Estabilización sináptica

Las moléculas de adhesión celular sináptica (CAM) desempeñan un papel crucial en la guía axonal y el establecimiento sináptico entre neuronas durante el neurodesarrollo , y son componentes integrales en muchos procesos sinápticos, incluyendo la correcta alineación de las vías de transducción de señales pre y postsinápticas , el reciclaje vesicular en relación con la endocitosis y la exocitosis , la integración de receptores postsinápticos y el anclaje al citoesqueleto para asegurar la estabilidad de los componentes sinápticos. ^{[ 4 ]}

Las SynCAM (también conocidas como Cadm o moléculas similares a la nectina) son un tipo específico de CAM sináptica presente en los vertebrados que promueve el crecimiento y la estabilización de las sinapsis excitatorias (no inhibitorias). Las SynCAM se localizan principalmente en el cerebro, tanto en sitios presinápticos como postsinápticos, y su estructura consta de dominios intracelulares de unión a FERM y PDZ, un único dominio transmembrana y tres dominios extracelulares Ig . Durante el neurodesarrollo, las SynCAM, como la SynCAM1, actúan como "sensores de contacto" de los conos de crecimiento axonal , acumulándose rápidamente cuando se forman las conexiones axodendríticas y contribuyendo a la formación de un complejo de adhesión estable . ^{[ 5 ]}

synCAM1, junto con neuroligina, son las dos moléculas de adhesión celular (CAM) que se sabe que son suficientes para iniciar la formación de terminales presinápticas, ya que la adición de synCAM1 al medio de cultivo de células neuronales y no neuronales conduce al establecimiento de terminales presinápticas. La unión homofílica de dos moléculas de synCAM1 en los filopodios del cono de crecimiento axonal y la espina dendrítica permite que se establezca el contacto inicial entre la célula presináptica y la postsináptica. ^{[ 6 ]}

Las synCAM pertenecen a la superfamilia de proteínas Ig. Los dominios PDZ citosólicos de las synCAM incrustadas en la membrana postsináptica interactúan con la proteína de andamiaje postsináptica PSD-95, que ayuda a anclar el complejo al citoesqueleto subyacente. ^{[ 7 ]}

Las cadherinas son moléculas de adhesión celular homofílicas dependientes de calcio que forman complejos con socios citosólicos conocidos como cateninas . ^{[ 8 ]} Los componentes de este complejo se unen a varias proteínas de andamiaje, fosfatasas, quinasas y receptores. ^{[ 9 ]} Las cadherinas clásicas tienen cinco estructuras repetitivas extracelulares que se unen al calcio, un único dominio transmembrana y una cola intracelular con un dominio citosólico distal que se une a un socio catenina. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Trabajos recientes han implicado al complejo cadherina-catenina en varios procesos del sistema nervioso central, como la estabilización y plasticidad sináptica . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Muchas cadherinas en el sistema nervioso central exhiben patrones de expresión espacial y temporal distintos. ^{[ 9 ]} Por ejemplo, la N-cadherina se expresa ampliamente en la sinapsis en desarrollo y posteriormente permanece cerca de la zona activa madura, lo que implica que este complejo puede ser adecuado para proporcionar un vínculo entre los cambios estructurales y la estabilidad sináptica. ^{[ 9 ]} De hecho, los cambios en la actividad sináptica local impactan la expresión de los complejos cadherina-catenina . ^{[ 9 ]} Un aumento en la actividad en una espina particular conduce a la dimerización de la N-cadherina que luego se escinde, lo que lleva a la represión de la transcripción de CBP/ CREB . ^{[ 9 ]} Esta represión tiene muchas implicaciones relacionadas con el desarrollo y la plasticidad.

En el caso de la formación y poda de espinas dendríticas , se ha propuesto y corroborado una hipótesis de competencia. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Esta hipótesis sugiere que los niveles relativos de complejos cadherina-catenina, que se distribuyen entre las espinas en un área local de manera dependiente de la actividad, determinan el destino de las espinas individuales. Es decir, la competencia entre espinas por la β-catenina determina si una espina madurará (aumento del número de complejos) o se podará (disminución del número de complejos). ^{[ 12 ]} Este es un mecanismo crítico durante el refinamiento de los circuitos corticales que ocurre a lo largo del desarrollo. ^{[ 11 ]}

