las consecuencias de la expresión ectópica de isoformas individuales de Dscam. Demostraron que diferentes subtipos de neuronas MB expresan diferentes conjuntos de isoformas de Dscam y que la pérdida de Dscam1 en estas neuronas conduce a un fallo en la separación de ramas, un fenotipo que puede ser rescatado por la expresión de isoformas individuales arbitrarias en neuronas individuales. Además, en las neuronas da, isoformas individuales elegidas arbitrariamente rescataron el fenotipo de autoevitación nulo de Dscam1. [ 7 ] Estos resultados llevan a la conclusión de que la diversidad de Dscam1 no es necesaria en neuronas individuales para la autoevitación.

... pero la diversidad de isoformas de Dscam expresadas por neuronas de diferentes tipos es esencial para discriminar entre neuritas propias y ajenas.

Para comprobar si la segregación de ramas hermanas requiere que los axones vecinos del cuerpo fungiforme expresen diferentes conjuntos de isoformas de Dscam, Hattori et al. (2009) [ 51 ] redujeron todo el repertorio de ectodominios de Dscam a una sola isoforma mediante recombinación homóloga y examinaron la morfología del cuerpo fungiforme en animales con Dscam simple y animales control. En la mayoría de los cuerpos fungiformes analizados, uno de los dos lóbulos estaba completamente ausente y, en las pocas muestras restantes, un lóbulo era significativamente más delgado que el otro. Este fenotipo dominante indica que los defectos no resultan de la pérdida de ninguna isoforma en particular, sino más bien de la presencia de la misma isoforma en todos los axones. Estos estudios llevaron a la conclusión de que cada neurona expresa un conjunto de isoformas de Dscam1 muy diferentes de las de sus vecinas, y que es crucial que las neuronas vecinas expresen isoformas de Dscam distintas, pero la identidad específica de las isoformas expresadas en una neurona individual no es importante, siempre que las ramas hermanas expresen el mismo conjunto de isoformas para permitir la repulsión homotípica entre ellas.

Se requieren miles de isoformas para un correcto autorreconocimiento.

Más tarde, Hattori et al. (2009) [ 51 ] emplearon una estrategia de reemplazo genómico para generar animales mutantes con un número limitado de isoformas potenciales de Dscam1. Su objetivo era determinar cuántas isoformas eran necesarias para asegurar que las neuritas no reconocieran ni evitaran de forma inapropiada las neuritas ajenas. Los patrones de ramificación mejoraron a medida que aumentaba el número potencial de isoformas, independientemente de la identidad de estas. En conclusión, el tamaño del conjunto de isoformas necesario para una discriminación robusta entre lo propio y lo ajeno se cuenta por miles.

En resumen, la identidad de isoformas entre las ramas de una misma neurona conduce al reconocimiento a través de la región extracelular y a la repulsión mediada por la cola intracelular de Dscam1. Dado que es probable que las isoformas de Dscam1 expresadas en diferentes neuronas da sean distintas, las dendritas de estas neuronas no reconocen erróneamente lo ajeno como propio. Por lo tanto, las proteínas Dscam1 son necesarias para la autoevitación y proporcionan el código molecular mediante el cual las neuritas discriminan entre las dendritas propias y las de las células vecinas (Figura 7).

Vertebrados

DSCAM y DSCAML1

La autoevitación se ha explorado recientemente en el desarrollo del cerebro de los vertebrados y principalmente en el contexto de la formación de patrones de neuritas en las capas plexiformes internas (IPL). [ 34 ] [ 52 ] A diferencia de Drosophila , las DSCAM del ratón son moléculas típicas de la superficie celular, que carecen del empalme alternativo masivo que experimenta el ortólogo Dscam1 de la mosca. Por lo tanto, aunque las DSCAM pueden conservar una función en la mediación de la autoevitación en los vertebrados, la ausencia de diversidad molecular deja claro que no desempeñan un papel en el autorreconocimiento.

Las Dscams actúan para anular las interacciones específicas de cada tipo celular, en lugar de promover activamente la repulsión en las neuritas de los vertebrados.

