Synaptopodina: Collegare l'Actina e il Reticolo Endoplasmatico nei Neuroni

Il Reticolo Endoplasmatico (RE) è un network dentro alle cellule che aiuta a fare e trasportare proteine e lipidi. Si estende in varie parti della cellula ed è composto da diverse aree che hanno funzioni specifiche. Questo è particolarmente vero in cellule come i neuroni, che sono responsabili dell'invio di segnali nel cervello.

Una parte interessante del RE nei neuroni si chiama apparato spinoso. Questa struttura si trova vicino alle connessioni tra le cellule nervose chiamate sinapsi. L'apparato spinoso è formato da pile piatte di RE liscio che sono disposte in modo molto ravvicinato e separate da un materiale proteico denso. Si collegano al RE principale attraverso tubi sottili che scorrono lungo il gambo di supporto dello spino.

Un'altra struttura simile del RE è l'organello cisternale, che si trova nei segmenti iniziali degli assoni (le lunghe code dei neuroni che portano segnali). Tuttavia, si sa poco su cosa facciano queste strutture. Alcuni studi suggeriscono che l'apparato spinoso potrebbe aiutare a cambiare la forza delle connessioni tra i neuroni, un processo essenziale per l'apprendimento e la memoria. Si è anche pensato che possa immagazzinare calcio, un elemento chiave per molte funzioni cellulari, ma il ruolo della sua forma unica in questa funzione è ancora incerto.

Cambiamenti nell'aspetto dell'apparato spinoso sono stati notati durante le modifiche a lungo termine nelle connessioni neuroniche e durante alcune malattie. Mentre molti studi si sono concentrati su come si formano le altre strutture del RE, come il RE ruvido e i tubuli lisci, i processi specifici dietro la formazione dell'apparato spinoso e dell'organello cisternale non sono ben compresi.

#Ruolo dello Sinaptopodina

La ricerca ha dimostrato che una proteina chiamata sinaptopodina è fondamentale per la formazione dell'apparato spinoso e dell'organello cisternale nel cervello. La sinaptopodina è collegata all'Actina, una proteina che aiuta le cellule a mantenere la loro forma e movimento, il che significa che è presente in aree ricche di actina all'interno delle spine dendritiche e nei segmenti iniziali assonici.

Per trovare altre proteine che si associano con la sinaptopodina, i ricercatori hanno usato un metodo chiamato proteomica di prossimità. Questo processo ha identificato diverse proteine correlate all'actina, implicando che l'actina gioca un ruolo significativo nella formazione dell'apparato spinoso.

La formazione dell'apparato spinoso e dell'organello cisternale coinvolge diversi passaggi. Poiché la sinaptopodina non ha una parte che passa attraverso la membrana, deve collegarsi direttamente o indirettamente al RE. Di solito, il RE ha tubuli nei dendriti, ma per far sì che queste strutture si formino, il RE deve espandersi in fogli piatti che si impilano l'uno sopra l'altro. Il ruolo della sinaptopodina e di altre proteine in questi passaggi rimane incerto.

Questo studio mirava a iniziare a rispondere a queste domande. È stato scoperto che la sinaptopodina e l'apparato spinoso sono stati conservati nell'evoluzione dai moscerini della frutta agli esseri umani. Un'area specifica della sinaptopodina è necessaria per collegarsi al RE. I risultati hanno anche rivelato che la sinaptopodina non solo aiuta a formare mazzi di actina, ma collega anche questi mazzi al RE. Quando questa proteina è stata espressa nelle cellule, ha mostrato di indurre la creazione di strutture che somigliano all'apparato spinoso, suggerendo che sinaptopodina e actina lavorano insieme per formare questi organelli.

#Strutture Speciali nei Neuroni

L'apparato spinoso e l'organello cisternale nei neuroni hanno forme uniche e sono composti da fogli di RE liscio con spazi ristretti tra di loro. Alte concentrazioni di sinaptopodina possono essere viste nelle spine dendritiche e nei segmenti assonici in neuroni coltivati. Quando i ricercatori hanno esaminato questi gruppi di sinaptopodina usando tecniche di imaging avanzate, hanno scoperto che le accumulazioni consistevano in mazzi di actina situati tra i fogli di RE. Questo indica che la sinaptopodina non solo sostiene le strutture di actina, ma le collega anche al RE.

Ulteriori indagini su cellule fibroblastiche (un tipo generale di cellula) sono state condotte esprimendo la sinaptopodina all'interno di queste cellule. È stato osservato che la sinaptopodina e l'actina si trovavano insieme in queste cellule, simile a quanto visto nei neuroni. Alcune delle strutture associate con la sinaptopodina apparivano come fibre di stress, e esaminandole utilizzando la microscopia elettronica, i ricercatori hanno trovato mazzi di actina intrappolati tra fogli di RE densamente impacchettati.

Quando i fibroblasti sono stati esposti a condizioni che hanno causato la rottura del RE, la maggior parte degli elementi positivi per sinaptopodina è rimasta in contatto con il RE. Questo ha confermato il collegamento tra sinaptopodina e il RE e suggerito che gioca un ruolo nel collegare l'actina al RE.

