Cono de crecimiento - Growth cone

Imagen de un cono de crecimiento marcado con fluorescencia que se extiende desde un axón F-actina (rojo) microtúbulos (verde).

Un cono de crecimiento es una extensión grande apoyada por actina de una neurita en desarrollo o en regeneración que busca su objetivo sináptico . Su existencia fue propuesta originalmente por el histólogo español Santiago Ramón y Cajal basándose en imágenes estacionarias que observó bajo el microscopio . Primero describió el cono de crecimiento basado en células fijas como "una concentración de protoplasma de forma cónica, dotado de movimientos ameboides" (Cajal, 1890). Los conos de crecimiento están situados en las puntas de las neuritas, ya sean dendritas o axones , de la célula nerviosa . Las funciones sensoriales, motoras, integradoras y adaptativas de los axones y dendritas en crecimiento están todas contenidas dentro de esta estructura especializada.

Estructura

Dos conos de crecimiento marcados con fluorescencia. El cono de crecimiento (verde) de la izquierda es un ejemplo de un cono de crecimiento "filopodial", mientras que el de la derecha es un cono de crecimiento "lamelipodial". Por lo general, los conos de crecimiento tienen ambas estructuras, pero con diferentes tamaños y números de cada una.

La morfología del cono de crecimiento se puede describir fácilmente usando la mano como analogía. Las finas extensiones del cono de crecimiento son filopodios puntiagudos conocidos como microspikes. Los filopodios son como los "dedos" del cono de crecimiento; contienen haces de filamentos de actina (F-actina) que les dan forma y soporte. Los filopodios son las estructuras dominantes en los conos de crecimiento y aparecen como extensiones cilíndricas estrechas que pueden extenderse varios micrómetros más allá del borde del cono de crecimiento. Los filopodios están unidos por una membrana que contiene receptores y moléculas de adhesión celular que son importantes para el crecimiento y la guía de los axones .

Entre los filopodios, al igual que las membranas de las manos, se encuentran los " lamellipodios ". Estas son regiones planas de una densa malla de actina en lugar de F-actina agrupada como en los filopodios. A menudo aparecen adyacentes al borde delantero del cono de crecimiento y se colocan entre dos filopodios, lo que les da una apariencia de "velo". En los conos de crecimiento, normalmente emergen nuevos filopodios de estos velos interfilopodiales.

El cono de crecimiento se describe en términos de tres regiones: el dominio periférico (P), el dominio de transición (T) y el dominio central (C). El dominio periférico es la región delgada que rodea el borde exterior del cono de crecimiento. Está compuesto principalmente por un citoesqueleto basado en actina y contiene lamelipodios y filopodios que son muy dinámicos. Sin embargo, se sabe que los microtúbulos entran transitoriamente en la región periférica a través de un proceso llamado inestabilidad dinámica. El dominio central está ubicado en el centro del cono de crecimiento más cercano al axón. Esta región está compuesta principalmente por un citoesqueleto basado en microtúbulos, generalmente es más gruesa y contiene muchos orgánulos y vesículas de varios tamaños. El dominio de transición es la región ubicada en la banda delgada entre los dominios central y periférico.

Los conos de crecimiento están especializados molecularmente, con transcriptomas y proteomas que son distintos de los de sus cuerpos celulares parentales. Hay muchas proteínas asociadas al citoesqueleto, que realizan una variedad de funciones dentro del cono de crecimiento, como anclar la actina y los microtúbulos entre sí, a la membrana y a otros componentes del citoesqueleto. Algunos de estos componentes incluyen motores moleculares que generan fuerza dentro del cono de crecimiento y vesículas unidas a la membrana que se transportan dentro y fuera del cono de crecimiento a través de microtúbulos. Algunos ejemplos de proteínas asociadas al citoesqueleto son fascina y filaminas (agrupamiento de actina), talina (anclaje de actina), miosina (transporte de vesículas) y mDia ( enlace microtúbulo-actina).

Ramificación y crecimiento de axones

La naturaleza altamente dinámica de los conos de crecimiento les permite responder al entorno circundante cambiando rápidamente de dirección y ramificándose en respuesta a diversos estímulos. Hay tres etapas de crecimiento del axón, que se denominan protrusión, congestión y consolidación. Durante la protuberancia, hay una rápida extensión de filopodios y extensiones lamelares a lo largo del borde de ataque del cono de crecimiento. La congestión se produce cuando los filopodios se mueven hacia los bordes laterales del cono de crecimiento y los microtúbulos invaden aún más el cono de crecimiento, trayendo vesículas y orgánulos como las mitocondrias y el retículo endoplásmico. Finalmente, la consolidación ocurre cuando la F-actina en el cuello del cono de crecimiento se despolimeriza y los filopodios se retraen. Luego, la membrana se contrae para formar un eje axónico cilíndrico alrededor del haz de microtúbulos. Una forma de ramificación del axón también ocurre a través del mismo proceso, excepto que el cono de crecimiento se "divide" durante la fase de ingurgitación. Esto da como resultado la bifurcación del axón principal. Una forma adicional de ramificación del axón se denomina ramificación colateral (o intersticial). La ramificación colateral, a diferencia de las bifurcaciones de axón, implica la formación de una nueva rama a partir del eje del axón establecido y es independiente del cono de crecimiento en la punta del axón en crecimiento. En este mecanismo, el axón genera inicialmente un filopodio o lamelipodio que, tras la invasión de los microtúbulos axonales, puede desarrollarse posteriormente en una rama que se extiende perpendicularmente desde el eje del axón. Las ramas colaterales establecidas, como el axón principal, exhiben un cono de crecimiento y se desarrollan independientemente de la punta del axón principal.

