Tema 4: Formación de Sinapsis PDF

24 di 39 TEMA 4: formación de sinapsis El elemento precursor de sinapsis es el cono de crecimiento := parte final del axon (donde se alonga). En el cono de crecimiento hay 3 dominios: 1. Dominio periférico — detecta las señales q permiten el crecimiento => formado por extensiones citoplasmáticas...

24 di 39 TEMA 4: formación de sinapsis El elemento precursor de sinapsis es el cono de crecimiento := parte final del axon (donde se alonga). En el cono de crecimiento hay 3 dominios: 1. Dominio periférico — detecta las señales q permiten el crecimiento => formado por extensiones citoplasmáticas ricas en filopodios (microfilamentos de actina) q están unidas por el lamelipodio. 2. Dominio central — formado por microtubulo de tubulina sin MAPs => dinámica de (des-)polimerización de los microtubulos es muy elevada 3. Neurita — formado por microtubulo de tubulina maduros (destirosinados + acetilados) con MAPs El polo + de los microfilamentos de actina está orientado hacia el extremo del filopodio. En el citosqueleto debajo de la membrana plasmática hay la miosina q interacciona con los microfilamentos de actina y los empuja hacia el polo - , originando un ciclo fútil := el microfilamento crece hacia polo + al mismo tiempo q la miosina lo empuja al lado contrario. => hay un continuo crecimiento/retracción del microfilamento. Cuando los receptores de los lamelipodios interaccionan con moléculas de adhesion, se activan las proteínas de anclaje como GAP43 q interaccionan con microfilamentos de actina, contrastando el movimiento de la miosina y permitiendo el crecimiento hacia polo +. Así el filopodio se extiende. Esa dinámica muy activa da lugar a ≠ tipos de estructuras en el cono de crecimiento: Tipo filopodio — axon está creciendo Tipo palma o cono — axon está detectando la molecula de adhesion Tipo redondeado — axon está colapsando (pierde dominio periférico y se retrae) Teoría del quimiotropismo = algunas señales químicas guían el cono de crecimiento hacia su diana Guía axonal: Los axones son guiados por la ación simultanea y coordinada de 4 tipos de señales: 1. señales secretora q promueven crecimiento — motor del movimiento 2. señales secretora q inhiben crecimiento — motor del movimiento 3. señales fijas en la ECM q promueven crecimiento — diseñan el camino por el q crece el axon 4. señales fijas en la ECM q inhiben crecimiento — establecen el limite del camino Estas señales activan ≠ cascadas intracelulares en el axon (alteración de [Ca], [AMP] o [GMP]): Las señales q provocan pequeños ↑[Ca]i — promueven el crecimiento Las señales q provocan grandes ↑↑↑[Ca]i — inhiben el crecimiento Las señales q incrementan el ratio cAMP/cGMP ↑— promueven el crecimiento Las señales q disminuyen el ratio cAMP/cGMP ↓— inhiben el crecimiento Atracción = crecimiento :) = ↑[Ca]i + cAMP/cGMP ↑ Repulsión = crecimiento :( = ↑↑↑[Ca]i + cAMP/cGMP ↓ La guia axonal es: - un proceso complejo pq tiene q establecer misiones de contactos sinápticos - un fenómeno variado ya q 2 axones q parten del mismo sitio pueden llegar a ≠ sitios, dependiendo de receptores expresados => una misma señal puede inducir/inhibir crecimiento - precisa pq todas las dianas deben estar inervadas Las conexiones se establecen por etapas en las q cada una está definida por la presencia de una célula secretora de factores quimioatrayentes. La emisión de axones pioneros (primeros axones q crecen en una zona) favorece el proceso ya q establecen conexiones durante el inicio del desarrollo del SN (antes formación de la glia)  25 di 39 Moléculas implicadas en guía axonal: *** EFRINAS A y B Son proteinas integrales de membrana ancladas a esta a traves de puentes GPI. Activan receptores efrina de tipo TyrK y median repulsion = crecimiento :( El receptor TyrK puede unirse a la efexina: Cuando efexina NO se une a receptor, no se produce fosforilación y se activan simultáneamente 3 mensajeros secundarios (RhoA, Roc1, Cdc42) q promueven polimerización de microfilamentos de actina. Cuando efexina se une a receptor, el receptor se auto-fosforila y fosforila a su vez la efexina. La efexina puede activar solo a RhoA y el receptor fosforilado (activo) recluta y fosforila otras proteínas como la alpha2-quimerina q inhibe Roc1. La activación de RhoA y inhibición de Roc1 promueven des-polimerización de microfilamentos de actina y lleva al