¡Descarga El citoesquelet neuronal y más Apuntes en PDF de Neurobiología solo en Docsity!
EL CITOESQUET NEURONAL
El citoesquelet permet la formació constant de sinapsis, manté l’estructura cel·lular i sobretot de les seves expansions (axons i dendrites). Moltes malalties neurodegeneratives afecten a nivell de citoesquelet.
Elements del citoesquelet:
- Microtúbuls: Actua com a element dinàmic estructural i serveix de guia pel tràfic d’orgànuls.
- Microfilaments: són els microfilaments d’actina i el citoesquelet de membrana que juga un paper important en el creixement neuronal i en la secreció.
- Neurofilaments: Són els filaments intermedis. Proveeix a la cèl·lula de la força mecànica i la resistència per suportar l’estrès. És abundant en els axons.
Tots els elements del citoesquelet es formen al soma i es transporten a les dendrites i als axons.
El citoesquelet d’actina:
L’actina és un dels components majoritaris del citoesquelet d’una cèl·lula i és essencial per fer i mantenir l’estructura de la cèl·lula.
L’activitat dinàmica de l’actina consisteix en fer de suport de molts processos com:
- Mobilitat de la cèl·lula i del conus de creixement
- Divisió cel·lular
- Morfologia de la cèl·lula
- Tràfic de proteïnes intracel·lulars
- (^) Sinaptogènesis (creació de sinopsis a l’embrió) Així doncs, l’actina té un paper molt important en el desenvolupament de les neurones:
- Formació de neuritis (qualsevol expansió del soma, axó o dendrites).
- Extensió neuronal i ramificacions
- Sinaptogènesi
- Conus de creixement
En neurones madures, l’actina és la principal proteïna que es troba en les terminacions sinàptiques, tant en les pre com en les post.
A més, l’actina és notablement present en les espines dendrítiques que són compartiments post- sinàptics especialitzats, que regulen la majoria de les transmissions sinàptiques excitadores del Cervell.
Neurobiologia
Les isoformes d’actina expressades en el citoplasma són:
- Beta-actina : el seu principal rol és el de mantenir les superestructures ja que s’ha vist especialment abundant en aquelles zones associades a la membrana. Sobre tot la trobem en el conus de creixement (la part final dels axons).
- Gamma-actina : es troba igualment repartida per tota la cèl·lula.
Proteïnes associades a l’actina (ABPs):
Aquestes proteïnes poden alterar la dinàmica dels filaments d’actina. A més, són diana d’un munt de senyals de transducció i de cascades de regulació de la remodelació de l’actina.
Algunes ABPs poden interaccionar amb F-actina i formen més varietat de xarxes del citoesquelet. Aquestes ABPs són: α-actina, formina i spectrina. S’uneixen a la f-actina i formen xarxes diferents com feixos d’actina o gels. A més s’han trobat 4 tipus nous de nucleadors d’actina en neurones, aquestes són:
- Complexe Arp 2/
- Formina
- Spir
- Cofilina Durant la formació de l’axó, la dinàmica de l’actina es modula per diversos mecanismes. És necessària la despolarització de l’actina. La dinàmica de l’actina augmenta amb tall i despolarització del filament. Acció duta a terme per la cofilina.
Cofilina: ADF/cofilina es una família de proteïnes d’unió a l’actina que despolimeritxen els microfilaments. Amb aquesta activitat i juntament amb altres elements (profilina, gelsolina...) regula la longitud dels filament d’actina. La família ADF/cofilina comparteix intersecció amb l’actina i la capacitat d’unir ADP.
La cofilina despolimeritza l’extrem – dels filaments impedint el reassemblatge. Cofilina/ADF realitza una funció de tall de microfilaments que no estan protegits per proteïnes cap i té afinitat per la ADP-actina. Els monòmers resultants poden ser reciclats per la profilina, la qual cosa facilita la seva polimerització.
Proteïnes motores associades a l’actina:
Miosina: Tenen diferents funcions:
- Migració cel·lular i motilitat del conus de creixement
- Morfogénesi neuronal
- Transposrt axonal
- Sistemes sensorials (oïda i visió)
Neurobiologia
Cdc24 i fascina promouen la formació del fil·lopodi i la seva elongació. La formina promou la nucleació de l’actina. Tot i que el mecanisme d’iniciació dels fil·lopodis no està clar, es creu que fascina elimina el complex ARP2/3 del lamel·lipodi i així es pot formar la F-actina i formar els fil·lopodis.
