Etiquetado sináptico

El marcaje sináptico , o hipótesis del marcaje sináptico, se ha propuesto para explicar cómo la señalización neuronal en una sinapsis particular crea un objetivo para el posterior tráfico de productos relacionados con la plasticidad (PRP), esencial para la potenciación a largo plazo (LTP ) y la depresión a largo plazo (LTD) sostenidas . Aunque la identidad molecular de los marcadores sigue siendo desconocida, se ha establecido que se forman como resultado de la estimulación de alta o baja frecuencia , interactúan con los PRP entrantes y tienen una vida útil limitada. ^{[ 1 ]}

Investigaciones posteriores sugieren que los productos relacionados con la plasticidad incluyen ARNm y proteínas tanto del soma como del tallo dendrítico, los cuales deben ser capturados por moléculas dentro de la espina dendrítica para lograr la LTP y la LTD persistentes. Esta idea se articuló en la hipótesis de marcaje y captura sináptica. En general, el marcaje sináptico profundiza en los fundamentos moleculares de cómo se genera la LTP y conduce a la formación de la memoria .

Un posible mecanismo molecular para el marcaje sináptico

Frey, investigador del Instituto Leibniz de Neurobiología (más tarde en el Colegio Médico de Georgia y la Universidad de Lund), y Morris, investigador de la Universidad de Edimburgo , ^{[ 2 ]} sentaron las bases de la hipótesis del etiquetado sináptico, afirmando:

Proponemos que la LTP inicia la creación de una "marca sináptica" independiente de la síntesis de proteínas y de corta duración en la sinapsis potenciada, la cual secuestra la(s) proteína(s) relevante(s) para establecer la LTP tardía. En apoyo de esta idea, mostramos que la estimulación tetánica débil, que normalmente solo conduce a la LTP temprana, o la tetanización repetida en presencia de inhibidores de la síntesis de proteínas, resultan en una LTP tardía dependiente de la síntesis de proteínas, siempre que la tetanización repetida ya se haya aplicado en otra entrada a la misma población de neuronas. La marca sináptica se desintegra en menos de tres horas. Estos hallazgos indican que la persistencia de la LTP depende no solo de eventos locales durante su inducción, sino también de la actividad previa de la neurona. ^{[ 2 ]}

El estímulo inductor de L-LTP induce dos procesos independientes que incluyen una marca biológica dendrítica que identifica la sinapsis como estimulada, y una cascada genómica que produce nuevos ARNm y proteínas (productos de plasticidad). ^{[ 3 ]} Si bien la estimulación débil también marca las sinapsis, no produce la cascada. Las proteínas producidas en la cascada son característicamente promiscuas, ya que se unirán a cualquier sinapsis marcada recientemente. Sin embargo, como descubrieron Frey y Morris, la marca es temporal y desaparecerá si no se presenta ninguna proteína para su captura. Por lo tanto, la marca y la producción de proteínas deben superponerse para que la estimulación de alta frecuencia induzca L-LTP .

El experimento realizado por Frey y Morris implicó la estimulación de dos conjuntos diferentes de fibras colaterales de Schaffer que hacían sinapsis en la misma población de células CA1 . ^{[ 3 ]} Luego registraron el EPSP de campo asociado con cada estímulo en las vías S1 o S2 para producir E-LTP y L-LTP en diferentes sinapsis dentro de la misma neurona , según la intensidad del estímulo. Los resultados mostraron 1) que la E-LTP producida por una estimulación débil podía convertirse en L-LTP si se aplicaba un estímulo S2 fuerte antes o después y 2) que la capacidad de convertir E-LTP en L-LTP disminuía a medida que aumentaba el intervalo entre las dos estimulaciones, creando una dependencia temporal. Cuando bloquearon la síntesis de proteínas antes de la aplicación de una estimulación S2 fuerte, se impidió la conversión a L-LTP, lo que demostró la importancia de traducir los ARNm producidos por la cascada genómica.

Investigaciones posteriores han identificado una propiedad adicional del etiquetado sináptico que implica asociaciones entre LTP tardía y LTD. Este fenómeno fue identificado por primera vez por Sajikumar y Frey en 2004 y ahora se conoce como "etiquetado cruzado". ^{[ 4 ]} Implica interacciones asociativas tardías entre LTP y LTD inducidas en conjuntos de entradas sinápticas independientes : la LTP tardía inducida en un conjunto de entradas sinápticas puede transformar la LTD temprana en LTD tardía en otro conjunto de entradas. También ocurre el efecto opuesto: la LTP temprana inducida en la primera sinapsis puede transformarse en LTP tardía si va seguida de un estímulo inductor de LTD tardía en una sinapsis independiente. Este fenómeno se observa porque la síntesis de proteínas relacionadas con la plasticidad no específica (PRP) por LTP tardía o LTD tardía en la primera sinapsis es suficiente para transformar LTD temprana/LTP en LTD tardía/LTP en la segunda sinapsis después de que se hayan establecido los etiquetados sinápticos.

