Sono Kalirin e Trio i tasselli della memoria attesi
da 20 anni
NICOLE CARDON
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIV – 13 febbraio 2016.
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]
Il potenziamento a lungo termine (LTP), scoperto da Bliss e Lømo nell’ippocampo di coniglio e consistente in una forma di plasticità caratterizzata da un rafforzamento di sinapsi glutammatergiche, costituisce la base cellulare della memoria e dell’apprendimento. I meccanismi molecolari sottostanti tale fenomeno, che hanno sicuramente un’importanza critica per la comprensione delle basi neurobiologiche della capacità animale ed umana di apprendere e ricordare, sono conosciuti solo in parte. L’enorme mole di studi condotta dagli anni Settanta per il riconoscimento delle molecole in gioco e del ruolo di ciascuna ha portato, in tempi relativamente recenti, ad accertare che la chinasi CaMKII è necessaria e sufficiente per l’induzione di LTP.
In pratica, il potenziamento delle sinapsi è indotto dal flusso in entrata del calcio attraverso i recettori NMDA che attivano CaMKII, ma non è stato ancora definito quali siano le molecole fosforilate da questo enzima, e l’argomento è oggetto di dibattito da oltre vent’anni.
Bruce E. Herring e Roger A. Nicoll, sulla
base di studi recenti che hanno suggerito la partecipazione delle Rho GTPasi quali elementi necessari per il potenziamento a
lungo termine, hanno impiegato una combinazione di più tecniche per studiare il
problema dei tasselli mancanti alla definizione del quadro molecolare della
base cellulare della memoria. L’identificazione di Kalirin e Trio con le molecole a lungo cercate sembra essere una chiara
evidenza, che sicuramente indurrà molti altri ricercatori a verificarne
sperimentalmente il ruolo (Bruce E. Herring & Roger A. Nicoll, Kalirin and Trio proteins serve critical roles in excitatory synaptic transmission and LTP. Proceedings of the National Academy of Sciences
USA – Epub ahead of print doi: 10.1073/pnas.1600179113,
2016).
La provenienza
degli autori è la seguente: Department of Physiology and Department of
Cellular and Molecular Pharmacology, University of California at San Francisco,
San Francisco, CA (USA).
L’apprendimento è un aspetto cruciale di tutta la fisiologia animale e della nostra vita psichica. La modificazione funzionale conservata è essenziale per tutti i processi sensoriali, motori, viscerali, emotivi e cognitivi. Complessi processi di apprendimento sono alla base della nostra abilità di muoverci e muovere parti del corpo per fini intenzionali, di distinguere e comprendere i messaggi sensoriali, di attribuire significato positivo o negativo agli stimoli ambientali, di acquisire la lingua madre, di sviluppare capacità di pensiero, di ricordare chi siamo, dove siamo e tutte le nozioni e gli episodi necessari a comprendere il presente e pianificare il futuro. Il sostrato neurobiologico comune a tutti questi processi sembra consistere in particolari proprietà di plasticità sinaptica. In proposito è opportuno ricordare che non esiste un accordo fra i ricercatori se la sede prevalente delle modificazioni sinaptiche più significative sia quella presinaptica o quella post-sinaptica, ma vari meccanismi apparentemente di notevole importanza interessano entrambe le sponde.
Originariamente, il neurofisiologo e psicologo canadese Donald O. Hebb nel 1949 postulò che l’attività contemporanea di due cellule nervose connesse ne accresce la forza sinaptica (regola di Hebb) determinando così la base della memoria. Questa intuizione, rivelatasi fondata, ha costituito la prima traccia per gli studi che hanno indagato i processi in grado di determinare questo rinforzo o potenziamento.
In termini elettrofisiologici, attualmente l’attenzione è concentrata su due meccanismi che sembrano essere essenziali per l’apprendimento al livello delle sinapsi: il potenziamento e la depressione protratta dell’efficacia sinaptica al cessare di uno stimolo (LTP, LTD). Una sinapsi glutammatergica che è brevemente ma intensamente attivata da una stimolazione di alta frequenza (ad es.: 100 Hz) può, da quel momento in poi, continuare a rilanciare impulsi efficientemente per un tempo molto lungo, di mesi ed oltre[1]. La prima descrizione del fenomeno si fa risalire ad una osservazione di Lømo del 1966.
Negli anni Settanta, Timothy Bliss e Terji Lømo notarono che la via perforante-dentata, che raggiunge il giro dentato dell’ippocampo in conigli anestetizzati, presentava risposte sinaptiche accresciute dopo una sequenza di stimoli di alta frequenza. L’aumento di trasmissione sinaptica (misurata in termini di EPSP) persisteva per ore in vitro e per giorni o settimane in vivo. Il fenomeno fu denominato long-term potentiation (LTP). Studi successivi dimostrarono che la stimolazione di alta frequenza di ogni via dell’ippocampo, inclusa la via del collaterale di Schaffer CA3-CA1, può produrre LTP. Ora si sa che il potenziamento esiste in molte regioni cerebrali, quali la neocorteccia, il complesso nucleare dell’amigdala e le formazioni dello striato, e che il fenomeno è presente in numerose specie animali. L’LTP si presenta in varie forme distinte, conservando quattro caratteristiche fondamentali: a) specificità temporale, b) cooperatività, c) associatività, d) specificità per l’input.
