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May 22, 2023

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 366 (2023) Citare questo articolo

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La plasticità sinaptica implica la corretta creazione e riorganizzazione dei microdomini strutturali e funzionali. Tuttavia, la visualizzazione dei segnali lipidici sottostanti si è rivelata impegnativa. Applicando una combinazione di criofissazione rapida, fratturazione per congelamento della membrana, marcatura immunogold e microscopia elettronica, visualizziamo e determiniamo quantitativamente i cambiamenti e la distribuzione del fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato (PIP2) nella membrana plasmatica delle spine dendritiche e delle relative sottoaree a risoluzione ultraelevata. Questi sforzi svelano fasi distinte dei segnali PIP2 durante l'induzione della depressione a lungo termine (LTD). Durante i primi minuti PIP2 aumenta rapidamente in modo dipendente da PIP5K formando nanocluster. PTEN contribuisce a una seconda fase di accumulo di PIP2. I segnali PIP2 transitoriamente aumentati sono limitati alle teste della colonna vertebrale superiore e media. Infine, il degrado PIP2 dipendente dal PLC fornisce la terminazione tempestiva dei segnali PIP2 durante l'induzione LTD. Insieme, questo lavoro svela i segnali spaziali e temporali impostati da PIP2 durante le diverse fasi dopo l'induzione di LTD e analizza i meccanismi molecolari alla base delle dinamiche PIP2 osservate.

La maggior parte delle postsinapsi eccitatorie nel sistema nervoso centrale è situata in piccole sporgenze dendritiche, chiamate spine dendritiche. I processi di plasticità sinaptica che comportano cambiamenti dinamici nella struttura e nell'organizzazione delle spine dendritiche sono alla base della modulazione della forza sinaptica eccitatoria e si ritiene che siano la base dell'apprendimento e della memoria1,2. Tra le modalità di plasticità sinaptica spicca un processo chiamato depressione a lungo termine (LTD), che riduce la sensibilità e la risposta a un dato segnale sinaptico3. A livello molecolare, la LTD comporta la rimozione dei recettori del glutammato di tipo α-ammino-3-idrossi-5-metil-4-isossazolopropionico (AMPA) dall'impalcatura della densità postsinaptica mediante endocitosi o diffusione laterale, nonché riarrangiamenti strutturali del citoscheletro di actina con conseguente riduzione del volume della colonna vertebrale3,4.

Negli ultimi decenni sono stati fatti grandi progressi nell’identificazione e nella caratterizzazione dei meccanismi proteici che controllano e mediano la plasticità delle spine dendritiche. Tuttavia, la conoscenza sul coinvolgimento dei lipidi di membrana, sebbene siano i principali costituenti della membrana, è ancora scarsa e spesso controversa o addirittura contraddittoria5,6. È noto che i fosfoinositidi interagiscono con e regolano distinte proteine ​​di membrana e svolgono una varietà di funzioni cellulari7. Il fosfatidilinositolo-4-fosfato (PI4P) e il fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato (qui per semplicità indicato come PIP2) sono i fosfoinositidi più abbondanti nelle cellule. PIP2 è arricchito a livello della membrana plasmatica, dove costituisce meno dell'1% dei fosfolipidi8. Nelle presinapsi, i ruoli cruciali dei fosfoinositidi sono stati ben stabiliti e comprendono principalmente funzioni di traffico di membrana9,10,11,12. Al contrario, l’importanza fisiologica e il ruolo specifico di PIP2 nelle postsinapsi sono molto meno compresi e controversi.

Le concentrazioni dei singoli fosfoinositidi sono controllate da un insieme complesso di specifiche fosfatasi lipidiche, chinasi e lipasi che sono esse stesse bersagli di una varietà di vie di segnalazione13,14. Gli studi che indagavano su un presunto ruolo di PIP2 soprattutto nella LTD si basavano in gran parte sulla manipolazione di questi enzimi metabolici e hanno prodotto risultati contrastanti15,16,17,18,19,20. Le ragioni delle (apparenti) discrepanze possono includere in larga misura l'incapacità di fissare e visualizzare direttamente PIP2 nelle spine postsinaptiche senza alterare la sua distribuzione e la sua disponibilità indisturbata come segnale lipidico.

Le sinapsi hanno particolari esigenze funzionali e strutturali di compartimentazione, come stabilito da distinti nanodomini di membrana. Inoltre, questi nanodomini della membrana sinaptica richiedono la capacità di adattarsi plasticamente durante i riarrangiamenti postsinaptici. Per seguire l'ipotesi che questi riarrangiamenti durante LTD potrebbero essere causati da segnali temporali e spaziali stabiliti dall'importante molecola di segnalazione PIP2, abbiamo applicato la criofissazione rapida, la fratturazione per congelamento della membrana, l'etichettatura immunogold e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per visualizzare e valutare quantitativamente la distribuzione di PIP2 nella membrana plasmatica delle spine dendritiche e in diverse sottoaree delle stesse ad altissima risoluzione. In tal modo sveliamo i segnali spaziali e temporali impostati da PIP2 durante le diverse fasi dopo l'induzione di LTD e analizziamo i meccanismi molecolari alla base delle dinamiche PIP2 osservate.