En 2005, Blitzer y su equipo de investigación propusieron una modificación a la teoría, afirmando que las proteínas capturadas por la etiqueta sináptica son en realidad proteínas locales que se traducen a partir de ARNm ubicados en las dendritas. ^{[ 3 ]} Esto significa que los ARNm no son producto de una cascada genómica iniciada por un estímulo fuerte, sino que se entregan como resultado de una transcripción basal continua . Propusieron que incluso las sinapsis débilmente estimuladas que fueron etiquetadas pueden aceptar proteínas producidas por una estimulación fuerte cercana a pesar de carecer de la cascada genómica.

La teoría del etiquetado sináptico/etiquetado y captura aborda potencialmente el importante problema de explicar cómo el ARNm, las proteínas y otras moléculas pueden ser transportadas específicamente a ciertas espinas dendríticas durante la fase tardía de la LTP. Se sabe desde hace tiempo que la fase tardía de la LTP depende de la síntesis de proteínas dentro de la espina dendrítica particular, como se demostró al inyectar anisomicina en una espina dendrítica y observar la ausencia resultante de LTP tardía. ^{[ 5 ]} Para lograr la traducción dentro de la espina dendrítica, las neuronas deben sintetizar el ARNm en el núcleo, empaquetarlo dentro de un complejo de ribonucleoproteína , iniciar el transporte, prevenir la traducción durante el transporte y, finalmente, entregar el complejo RNP a la espina dendrítica apropiada. ^{[ 6 ]} Estos procesos abarcan varias disciplinas y el etiquetado sináptico/etiquetado y captura no puede explicarlos todos; Sin embargo, es probable que el marcaje sináptico desempeñe un papel importante en la dirección del tráfico de ARNm hacia la espina dendrítica apropiada y en la señalización del complejo ARNm-RNP para que se disocie y entre en la espina dendrítica.

La identidad de una célula y la de las estructuras subcelulares están determinadas en gran medida por los transcritos de ARN . Partiendo de esta premisa, se deduce que la transcripción, el transporte y la traducción celular del ARNm se modifican en varios puntos. ^{[ 7 ]} Comenzando con la transcripción, las moléculas de ARNm se modifican potencialmente mediante el empalme alternativo de exones e intrones . Los mecanismos de empalme alternativo permiten a las células producir un conjunto diverso de proteínas a partir de un solo gen del genoma. Los recientes avances en la secuenciación de nueva generación han permitido una mayor comprensión de la diversidad que alcanzan las células eucariotas mediante las variantes de empalme. ^{[ 8 ]}

El ARNm transcrito debe llegar a la espina dendrítica prevista para que esta exprese L-LTP. Las neuronas pueden transportar el ARNm a espinas dendríticas específicas en un paquete junto con un complejo de ribonucleoproteína de transporte (RNP); el complejo RNP de transporte es un subtipo de gránulo de ARN. Se ha identificado que los gránulos que contienen dos proteínas de importancia conocida para la plasticidad sináptica, CaMKII (cinasa II dependiente de calmodulina) y el gen de respuesta temprana inmediata Arc, se asocian con un tipo de proteína motora kinesina, KIF5. ^{[ 9 ]} Además, hay evidencia de que el ARNm poliadenilado se asocia con microtúbulos en neuronas de mamíferos, al menos in vitro. ^{[ 10 ]} Dado que los transcritos de ARNm sufren poliadenilación antes de su exportación del núcleo, esto sugiere que el ARNm esencial para la LTP de fase tardía puede viajar a lo largo de los microtúbulos dentro del eje dendrítico antes de llegar a la espina dendrítica.

Una vez que el complejo ARN/RNP llega a través de la proteína motora a un área cercana a la espina dendrítica específica, debe ser "capturado" de alguna manera por un proceso dentro de la espina dendrítica. Este proceso probablemente involucra la marca sináptica creada por una estimulación sináptica de suficiente intensidad. La marcación sináptica puede resultar en la captura del complejo ARN/RNP a través de diversos mecanismos posibles, tales como:

1. La etiqueta sináptica desencadena la entrada transitoria de microtúbulos al interior de la espina dendrítica. Investigaciones recientes han demostrado que los microtúbulos pueden entrar transitoriamente en las espinas dendríticas de forma dependiente de la actividad. [ ^{[ 11 ]} ]
2. La etiqueta sináptica desencadena la disociación de la carga de la proteína motora y de alguna manera la guía hacia los microfilamentos que se forman dinámicamente.

Desde la década de 1980, se ha hecho cada vez más evidente que las dendritas contienen los ribosomas , las proteínas y los componentes de ARN necesarios para lograr la traducción local y autónoma de proteínas. Muchos ARNm que se localizan en las dendritas codifican proteínas que se sabe que participan en la LTP, incluyendo el receptor AMPA y las subunidades de CaMKII, así como las proteínas relacionadas con el citoesqueleto MAP2 y Arc . ^{[ 12 ]}

Los investigadores ^{[ 13 ]} aportaron pruebas de síntesis local al examinar la distribución del ARNm de Arc tras la estimulación selectiva de ciertas sinapsis de una célula del hipocampo. Observaron que el ARNm de Arc se localizaba en las sinapsis activadas, y que la proteína Arc aparecía allí simultáneamente. Esto sugiere que el ARNm se tradujo localmente.