Per quanto riguarda il meccanismo di induzione di LTP, lo studio delle sinapsi della via collaterale di Schaffer CA3-CA1 ha bene definito e stabilito che richiede l’attivazione post-sinaptica dei recettori NMDA.
Questo complesso recettivo del glutammato sembra essere il dispositivo cellulare perfetto per il rilievo della coincidenza sinaptica, fra neurone presinaptico e neurone post-sinaptico, e per associare i due eventi al livello cellulare. Il recettore NMDA è una ptoteina-canale regolata da ligando che ha sede nella membrana post-sinaptica. La stimolazione elettrica della cellula presinaptica determina il rilascio di glutammato, che si lega ai recettori NMDA ed AMPA. Il legame del glutammato al solo recettore NMDA non è sufficiente ad attivare il canale perché al fisiologico potenziale di membrana lo ione Mg2+ lo blocca, impedendo il flusso dei cationi attraverso il poro. L’attivazione ripetitiva dei recettori AMPA post-sinaptici determina un grado di depolarizzazione sufficiente a rimuovere il blocco dello ione Mg2+, causando il flusso in entrata dei cationi Na+, con conseguente EPSP. Così, l’apertura dei recettori NMDA è sia dipendente dal ligando (rilascio e legame del glutammato) sia dal voltaggio (depolarizzazione dei neuroni post-sinaptici)[2].
Mentre l’apertura dei recettori NMDA è cruciale per la rilevazione di coincidenza, la sensibilità e la forza della rilevazione di coincidenza non è determinata soltanto dalla finestra temporale di apertura. Sembra dipendere da almeno 3 altri elementi:
1) sommazione della durata di apertura;
2) ampiezza del picco;
3) adeguata trasduzione intracellulare del segnale.
Fra le molecole di segnalazione implicate nelle cascate biochimicamente rilevanti, la CaMKII (Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II) gioca un ruolo chiave nel mediare la fase precoce dell’espressione di LTP. L’entrata di Ca2+ attraverso i recettori NMDA promuove il legame di calcio/calmodulina a CaMKII, che causa la traslocazione fisica di α-CaNKII alle zone della densità post-sinaptica (PSD) mediante il legame al C-terminale della subunità NR2B degli NMDA presso le sinapsi. Si ritiene che la CaMKII attivata, presso la zona PSD sia responsabile del potenziamento delle sinapsi, probabilmente consentendo l’inserimento di recettori AMPA ed accrescendo la conduttanza del singolo canale[3]. Questo potenziamento sinaptico dipendente dalla fosforilazione si ritiene che possa supportare il fenomeno LTP per un arco di tempo di 1-3 ore (fase precoce). Sembra che per il mantenimento oltre le tre ore (fase tardiva) sia necessario l’intervento delle vie di PKA ed ERK, con trascrizione genica e sintesi proteica.
Come già accennato, studi recenti fornivano prove che Rho GTPasi sono necessarie per lo sviluppo del potenziamento a lungo termine. Le Rho GTPasi sono attivate da fattori di scambio della guanina (RhoGEF), ma quali siano le RhoGEF non era stato accertato.
Bruce E. Herring e Roger A. Nicoll, combinando tecniche di studio molecolari, elettrofisiologiche e di imaging, hanno dimostrato che la RhoGEF Kalirin e il suo paralogo Trio giocano ruoli critici e ridondanti nella struttura e nella funzione di sinapsi eccitatorie.
La sperimentazione ha precisamente dimostrato che la fosforilazione di Kalirin da parte di CaMKII è sufficiente per incrementare l’espressione di recettori AMPA da parte del neurone post-sinaptico. I due ricercatori hanno poi verificato le conseguenze del blocco della segnalazione di CaMKII attraverso Kalirin e Trio, rilevando l’assenza di sviluppo di LTP.
L’insieme dei dati emersi dalla sperimentazione, per il cui dettaglio si rinvia alla lettura del testo integrale dell’articolo originale qui recensito, consentono di riconoscere in Kalirin e Trio le molecole sostrato dell’azione enzimatica di fosforilazione di CaMKII che determina l’up-regulation dei recettori AMPA durante il processo di LTP.
L’autrice della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla
lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE
E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
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[1] Allo stesso modo, può accadere che una stimolazione protratta di bassa frequenza (1 Hz) di una sinapsi glutammatergica può indurre una trasmissione di impulsi meno efficiente (più debole) per lungo tempo, rivelando una depressione di attività (LTD).
[2] Per maggiori dettagli si rinvia alle trattazioni specifiche sugli NMDA e ai nostri
[3] Vari studi hanno suggerito che altre chinasi, quali PKC e MAP, possono essere implicate nell’espressione di LTP.