Aparato de la columna vertebral - Spine apparatus
El aparato de la columna vertebral (SA) es una forma especializada de retículo endoplásmico (RE) que se encuentra en una subpoblación de espinas dendríticas en las neuronas centrales . Fue descubierto por Edward George Gray en 1959 cuando aplicó microscopía electrónica a tejido cortical fijo . El SA consta de una serie de discos apilados que están conectados entre sí y al sistema dendrítico de los túbulos ER. La proteína de unión a actina sinaptopodina (que se describió originalmente en los podocitos del riñón) es un componente esencial de la SA. Los ratones que carecen del gen de la sinaptopodina no forman un aparato espinal. Se cree que la SA desempeña un papel en la plasticidad sináptica, el aprendizaje y la memoria, pero la función exacta del aparato de la columna sigue siendo enigmática.
Morfología
El aparato de la columna consta de sáculos membranosos (discos) y túbulos rodeados de material filamentoso tenue y se encuentra principalmente en grandes espinas dendríticas en forma de hongo . El material filamentoso tenue es la red citoesquelética , principalmente f-actina , que es responsable del mantenimiento y alteración de la forma de la columna. El aparato de la columna está conectado al retículo endoplásmico de superficie lisa de la dendrita . Consiste en cisternas planas paralelas continuas , el aparato de la columna tiene una gran superficie que es importante para su función.
El aparato de la columna ocupa una gran parte del volumen del tallo de la columna, lo que puede aumentar la resistencia longitudinal entre la columna y la dendrita.Por lo tanto, el aparato de la columna podría tener un efecto directo sobre el potencial de membrana de la membrana plasmática de la columna cuando la sinapsis está activa. La conexión con el retículo endoplásmico liso sugiere una vía potencial para la transferencia de proteínas y lípidos entre la columna y la dendrita. El aparato de la columna también podría funcionar como un depósito de iones de calcio .
Función
Síntesis y tráfico de proteínas locales
Durante algún tiempo, la función del aparato de la columna se ha considerado enigmática. Sin embargo, la evidencia reciente sugiere que el aparato de la columna puede poseer varias funciones distintas. Después de dilucidar la estructura del aparato de la columna, Spacek y Harris observaron una continuación del retículo endoplásmico liso en el aparato de la columna, donde luego adquiere una estructura laminar. Esta observación sugiere que la SA podría desempeñar un papel en el transporte vesicular, aunque aún no está claro un mecanismo específico.
Además, Pierce et al. propusieron que el aparato de la columna vertebral puede estar involucrado en el procesamiento de proteínas postraduccionales, similar al observado en el aparato de Golgi , y funcionar en el procesamiento postraduccional de las subunidades GluR1 y GluR2, que se traducen localmente en las espinas dentríticas, de los receptores AMPA . También se ha demostrado que el aparato de la columna está involucrado en el procesamiento postraduccional y la entrega espacial de los receptores NMDA , que también funcionan como receptores de glutamato y juegan un papel importante en el control de la plasticidad sináptica . Teniendo en cuenta que los estudios de inmunotinción han identificado NMDAR y AMPAR en el aparato de la columna, se ha propuesto que el aparato de la columna puede ser crítico para la localización de AMPAR y NMDAR en sinapsis durante la formación de LTP.
La aparición de marcadores moleculares para las vías secretoras satélite proporciona una prueba más de que el aparato de la columna vertebral desempeña un papel en la translocación y el procesamiento de la proteína de membrana integral local. Más específicamente, el marcador del sitio de translocación de proteínas (Sec61α) y los marcadores de cisternas de Golgi (giantina y α-manosidasa II) se han observado en el aparato de la columna.
Señalización de calcio
La actividad sináptica desencadena el influjo de Ca 2+ en las espinas dendríticas a través de los receptores NMDA y los canales de calcio dependientes del voltaje . Los iones libres de Ca 2+ se eliminan rápidamente del citoplasma a través de intercambiadores de Na + / Ca2 + en la membrana plasmática y mediante sarco / retículo endoplásmico Ca 2+ ATPasas ( bombas SERCA ) que median la captación de Ca 2+ en el retículo endoplásmico liso (sER). El aparato de la columna, como subcompartimento del sER, tiene una gran superficie y se cree que actúa como un tampón de calcio eficiente dentro de la columna (Figura 2).