#Siti di Legame dell'Actina di Sinaptopodina

La struttura della sinaptopodina è stata studiata per identificare le regioni specifiche che le consentono di legarsi all'actina e collegarla al RE. I ricercatori hanno creato diverse versioni di sinaptopodina e hanno scoperto che alcune regioni erano responsabili della sua capacità di associarsi con l'actina. Anche quando una delle regioni di legame dell'actina precedentemente identificate è stata rimossa, la sinaptopodina poteva comunque interagire con l'actina, suggerendo che ci sono più siti di legame all'interno della proteina.

Ulteriori analisi hanno mostrato che quando porzioni di sinaptopodina sono state eliminate, hanno mantenuto la capacità di connettersi con l'actina ma non erano in grado di formare i mazzi di actina collegati al RE tipici dell'apparato spinoso. Questo indica che, sebbene la sinaptopodina possa legare l'actina attraverso vari siti, non tutte queste interazioni portano alla specifica struttura necessaria per l'apparato spinoso.

Curiosamente, una specifica regione della sinaptopodina ritenuta importante per collegare la proteina al RE è stata trovata a far parte di un dominio noto come dominio calsarcin. Questo dominio è riconosciuto per la sua capacità di legarsi all'actina, ma non ancorare da solo la sinaptopodina al RE.

Il dominio calsarcin è simile sia nella sinaptopodina che in un'altra proteina chiamata miozenina, che interagisce anche con altre proteine. Questo suggerisce che la sinaptopodina ha un legame evolutivo con queste proteine. Inoltre, altre versioni di sinaptopodina sono state trovate avere tratti simili, indicando l'importanza del dominio calsarcin tra diverse specie.

#Importanza Evolutiva

Per studiare ulteriormente il ruolo della sinaptopodina nella formazione dell'apparato spinoso, i ricercatori hanno esaminato la sua presenza attraverso l'evoluzione. È stato stabilito che una versione di sinaptopodina esiste nei moscerini della frutta, una proteina chiamata CG1674, che ha similitudini di funzione con il suo omologo mammifero. Quando CG1674 è stata espressa nelle cellule, ha formato strutture ricche di actina simili a quelle prodotte dalla sinaptopodina.

In alcuni neuroni dei moscerini della frutta, i ricercatori hanno trovato spine ricche di actina, simili a quelle nei vertebrati, che contenevano strutture che somigliano all'apparato spinoso. Questa somiglianza solleva la possibilità che la sinaptopodina e l'apparato spinoso siano stati conservati attraverso l'evoluzione.

#Creazione di Strutture Simili all'Apparato Spinoso

I risultati di studi precedenti suggeriscono che la sinaptopodina potrebbe aiutare a collegare gli elementi del RE tramite l'actina. Tuttavia, una grande differenza tra l'apparato spinoso e le strutture create dall'iperespressione della sinaptopodina risiede nello spessore dei mazzi di actina tra i fogli di RE. Per affrontare questo, i ricercatori hanno creato un costrutto che ancorasse la sinaptopodina al RE unendola a un'altra proteina nota come Sec61β. Questo setup mirava a limitare il raggruppamento dell'actina a situazioni in cui era direttamente a contatto con il RE.

Quando questa proteina fusa è stata espressa nelle cellule, ha portato alla formazione di strutture allungate simili all'apparato spinoso. Utilizzando tecniche di imaging avanzate, i ricercatori hanno scoperto che queste strutture consistevano di fogli di RE impilati insieme con spazi minimi tra di loro, simili all'apparato spinoso.

Le proprietà uniche di queste strutture simili all'apparato spinoso suggerivano che potessero fornire informazioni su come si formano strutture specializzate del RE. La presenza di actina e varie proteine note per far parte dell'apparato spinoso indicava che le strutture condividevano caratteristiche con i loro omologhi neuronali.

#Riepilogo dei Risultati

In sintesi, lo studio rivela che la sinaptopodina può aggregare l'actina mentre la collega al RE in cellule sia neuronali che non neuronali. Una sezione molto specifica della sinaptopodina è essenziale per questo processo di collegamento; tuttavia, ulteriori regioni di legame contribuiscono anche alla sua funzione. Ancorando artificialmente la sinaptopodina al RE nelle cellule, i ricercatori hanno dimostrato che poteva indurre la formazione di strutture simili all'apparato spinoso.

Queste strutture simili all'apparato spinoso mostrano caratteristiche simili a quelle dell'apparato spinoso reale, inclusa una lumen molto ristretta e una matrice proteica densa che le collega. È importante sottolineare che questi risultati enfatizzano come l'apparato spinoso e altre regioni specializzate del RE possano avere funzioni distinte adattate alle necessità di specifici tipi di cellule.

Lo studio evidenzia anche un legame evolutivo tra la sinaptopodina nei moscerini della frutta e negli esseri umani, suggerendo che l'apparizione delle spine basate sull'actina e la formazione dell'apparato spinoso siano evolute insieme. Questa relazione mette in risalto il ruolo essenziale dell'actina nella funzione neuronale e i potenziali meccanismi regolatori in atto all'interno di queste strutture.