Estos transcritos de ARNm se traducen de manera dependiente de la caperuza, lo que significa que utilizan un punto de anclaje de "caperuza" para facilitar la unión del ribosoma a la región 5' no traducida. Los miembros del grupo del factor de iniciación eucariótico 4 (eIF4) reclutan subunidades ribosomales al extremo del ARNm, y el ensamblaje del complejo de iniciación eIF4F es un objetivo del control traslacional: la fosforilación de eIF4F expone la caperuza para una recarga rápida, acelerando el paso limitante de la velocidad de la traducción. Se sugiere que la formación del complejo eIF4F está regulada durante la LTP para aumentar la traducción local. ^{[ 12 ]} Además, un exceso de complejo eIF4F desestabiliza la LTP.

Los investigadores han identificado secuencias dentro del ARNm que determinan su destino final, denominadas elementos de localización (EL), códigos postales y elementos de direccionamiento (ET). Estas son reconocidas por proteínas de unión al ARN, entre las que se encuentran MARTA y ZBP1 como posibles candidatas. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Estas proteínas reconocen los ET, y esta interacción da lugar a la formación de complejos de ribonucleótidos proteicos (RNP), que se desplazan a lo largo de los filamentos del citoesqueleto hasta la columna vertebral con la ayuda de proteínas motoras. Se han identificado ET dendríticos en la región no traducida de varios ARNm, como MAP2 y alfaCaMKII. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Es probable que el marcaje sináptico implique la adquisición de mecanismos de mantenimiento molecular por parte de una sinapsis que permitirían la conservación de los cambios sinápticos. ^{[ 18 ]} Existen varios procesos propuestos a través de los cuales funciona el marcaje sináptico. ^{[ 19 ]} Un modelo sugiere que el marcaje permite la síntesis local de proteínas en la sinapsis específica, lo que luego conduce a modificaciones en la fuerza sináptica. Un ejemplo de este mecanismo propuesto implica el anclaje del ARNm de PKMzeta a la sinapsis marcada. Este anclaje restringiría la actividad de la PKMzeta traducida, una proteína importante relacionada con la plasticidad, a esta ubicación. Otro modelo propone que los cambios sinápticos a corto plazo inducidos por el estímulo son en sí mismos el marcaje; los productos proteicos posteriormente entregados o traducidos actúan para fortalecer este cambio. Por ejemplo, la eliminación de receptores AMPA debido a la estimulación de baja frecuencia que conduce a LTD se estabiliza mediante un nuevo producto proteico que sería inactivo en las sinapsis donde no se ha producido la internalización. El marcaje también podría ser una huella de memoria latente , como sugiere otro modelo. La actividad de las proteínas sería entonces necesaria para que la huella de memoria condujera a cambios sostenidos en la fuerza sináptica. Según este modelo, los cambios inducidos por la huella de memoria latente, como el crecimiento de nuevos filopodios , son en sí mismos la etiqueta. Estas etiquetas requieren productos proteicos para la estabilización, la formación de sinapsis y la estabilización sináptica. Finalmente, otro modelo propone que los productos moleculares necesarios se dirigen a las ramas dendríticas apropiadas y luego encuentran las sinapsis específicas bajo modificación de eficacia, siguiendo gradientes de microconcentración de Ca++ a través de canales de Ca++ dependientes de voltaje. ^{[ 20 ]}

Si bien el concepto de la hipótesis del etiquetado sináptico surgió principalmente de experimentos que aplicaban estimulación a las sinapsis, se puede establecer un modelo similar considerando el proceso de aprendizaje en un sentido más amplio: conductual. ^{[ 21 ]} Fabricio Ballarini y sus colegas desarrollaron este modelo de etiquetado conductual probando el reconocimiento espacial de objetos, el condicionamiento contextual y la aversión condicionada al gusto en ratas con un entrenamiento débil. El entrenamiento aplicado normalmente solo produce alteraciones de la memoria a corto plazo. Sin embargo, combinaron este entrenamiento débil con un evento conductual arbitrario separado que se supone induce la síntesis de proteínas. Cuando los dos eventos conductuales se acoplaron dentro de un cierto lapso de tiempo, el entrenamiento débil fue suficiente para provocar cambios relacionados con la tarea en la memoria a largo plazo. Los investigadores creían que el entrenamiento débil conducía a una "etiqueta de aprendizaje". Durante la tarea subsiguiente, la escisión de proteínas resultó en la formación de una memoria a largo plazo para esta etiqueta. El modelo de etiquetado conductual se corresponde con el modelo de etiquetado sináptico. Una estimulación débil establece una E-LTP que puede servir como marcador para convertir la potenciación débil en una L-LTP más fuerte y persistente, una vez que se aplica la estimulación de alta intensidad.