Estudios recientes han demostrado que el aparato de la columna también es capaz de liberar Ca 2+ a través de los receptores de trifosfato de inositol (IP3R) o receptores de rianodina (RyR). La naturaleza sensible al calcio de los IP3R y RyR hace que ambos receptores sean capaces de liberar calcio inducido por calcio regenerativo (CICR). En los ejes dendríticos y las espinas de las neuronas del hipocampo, se ha demostrado mediante inmunotinción la presencia tanto de RyR como de IP3R . La liberación de Ca 2+ se desencadena por la liberación de glutamato, que activa los receptores de glutamato metabotrópicos del Grupo I (mGluR). La cascada de señalización descendente conduce a niveles elevados de IP 3 dentro de la columna vertebral (Figura 2) que desencadenan eventos de liberación de Ca 2+ solo en aquellas espinas que contienen sER.
Plasticidad
Se cree que la capacidad del aparato de la columna para liberar calcio en el citosol contribuye al desarrollo de la plasticidad sináptica . Esto se demostró por primera vez en un experimento utilizando sinaptopodina (SP) ratones deficientes, que no muestran un aparato de la columna vertebral en las espinas dendríticas. Estos ratones deficientes en SP mostraron una disminución en la potenciación a largo plazo (LTP). Además, LTP1 (plasticidad a corto plazo que requiere modificaciones de proteínas postraduccionales, pero es independiente de la síntesis de proteínas), LTP2 (plasticidad de descomposición lenta que depende de la síntesis de proteínas pero no requiere modificaciones de la transcripción de genes) y LTP3 (LTP de larga duración). es decir, dependiente de la traducción y la transcripción) disminuyeron como resultado de la ausencia del aparato de la columna.
Otros estudios han demostrado que la expresión y distribución alterada de RyR, IP3R y canales de calcio dependientes de voltaje de tipo L (L-VDCC) pueden disminuir LTP1, LTP2 y LTP3. Esta observación, combinada con la observación de que los ratones deficientes en SP tienen una LTP disminuida, sugiere que se requiere la expresión y distribución adecuadas de los canales de calcio dentro del aparato de la columna para controlar la plasticidad sináptica. Además, el aparato de la columna es fundamental para mantener los niveles de calcio citosólico que son fundamentales para la formación de plasticidad sináptica.
Los ratones deficientes en SP también mostraron cambios de comportamiento, incluida una disminución de la actividad locomotora horizontal , una disminución de la ansiedad y una disminución de la capacidad para adquirir memoria espacial relacionada con LTP3, como se muestra en un laberinto de brazos radiales . La disminución de la actividad locomotora y la disminución del aprendizaje espacial sugieren el papel del aparato de la columna en la inducción de la LTP cerebelosa, además de la LTP del hipocampo. Los mecanismos exactos de estas deficiencias no se comprenden completamente. Se cree que estas modificaciones de comportamiento son epifenómenos de la ausencia de un aparato de la columna y los cambios en los mecanismos de control del calcio citosólico que normalmente proporciona el aparato de la columna.
La sinaptopodina , una proteína que se une a la actina y la α-actinina-2, está estrechamente relacionada con el aparato de la columna. Aunque los ratones maduros con deficiencia de SP carecen del aparato de la columna y muestran LTP alterada, la relación entre SP, el aparato de la columna y la plasticidad se complica por los siguientes tres hallazgos: (1) Además de estar asociado con el aparato de la columna, SP es también se encuentra en el organelo cisternal, que es estructuralmente similar al aparato de la columna. (2) El aparato de la columna se encuentra generalmente en las espinas de los hongos de las neuronas maduras, pero se han detectado amplios niveles de SP y expresión de LTP en ratas jóvenes de tan solo 15 días de edad. (3) A diferencia de SP, el aparato de la columna no se ha encontrado en neuronas cultivadas. Estos hallazgos han llevado a algunos a la conclusión de que el aparato de la columna está implicado en la plasticidad solo porque este orgánulo está asociado con SP.
Se ha proporcionado evidencia directa de una función esencial del aparato de la columna en la depresión a largo plazo (LTD) dependiente de mGluR al comparar la plasticidad de las sinapsis en las espinas con o sin aparato de la columna. En este estudio, solo las sinapsis asociadas con sER mostraron esta forma de depresión. El bloqueo de la liberación de Ca 2+ mediada por IP3 bloqueó la depresión sináptica, lo que indica un papel causal del aparato de la columna en la inducción de LTD dependiente de mGluR.