Sia nel cervello che nei muscoli, le sinapsi sono presenti ovunque esistano le cellule nervose. Le sinapsi, le connessioni tra neuroni, sono fondamentali per il processo di trasmissione dell’eccitazione, che è essenzialmente comunicazione tra neuroni. Come in ogni processo di comunicazione, c’è un mittente e un ricevitore: i processi delle cellule nervose chiamati assoni generano e trasmettono segnali elettrici fungendo così da mittenti di segnali.
Le sinapsi sono punti di contatto tra i terminali nervosi assonali (la pre- sinapsi ) e i neuroni post-sinaptici. In queste sinapsi, l’impulso elettrico viene convertito in messaggeri chimici che vengono ricevuti e rilevati dalle post-sinapsi del neurone vicino. I messaggeri vengono rilasciati da speciali sacche di membrana chiamate vescicole sinaptiche.
Oltre a trasmettere informazioni, le sinapsi possono anche immagazzinare informazioni. Mentre la struttura e la funzione delle sinapsi sono relativamente ben conosciute, si sa poco su come si formano.
Un team del Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) di Berlino ha ora fatto luce su questo mistero. Hanno contribuito a questo straordinario lavoro anche scienziati della Charité-Universitätsmedizin, del Centro Max Delbrück di medicina molecolare (MDC) e delle Università di Lipsia, Chicago e Sheffield.
La proteina fluorescente rivela lo sviluppo delle vescicole sinaptiche
Per seguire la formazione delle pre-sinapsi fin dall’inizio, i ricercatori hanno utilizzato le forbici genetiche CRISPR per inserire una proteina fluorescente nelle cellule staminali umane e hanno generato neuroni dalle cellule staminali modificate. Grazie al marcatore fluorescente, i ricercatori sono stati in grado di osservare direttamente al microscopio lo sviluppo delle vescicole sinaptiche nascenti nelle cellule nervose umane viventi in via di sviluppo.
Le vescicole sinaptiche sono vescicole di membrana che contengono messaggeri e vengono immagazzinate in ciascuna sinapsi per convertire i segnali elettrici in segnali chimici. Insieme alle proteine dell’impalcatura che dicono alle vescicole sinaptiche dove si trova la sinapsi e ai canali del calcio che traducono chimicamente il segnale elettrico, queste vescicole formano gli elementi centrali della pre-sinapsi.
Tutti e tre i componenti hanno i propri geni e sono quindi costituiti da diverse molecole proteiche. Per questo motivo in precedenza si pensava che prendessero anche percorsi diversi per riunirsi infine in un unico punto e formare una sinapsi funzionale.
Tutti i componenti partono insieme
Tuttavia, le osservazioni dei ricercatori smentiscono questa ipotesi. “Le proteine delle vescicole sinaptiche e le proteine della cosiddetta ‘zona attiva’ e probabilmente anche le proteine di adesione che tengono insieme le sinapsi, condividono lo stesso mezzo”, ha affermato il leader del gruppo di ricerca, il professor Dr. Volker Haucke, descrivendo la sorprendente scoperta.
Ma come arrivano esattamente le proteine al sito di formazione delle sinapsi?
Nel loro studio, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare, per prima cosa, che un meccanismo di proteine motrici alimenta il trasporto assonale. Secondo i loro risultati, il driver principale è una chinesina nota come “KIF1A”. Questa proteina motoria è nota soprattutto per la sua associazione con disturbi neurologici nel sistema nervoso periferico e nel cervello. “Sospettiamo che le mutazioni nel KIF1A interferiscano con il trasporto assonale delle proteine presinaptiche, causando sintomi neurologici come disturbi del movimento, atassia o disabilità mentale”, ha spiegato Volker Haucke, scienziato e professore di farmacologia molecolare alla Freie Universität Berlin.
Inoltre i ricercatori sono riusciti anche a determinare l’identità biologica cellulare dei portatori assonali. Ciò ha portato ad un’altra sorpresa: mentre la stragrande maggioranza delle vescicole secretrici provengono dal cosiddetto apparato di Golgi, le vescicole di trasporto assonale non contengono marcatori del Golgi, ma condividono marcatori con il sistema endolisosomiale, che tipicamente è coinvolto nella degradazione delle proteine difettose nelle cellule non neuronali.
Una nuova combinazione di luce e microscopia elettronica ad alta risoluzione ha permesso ai ricercatori di visualizzare le vescicole di trasporto assonale in modo ultrastrutturale, consentendo loro di descriverne le dimensioni e la forma.
Scoperta di organelli di trasporto che esistono solo nei neuroni
“Il nostro lavoro suggerisce che i neuroni hanno inventato un nuovo tipo di organello, un organello di trasporto che potrebbe essere unico per i neuroni”, ha spiegato la dott.ssa Sila Rizalar, ricercatrice post-dottorato presso la FMP e autrice principale dello studio. “Questo processo era poco conosciuto quanto il percorso di trasporto condiviso”.
I nuovi risultati della ricerca di base potrebbero un giorno essere utili per applicazioni cliniche. Dopotutto, quando i punti di contatto tra i neuroni si rompono, a causa di una malattia, di un incidente o nel processo di invecchiamento, è importante comprendere il meccanismo del trasporto assonale e le proteine chiave coinvolte per poter intervenire a livello terapeutico. “Idealmente, sarebbe possibile ripristinare o potenziare il trasporto assonale per promuovere la rigenerazione neuronale o contrastare l’invecchiamento”, ha osservato Volker Haucke.
Sebbene i ricercatori abbiano ora svelato un meccanismo chiave di formazione delle sinapsi, molte domande rimangono senza risposta, ad esempio come si formano gli organelli di trasporto appena scoperti, di cosa sono fatti e come trasportano il loro carico – le molecole di sinapsi – a destinazione. Solleva anche la questione se, forse, i ricordi permanenti vengano immagazzinati utilizzando lo stesso meccanismo di trasporto assonale utilizzato per formare le sinapsi.
Queste sono le domande a cui Volker Haucke e il suo team vogliono ora rispondere. Le prospettive sono entusiasmanti.
Fonte: Science