En general, el alargamiento del axón es el producto de un proceso conocido como crecimiento de la punta. En este proceso, se agrega material nuevo en el cono de crecimiento mientras que el resto del citoesqueleto axonal permanece estacionario. Esto ocurre a través de dos procesos: dinámica basada en el citoesqueleto y tensión mecánica. Con la dinámica citoesquelética, los microtúbulos se polimerizan en el cono de crecimiento y entregan componentes vitales. La tensión mecánica ocurre cuando la membrana se estira debido a la generación de fuerza por motores moleculares en el cono de crecimiento y fuertes adherencias al sustrato a lo largo del axón. En general, los conos de crecimiento rápido son pequeños y tienen un alto grado de estiramiento, mientras que los conos de crecimiento lento o en pausa son muy grandes y tienen un bajo grado de estiramiento.

Los conos de crecimiento se forman continuamente mediante la construcción de los microfilamentos de actina y la extensión de la membrana plasmática mediante la fusión de vesículas . Los filamentos de actina se despolimerizan y se desmontan en el extremo proximal para permitir que los monómeros libres migren al borde de ataque (extremo distal) del filamento de actina donde puede polimerizar y así volver a unir. Los filamentos de actina también se transportan constantemente lejos del borde de ataque mediante un proceso impulsado por un motor de miosina conocido como flujo retrógrado de F-actina. Los filamentos de actina se polimerizan en la región periférica y luego se transportan hacia atrás a la región de transición, donde se despolimerizan los filamentos; liberando así los monómeros para repetir el ciclo. Esto es diferente de la caminadora con actina, ya que toda la proteína se mueve. Si la proteína simplemente se hiciera trotar, los monómeros se despolimerizarían de un extremo y se polimerizarían en el otro mientras que la proteína en sí no se movía.

La capacidad de crecimiento de los axones radica en los microtúbulos que se encuentran justo más allá de los filamentos de actina. Los microtúbulos pueden polimerizar rápidamente y, por tanto, "sondear" la región periférica rica en actina del cono de crecimiento. Cuando esto sucede, los extremos de polimerización de los microtúbulos entran en contacto con los sitios de adhesión de F-actina, donde las proteínas asociadas a la punta de los microtúbulos actúan como "ligandos". Las lamininas de la membrana basal interactúan con las integrinas del cono de crecimiento para promover el movimiento hacia adelante del cono de crecimiento. Además, el crecimiento del axón también está respaldado por la estabilización de los extremos proximales de los microtúbulos, que proporcionan el soporte estructural para el axón.

Guía de axones

Modelo de guía de axones mediada por cono de crecimiento. De izquierda a derecha, este modelo describe cómo el citoesqueleto responde y se reorganiza para crecer hacia un estímulo positivo (+) detectado por receptores en el cono de crecimiento o lejos de un estímulo negativo (-).

El movimiento de los axones está controlado por una integración de su función sensorial y motora (descrita anteriormente) que se establece a través de segundos mensajeros como el calcio y los nucleótidos cíclicos. La función sensorial de los axones depende de las señales de la matriz extracelular que pueden ser atractivas o repulsivas, lo que ayuda a guiar al axón lejos de ciertos caminos y atraerlos a sus destinos adecuados. Las señales atractivas inhiben el flujo retrógrado de los filamentos de actina y promueven su ensamblaje, mientras que las señales repulsivas tienen el efecto exactamente opuesto. Las proteínas estabilizadoras de actina también están involucradas y son esenciales para la protrusión continua de filopodios y lamelipodios en presencia de señales atractivas, mientras que las proteínas desestabilizadoras de actina están involucradas en presencia de señales repulsivas.

Un proceso similar está involucrado con los microtúbulos . En presencia de una señal atractiva en un lado del cono de crecimiento, las proteínas estabilizadoras de microtúbulos apuntan a microtúbulos específicos en ese lado, lo que da como resultado que el cono de crecimiento gire en la dirección del estímulo positivo. Con señales repulsivas, ocurre lo contrario: la estabilización de los microtúbulos se favorece en el lado opuesto del cono de crecimiento como el estímulo negativo, lo que hace que el cono de crecimiento se aleje del repelente. Este proceso, junto con los procesos asociados a la actina, da como resultado el crecimiento global dirigido de un axón.

Los receptores de cono de crecimiento detectan la presencia de moléculas de guía de axones como Netrin , Slit, Ephrins y Semaphorins . Más recientemente se ha demostrado que los determinantes del destino celular como Wnt o Shh también pueden actuar como señales de orientación. La misma señal de orientación puede actuar como atrayente o repelente, según el contexto. Un buen ejemplo de esto es Netrin-1, que señala la atracción a través del receptor DCC y la repulsión a través del receptor Unc-5. Además, se ha descubierto que estas mismas moléculas están implicadas en la guía del crecimiento de los vasos. La guía axonal dirige el cableado inicial del sistema nervioso y también es importante en la regeneración axonal después de una lesión .

Referencias