Scoperte nuove forme di segnalazione degli astrociti
DIANE RICHMOND & NICOLE CARDON
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIII – 02 maggio 2015.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff dei
recensori della Commissione Scientifica
della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
L’inestricabile complesso di miliardi di prolungamenti cellulari che compongono le reti neuroniche e neurogliali costituenti la massa del nostro cervello, non è altro che una base strutturale per l’elaborazione dell’informazione. La segnalazione da cellula a cellula, sottostante il flusso delle informazioni che costantemente e parallelamente percorrono la miriade di vie di connessione, è possibile grazie al fluire di ioni attraverso le membrane, al passare di neurotrasmettitori, neuromodulatori e ormoni attraverso lo spazio extracellulare o al diretto flusso intercellulare di ioni e secondi messaggeri attraverso le gap junctions.
Se neuroni e neuroglia sono simili nell’espressione di numerosi tipi di recettori per neurotrasmettitori e neuromodulatori, si differenziano nella fisiologia della segnalazione che, come è noto, nei neuroni è basata sull’alta densità di canali ionici dipendenti dal voltaggio nella loro membrana plasmatica, che genera potenziali d’azione. Le cellule gliali ordinariamente non generano potenziali d’azione sulla membrana plasmatica e, perciò, sono classificate come non eccitabili elettricamente. L’eccitabilità della neuroglia, e degli astrociti in particolare, esiste ed è oggetto di intensi studi che ne hanno definito la differente natura, associata a movimenti intracellulari di ioni e secondi messaggeri.
Il sistema di segnalazione intracellulare, mediato da movimenti altamente controllati di ioni calcio (Ca2+), è particolarmente importante per la regolazione delle risposte del Ca2+ gliale e fornisce un sostrato per l’eccitabilità degli astrociti e di altre cellule della glia.
Rahul Srinivasan e colleghi dell’Allen Institute e della UCLA, usando i metodi più avanzati per lo studio dell’imaging del calcio, hanno scoperto negli astrociti nuove forme di segnalazione del Ca2+ in topi a genotipo naturale e in ceppi di topi mutanti, che si riteneva mancassero della dinamica del calcio astrocitaria.
I risultati
di questo lavoro hanno importanti implicazioni sia per il lavoro sperimentale
che per le elaborazioni teoriche volte alla comprensione, in termini di
fisiologia cerebrale, dei numerosi ruoli svolti dagli astrociti nei circuiti
neuronici (Srinivasan R., et al., Ca2+ signaling in
astrocytes from Ip3r2-/-
mice in brain slices and during startle responses in vivo. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi:10.1038/nn.4001,
2015).
La provenienza degli autori dello
studio è la seguente: Allen Institute for Brain Science, Seattle, Washington (USA);
West Los Angeles VA Medical Center, Los Angeles, California (USA); Department
of Neurology, Department of Physiology, Integrative Center for Learning and
Memory, David Geffen School of Medicine, University of California Los Angeles
(UCLA), Los Angeles, California (USA).
È generalmente riconosciuto che l’eccitabilità della neuroglia è mediata dai segnali intracellulari del Ca2+, risultanti dai movimenti degli ioni fra i compartimenti intracellulari e fra cellula e spazio extracellulare. Più in generale, il controllo della concentrazione di ioni inorganici è una proprietà fondamentale della vita: i movimenti di ioni attraverso le membrane plasmatiche e le membrane degli organelli sub-cellulari costituiscono la base fondamentale dei processi necessari all’equilibrio energetico e funzionale della cellula. Gli ioni monovalenti (Na+, K+, H+ e Cl-) generalmente forniscono alle membrane biologiche potenziali elettrici che guidano l’eccitabilità delle cellule e la produzione di energia. I cationi bivalenti, invece, come calcio, magnesio e zinco (Ca2+, Mg2+, Zn2+) sono critici per la biochimica cellulare attraverso il legame con gli enzimi e la regolazione della loro attività. Il calcio, a motivo delle sue proprietà biofisiche, è centrale nel controllare una grande varietà di cascate enzimatiche e perciò agisce come una molecola di segnalazione universale[1].