Las nectinas son una familia distintiva de moléculas de adhesión celular . Estas CAM participan en el contacto inicial de los procesos neuronales presinápticos y postsinápticos durante la formación de la sinapsis. En la sinapsis , solo se encuentran cuatro nectinas bien caracterizadas: Nectina-1, 2, 3 y 4. ^{[ 13 ]} Todas las nectinas unidas a la membrana poseen una región extracelular con tres bucles similares a inmunoglobulinas. El bucle más alejado de la membrana se denomina bucle de tipo V, y los dos bucles más internos son bucles de tipo C2. Varias nectinas en la membrana de una célula se unen en el bucle de tipo V para formar un grupo de proteínas nectina, un proceso denominado cis-agrupamiento . Cuando dos células que poseen cis-agrupamientos individuales entran en contacto, forman un complejo fuerte llamado interacción trans , que proporciona adhesión y, en algunos casos, señalización entre las dos células. ^{[ 14 ]}

El conocimiento más sólido sobre el papel de la nectina en la estabilización sináptica proviene de las sinapsis formadas entre terminales de fibras musgosas y dendritas de células piramidales en la región CA3 del hipocampo . ^{[ 15 ]} Las nectinas involucradas en la formación y estabilización de esta sinapsis son la nectina-1 y la nectina-3, que sobresalen de la membrana plasmática de la célula postsináptica y presináptica, respectivamente, formando contactos extracelulares heterofílicos . El dominio intracelular de todas las nectinas se une directamente a una proteína llamada L- afadina . La L-afadina es una proteína de unión a la actina que se une a la actina F del citoesqueleto de actina . De esta manera, las nectinas forman conexiones rígidas de la arquitectura de actina celular, lo que permite que la sinapsis se desarrolle en un entorno controlado y estable. ^{[ 16 ]}

A medida que las sinapsis maduran en la región CA3, las nectinas y las cadherinas, que se asocian estrechamente entre sí para la estabilización sináptica, se desplazan hacia la periferia de la zona activa y forman la unión adherente puntiforme (PAJ). La PAJ funciona de manera muy similar a las uniones adherentes en los tejidos epiteliales . El desplazamiento de estas moléculas de adhesión celular (CAM) y la formación de esta unión proporcionan a las membranas sinápticas nacientes espacio para interactuar y madurar, al tiempo que se separan de la membrana circundante y proporcionan fijación al citoesqueleto. ^{[ 14 ]}

Las interacciones entre neurexina y neuroligina ayudan a establecer la asimetría funcional transináptica esencial para la estabilización y el mantenimiento de la transmisión sináptica adecuada . ^{[ 17 ]} La neurexina presináptica y su pareja de unión postsináptica, la neuroligina, forman un complejo temprano en el desarrollo neural y se sabe que ambas son potentes inductoras de la sinaptogénesis . ^{[ 18 ]} Las células no neuronales que expresan artificialmente neurexina son suficientes para movilizar especializaciones postsinápticas en neuronas cocultivadas; ^{[ 19 ]} las células que expresan neuroligina también son capaces de inducir marcadores de diferenciación presináptica en neuronas vecinas. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Sin embargo, aunque ambas desempeñan un papel importante en la sinaptogénesis, estas moléculas de adhesión celular no son necesarias para la formación de conexiones neuronales durante el desarrollo. ^{[ 22 ]} Un ratón mutante triple knockout de neurexinas o neuroliginas exhibe un número normal de sinapsis pero expresa un fenotipo letal embrionario debido a la alteración de la transmisión sináptica normal. ^{[ 23 ]} Por lo tanto, no son necesarias para la formación de sinapsis per se , pero son esenciales para la maduración e integración de las sinapsis en los circuitos funcionales necesarios para la supervivencia.

Más allá de su contacto extracelular entre sí, las neurexinas y neuroliginas también se unen intracelularmente a una vasta red de proteínas adaptadoras y estructuras de andamiaje, que en conjunto con el citoesqueleto de actina , ayudan a localizar los componentes necesarios de la transmisión sináptica. Por ejemplo, la primera neuroligina ( NLGN1 ) descubierta fue identificada por su dominio PDZ que se une a PSD95 , una proteína de andamiaje bien conocida en las sinapsis glutamatérgicas que vincula funcionalmente los receptores NMDA con el lugar postsináptico adecuado. ^{[ 21 ] [ 24 ]} De manera similar, otra isoforma de neuroligina ( NLGN2 ) interactúa con gephyrin , una proteína de andamiaje específica de las sinapsis GABAérgicas , y es responsable de la activación de la proteína adaptadora sináptica colibistina . ^{[ 25 ]} En el caso de las neurexinas, sus interacciones de unión intracelular son igualmente importantes para reclutar la maquinaria esencial para la transmisión sináptica en la zona activa. Al igual que las neuroliginas, las neurexinas poseen un dominio PDZ que se asocia con la proteína quinasa dependiente de calcio-calmodulina (CASK). ^{[ 24 ]} Además de fosforilarse a sí misma y a la neurexina, CASK promueve interacciones entre las neurexinas y las proteínas de unión a la actina, proporcionando así un vínculo directo mediante el cual la neurexina puede modular la dinámica del citoesqueleto que es esencial para la estabilidad y plasticidad sináptica. La neurexina también puede unirse a la sinaptotagmina , una proteína incrustada en la membrana de las vesículas sinápticas, y también puede promover asociaciones con canales de calcio dependientes de voltaje que median el flujo de iones requerido para la exocitosis de neurotransmisores tras la estimulación sináptica. ^{[ 26 ] [ 23 ]} De esta manera, la neurexina y la neuroligina coordinan los aspectos morfológicos y funcionales de la sinapsis, lo que a su vez permite que los contactos incipientes e inmaduros se estabilicen en plataformas funcionales completas para la neurotransmisión.