També tenim les proteïnes EVA/VASP que s’agrupen en les puntes dels fil·lopodis i que són fonamentals per la seva formació. Aquestes proteïnes són diana de diverses senyals d’orientació.
El conus de creixement respon al factors guia que canvien segons el context ambiental. La PKA-PKG modula aquesta resposta. La fosforilació de PKA activa la Eva/VASP, en canvi la fosforilació de PKG la inactiva.
S’estan identificant unes quantes senyals que guien al conus de creixement. Aquestes senyals són:
- Neurotransmissors com NGF, BDNF, NT-3, FGF-2, netrina i laminina. Promouen el creixement
- Families de molècules com les efrines, semaforinesm slit Indueixen el desemblatge de l’actina constituint el naixement i són senyals repulsives.
- Aquestes diferents molècules senyal utilitzen receptors que activen proteïnes GTP i que indueixen a canvis en els nivells de Ca2+.
Expansió vs col·lapse:
L’augment de la ramificació gràcies a FGF2 i la inhibició d’aquestes per acció de la semaforina Sema3A són dues accions oposades que competiran.
- FGF2 : Augmenta la polimerització de l’actina i la formació de bucles de microtúbuls en els conus de creixement. Triga unes hores en fer la seva acció.
- Sema3A: Per contra aquesta semaforina despolimeritza els filaments d’actina, atenua la dinàmica dels microtúbuls i els col·lapsa. Això ho fa en uns minuts. Un dels mecanismes d’acció de FGF2 podria ser el de enrederir o detenir el creixement i l’expansió de conus de creixement. Tot i que sembli contradictori, no ho és perquè d’aquesta manera es garanteix la ramificació.
La Sem3A provoca que els axons corticals es repel·leixin, també fa disminuir ràpidament el número de filaments d’actina, els paquets de microtúbuls i la dinàmica que hi trobem en la perifèria del conus de creixement. La inhibició de la ramificació hi es present en un 50%.
Fa desaparèixer molts dels feixos d’actina que trobem en la perifèria del conus. Concomitantment atenua la dinàmica dels microtúbuls i desploma la matriu de microtúbuls en qüestió de minuts. L’activació de RhoA activa a la miosina que induirà la internalització dels receptors per a Sem3A.
Expansió clonal:
L’expansió de l’axó consta de 3 passos principals:
Neurobiologia
- Protrusió : Implica l’extensió de la membrana del conus de creixement en forma de fil·lopodis i lamel·lipodis. Son necessaris els filaments d’actina.
- Congestió: Moviment dels elements del citoplasma cap a la regió que sobresurt del conus de creixement. Aquests pas està regulat per la polimerització de microtúbuls.
- Consolidació: Implica la pèrdua de l’activitat de protrusió de la regió del conus de creixement. La regió que abans era el conus de creixement ara passa a formar part de l’axó. Repetint aquests 3 passos l’axó va avançant i creixent en longitud.
Espines dendrítiques i el citoesquelet d’actina:
Els fil·lopodi es el precursor de l’espina dendrítica. La funció de les espines és més important en estadis de desenvolupament. Apareix durant la maduració neuronal i crea els contactes pre- sinàptics.
DebriA regula la morfologia de l’espina dendrítica, la mida i la densitat. Es creu que hi fa mitjançant la regulació d’una altra ABP.
L’actina és un component clau en les espines dendrítiques ja que defineix la seva forma. Està formada per un citoesquelet d’actina amb ABPs i una estructura PDS (post-sinaptic density) que conté receptors de NT. La localització d’aquestes ABPs pot canviar com a resposta a senyals extracel·lulars com per exemple l’activitat sinàptica. En etapes tempranes (7 dies) les protuberàncies dendrítiques són molt primes i llargues i les anomenem fil·lopodis. En canvi, quan ens trobem ha en etapes més madures 821 dies) les dendritesestan cobertes per espines que tenen un cap més ample i un coll estret.
