Biosensori per tracciare l'attività della proteina Kinase C

L'attività delta della proteina chinasi C innescata dalla plasticità di poche sinapsi regola i cambiamenti a livello cellulare nella trascrizione genica

Si ritiene che la plasticità dipendente dall'attività delle sinapsi sia la base cellulare dell'apprendimento. Questi cambiamenti sinaptici sono mediati dal coordinamento delle reazioni biochimiche locali nelle sinapsi e dai cambiamenti nella trascrizione genica nel nucleo per modulare i circuiti neuronali e il comportamento. La famiglia di isoenzimi della proteina chinasi C (PKC) è stata a lungo stabilita come critica per la plasticità sinaptica. Tuttavia, a causa della mancanza di idonei strumenti specifici per gli isoenzimi, il ruolo della nuova sottofamiglia degli isoenzimi PKC è in gran parte sconosciuto.

Quando interagisci con il mondo che ti circonda, le tue esperienze vengono registrate come cambiamenti nelle forze di connessione tra i neuroni nel tuo cervello. Questo processo, chiamato plasticità sinaptica, altera il modo in cui le informazioni fluiscono attraverso il cervello ed è fondamentale per l'apprendimento, la memoria e persino il recupero dalle lesioni.

Una nuova ricerca guidata dal dottor Ryohei Yasuda (1), direttore scientifico dell'MPFI, e pubblicata sul Journal of Neuroscience (2), ha identificato un ruolo critico per un enzima di segnalazione chiamato Protein Kinase C delta (PKCd) in questo processo. Il team di scienziati ha sviluppato biosensori per tracciare l'attività di PKCd durante la plasticità, superando sfide di lunga data nello studio della sua funzione. Attraverso questo nuovo approccio, hanno scoperto che PKCd creava un “effetto farfalla” trasmettendo segnali locali da alcune delle migliaia di sinapsi in un neurone per regolare i cambiamenti a livello cellulare nell'espressione genica.

Il coordinamento della plasticità locale nelle sinapsi con i cambiamenti nel nucleo consente cambiamenti duraturi nel trasferimento di informazioni nel cervello durante l'apprendimento. Tuttavia, gli enzimi e le reazioni che coordinano la segnalazione dalla sinapsi al nucleo non sono stati completamente compresi. Sviluppando nuovi approcci allo studio di vecchie domande, gli scienziati del MPFI sono stati in grado di identificare che la PKCd è essenziale per questo processo critico.

PKCd fa parte della famiglia PKC, un gruppo di 12 enzimi strettamente correlati, noti per essere necessari per la plasticità sinaptica. Tuttavia, il ruolo dei singoli enzimi nella famiglia PKC nella plasticità sinaptica non era chiaro. Questa incertezza era dovuta principalmente agli scienziati privi di strumenti che consentissero loro di distinguere i ruoli unici di questi membri della famiglia strettamente imparentati.

Per superare questa limitazione, gli scienziati hanno sviluppato biosensori per visualizzare l'attività dei membri specifici della famiglia di enzimi PKC. Il team ha scoperto che uno di questi enzimi, PKCd, era indispensabile per la plasticità sinaptica. Il blocco della sua funzione ha impedito l'aumento della forza e delle dimensioni delle connessioni sinaptiche.

In particolare, lo studio ha rivelato che l'attività di PKCd variava a seconda della natura dello stimolo di plasticità. PKCd è stato attivato in misura maggiore e per un tempo più lungo quando sono state rafforzate diverse sinapsi. Inoltre, la sua attività si è diffusa in tutto il neurone, regolando le reazioni biochimiche dalle sinapsi attraverso il neurone al nucleo, dove hanno attivato la trascrizione genica.

«Questo lavoro fornisce nuovi strumenti, che superano i limiti di lunga data nello studio delle funzioni dei singoli enzimi PKC e fornisce una maggiore comprensione della plasticità sinaptica, un processo critico nella funzione cerebrale», descrive il dottor Lesley Colgan, ricercatore capo dello studio. «Attraverso questo approccio, abbiamo scoperto un meccanismo efficiente per lo scambio di informazioni tra sinapsi e trascrizione genica all'interno del nucleo, convertendo la plasticità a breve termine in forme di plasticità più durature che probabilmente sono alla base della formazione della memoria».

Come la diffusione dell'attività PKCd da poche sinapsi in tutto il neurone, gli scienziati sperano che lo sviluppo di nuovi biosensori per la famiglia di enzimi PKC avrà un impatto oltre il campo della plasticità sinaptica.

Come ha osservato il dottor Lesley Colgan, «La famiglia di enzimi PKC è coinvolta in molte funzioni cellulari ed è stata implicata in molte malattie, tra cui il morbo di Alzheimer, il cancro e le malattie cardiache. Ci auguriamo che gli strumenti sviluppati in questo documento vengano utilizzati da altri ricercatori facenti parte della comunità scientifica per affrontare molte questioni diverse e avere un impatto in questi importanti campi scientifici».

Lesley A. Colgan, Paula Parra-Bueno, Heather L. Holman, Xun Tu, Anant Jain, Mariah F. Calubag, Jaime A. Misler, Chancellor Gary, Goksu Oz, Irena Suponitsky-Kroyter, Elwy Okaz e Ryohei Yasuda. (2023). Doppia regolazione della segnalazione specifica della colonna vertebrale e da sinapsi a nucleo da parte di PKCd durante la plasticità.

Questa ricerca è stata supportata dal National Institutes of Health con i numeri di premio R35-NS-116804 (RY), R01-MH-080047 (RY) e F32MH101954 (LAC). Questo contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente il punto di vista ufficiale dei finanziatori.

Riferimenti:

(1) Ryohei Yasuda

(2) Dual Regulation of Spine-Specific and Synapse-to-Nucleus Signaling by PKCd during Plasticity

Descrizione foto: Quando impari, i compartimenti sinaptici sui tuoi neuroni crescono e si rafforzano, rappresentati astrattamente come boccioli che si aprono in piena fioritura. Una nuova ricerca ha scoperto che durante questo processo, gli enzimi di segnalazione denominati PKCd, disegnati sopra come farfalle svolazzanti, vengono attivati per supportare il rafforzamento e la crescita delle sinapsi inviando anche segnali, rappresentati dal polline, che si diffondono dalle sinapsi al nucleo del neurone per regolare l'espressione genica a livello cellulare. - Credit: Helena Pinheiro.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A Butterfly Effect