Considerando que Dscam y Dscaml1 tienen patrones de expresión no superpuestos en la retina del ratón, con Dscam expresándose en un subconjunto de células amacrinas y la mayoría de las células ganglionares de la retina (CGR) y Dscaml1 expresándose en el circuito de bastones, Fuerst et al. (2009) examinaron las poblaciones de células ganglionares de la retina en ratones Dscam −/− y, además, evaluaron la anatomía retiniana en el circuito de bastones utilizando un alelo knockout de trampa génica de Dscaml1 . En ausencia de cualquiera de los genes, las células que normalmente lo expresarían mostraron una fasciculación excesiva de sus dendritas y agrupamiento de sus cuerpos celulares. Estos hallazgos llevaron a la conclusión de que Dscam y Dscaml1 previenen la adhesión excesiva, principalmente enmascarando las interacciones adhesivas específicas del tipo celular entre dendritas de la misma clase celular, en lugar de promover activamente la repulsión entre ellas. Por lo tanto, en ausencia de diversidad, las DSCAM de mamíferos no proporcionan a las células la capacidad de distinguir entre sus propios procesos y los de todas las demás células, incluidos los de células del mismo tipo. En cambio, la DSCAM actúa anulando las interacciones específicas de cada tipo celular que promueven otras moléculas de reconocimiento.

Protocadherina

Estudios más recientes demostraron que los ratones utilizan una familia diferente de moléculas de reconocimiento celular: las protocadherinas agrupadas (Pcdhs) , en una estrategia similar a la de Dscam1 en la mosca para regular la autoevitación. Aunque tanto los genes de las Pcdhs agrupadas como los de Dscam1 generan familias de proteínas con diversos ectodominios unidos a un dominio citoplasmático común, el modo de generar la diversidad de las Pcdhs agrupadas y su contraparte en Dscam1 de la mosca es marcadamente diferente. La diversidad de las Pcdhs se genera principalmente por la elección de promotores alternativos, en contraposición al empalme alternativo. [ 53 ] [ 54 ] El número de isoformas de Pcdhs varía entre las diferentes especies de vertebrados, pero en conjunto, suele haber alrededor de 50 isoformas. [ 54 ] [ 55 ]

Reconocimiento homofílico específico de isoformas

En 2010, Schreiner y Weiner descubrieron evidencia convincente de especificidades de unión discretas de diferentes isoformas de Pcdhs agrupadas, al verificar que las Pcdhs promueven el reconocimiento homofílico específico de isoforma. Si bien el número de isoformas de Pcdhs palidece en comparación con el número de isoformas de Dscam1, la hetero-oligomerización de las Pcdhs aumenta notablemente el número de especificidades de unión discretas codificadas por el locus. Las Pcdhs son necesarias para la autoevitación.

Para investigar la función de las Pcdh-γ en la autoevitación, Lefebvre et al. (2012) se centraron en una interneurona retiniana , la célula amacrina estrellada (SAC), que expresa Pcdh-γ y exhibe una marcada autoevitación dendrítica. Utilizaron un sistema Cre-Lox para eliminar todos los dominios variables del locus Pcdh-γ en la retina en desarrollo y verificaron que las dendritas que surgían de una sola SAC se cruzaban frecuentemente entre sí y, a veces, formaban haces sueltos, de forma similar a la eliminación de Dscam1 de las neuronas da (Figura 8).

La diversidad de PCDH es esencial para el autoconocimiento.

Además, Lefebvre y sus colegas evaluaron el requisito de diversidad de isoformas en la autoevitación dependiente de Pcdh-γ . Demostraron que isoformas individuales elegidas arbitrariamente rescataban los defectos de autoevitación del mutante Pcdh-γ y que la expresión de la misma isoforma en SACs vecinas reducía la superposición entre ellas. Sus resultados indican que la diversidad parece ser la base de la discriminación entre lo propio y lo ajeno, presumiblemente porque es improbable que las neuronas vecinas expresen las mismas isoformas y, por lo tanto, pueden interactuar libremente. Por consiguiente, la diversidad de isoformas permite a las SACs distinguir las dendritas isoneuronales de las heteroneuronales. Al igual que con Dscam1 , la autoevitación en las SACs no depende de una isoforma específica, sino que requiere que el uso de isoformas difiera entre las células vecinas. Así, dos filos parecen haber reclutado moléculas diferentes para mediar estrategias complejas y similares de autorreconocimiento, promoviendo así la autoevitación.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Kramer AP, Stent GS. 1985. Arborización del desarrollo de las neuronas sensoriales en la sanguijuela Haementeria ghilianii. II. Variaciones inducidas experimentalmente en el patrón de ramificación. J. Neurosci., 5:768–75
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