colapsamiento del lamelipodio. El receptor recluta y fosforila a Vav q promueve la fagocitosis del complejo receptor-efrina para evitar q la ruta sea siempre activa. *** NETRINA y SLIT Son proteínas secretadas. La netrina tiene un dominio similar a la laminina en el N-terminal => el efecto de señalización es local pq se impide su difusión ya q esta proteína está en la ECM => es una señal corta. Tiene efecto sobre receptores con dominio Ig: - al activar receptores DCC median atracción - al activar receptores UNC median repulsión Slit es de mayor tamaño y es reconocida por receptores Robo, también con dominios Ig. Generalmente media repulsión. Las neuronas comisurales (cuyos axones crecen a lo largo de la línea media del SNC) emiten su axon desde zona dorsal hasta zona ventral (espalda —> abdomen). La señal q guía estos axones es un gradiente de la netrina-1 q es mas concentrado en zona ventral q en la dorsal. Dado q en cono de crecimiento se expresan receptores DCC, la señal produce atracción y crecimiento axonal. Algunos axones pueden atravesar el gradiente y crecer en paralelo a esto pq la linea media secreta Slit. Las neuronas comisurales expresan receptores Robo1, Robo2, Robo3 antes de atravesar la linea media y Robo3 —| Robo1 y Robo2. Cuando atraviesan la linea media, la expresión de Robo3 disminuye así q Robo1 y Robo2 se activan y Slit media repulsión. En ratones KO para Robo3 las neuronas no atraviesan la linea media.  26 di 39 *** SEMAFORINAS Son una familia de proteínas q tienen un dominio en común en su C-terminal rico de a.a. cargados +. En vertebrados hay semaforinas de las clases 3 - 7 y solo Sema-3 es secretada, el resto están ancladas a la membrana. Son reconocidas por las plexinas A y B pero Sema-3 también necesita interaccionar con la neuropilina (anclada a membrana) q media union entre plexinas y Sema-3. Se activa la señalización por GTPasas q modulan el citosqueleto de actina. Sema-3A regula diferenciación de neuronas q migran desde zona ventricular —> marginal. (En ratones KO para Sema-3A, las neuronas de la capa marginal quedan desorientadas). La Sema-3A tiene efectos antagonistas en una misma neurona: Repulsion sobre axon — migration hacia zona ventricular Atracción sobre dendritas — migración hacia zona marginal Esto se debe a q hay [cGMP] mayor en dendritas q axones pq la guanilato ciclasa soluble es mas presente en compartimiento somato-dendritico. SINAPTOGENESIS EN SNC: El proceso de formación de sinapsis dura 1h30-2h: 1. El cono de crecimiento llega a la diana y contacta fisicamente con ella (contacto entre moléculas de adhesion en terminal pre-sinaptica y post-sináptica) 2. Al cabo de 15-20 min comienzan a liberarse vesículas electrodensas en region pre-sinaptica 3. Tras 30-45 min se reclutan proteínas implicadas en densidad post-sináptica 4. Después de 1h se expresan los receptores post-sinápticos Proteinas de adhesion: Ellas establecen las uniones trans-sinapticas pero no están directamente implicadas en la formación de sinapsis (sin embrago son esenciales). Alteraciones en estas proteínas promueven enfermedad neurales como esquizofrenia y autismo. El complejo se forma por interacción de neuroexinas (pre- sinápticas) y neuroliguinas (post- sinápticas). Ambas expresan dominós PDZ q sirven por la interacción entre esas (a nivel extracelular) y por interacción con otras moléculas del citosqueleto dando lugar a densidades pre- y post- sinápticas (a nivel intracelular). La interacción neuroexinas -neuroliguinas ocurre en zona activa de la sinapsis. Neuroexinas: 2 tipos: alpha (con N-terminal muy grande) y beta (con N-terminal más pequeño). Tienen dominios similares a los de la laminina y en caso de alpha-neuroexinas también a los del EGF (factor de crecimiento epidémico). Los dominós TM son iguales en ambos tipo de neuroexinas. En humanos hay 3 genes q codifican para ambas neuroexinas y en todos hay sitios de splicing alternativo q dan lugar a una importante variedad de neuroexinas. En el C-terminal se produce interaction con CASK q presenta dominios CAMK q transmiten info del exterior al interior celular mediante fosforilacion. CASK fosforila a Piccolo y Bassom q reclutan las vesículas sinápticas para q se localizan cerca del axon. CASK interacciona con Velis y Mint, formando un trimero q esta en contacto con neuroexina y abre los canales de Ca tipo N en densidades pre-sinapticas.  