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DDurante sus estudios de posgrado en Weill Cornell Medical College, Vidhya Rangaraju, ahora neurocientífico del Instituto Max Planck de Neurociencia de Florida, quedó fascinado con el cerebro. Ingeniera de formación, comenzó su viaje hacia la neurociencia construyendo herramientas para rastrear el ATP en las neuronas. Una pregunta que la ha intrigado desde entonces es cómo las células cerebrales satisfacen sus necesidades energéticas, particularmente en sus sinapsis, que a menudo están ubicadas lejos del cuerpo celular y sufren una intensa remodelación para respaldar la actividad neuronal.

En un estudio reciente, Rangaraju y su equipo describieron cómo la proteína asociada a la proteína de membrana (VAP) asociada a vesículas estabiliza las mitocondrias en las dendritas, las estructuras en forma de ramas que utilizan las neuronas para recibir información de otras neuronas. También demostraron que eliminar el VAP El gen perjudicó la plasticidad de las espinas dendríticas. Estos hallazgos, publicados en Comunicaciones de la naturalezasugieren un papel para VAP en estabilidad espacial de las mitocondrias y plasticidad sináptica en las dendritas.1

“Se han realizado muchos más estudios en axones que en dendritas. Es agradable ver a alguien estudiando las mitocondrias dendríticas porque seguramente son tan importantes como las axonales”, dijo Thomas Schwarzneurocientífico del Boston Children’s Hospital que no participó en la investigación.

Las mitocondrias son los principales proveedores de energía para las neuronas, pero su apariencia y comportamiento son diferentes según su ubicación en la célula cerebral. Las mitocondrias ubicadas en el axón, la estructura de salida de una neurona, son orgánulos discretos que están estacionario o móvil.2 Por el contrario, las mitocondrias están apiñadas y a menudo se superponen en las dendritas. «Eso hace que sea mucho más difícil verlos, ver sus movimientos y verlos como orgánulos discretos», explicó Schwarz.

La falta de conocimiento sobre la dinámica mitocondrial en las dendritas motivó a Rangaraju a investigarlas más de cerca. Como investigador postdoctoral en el laboratorio del neurobiólogo. Erin Schuman En el Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro, Rangaraju y sus colegas descubrieron que, en las dendritas, los orgánulos forman estructuras largas llamadas compartimentos mitocondriales que a menudo consisten en filamentos mitocondriales apilados.3 El equipo también demostró que estos compartimentos se unen al citoesqueleto y permanecen en el mismo lugar hasta dos horas, proporcionando energía para la síntesis de proteínas local y la plasticidad sináptica.

Aunque Rangaraju tenía indicios de que una o más proteínas anclaban los centros de energía celular al citoesqueleto en las dendritas, la identidad de esos anclajes moleculares no estaba clara. Para revelar estas misteriosas proteínas, Rangaraju y su equipo utilizaron cultivos de células del hipocampo que expresan una versión diseñada de la ascorbato peroxidasa endodesoxirribonucleasa 2 apurínica/apirimidínica (APEX2) en las membranas externas de las mitocondrias. Al agregar sustratos específicos a sus cultivos neuronales, los investigadores indujeron la biotinilación de proteínas endógenas muy cercanas a APEX2. Luego, el equipo realizó cromatografía líquida junto con espectrometría de masas en estos cultivos neuronales e identificó 129 proteínas candidatas.

De acuerdo a Xinnan Wang, biólogo celular de la Universidad de Stanford que no participó en la investigación, combinar un enfoque imparcial como la proteómica con la estrategia de etiquetado de proximidad basada en la enzima APEX2 es una forma eficaz de encontrar socios de unión endógenos de una proteína. «Es muy elegante», dijo.

El trabajo anterior de Rangaraju sugirió que la alteración de la arquitectura citoesquelética mediante la despolimerización de actina afectaba la estabilidad de los compartimentos mitocondriales dendríticos.3 Por lo tanto, su equipo decidió filtrar su conjunto de datos proteómicos utilizando un repositorio de interacciones de proteínas (BioGRID) y descubrió que 13 de los 129 candidatos eran proteínas que se sabía que interactuaban exclusivamente con la actina.

