El puente molecular media la especificidad de la sinapsis inhibitoria en la corteza.
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Aunque no en la misma gran escala, nuestros cerebros tienen puertas de enlace similares para conectar neuronas. Estos diminutos compartimentos, llamados sinapsis, permiten el intercambio dinámico de información y la formación de circuitos neuronales. Para construir estos circuitos, las neuronas en desarrollo primero deben seguir señales de conducción específicas, viajando a través del cerebro hasta encontrar sus socios adecuados. Este proceso es muy importante para la corteza cerebral, que consta de seis capas funcional y anatómicamente distintas. Aunque la corteza se ha estudiado extensamente, no se sabe mucho sobre los mecanismos moleculares precisos que impulsan la especificidad de las sinapsis dentro de sus capas. Esto es especialmente cierto para una clase especializada de neuronas llamadas interneuronas inhibitorias (IN), que suelen establecer conexiones locales con solo una o dos capas. El descubrimiento de las moléculas implicadas favorecería la comprensión de la formación del circuito inhibidor cortical.
En una publicación reciente en la revista de Avances científicos Ciencia, El laboratorio Taniguchi de Max Planck Florida ha arrojado luz sobre un mecanismo novedoso para la especificidad de la sinapsis inhibitoria en la corteza. Al identificar un papel novedoso para la molécula de adhesión celular IgSF11, los científicos de MPFI descubrieron que la proteína media en el direccionamiento sináptico específico de la capa en las células de araña cortical (ChC).
«Nuestro laboratorio se especializa en el estudio de las interneuronas corticales y en la formación de circuitos inhibidores», describe el Dr. Hiroki Taniguchi, Ph.D. y líder del grupo de investigación en Max Planck Florida. «Se ha demostrado que las células candelabro, uno de nuestros subtipos de interneuronas favoritos, expresan marcadores genéticos únicos e inervan solo ciertas capas dentro de la corteza. (Las CHC controlan de manera crítica la generación de picos en las principales neuronas corticales y se han implicado en la patología de los trastornos cerebrales. como la esquizofrenia y la epilepsia). Decidimos que este tipo de célula modelo sería el lugar perfecto para comenzar nuestra búsqueda de moléculas que confieran una coincidencia de sinapsis de capa específica «.
Los científicos de MPFI comenzaron su investigación utilizando la secuenciación de ARN de una sola célula para seleccionar genéticamente IN para genes únicos para un solo subtipo. Encontraron un grupo selecto de genes en una categoría intrigante conocida como moléculas de adhesión celular o CAM. Una CAM en particular, IgSF11, estaba altamente enriquecida en ChC en comparación con otros subtipos de IN.
«Nuestro análisis genético de IN es donde encontramos por primera vez IgSF11», explica Yasufumi Hayano, Ph.D., primer autor de la publicación e investigador del Taniguchi Lab. «Estábamos buscando genes específicos de subtipos. proteínas de superficie, pensando que las que se expresan fuera de las neuronas serían el candidato perfecto para mediar en una interacción específica de la sinapsis «.
Las CAM comprenden un grupo heterogéneo de proteínas estructurales. A menudo consideradas como un pegamento biológico, las CAM se expresan en el exterior de las neuronas e interactúan en grandes complejos, lo que facilita las interacciones célula-célula. El complejo en forma de puente que forman proporciona estabilidad a las sinapsis recién formadas y ayuda en la adhesión y comunicación celular. Una categoría de CAM, llamada homofilicidad de CAM, interactúa solo con otras CAM idénticas a ellas y se teoriza para que tengan la posibilidad de mediar en la especificidad de la formación de sinapsis.
Después de identificar IgSF11 como CAM homofílica, el equipo de MPFI buscó la expresión de IgSF11 en las neuronas de la mitad superior de la capa 2/3 de la corteza que inerva la ChC, razonando que la expresión debería ocurrir en ambos lados por un tiempo. Interacción CAM homofílica. Utilizando la hibridación in situ fluorescente (FISH), los investigadores encontraron una expresión sólida de IgSF11 tanto en la ChC como en las neuronas diana que residen en la capa 2/3 de la corteza, pero no en otras capas; proporcionando una fuerte evidencia de que la interacción IgSF11 es importante en la especificidad de la sinapsis ChC.
A continuación, el laboratorio de Taniguchi evaluó el papel funcional de IgSF11 en la formación de sinapsis de ChC eliminando IgSF11 del cerebro y examinando los cambios. Para investigar si la IgSF11 era funcionalmente necesaria solo en las ChC o tanto en las ChC como en las neuronas corticales diana, el equipo tuvo que desarrollar una estrategia que permitiera la eliminación selectiva de IgSF11. Para lograr esto, los científicos de MPFI generaron ratones IgSF11 KO y trasplantaron ratones ChC KO identificados con fluorescencia en animales hospedadores de tipo salvaje (wt). Los KO de ChC mostraron una reducción significativa tanto en el tamaño como en el número de botones sinápticos. Confirmando la hipótesis de que IgSF11 confiere su especificidad a través de la interacción homofílica, el trasplante de wt ChC en el cerebro de ratones IgSF11 KO condujo a la misma reducción. Tomados en conjunto, IgSF11 parece estar fuertemente implicado en el desarrollo del botón sináptico de ChC y en la diferenciación morfológica.
Las colaboraciones con el núcleo de microscopía electrónica MPFI y el laboratorio Kwon investigaron las consecuencias funcionales de KO IgSF11. El análisis de ultraestructura por EM de gran aumento reveló que los pocos botones sinápticos restantes en los KO de ChC no se diferenciaban correctamente y mostraban déficits en la transmisión sináptica. En apoyo de estos datos, la electrofisiología asistida por optogenética de ratones IgSF11 KO demostró déficits adicionales en la transmisión sináptica.
«Un desafío al trabajar con células Chandelier es que son difíciles de manipular genéticamente con métodos tradicionales», explica el Dr. Hayano. «Para superar este problema, diseñamos una nueva estrategia basada en virus que utiliza virus adenoasociados para administrar IgSF11, una proteína difícil de expresar, a las células de interés».
El equipo de MPFI utilizó su estrategia viral AAV para investigar si la IgSF11 expresada en neuronas de diferentes capas corticales distintas de la capa 2/3 podría inducir artificialmente la formación de sinapsis con ChC. Al transducir las neuronas de la capa V con IgSF11, descubrieron numerosas sinapsis ectópicas formadas entre estas células y las células candelabros; un fenómeno que no ocurriría en circunstancias normales.
«IgSF11 es la primera molécula de adhesión celular identificada que media directamente el subtipo de interneuronas, la formación específica de la capa de sinapsis en la corteza», señala el Dr. Taniguchi. «Una mayor comprensión de los mecanismos moleculares que rodean el ensamblaje del circuito inhibitorio puede revelar un patrón similar en otros subtipos de interneuronas distintos y ayudar a desentrañar cómo se forman los circuitos inhibidores. Nuestro trabajo puede proporcionar un punto de entrada útil para comprender esto. Etiología de los trastornos del neurodesarrollo causados por deficiencias en los circuitos en un solo subtipo de interneurona «.