È illuminante, al riguardo, la scoperta che questo ruolo il Ca2+ lo ha assunto allo spuntare dell’alba dell’evoluzione degli organismi viventi sul nostro pianeta, in quanto l’energetica cellulare basata sull’ATP richiede uno stretto controllo delle concentrazioni di calcio nel citosol e all’interno degli organuli cellulari. Gli eccessi di Ca2+ all’interno delle cellule sono infatti tossici, perché le alte concentrazioni di calcio favoriscono l’aggregazione delle proteine e degli acidi nucleici, minacciano l’integrità dei lipidi di membrana e innescano la precipitazione dei fosfati. Le cellule hanno perciò sviluppato nel corso dell’evoluzione un sistema altamente sofisticato per l’omeostasi del calcio. Tale sistema include numerose proteine leganti calcio (Ca2+-binding proteins) e vari set di proteine trasportatrici e scambiatrici di calcio (Ca2+-transporters e Ca2+-exchangers). Il lavoro svolto dalla cellula per impiegare costantemente e nel modo giusto questo catione bivalente, senza rischiare la tossicità, è testimoniato dalla straordinaria differenza di concentrazione del calcio libero fra interno ed esterno degli elementi cellulari. Le concentrazioni di ioni Ca2+ liberi nel citosol {[Ca2+]i} di tutte le cellule, dai più primitivi procarioti ai più specializzati eucarioti, sono mantenute ad un livello straordinariamente basso e compreso fra 50 e 100 nM, il che vuol dire un livello circa 20.000 volte minore di quello extracellulare.
Le proteine leganti il calcio del citosol hanno un’altissima affinità per lo ione Ca2+, cosa che limita la diffusione e facilita il processo di localizzazione del segnale mediato dal calcio nel citosol. Tali segnali appaiono spesso in una forma di microdomini o anche nanodomini di altissime [Ca2+]i[2]. Questi domini altamente localizzati sono fondamentali per la regolazione di risposte cellulari rapide come l’esocitosi, di fondamentale importanza per la neurotrasmissione. Simili differenze di concentrazione esistono fra il citosol ed alcuni organuli intracellulari (ER, Complesso di Golgi, vescicole secretorie acide, ecc.), che possono contenere fino ad 1 mM di Ca2+ libero. Questi gradienti di concentrazione, sempre diretti verso il citosol, agiscono come una spina dorsale per il sistema della segnalazione del calcio, creando una forza motrice sottostante la diffusione del calcio nel citosol. La combinazione dei movimenti del calcio tra compartimenti intracellulari e tra interno ed esterno della cellula, produce fluttuazioni di Ca2+ organizzate spaziotemporalmente in parti differenti della cellula e all’interno degli organuli citoplasmatici. Queste fluttuazioni sono generalmente definite segnali del calcio.
Vari segnali ambientali, fisici o chimici, avviano la diffusione di Ca2+ attraverso vari set di canali del calcio della membrana cellulare (plasmalemmal Ca2+-channels) e delle membrane intracellulari (endomembrane Ca2+-channels) che innescano l’innalzarsi delle [Ca2+]i. Il modellamento nel tempo e nello spazio delle concentrazioni intracellulari è dato dal buffering citoplasmatico di Ca2+ (CBP) e dal trasporto attivo del calcio da parte di pompe e scambiatori della membrana plasmatica e delle membrane degli organuli citoplasmatici.
Il numero delle molecole omeostatiche e di segnalazione del calcio è relativamente limitato, le più diverse essendo canali permeabili al calcio del plasmalemma, rappresentati soprattutto da canali ionici regolati da voltaggio o da ligando, da canali meccanosensitivi, store-operated channels, e l’estesa famiglia di canali TRP (transient receptor potential). Il trasporto transmembrana del calcio è ottenuto grazie alle Ca2+ ATPasi del plasmalemma (PMCA), alle Ca2+ ATPasi del reticolo sarcoplasmatico (SERCA), alle Ca2+ ATPasi della via secretoria (SPCA) del complesso di Golgi ed altri compartimenti acidi[3], ed agli scambiatori Na+/Ca2+ o NCX. Inoltre, la segnalazione cellulare del calcio include i mitocondri che accumulano e rilasciano calcio attraverso il canale uniporter, il PTP (permeability transition pore) e l’NCX mitocondriale[4].
