Il sistema dei microRNA neuronali

Il sistema dei microRNA neuronali

L’argomento che abbiamo lasciato in sospeso riguardava il controllo da parte dei microRNA di meccanismi di plasticità sinaptica, quindi controllo della sintesi proteica dei dendriti in risposta a stimoli esterni, in particolare interazione del recettore con neurotrasmettitori o neurotrofine.

Questo è quello di cui vi parlavo l’altra volta sull’aumento dei lavori sui miR. Qui in parallelo è riportato l’aumento delle cosiddette entry nel database dei microRNA dal 2002 al 2010, per cui ora ci sono 13000 sequenze dei microRNA in questo che è il database più completo. In parallelo c’è un aumento pazzesco, esponenziale sulle pubblicazioni dei microRNA in diversi organismi, diversi sistemi. Questo per dire che è un campo estremamente caldo in cui c’è un’enorme competizione, ma d’altra parte i microRNA sono tantissimi, perché siamo forse al di sopra dei 700 nell’uomo.

Per quanto riguarda i microRNA neuronali, abbiamo detto che riguarda una fetta molto grossa dei microRNA cellulari, e sono specifici per questo organo, per il sistema nervoso, sono espressi solamente lì e hanno delle funzioni precise, con un pattern di espressione particolare nelle dimensioni spazio-temporali: in siti diversi e in momenti diversi dello sviluppo.

MiR-134

Per riprendere il discorso che abbiamo lasciato, abbiamo parlato del microRNA 134. È forse il primo che è stato studiato in relazione al controllo della maturazione delle spine dendritiche. Il primo lavoro che è stato pubblicato riguardava il controllo della maturazione delle spine attraverso la regolazione del messaggero di Limk1, che codifica per un gene che controlla il citoscheletro. Meccanismi di controllo del citoscheletro si attivano in meccanismi di plasticità sinaptica. Abbiamo detto che è un controllo negativo, come nella maggior parte dei casi dei microRNA: l’induzione di Limk1 e l’effetto dell’espressione del miR determina un cambiamento morfologico proprio della spina, che diventa più allungata.

Non è riprodotta qui perché questa figura è orientata più sul controllo del microRNA 134 sulla dendritogenesi: sullo sviluppo del neurite e in particolare sulla formazione dell’albero dendritico.

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In questo lavoro, per sommarizzare, veniva indicato come il ruolo del microRNA 134 nella dendritogenesi è mediato dal controllo di PUM-2.

PUM-2 è un regolatore negativo della dendritogenesi perché, distruggendo PUM-2, si ha un aumento dell’arborizzazione. In questo caso, cioè lo studio di miR-134 in relazione all’espressione di Pum-2, l’overespressione del miR-134 riproduce un po’ l’effetto dell’interference su PUM-2, e quindi, rispetto a un controllo che è la superespressione di un ira (?) specifico, riproduce quest’effetto di un aumento dell’arborizzazione.

Vi accennavo alla presenza di sequenze regolatrici a monte del cluster di cui fa parte miR-134 che contengono il binding site per un fattore di trascrizione neuronale, che è MEF-2.

Mef2-mediated transcription of the miR379-410 cluster regulates activity-dependent dendritogenesis by fine-tuning Pumilio2 protein levels

R. Fiore… G. Schratt, The EMBO Journal (2009) 28, 697-710

In questo paper vengono fatte delle immunoprecipitazioni per identificare, a livello di queste sequenze regolatrici sul cluster di miR-134, la presenza di siti di binding per MEF-2. Così è: effettivamente MEF-2 si lega al promotore del cluster di miR-134, l’attivazione sinaptica induce MEF-2 e l’effetto a cascata è l’aumento dell’espressione del miR-134, down-regolazione di PUM-2 e quindi un effetto positivo sulla dendritogenesi.

