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

www.brainmindlife.org

 

 

 

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