Luego, los investigadores redujeron su lista a ocho candidatos con funciones vinculantes para la evaluación funcional. Para determinar si alguna de estas proteínas une las mitocondrias a la actina, el equipo derribó cada gen candidato individualmente y visualizó cambios en la interacción mitocondria-actina utilizando una sonda marcada con GFP. «Resultó que los ocho candidatos mostraron un efecto y fueron importantes para la interacción mitocondria-actina», dijo Rangaraju.

Aunque todas las proteínas ayudaron a unir el orgánulo a la actina en el citoesqueleto, los investigadores no sabían si todas eran esenciales para mantener las mitocondrias estacionarias a lo largo del tiempo. Para abordar esta cuestión, el equipo utilizó una proteína fluorescente verde fotoactivable dirigida a la matriz mitocondrial (mito-PAGFP). Al iluminar segmentos dendríticos específicos, el equipo restringió la expresión de la fluorescencia mito-PAGFP solo a las mitocondrias en esas regiones, proporcionando una manera de visualizar si las mitocondrias fotoactivadas permanecieron en el mismo lugar o se alejaron en el transcurso de 60 minutos. Las mitocondrias que carecen de la proteína candidata VAP mostraron una reducción de longitud después de la fotoactivación, lo que sugiere una desestabilización del compartimento mitocondrial dendrítico.

Luego, el equipo exploró la relevancia funcional de estos hallazgos al evaluar cómo la VAP afectaba la plasticidad sináptica, la capacidad de las sinapsis para fortalecerse o debilitarse con el tiempo. Midieron los cambios en el tamaño de la cabeza de la columna dendrítica después de estimular las neuronas, ya que los aumentos en el tamaño de la cabeza de estas pequeñas protuberancias a menudo se correlacionan con la plasticidad sináptica y los procesos cerebrales, como la formación de la memoria. La ausencia de VAP redujo el aumento esperado en el tamaño de la cabeza de la columna después de la estimulación neuronal. Además, las espinas dendríticas de las neuronas que carecen de VAP no mantuvieron su tamaño, sino que se redujeron con el tiempo.

«Es realmente interesante que la VAP fuera importante para sostener el cambio anatómico», señaló Schwarz.

Si bien Wang encontró los resultados convincentes y convincentes, cree que el siguiente paso importante es evaluar si el mismo mecanismo puede detectarse en un entorno in vivo. Además, porque VAP está implicado en enfermedades neurológicas como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), tiene curiosidad por ver si el mismo mecanismo podría ser importante en el contexto de una enfermedad.4,5 Rangaraju planea examinar el papel de VAP en los déficits de aprendizaje motor relacionados con la ELA en modelos animales y obtener muestras de pacientes con ELA para ver si aparecen defectos en la estabilización mitocondrial y la plasticidad sináptica en las neuronas derivadas de los pacientes.

Para Wang, los hallazgos del estudio también plantean algunas preguntas interesantes sobre las similitudes y diferencias en los mecanismos que regulan la dinámica mitocondrial en dendritas y axones. «Eso realmente abre todo un campo sobre la compartimentación de las mitocondrias», dijo.

Referencias

  1. Bapat O, et al. VAP estabiliza espacialmente las mitocondrias dendríticas para apoyar localmente la plasticidad sináptica. comuna nacional. 2024;15(1):205.
  2. Negro TL. Tráfico mitocondrial de neuronas. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013;5(6):a011304.
  3. Rangaraju V, et al. Los compartimentos mitocondriales espacialmente estables impulsan la traducción local durante la plasticidad. Celúla. 2019;176(1-2):73-84.e15.
  4. De Vos KJ, et al. VAPB interactúa con la proteína mitocondrial PTPIP51 para regular la homeostasis del calcio. Hum Mol Genet. 2012;21(6):1299-1311.
  5. Nishimura AL, et al. Una mutación en la proteína VAPB, que transporta vesículas, causa atrofia muscular espinal de aparición tardía y esclerosis lateral amiotrófica. Soy J Hum Genet. 2004;75(5):822-831.