27 di 39 Neuroliguinas: Su N-terminal presenta un dominio análogo al de la acetilcolinesterasa (sin actividad enzimática) q permite la dimerizacion de neuroliguinas. Hay 4 genes q codifican las neuroliguinas: NLGN 1 — sinapsis excitatorias NLGN 2 — sinapsis inhibitorias NLGN 3 — sinapsis excitatorias y inhibitorias NLGN 4 — sinapsis glicinergicas Las neuroliguinas interaccionan con las neuroexinas a través de sus dominios PDZ. En C-terminal, estos dominios permiten interacción con proteína PSD95 q se une a proteína GKAP y esta se une a Shank. Este trimero forma el entramado de densidad post-sináptica. Cada dímero de neuroliguina recluta a 2 neuroexinas y activa el dominio CASK en C-terminal. Los ratones KO para neuroliguinas 1,2,3 mueren después pocas semanas pero su n° de sinapsis es el mismo q en ratones WT => las neuroliguinas NO son determinantes en formación de sinapsis pero si en su maduración En ratones KO para neuroexinas-alpha hay alteraciones pre- y post- sinápticas En ratones KO para neuroexinas-beta hay alteraciones post- sinápticas => la ruta de señalizaciones mediada por neuroexinas es importante por formación de densidades post-sinápticas AUTISMO: Mutaciones en neuroliguinas y neuroexinas desencadenan enfermedades del espectro autista. Son enfermedades heredables y afectan más a hombres. Sintomalogía: comportamientos repetitivos , deficit de interacción social , epilepsia , retraso mental Los síntomas se desarrollan a los 2-3 anos, cuando la sinapsis ya ha madurado. En ratones con esa enfermedad se observa q al realizar el test del rotador, el animal aguanta mas en el dispositivo (eso se debe a q el movimiento es repetitivo). Sinapsis durante el desarrollo: Las sinapsis son estructura dinámicas. Durante el desarrollo se forman sinapsis transitorias (q van a desparecer en el tiempo) => se observan mas contactos sinápticos en niños q en adultos. El input del interno permite seleccionar aquellas conexiones q son mas utiles. En motoneuronas se ha visto q aquellas q son más activa sobre una fibra muscular eliminan a aquellas q presentan menor actividad. Esto es pq la propia fibra genera señales de supervivencia para las neuronas funcionales y señales degenerativas para neuronas non-funcionales. Esa selección se produce después del parto pq antes del parto las neuronas están unidas por uniones de hendidura (gap junction) así q todas las neuronas se disparan a la vez. Después del parto estas uniones desaparecen y las neuronas se individualizan, lo q permite la selección.  28 di 39 Regeneración del SN: La plasticidad del SNC es mayor q la del SNP, al contrario q la regeneración axonal. Al producirse un daño en un axon del SNP, en la region proximal del daño se forman nuevos brotes q vuelven a conectar con las dianas. Esto se debe a las células de Schwann q secretan los factores tróficos necesario y interaccionan con la ECM mediante moléculas de adhesion. Ademas en el SNP se eliminan señales inhibitoria de crecimiento gracias a la mielinafagìa. En el SNC, ≠ factores hacen q la regeneración sea mucho menor: No hay un ambiente favorable para el crecimiento Hay mayor cantidad de señales inhibitoria del crecimiento axonal proteina NoGo, glicoproteina OMgp y proteina de mielina MAG Cuando se produce un daño, se forma la cicatriz glial, los astrocitos proliferan, se activa la microglia, hay la extravasacion de células del SI (linfocitos T) y todas estas dificultan el crecimiento axonal. Capacidad de crecimiento es menor durante el desarrollo, los niveles de proteína GAP43/neuromodulina son muy elevados pero disminuyen en el tiempo. GAP43 interacciona con microfilamento contraponiéndose al movimiento de la miosina la cual impide crecimiento axonal => GAP43 favorece crecimiento. En el SNP el nivel de GAP43 se mantiene constante durante todo el desarrollo y aumenta antes de un daño. Generalmente se degenera parte final del axon pero a veces también la parte proximal al soma y eso se debe a q la neurotrofina no es aportada al soma y esa es esencial para supervivencia. Estrategias para facilitar regeneración del SNC: 1. Administración de antiinflamatorios para disminuir inflamación 2. Administración de factores tróficos en regiones dañadas 3. Administración de enzimas capaces de degradar cicatriz glial 4. Administración de moléculas capaces de inhibir los inhibidores de crecimiento 5. Administración