Il ponte molecolare media la specificità della sinapsi inibitoria nella corteccia

Il ponte molecolare media la specificità della sinapsi inibitoria nella corteccia

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Sebbene non sulla stessa grandiosa scala, i nostri cervelli hanno gateway simili per connettere i neuroni. Questi minuscoli compartimenti, chiamati sinapsi, consentono lo scambio dinamico di informazioni e la formazione di circuiti neurali. Per costruire questi circuiti, i neuroni in via di sviluppo devono prima seguire specifici segnali di guida, viaggiando attraverso il cervello fino a trovare i loro partner adeguati. Questo processo è in gran parte importante per la corteccia cerebrale, che consiste di sei strati funzionalmente e anatomicamente distinti. Sebbene la corteccia sia stata ampiamente studiata, non si sa molto sui precisi meccanismi molecolari che guidano la specificità delle sinapsi all'interno dei suoi strati. Ciò è particolarmente vero per una classe specializzata di neuroni chiamati interneuroni inibitori (IN), che in genere effettuano connessioni locali con solo uno o due strati. La scoperta delle molecole in gioco favorirebbe la comprensione della formazione del circuito inibitorio corticale.

In una recente pubblicazione sulla rivista di Anticipi Scienza, Il laboratorio Taniguchi di Max Planck Florida ha fatto luce su un nuovo meccanismo per la specificità della sinapsi inibitoria nella corteccia. Identificando un nuovo ruolo per la molecola di adesione cellulare IgSF11, gli scienziati dell'MPFI hanno scoperto che la proteina media il targeting sinaptico specifico per strato nelle cellule corticali Chandelier (ChC).

"Il nostro laboratorio è specializzato nello studio degli interneuroni corticali e nella formazione di circuiti inibitori", descrive il dott. Hiroki Taniguchi, Ph.D. e leader del gruppo di ricerca presso Max Planck Florida. “È stato dimostrato che le cellule Chandelier, uno dei nostri sottotipi di interneuroni preferiti, esprimono marcatori genetici unici e innervano solo alcuni strati all'interno della corteccia. (I ChC controllano in modo critico la generazione di picchi nei principali neuroni corticali e sono stati implicati nella patologia di disturbi cerebrali come la schizofrenia e l'epilessia.) Abbiamo deciso che questo tipo di cellula modello sarebbe stato il luogo perfetto per iniziare la nostra ricerca di molecole che conferiscono corrispondenza sinapsi specifica.”

Gli scienziati dell'MPFI hanno iniziato la loro indagine utilizzando il sequenziamento dell'RNA a cellula singola per selezionare geneticamente gli IN per i geni unici di un singolo sottotipo. Hanno trovato un pool selezionato di geni in una categoria intrigante nota come molecole di adesione cellulare o CAM. Una CAM in particolare, IgSF11, era altamente arricchita in ChC rispetto ad altri sottotipi di IN.

Il ponte molecolare media la specificità della sinapsi inibitoria nella corteccia

"Il nostro screening genetico degli IN è il punto in cui ci siamo imbattuti per la prima volta in IgSF11", spiega Yasufumi Hayano, Ph.D., primo autore della pubblicazione e ricercatore presso il Taniguchi Lab. "Cercavamo geni specifici del sottotipo che codificano per le proteine ​​della superficie cellulare, pensando che quelli espressi all'esterno dei neuroni sarebbero stati il ​​candidato perfetto per mediare un'interazione specifica per la sinapsi".

Le CAM comprendono un gruppo eterogeneo di proteine ​​strutturali. Spesso pensate come un collante biologico, le CAM sono espresse all'esterno dei neuroni e interagiscono in grandi complessi, facilitando le interazioni cellula-cellula. Il complesso a forma di ponte che formano offre stabilità alle sinapsi appena formate e aiuta nell'adesione e nella comunicazione cellulare. Una categoria di CAM, chiamata CAM omofilia, interagisce solo con altre CAM identiche a se stesse e teorizzate per avere la possibilità di mediare la specificità della formazione delle sinapsi.