L’α-catenina contra l’estabilitat de l’espina i la seva renovació:
α-catenina és essencial ja que aguanta les cèl·lules com una cremallera i això estabilitza els contactes sinàptics. Les cadherines estan anclades al citoesquelet d’actina a través del complex α-catenina/β-catenina localitzat a prop de la zona d’alliberació del NT. Això variarà segons el tipus de sinapsis. Β-catenina s’uneix a proteïnes d’adhesió cel·lular i mitjançant l’α-catenina s’uneix al citoesquelet d’actina.
Actina i activitat sinàptica:
L’actina pot guiar a les vesícules que arriben i facilitar el seu “docking” i també pot regular el tamany del pool d’alliberament. A més l’actina divideix l’espai pre-sinàptic en dues zones; la zona de reserva , on hi ha major concentració de vesícules de NT, i la zona d’alliberament que és la zona on s’alliberen les vesícules de NT.
Neurobiologia
Polaritat neuronal: el citoesquelet de tubulina
Els MT juguen un rol essencial en la mitosi posicionant i movent els orgànuls cel·lulars i mantenint la forma de la cèl·lula. Els MT són molt dinàmics, poden créixer o decréixer molt ràpidament (estabilitat dinàmica). En neurones els MT s’agrupen entre ells per estendre els axons i les dendrites i així poder formar les connexions sinàptiques. Estructures del citoesquelet i els filaments d’actina connecten els receptors de membrana amb els MT.
Polaritat neuronal:
Els axons i les dendrites contenen diferents composicions de proteïnes citoplasmàtiques i de membrana. Els orgànuls també presenten una distribució determinada, trobem el RE i l’AG en el soma i a les dendrites però no a l’axó.
En l’axó els MT estan orientats amb el seu extrem + a la zona distal del soma mentre que les dendrites no estan tan altament polaritzades i presenten MT amb l’extrem + al soma i d’altres amb l’extrem + a la part més distal.
Molècules associades a proteïnes: (MAPs)
Els microtúbuls estan associats a proteïnes MAPs. En trobem diferents tipus i estan involucrades en l’organització i el manteniment de la dinàmica dels MT i de la seva xarxa. Els tipus que en trobem són:
- MAPs: D’assemblatge o estructurals. Estabilitzen els MT.
- Unió entre MT
- Unió entre MT i altres elements
- TIPs: Proteïnes de l’extrem + dels MT.
- Proteïnes associades al centrosoma
- MAPs amb activitat enzimàtica
- Proteïnes motores:
- Controlen el moviment al llarg dels MT
- Consum d’ATP
- (^) Unió de carga
MAPs estructurals o d’assemblatge: (MAPs)
S’uneixen al llarg del MT i contribueixen en l’estabilització d’aquests i en la unió a altres MT.
Dendrites:
Neurobiologia
- MAP2 : Interactua amb altres proteïnes senyal implicades en la remodelació de les dendrites i en la plasticitat sinàptica.
- MAP1A Axó:
- Tau: És un component que forma una estructura en forma de petit pont entre els MT, intervenen doncs en la organització d’un MT respecte d’un altre. Quan es fosforilen perden la interacció amb els MT i poden formar filaments que perjudiquen a l’activitat neuronal. Protegeix als MT de la Katenina que és una proteïna capaç de tallar els MT, si els MT estan units entre ells mitjançant Tau, Katenina no pot actuar.
- MAP1B : És molt important durant el desenvolupament dels axons i en el conus de creixement perquè intervé en la interacció entre els MT i l’actina. Té un paper important en la polimerització del MT i fa que es tanqui en forma de llaç, això vol dir que el MT ja no avançarà més i s’iniciarà la formació de la sinapsi. MAP1B fosforilada permet l’avançament dels MT. La proteïna GSK3β és la proteïna que fosforila a la MAP1B. De manera que la fosforilació de la MAP1B per part de la GSK3β sembla mantenir als MT en un estat dinàmic necessari pel creixement i la mobilitat del conus fent que aquest pugui avançar. Una senyal produïda per Writ inhibeix a GSK3β (no pot fosforilar a MAP1B) provocant que els MT es mantinguin en forma de llaç estable. Així doncs la MAP1B no fosforilada afavoreix la formació del llaç. L’estabilització de l’actina en el conus de creixement promou l’acció de la miosina que contrau l’actina creant els arcs típics d’aquesta zona. Això impedeix que els MT avancin i es queden en forma de feix.