MiR-124 e plasticità sinaptica in Aplysia

Characterization of Small RNAs in Aplysia Reveals a Role for miR-124 in Constraining Synaptic Plasticity through CREB

Priyamvada Rajasethupathy, …, Thomas Tuschl and Eric Kandel. Neuron 63 803-817, Sept 24, 2009

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Abbiamo accennato a questo lavoro molto recente del 2009, in cui si studia il ruolo di un altro dei miR neuronali per eccellenza, il miR che è più espresso nel sistema nervoso, che è miR-124: il ruolo del miR-124 in meccanismi di plasticità dell’Aplysia. Le slides che ho introdotto riguardano i meccanismi di plasticità a lungo termine che vengono studiati con il modello dell’Aplysia, che è un modello particolarmente duttile, particolarmente semplice che permette di ricostruire fenomeni di plasticità a lungo termine, quindi meccanismi che richiedono la sintesi proteica, anche in un sistema cellulare di co-coltura di neuroni sensoriali e motoneuroni.

Questo perché: si sa, anche in maniera definitiva e approfondita, che in Aplysia stimoli sensoriali da parte di un neurone sensoriale, passando attraverso una conduzione serotoninergica, determinano l’attivazione del motoneurone e quindi una serie di eventi a cascata, che passano attraverso l’attivazione di fattori di trascrizione neuro-specifici, quali CREB1 e CREB2 e poi altri fattori, altre proteine binding protein per le sequenze regolatrici. L’effetto finale di questa attivazione sul motoneurone è un aumento dell’eccitabilità, crescita assonica e quindi crescita sinaptica.

Nel caso particolare, quella di cui parleremo ora è una plasticità che in Aplysia è

Qui semplicemente è riportato uno schema dell’abitudine, anche questo un modello di plasticità a lungo termine, dipendente dalla sintesi proteica, e questo schema ci serve a visualizzare quali sono i giocatori di questa rete. Rete che viene attivata quando, ad esempio, si stimola il sifone dell’Aplysia, che è un organo contenuto nell’addome della lumaca: la stimolazione tattile determina un’attivazione del neurone sensoriale, che conduce attraverso l’assone questo segnale per portarlo al motoneurone.

Questa è una conduzione legata alla serotonina e determina, quindi, per attivazione del motoneurone, la contrazione della branchia dell’Aplysia.

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Tutta questa interazione è modulata da interneuroni che hanno attività sia eccitatoria che inibitoria. Questa è una

È un modello di LTF che sta per Long-Term Facilitation. Però in questo lavoro si parla di un modello un po’ più complesso che è quello della sensibilizzazione, ossia l’associazione di due stimoli, e questo ci serve anche per richiamare il lavoro di cui abbiamo parlato, di Drosophila, in parallelo: in questo caso uno stimolo meccanico sul sifone e uno stimolo elettrico sulla coda. Per cui si ha la stimolazione del sifone che porta all’attivazione di un primo neurone sensoriale e quindi del motoneurone che sta a valle; ma lo stimolo negativo, in questo caso lo stimolo elettrico, porta all’attivazione di un secondo neurone sensoriale, che percepisce l’informazione a livello della coda, che attiva un interneurone, questa è una sinapsi eccitatoria sul primo neurone sensoriale, quindi l’interneurone aumenta proprio la trasmissione a livello della terminazione assonica del neurone sensoriale numero uno. Alla fine l’effetto è che lo stimolo tattile sul sifone è amplificato dallo shock elettrico, per cui si ottiene una contrazione maggiore della branchia.

Questo è il modello, trasferito in coltura cellulare, utilizzato per studiare il ruolo del miR-124. Come in questo lavoro si arriva al miR-124 ne abbiamo parlato l’altra volta. In Aplysia, come nei mammiferi, il miR-124 è il miRNA più espresso e, in questo lavoro, viene espresso nei neuroni sensoriali, ma non nei motoneuroni. Tutto il lavoro è stato un sistema di co-coltura, in cui si può ricreare un meccanismo di plasticità sinaptica dando 5-HT (5-idrossitirosina), quindi serotonina, e si può ricreare LTF se si danno dei pulse, dei trattamenti ripetuti di 5-HT.

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Una sola stimolazione non porta quei processi di cui abbiamo parlato, che implicano quindi sintesi proteica, in condizioni normali (STF).

Per avere un modello di memoria a lungo termine