La meccanotrasduzione
di Piezo1 per neurogenesi e cognizione
GIOVANNI
ROSSI
NOTE E NOTIZIE - Anno XIX – 01 ottobre
2022.
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]
Uno degli aspetti che rende entusiasmante l’impresa
della ricerca neuroscientifica di questi giorni è la scoperta di nuovi e
insospettati rapporti tra il livello dei meccanismi elementari della
fisiologia cellulare e grandi processi cerebrali, come la neurogenesi nell’adulto
e i vari aspetti della cognizione umana, dall’abilità di computo all’ideazione
astratta. Quando si determinerà un quadro completo dei rapporti tra meccanismi
elementari e attività delle reti cerebrali, si avranno elementi tali da
consentire di ridisegnare le basi biologiche della fisiologia del cervello.
Siamo abituati a pensare alle attività del cervello
adulto come processi dominati da meccanismi di trasduzione chimica ed
elettrica, e in genere trascuriamo, se non ignoriamo del tutto, il ruolo nella
fisiologia cerebrale della meccanotrasduzione mediata da canali ionici la
cui pervietà o impervietà è conseguenza di fenomeni meccanici. Sappiamo che la
meccanotrasduzione è stata particolarmente studiata nelle cellule ciliate cocleari
dell’organo meccanoelettrico del Corti, e ci è noto che il vantaggio principale
di un meccanismo che non fa uso di secondo messaggero consiste nella sua
maggiore velocità. Ma quasi nessuno pensa a questo tipo di trasduzione in
relazione alla fisiologia cerebrale, e men che meno si pensa che gli astrociti,
le cellule gliali essenziali per l’attività nervosa ma trascurate per decenni,
possano mediare il contributo di questo meccanismo a funzioni di primaria
importanza.
Shaopeng Chi e colleghi hanno accertato che il
canale ionico azionato meccanicamente Piezo1 è espresso nei processi
esplorativi degli astrociti e utilizza la sua meccano-sensibilità per mediare le
risposte del Ca2+ evocate meccanicamente e il rilascio di ATP, in
tal modo stabilendo l’esistenza di una meccano-chemio trasduzione nelle
cellule dell’astroglia.
Proseguendo nella loro sperimentazione, gli autori
dello studio sono giunti a definire per questo meccanismo gliale un ruolo di
straordinaria importanza, rilevante per tutta la ricerca neurobiologica.
(Chi S.,
et al., Astrocytic Piezo1-mediated mechanotransduction
determines adult neurogenesis and cognitive functions. Neuron – Epub ahead
of print doi: 10.1016/j.neuron.2022.07.010, 2022).
La provenienza degli autori è la seguente: State Key Laboratory of Membrane
Biology, Tsinghua-Peking Center for Life Sciences, Peking (Cina); IDG/McGovern
Institute for Brain Research, Beijing Frontier Research Center for Biological
Structure, Beijing Advanced Innovation Center for Structural Biology, School of
Pharmaceutical Sciences, Tsingua University, Beijing (Cina).
Gli astrociti sono provvisti nelle
loro membrane plasmatiche di un gran numero di canali ionici (canali di Ca2+
e Na+ regolati dal voltaggio, 12 sottofamiglie di canali del K+
attivati dal voltaggio o dal calcio, ecc.) e trasportatori ionici. La ricerca
recente si è concentrata soprattutto sui loro aspetti funzionali e la loro
regolazione e da parte di messaggeri intracellulari ed extracellulari. Sebbene
i canali del K+ siano soggetti e cause di cambiamenti di potenziali
di membrana, i trasportatori sono spesso in rapporto con i gradienti del Na+
tra i due lati della membrana plasmatica. Sebbene i gradienti di Na+
e K+ sono sia grandi che opposti, il gradiente elettrochimico del K+
è mantenuto piccolo, conservando un potenziale di membrana vicino al
potenziale di equilibrio del K+, verosimilmente per una grande
conduttanza dei canali del K+.
I grandi gradienti di Ca2+ tra
il citosol e lo spazio extracellulare e con gli organuli di immagazzinamento
del Ca2+, sono ampiamente impiegati per la segnalazione, includente
la modulazione di alcuni canali del K+.
Piezo1 è un canale cationico meccanosensibile
che si attiva per effetto dello stiramento, ossia dell’allungamento locale
della membrana cellulare, ma del suo ruolo fisiologico nella membrana
astrocitaria non si conosce quasi nulla, e dunque lo studio qui recensito fa
luce per la prima volta su questo argomento.
Come abbiamo visto, il primo passo
di questa ricerca è consistito nel rilevare e dimostrare l’espressione nei
processi esploratori degli astrociti del canale ionico Piezo1, la cui pervietà
è regolata meccanicamente: questo canale impiega la meccanosensibilità per
mediare le risposte meccanicamente evocate del Ca2+ e il rilascio di
ATP. Tale rilievo prova l’esistenza di una meccano-chemio trasduzione nelle cellule dell’astroglia.
A questo punto, Shaopeng Chi e colleghi hanno cercato di stabilire il
ruolo del canale meccanosensibile gliale e, a tal fine, hanno osservato e
analizzato gli effetti della delezione del canale Piezo1 negli astrociti: le
conseguenze sono risultate sorprendenti e marcatamente evidenti. Innanzitutto si
è avuta 1) una diminuzione rilevante del peso del cervello associata a un’impressionante
riduzione del volume dell’ippocampo, poi 2) una grave compromissione della
neurogenesi adulta in vivo (recuperabile mediante ATP), infine 3) l’abolizione
del potenziamento ATP-dipendente della proliferazione delle cellule staminali
neurali (NSC, da neural stem cell).
Analizzando al livello cellulare le conseguenze della delezione in topi
con difetto di Piezo-1, i ricercatori hanno rilevato che la mancanza del canale
meccanosensibile negli astrociti determina una compromissione del
potenziamento di lungo termine (LTP), ossia la base cellulare neuronica
della memoria. L’osservazione comportamentale dei roditori ha confermato un
difetto di prestazione evidente nei compiti sperimentali standard di questi
topi nella memoria e nella capacità di apprendimento. L’esperimento di iper-espressione
di Piezo1 negli astrociti ha fatto rilevare un coerente e significativo
rinforzo della meccanotrasduzione, del processo di LTP e delle prestazioni dei
topi nei compiti di memoria e di apprendimento.
Dall’insieme delle osservazioni sperimentali, per il cui dettaglio si
rimanda al testo integrale del lavoro originale, si ricava che gli astrociti impiegano
processi di meccanotrasduzione mediata da Piezo1 per regolare in
modo determinante la neurogenesi dell’età adulta e le funzioni
cognitive, e, come corollario, che la meccanotrasduzione è importante per
struttura e funzione del cervello.
L’autore 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”).
Giovanni
Rossi
BM&L-01 ottobre 2022
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