Queste cascate di omeostasi/segnalazione sono controllate strettamente dagli stessi ioni calcio, così che le variazioni di concentrazione in differenti compartimenti cellulari generano un immediato feedback ai canali del calcio e ai trasportatori del calcio che regolano la loro funzione. Inoltre, variando l’espressione di vari componenti del sistema omeostatico del calcio, la cellula crea dei “toolkits” di segnalazione del Ca2+ specificamente dipendenti dal contesto, che configurano i processi nel modo più adatto possibile alla circostanza e condizione ambientale del momento.
Nell’insieme, questi vari livelli di regolazione e controllo creano un robusto e versatile sistema che assicura variabilità ed adattabilità all’apparato molecolare legato alla segnalazione del Ca2+.
I segnali del Ca2+ acquisiscono parametri spaziotemporali in dipendenza del tipo di cellula, della natura dello stimolo o dello stato metabolico. Tali segnali di [Ca2+]i possono apparire come microdomini locali che controllano il rilascio dei neurotrasmettitori o regolano la cell process guidance. In alternativa, i segnali globali del calcio sono strumentali per l’accoppiamento eccitazione-contrazione ed eccitazione-secrezione, espressione genica e sviluppo dei tessuti.
Nelle reti di astrociti del sistema nervoso centrale, che funzionano come un sincizio, tanto da aver meritato l’etichetta di “sincizio astrogliale”, i segnali del Ca2+ possono essere distribuiti e diffusi a grande distanza nella forma di onde di propagazione delle concentrazioni di calcio. I segnali Ca2+ controllano anche la sopravvivenza e la morte delle cellule. L’apoptosi, o morte cellulare programmata, che è di fondamentale importanza per lo sviluppo dei tessuti e per l’omeostasi, è un processo che ha inizio per effetto dell’attivazione di vie Ca2+–dipendenti. La morte cellulare per necrosi, invece, può essere indotta dal massiccio flusso in entrata di ioni calcio, che compromettono gli equilibri vitali della cellula.
I segnali del Ca2+ sono diretti a “sensori del calcio”, costituiti da proteine sensibili al catione bivalente e che, nella maggior parte dei casi, sono enzimi. Il formarsi e il rompersi di legami fra queste macromolecole polipeptidiche e lo ione calcio costituisce il cuore della funzione di rilievo svolta dai sensori. La specificità della segnalazione del Ca2+ è determinata dai diversi gradi di affinità di queste molecole per il calcio e dalla loro localizzazione intracellulare. Vari processi biochimici sono indotti o interrotti dall’attivazione/disattivazione dei sensori del calcio, regolando in tal modo le reazioni della cellula. L’organizzazione spazio-temporale dei segnali del calcio determina la temporizzazione/localizzazione delle reazioni dei sensori del calcio, in tal modo fornendo la codificazione spaziale e temporale della segnalazione legata al Ca2+.
La segnalazione del calcio nell’astroglia costituisce un capitolo tanto interessante quanto vasto, che i limiti di spazio ragionevolmente imposti dallo scopo di questo scritto, ossia la recensione di uno specifico studio, non consentono di affrontare adeguatamente. In estrema sintesi, ricordiamo qualche nozione essenziale. Gli astrociti esprimono vari tipi di canali cationici con diversi livelli di permeabilità al calcio, tali canali includono recettori ionotropici, canali SO (store-operated), canali TRP e canali cationici meccanosensitivi. I canali del calcio dipendenti dal voltaggio sono presenti in astrociti ippocampali immaturi, nelle cellule NG2 e sembrano partecipare alle spontanee oscillazioni di concentrazione del calcio in sezioni di talamo ventrobasale; gli astrociti maturi, tranne rare eccezioni, non mostrano correnti di calcio attraverso questi canali.
Le cellule astrogliali esprimono varie famiglie di canali del calcio dipendenti da ligando, tra le quali figurano i recettori AMPA e GluR. Recettori (sempre del glutammato) NMDA di astrociti protoplasmatici della corteccia e del midollo spinale hanno rivelato una permeabilità al calcio tre volte superiore a quella dello stesso tipo recettoriale presente sulla membrana dei neuroni. Un altro tipo di canali del calcio dipendenti da ligando degli astrociti sono i purinocettori (P2X1/5, P2X7). In colture ippocampali sono stati anche identificati negli astrociti colinocettori nicotinici α7 permeabili al calcio.
