Proteínas implicadas en la plasticidad sináptica: Arc/Arg3.1

[Capte la atención de los lectores mediante una cita importante extraída del documento o utilice este espacio para resaltar un punto clave. Para colocar el cuadro de texto en cualquier lugar de la página, solo tiene que arrastrarlo.] Proteínas implicadas en la plasticidad sináptica: Arc/Arg3.1 Ana María Visiga Hernández Facultad de Farmacia Curso 2019-2020 Página 1 de 38 TRABAJO FIN DE GRADO “PROTEÍNAS IMPLICADAS EN LA PLASTICIDAD SINÁPTICA: ARC/ARG 3.1” REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ANA MARÍA VISIGA HERNÁNDEZ 10 DE JULIO DE 2020 FACULTAD DE FARMACIA SEVILLA GRADO EN FARMACIA DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA TUTOR: MARTINIANO SANTIAGO PAVÓN UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE FARMACIA Página 2 de 38 1. RESUMEN El aprendizaje requiere la formación de nuevas redes neuronales y cambios en el citoesqueleto de las neuronas para que se almacene, primero como memoria a corto plazo y, con la repetición del mismo, pasar a memoria a largo plazo. Pero el cerebro solo acumula aquella información que le resulte útil y que, como hemos dicho anteriormente, repita a lo largo del tiempo, por lo que la que no lo haga, se elimina. Para ello existe un proceso denominado plasticidad sináptica. La plasticidad sináptica es el proceso por el cual el cerebro es capaz de almacenar la memoria o de eliminar la información que no necesita, regulando así su hemostasia. Esto lo consigue gracias a dos mecanismos importantes, LTP y LTD. Cuando las neuronas se activan a causa de recibir un estímulo, expresan genes tempranos (Immediate Early Genes, IEGs) que van a dar lugar a proteínas importantes relacionadas con la plasticidad como Arc. La expresión de esta proteína, sobre todo en las células granulares del hipocampo, es muy importante para el almacenamiento de la memoria a largo plazo, ya que ayuda a desarrollar el citoesqueleto de la red neuronal, y a la eliminación de la misma, por la endocitosis de los receptores AMPA. Gracias a estos procesos, podemos decir que esta proteína es importante para conseguir la homeostasis en el cerebro, llevado a cabo por la escala sináptica. La desregulación de la misma puede desarrollar unas series de enfermedades como Alzheimer, autismo, depresión, síndrome de Angelman, entre otros. Arc tiene una característica muy importante frente a otros genes tempranos y es que tiene una estructura en cápsida muy parecida a los virus, por lo que es capaz de transmitir su material genético de una neurona a otra gracias al autoensamblaje. Por lo tanto, podemos decir que su origen es vírico y que la transmisión de una neurona a otra se lleva a cabo como si de un virus se tratase. Todo esto hace que Arc sea una proteína muy interesante para su estudio y de la cual aún no tenemos conocimientos suficientes, siendo importantes para poder tratar enfermedades como las citadas anteriormente. Página 3 de 38 Abreviaturas AMPAR: receptor del ácido α-amino-3-hidroxi-5-metilo-4-isoxazolpropiónico Arc/Arg3.1: Proteína asociada al citoesqueleto (Activity-Regulated Cytoskeleton-associated protein/activity-regulated gene 3.1 protein homolog) BDNF: Factor neurotrófico derivado del cerebro (brain-derived neurotrophic factor) CaMKII: Calmodulina quinasa II dependiente de calcio (Ca 2+ /calmodulin-dependent protein kinase II) eIF4E: Factor de iniciación eucariota 4E (Eukaryotic initiation factor 4E) EJC: complejo de unión al exón (Exon junction complex) ERK: proteína quinasa regulada por señales extracelulares (extracellular regulated kinase) FMRP: proteína retraso mental frágil X (Fragile X Mental Retardation Protein) Gag: poliproteínas virales de antígenos específicos de grupo (Group-specific antigen) HFS: estímulo de alta frecuencia (High-frequency stimulation) IEG: gen de expresión temprana (Immediate early gene) LFS: estímulo baja frecuencia (Low-frequency stimulation) LTD: potencial de larga acción (Long-term potentiation) LTD: depresión de larga acción (Long-term depression) MAPK: Proteína quinasa activada por mitógeno (Mitogen-Activated Protein Kinases) NMD: Nonsense mediated decay NMDAR: receptor N-metil-D-aspartato (N-methyl-D-aspartate receptor) PKA: proteína quinasa A (protein kinase A) PRP: proteínas relacionadas con la plasticidad (plasticity-related proteins) SARE: elemento de respuesta a la actividad sináptica (synaptic activity-responsive element) SUMO: small ubiquitin-like modifier Página 4 de 38 Índice 1. Resumen ................................................................................................................................ 2 2. Introducción .......................................................................................................................... 