Proteïnes de l’extrem + dels MT: (TIPs)
Són unes proteïnes que s’acumulen en els terminals + dels MT i que controlen la seva dinàmica i el seu creixement i la seva direcció. A més també tenen interaccions amb components dels del còrtex cel·lular.
- LIS1 : S’acumula en el còrtex de la cèl·lula on interacciona amb MT ajudant-los a resistir el flux retrògrad d’actina i a penetrar en el domini perifèric del conus de creixement. Provoca la migració neuronal i la polarització.
- EB1: És necessària per l’elongació de l’axó. S’uneix a l’extrem + dels MT amb alta afinitat durant la polimerització. Ho fa mitjançant copolimerització amb la tubulina o reconeixent una estructura específica del creixement dels MT.
- EB3: Es troba en grans quantitats en el creixement dels fil·lopodis. Participa en la formació de neurites.
- APC: Necessària per l’especificitat i pel creixement. Es col·loca a l’extrem + del MT i permet que el MT no es desmunti, avanci i trobi proteïnes a les que anclar-se. El complex PAR3/PAR6/PKC està associat a APC.
Proteïnes associades al centrosoma:
El centrosoma fabrica MT que s’han de tallar per tal que puguin arribar a les terminacions, hi ha diferents proteïnes que s’encarreguen que això succeeixi.
- (^) Katenina: Allibera els MT del centrosoma neuronal. Aquesta Katenina regula processos essencials pel creixement normal de les neurones. Després de l’alliberament, la Katenina regula la longitud del MT perquè pugui ser transportat efectivament cap a
Neurobiologia
- La dinàmica dels filaments d’actina, que promou una major polimerització dels MT i un major transport.
- També és important la posició del centrosoma que el trobarem més proper a la neurita que esdevindrà axó.
Determinants moleculars del desenvolupament neural:
Les Rho GTPases estan involucrades en la polimerització neuronal. El balanç de les activitats entre les Rho GTPases determinaran que unes dendrites es converteixin en axó i que d’altres continuïn sent dendrites. Quan passen de l’estat 2 al 3 augmenta el contingut de GTP Rac/ Cdc24 i el de GTP-Rho. Si predomina GTP Rac/Cdc24 es diferenciarà en altres neurites mentre que si predomina GTP-Rho es diferenciarà cap a axó.
La CRMP-2 (colapsina) és una proteïna que és activa quan està fosforilada. Rho Kinasa fosforila CRMP-2 com a resposta a APC. Es troben grans acumulacions de CRMP-2 en la zona de creixement de l’axó, en canvi s’hi veuen poques acumulacions en zones d’altres neurites.
CRMP-2 funciona com a “carga de receptors” ja que vincula molècules com la tubulina amb la Kinesina1 (proteïna motora dels MT). S’encarrega de transportar molècules cap a la zona distal de l’axó. També promou l’elongació de neurites i l’especificitat axonal regulant l’assemblatge de MT, la endocitosi i l’adhesió a molècules, la reorganització dels filaments d’actina i el tràfic de proteïnes axonals.
La GTP-Rho té un paper important. En el moment en que una projecció rep una senyal diferent de les altres s’inhibeix el creixement de les altres. En l’extrem axó disminueix l’activitat de la GTP-Rho, no se’ns fosforila CRMP-2 i no hi ha activitat de la miosina (evitem el col·lapse). La Rac i la Cdc24 s’activen, llavors s’afavoreix el creixement de l’actina. En la terminació dendrítica doncs la Rho estarà inhibida.
L’activitat seqüencial de les GTPases com MAP1B i Cdc24 és essencial pel desenvolupament de la polaritat neuronal. Inicialment aquestes GTPases es troben en totes les neurites de les neurones no polaritzades. Però en l’etapa 2 es limita a una sola neurita. Cdc24 coordina l’activitat dels diferents efectors de les Rho GTPases de manera que executa un programa que dóna lloc a neurones amb dendrites i axons diferenciats.
Neurobiologia