Ricordiamo, ancora, che il reticolo endoplasmatico è una fonte primaria di segnalazione del calcio per l’astroglia, che lo scambiatore sodio/calcio NCX appartenente alla famiglia SLC8 ha ruoli importanti, così come la segnalazione calcica legata ai mitocondri e, infine, che le onde di calcio della rete astrogliale meritano uno studio approfondito, perché contribuiscono alla massima parte delle funzioni dei grandi sistemi neuronici del cervello.
Veniamo al lavoro di Srinivasan e colleghi, dopo questa introduzione che si spera possa aver aiutato ad entrare in argomento anche coloro che non si occupano di fisiologia gliale.
I ricercatori della UCLA e dell’Allen hanno preso le mosse dall’osservazione, più volte riscontrata, dell’effetto della mancanza del tipo 2 dei recettori dell’inositolo trifosfato (IP3R2): tale deficit comporta negli animali l’assenza di tutte le forme di segnalazione del Ca2+ nelle cellule astrogliali, ma non ha fatto rilevare alcuna alterazione funzionale nei neuroni o nei meccanismi neurovascolari. L’importanza di questa osservazione sperimentale consiste nella deduzione che le fluttuazioni del Ca2+ degli astrociti non sono implicate in molte funzioni neuroniche e neurovascolari. Tale interpretazione, che ha avuto notevole diffusione fra i ricercatori, si è basata sull’assunzione che la perdita delle fluttuazioni somatiche del Ca2+ riflettesse una simile perdita nei processi degli astrociti. Tutt’altro che convinti da questa tesi, apparentemente condivisa dalla maggioranza se non dalla totalità dei ricercatori, i membri del team californiano l’hanno sottoposta a vaglio sperimentale, studiando analiticamente il comportamento biofisico delle cellule astrocitarie in rapporto ai cationi di calcio, grazie a metodi avanzati di imaging.
Rahul Srinivasan e i suoi collaboratori e colleghi hanno accertato diversi tipi di fluttuazioni del Ca2+ nelle cellule astrogliali non descritti in precedenza. La maggior parte di queste oscillazioni non si verificava nella struttura principale del corpo cellulare degli astrociti (soma), ma a distanza, all’interno dei processi cellulari, che sembrano specificamente impegnati secondo lo stato del microambiente locale.
Le fluttuazioni sono state studiate in vivo e in vitro, secondo un adeguato paradigma di studio che ha comparato genotipi con difetto recettoriale a genotipi naturali. Sono stati impiegati topi mancanti del tipo 2 dei recettori dell’inositolo trifosfato, cioè ceppi knockout Ip3r2-/-, anche noti come topi Itpr2-/-, dai quali sono state prelevate sezioni cerebrali sottili per lo studio in coltura. Topi di questo genotipo sono stati osservati e analizzati anche in vivo.
Le cellule astrogliali delle sezioni sottili di cervello dei topi Ip3r2-/- hanno fatto rilevare fluttuazioni di Ca2+ preservate e bene documentate, con una chiara espressione nei piedi terminali dei processi astrocitari. Tali fluttuazioni erano decisamente accresciute dall’attivazione dei recettori accoppiati a proteine G.
A queste osservazioni, già significative, si è aggiunta la documentazione in vivo dell’incremento delle fluttuazioni del catione per effetto della startle-response neuromodulatoria.
I dati emersi da questo studio, ed efficacemente documentati dalla tecnica di rilievo dei movimenti del calcio, rivelano fluttuazioni di Ca2+ precedentemente sconosciute negli astrociti e gettano luce sui limiti degli studi che hanno usato i topi Ip3r2-/- (Itpr2-/-), per valutare il contributo degli astrociti alla fisiologia dei circuiti neurali e al comportamento animale.
Le autrici della nota ringraziano
la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invitano alla
lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE
E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
[1] Cfr. Alexei Verkhratsky &
Vladimir Parpura, Calcium Signaling in Neuroglia, in Neuroglia (Kettenmann & Ransom), 3rd edition, Oxford University Press, New York 2013.
[2] In eccesso di 10-100 μM.
[3] Pizzo
P., et al. Ca2+ signalling in the Golgi
apparatus. Cell Calcium 50: 184-192,
2011.
[4] De
Stefani D., et al. A forty-kilodalton protein of the inner
membrane is the mitocondrial calcium uniporter. Nature 476: 336-340,
2011.