5 2.1. Algo de historia .................................................................................................................. 5 2.2. ¿Cómo formamos estas estructuras neuronales? ........................................................ 6 2.3. Plasticidad sináptica ...................................................................................................... 8 3. Objetivos ............................................................................................................................. 11 4. Metodología ........................................................................................................................ 12 5. Discusión ............................................................................................................................. 13 5.1. Importancia de Arc/Arg3.1 .......................................................................................... 13 5.2. Proteína Arc/Arg3.1. Estructura .................................................................................. 13 5.3. Regulación génica ........................................................................................................ 14 5.3.1. Gen Arc/Arg3.1 .................................................................................................... 14 5.3.2. Transcripción ....................................................................................................... 14 5.3.3. Transporte hacia las dendritas ............................................................................ 16 5.3.4. Traducción ........................................................................................................... 17 5.4. Mecanismo de acción de Arc/arg3.1 ........................................................................... 18 5.4.1. Arc/Arg3.1 en el potencial de larga acción o LTP. Aumento de las espinas dendríticas. .......................................................................................................................... 20 5.4.2. Arc/Arg3.1 en Depresión largo plazo o LTD. Debilitamiento de las espinas dendríticas. Endocitosis de los receptores AMPA. .............................................................. 22 5.4.3. Plasticidad homeostática o escalado sináptico ................................................... 23 5.5. Degradación por ubiquitinina-proteosoma ................................................................ 27 5.6. Arc en el núcleo ........................................................................................................... 27 5.7. Transporte de ARNm encapsulado ............................................................................. 27 5.8. Arc y enfermedades .................................................................................................... 28 5.8.1. Alzheimer ............................................................................................................ 28 5.8.2. Epilepsias ............................................................................................................. 30 5.8.3. Autismo ............................................................................................................... 30 5.8.4. Síndrome del Angelman ...................................................................................... 30 6. Conclusiones........................................................................................................................ 32 7. Bibliografía .......................................................................................................................... 33 Página 5 de 38 2. INTRODUCCIÓN El cerebro es la estructura más compleja del cuerpo humano, la cual consta de 100.000 millones de neuronas con infinitas conexiones y combinaciones entre ellas, siendo capaz de entender el medio externo y su propia existencia (Pascual-Garvi et al., 2004). Esto contrasta con lo que se había pensado durante mucho tiempo, que la capacidad de cambio del sistema nervioso era inexistente, pero gracias a investigaciones desarrolladas a lo largo de los años se ha comprobado que el cerebro puede modificar sus acciones en ciertas situaciones, no solo en la infancia, sino en la edad adulta e, incluso, cuando hay daño cerebral causado por enfermedades, como es el caso Alzheimer (Bayona et al., 2011; Horta et al.,2019). 