Dopo aver identificato IgSF11 come CAM omofilico, il team di MPFI ha cercato l'espressione di IgSF11 nei neuroni della metà superiore dello strato 2/3 della corteccia che i ChC innervano, ragionando che l'espressione dovrebbe verificarsi su entrambi i lati per un'interazione CAM omofila. Utilizzando l'ibridazione fluorescente in situ (FISH), i ricercatori hanno trovato una solida espressione di IgSF11 sia nei ChC che nei neuroni bersaglio che risiedono all'interno dello strato 2/3 della corteccia ma non in altri strati, fornendo una forte evidenza che l'interazione IgSF11 è importante in ChC specificità sinapsi.

Successivamente, il laboratorio Taniguchi ha valutato il ruolo funzionale di IgSF11 nella formazione delle sinapsi ChC rimuovendo IgSF11 dal cervello ed esaminando i cambiamenti. Per analizzare se l'IgSF11 fosse funzionalmente necessario solo sui ChC o su entrambi i ChC e sui neuroni corticali bersaglio, il team ha dovuto sviluppare una strategia che consentisse la rimozione selettiva di IgSF11. Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati dell'MPFI hanno generato topi KO IgSF11 e trapiantato ChC KO identificati con fluorescenza in animali ospiti di tipo selvatico (wt). I ChC KO hanno mostrato una significativa riduzione sia delle dimensioni che del numero di bottoni sinaptici. Confermando l'ipotesi che IgSF11 conferisca la sua specificità attraverso l'interazione omofila, il trapianto di ChC wt nel cervello di topi IgSF11 KO ha portato alla stessa riduzione. Nel loro insieme, IgSF11 sembra essere fortemente implicato nello sviluppo del bottone sinaptico ChC e nella differenziazione morfologica.

Le collaborazioni con il nucleo di microscopia elettronica di MPFI e il laboratorio Kwon hanno approfondito le conseguenze funzionali di KO IgSF11. L'analisi dell'ultrastruttura mediante EM ad alto ingrandimento ha rivelato che i pochi bottoni sinaptici rimanenti nei ChC KO non si differenziavano correttamente e mostravano deficit nella trasmissione sinaptica. A supporto di questi dati, l'elettrofisiologia assistita dall'optogenetica dei topi IgSF11 KO ha dimostrato ulteriori deficit nella trasmissione sinaptica.

"Una sfida lavorando con le cellule di Chandelier è che sono difficili da manipolare geneticamente usando i metodi tradizionali", spiega il dott. Hayano. "Per superare questo problema, abbiamo ideato una nuova strategia basata su virus che utilizza virus adeno-associato per fornire IgSF11, una proteina difficile da esprimere, alle cellule di interesse".

Il team dell'MPFI ha utilizzato la propria strategia virale AAV per indagare se l'IgSF11 espresso in neuroni di diversi strati corticali diversi dallo strato 2/3 potesse indurre artificialmente la formazione di sinapsi con ChC. Trasducendo i neuroni nello strato V con IgSF11, hanno scoperto numerose sinapsi ectopiche formate tra queste cellule e le cellule chandelier, un fenomeno che non si verificherebbe in circostanze normali.

"IgSF11 è la prima molecola di adesione cellulare identificata che media direttamente il sottotipo di interneuroni, la formazione specifica dello strato di sinapsi nella corteccia", osserva il dott. Taniguchi. “Ulteriori chiarimenti sui meccanismi molecolari che circondano l'assemblaggio del circuito inibitorio possono rivelare un modello simile in altri sottotipi distinti di interneuroni e aiutare a svelare come si formano i circuiti inibitori. Il nostro lavoro può fornire un utile punto di ingresso nella comprensione dell'eziologia dei disturbi dello sviluppo neurologico causati da deficit di circuito in sottotipi di interneuroni unici”.