de inmune-depresor para reducir respuesta inmune endógena (activación de microglia) y exógena (extravasacion de células del SI) 6. Activación de mecanismo q promueven expresión de proteínas de adhesion 7. Transplante de células gliales o neuronas — astrocitos modificado genéticamente 8. Implante de células de Schwann 9. Implante de células modificada genéticamente: Fibroblastos de la piel — se extraen del propio organismo, se cultivan y se modifican genéticamente. Pues se realiza la selección in vitro y se re-cultivan para clonarlos. Al final se implantan de nuevo en el organismo Glia envolvente — la glia del bulbo olfatorio del SNC tiene características de las células de Schwann y su función es de acompañar los axones desde epitelio olfatorio hasta bulbo olfatorio (único sitio del SNC donde se renuevan los axones)  29 di 39 PARKINSON Los ganglios basales están formados por la sustancia negra, el núcleo caudado y el putamen y sus función es la regulación del movimiento => permiten realizar movimientos controlados. En esa enfermedad se produce una perdida de neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra q emiten prolongaciones a los núcleo caudado y al putamen => la enervación no es funcional. Las neuronas dopaminérgicas liberan dopamina a la sustancia negra, cuya acción es inhibitoria => permiten la relajación muscular. Dado q esa enervación negativa es deficiente, los pacientes no son capaces de controlar los movimientos. Tratamiento: Se administra L-DOPA (molecula precursora de la dopamina) q es permeable a la BBB y se descarboxila en el SNC. Junto a la L-DOPA se debe administrar un inhibitor de la descarboxilasa lo cual es impermeable a la BBB y asi asegura q la descaboxilación ocurre solo en SNC y no en SNP. Dado q la administración de L-DOPA presenta efectos secundarios a lo largo plazo, se están considerando alternativas (implante de células precedentes de otros tejidos): Células de tejido embrionario humano efectos de mejora son duradero :) supervivencia de tejido transplantado es baja :( se necesita embrion humano :(. Células modificada genéticamente para producir L-DOPA — se utilizan células de medula adrenal o fibroblastos de la piel. efectos de mejora son a corto plazo :( supervivencia de tejido transplantado es alta :) Cuerpos carotídeos — las neuronas de cuerpos carotídeos secretan dopamina y GDNF := factor q promueven supervivencia de las pocas sinapsis restante en paciente de Parkinson. Se esta estudiando el efecto de los TRANSPLANTE AUTÓLOGOS de cuerpos carotídeos en: Ratas — se induce Parkinson inyectando 6-hidroxidopamina q produce toxicidad. Al realizar el auto-transplante se vee una ligera mejoría sintomatologica y un aumento en la tasa de supervivencia de neuronas dopaminérgicas (40%) Monos — se induce Parkinson inyectando MPTP q se transforma en MPP+, la cual utiliza transportadores de dopamina y produce la disminución de niveles de ATP, llevando a la muerte celular. Al realizar el auto-transplante se ve menor supervivencia pero una notable mejoría sintomatologica.  30 di 39 Conversion directa de fibroblastos de la piel en neuronas funcionales: Para el tratamiento de otra ENDs se busca la regeneración de las neuronas q se han perdido. Los fibroblastos de la piel se diferencian a células pluripotenciales q se vuelven a diferenciar a neurona. - Bajo rendimiento :( - Largo tiempo (meses) de generación de neuronas :( - Muchas neuronas son tumorales :( Se esta intentando la REPROGRAMACION GENETICA: La combinación de 4 o 5 FT con un medio especifico y su inducción sobre fibroblastos consigue la diferenciación a neuronas sin pasar por células pluripotenciales - Células mueren en cultivo en poco tiempo :( Una solución podría ser implantar neuronas modificadas directamente en el embrion - ENDs generalmente se desarrollan después de algunos años :( Neurogenesis en cerebro adulto: Las neuronas en cerebro adulto NO se dividen y la neuorgenesis esta muy limitada. Sin embrago, existen pequeños nichos neurogenicos en ≠ regiones: Zona subventricular Giro dentado del hipocampo Bulbo olfatorio Exp q demonstra q neurogenesis es limitada en cerebro adulto: Se incorpora bromodeoziuridina solo en células q se están dividiendo. Cuando EL paciente falleció, se inoculo bromodeoziuridina y se vio q las neuronas se estaban dividiendo => no se nace y se muere con mismo n° de neuronas.