Las moléculas de adhesión no tradicionales, como las efrinas , también ayudan a estabilizar los contactos sinápticos. Los receptores Eph y sus ligandos unidos a la membrana, las efrinas, participan en una variedad de procesos celulares durante el desarrollo y la maduración, incluyendo la guía axonal , la migración neuronal , la sinaptogénesis y la poda axonal . ^{[ 27 ] [ 28 ]} En el hipocampo , la morfología de las espinas dendríticas puede ser regulada por los astrocitos a través de la señalización bidireccional efrina/EphA. ^{[ 29 ]} Los astrocitos y sus procesos expresan efrina A3 , mientras que el receptor EphA4 está enriquecido en las neuronas del hipocampo. Esta interacción, mediada por la señalización efrina A3/EphA4, induce el reclutamiento y la activación de la quinasa dependiente de ciclina 5 (Cdk5), que luego fosforila el factor de intercambio de guanina (GEF), ephexin1. ^{[ 30 ]} La ephexin1 fosforilada puede activar la pequeña GTPasa RhoA , lo que conduce a la activación posterior de su efector, la Rho-quinasa (ROCK), que resulta en la reorganización de los filamentos de actina. ^{[ 30 ]} A través de este mecanismo, los procesos astrocíticos pueden estabilizar las protrusiones dendríticas individuales, así como su maduración en espinas mediante la señalización de efrina/EphA. La señalización anterógrada que implica la activación de EphA4 resulta en la estabilización de las proteínas sinápticas en la unión neuromuscular . ^{[ 30 ]} Al igual que en la interacción neurona-glia mediada por EphA4/efrinaA3, este proceso regula la dinámica del citoesqueleto de actina activando ROCK a través de la ephexin. ^{[ 30 ]}

La señalización de efrina B/EphB también participa en la estabilización sináptica a través de diferentes mecanismos. Estas moléculas contienen colas citoplasmáticas que interactúan con proteínas de andamiaje a través de sus dominios PDZ para estabilizar las sinapsis del SNC recién formadas. ^{[ 28 ]} Por ejemplo, la efrina B3 interactúa con la proteína adaptadora proteína 1 de interacción con el receptor de glutamato (GRIP-1) para regular el desarrollo de sinapsis excitatorias del axón dendrítico. ^{[ 28 ]} Este proceso, que se identificó en cultivos de neuronas del hipocampo, reveló que la señalización inversa de Eph/efrina B3 recluta a GRIP1 a la membrana del axón postsináptico. ^{[ 31 ]} Una vez en el axón de la membrana, GRIP1 ayuda a anclar los receptores de glutamato debajo del terminal presináptico. Este proceso también implica la fosforilación de un residuo de serina cerca del extremo carboxilo de la efrina-B (próximo al motivo de unión a PDZ) que conduce a la estabilización de los receptores AMPA en las sinapsis. ^{[ 27 ]}

Otro mecanismo, hallado en neuronas del hipocampo, reveló que la señalización de EphB podría promover la maduración de las espinas modulando la actividad de la GTPasa Rho, como se observó con las EphA. ^{[ 32 ]} Sin embargo, a diferencia de las EphA, se ha demostrado que el receptor EphB2 interactúa con los receptores postsinápticos de N-metil-D-aspartato (NMDAR) para reclutar el GEF Tiam1 al complejo tras la unión de la efrina B. ^{[ 32 ] [ 30 ] [ 33 ]} La fosforilación de Tiam1 ocurre en respuesta a la actividad de los NMDAR, lo que permite la entrada de calcio que activa Tiam1. Este mecanismo también resulta en la modulación del citoesqueleto de actina. Como resultado de esta estabilización, se ha descubierto que tanto la señalización directa de EphB2 como la señalización inversa de la efrina B3 inducen LTP a través de los NMDAR. ^{[ 34 ]}