2.1. ALGO DE HISTORIA Estas modificaciones se han ido descubriendo con investigaciones a lo largo del tiempo. El primer registro en el que se podría aludir a este proceso es de un científico italiano llamado Ernesto Lugaro que, en 1906, acuñó el concepto de plasticidad cortical en el cual exponía que el paso de un impulso nervioso deja huella en la neurona. Sin embargo, ya antes en 1904 Santiago Ramón y Cajal en Textura del sistema nervioso argumentaba que la modificación del comportamiento debía tener una base anatómica en el cerebro, es decir, se debían crear nuevas ramificaciones y reforzar las ya existentes. En 1938 una neuróloga estadounidense, Margaret Kennard, llevó a cabo un experimento por el cual realizó lesiones quirúrgicas en la corteza motora de los monos, observando que en los primates más jóvenes, el déficit motor que estas generaban era menor. Poco después, en 1947, Hebb expuso una de las teorías más importantes y es que la experiencia conlleva una remodelación sináptica. Fue el primero en establecer el concepto de plasticidad cerebral o plasticidad hebbiana (Horta et al., 2019). Se siguieron haciendo estudios donde se evidenciaba y se avalaba este postulado, pero suponían que estos cambios solo se desarrollaban a lo largo de la infancia, hasta que en 2005 Álvaro Pascual-Leone realizó un experimento. Se basó en vendar los ojos durante 5 días a una serie de voluntarios, mientras les mantenían ocupados leyendo braille y diferenciando tonos escuchados con auriculares. Los resultados obtenidos fueron muy interesantes, puesto que los cambios inducidos por el vendaje revelan la capacidad de plasticidad del cerebro en respuesta de cambios ambientales. Así, aunque las redes neuronales de la corteza visual disminuían, para poder hacer frente a los estímulos expuestos se modificaron otros procesos como el aumento de los auditivos o táctiles. Sin embargo, los cambios surgidos regresaban a la normalidad cuando se restauraba la entrada visual (Pascual-Leone et al., 2005). Página 6 de 38 La neuroplasticidad o plasticidad cerebral nos indica que el cerebro y, por lo tanto, nuestro sistema nervioso es flexible y se adapta a toda circunstancia que ocurre a lo largo de la vida, llevando a cabo, no solo modificaciones en sus propias conexiones, sino también en mecanismos biológicos y bioquímicos (Bayona et al., 2011). Los cambios son producidos por procesos fisiológicos que ocurren en nuestro cerebro y que se lleva a cabo de distintas formas, lo que nos hace pensar que hay distintos tipos de plasticidad cerebral; las químicas, llevadas a cabo por neurotransmisores, las sinápticas, que son los cambios producidos por las conexiones, y la neuroregeneración (Bear et al., 2016). Por lo tanto, estamos ante unas de las capacidades más importantes del cerebro, la capacidad de tomar conciencia sobre su existencia y de lo que le rodea, para adaptarse así al mundo. Gracias a esto podemos comprender los procesos de aprendizaje y rehabilitación. Además, la plasticidad sináptica, provoca que el cerebro puede adaptarse en un corto periodo de tiempo a nuevas condiciones mediante el cambio de las uniones entre sus neuronas y que, si esto se almacena pero no se repite, se elimina (Horta et al., 2019). 2.2. ¿CÓMO FORMAMOS ESTAS ESTRUCTURAS NEURONALES? Para entenderlos mejor, tenemos que tener una idea de cómo son y cómo se distribuyen las neuronas. Las neuronas están formadas por dendritas, soma y axón. El soma es el centro metabólico de la célula nerviosa, es donde se lleva a cabo la síntesis de ARN mensajero, ribosómico y de proteínas. El axón es originado al final del soma, a partir de lo que se conoce como cono axónico y es lo que conecta con las dendritas de otras neuronas. Por último, y más importante para nuestro estudio, las dendritas, que se ramifican dando la apariencia de árbol o arbusto, donde podemos observar, tanto ramas más distales, como pequeñas extensiones en forma de yemas. Estas se denominan espinas dendríticas, que es lo que realmente conecta a las neuronas, es decir, son lugares de contacto sináptico. Los únicos orgánulos que nos encontramos aquí son elementos del citoesqueletos, además de mitocondrias y algunos ribosomas libres importantes para la síntesis proteínas como la que nos ocupa (Haines et al., 2013). Lo interesante de estas espinas es que no son estáticas, sino que su morfología cambia a lo largo de la edad adulta, reflejo de la plasticidad sináptica. Contienen la maquinaria postsináptica necesaria para la regulación del impulso nervioso; receptores de glutamato, proteínas de la densidad post-sináptica y el citoesqueleto de actina (Fregozo y Vega, 2012). Y ¿Cómo se conectan estas neuronas y forman una red? Mediante las sinapsis, que se pueden generar de distintas maneras, las eléctricas, muy primitivas y que consiste en la transmisión directa de una corriente iónica de una neurona a otra cuando están a una distancia muy Página 7 de 38 pequeña; y las químicas, las cuales son las que suele utilizar el cerebro maduro. En este tipo, existe un espacio entre la membrana presináptica y postsináptica de mayor distancia denominado hendidura sináptica. En el axón de la neurona presináptica nos encontramos con unas series de vesículas llenas de neurotransmisores llamados gránulos de secreción. Cuando en esta neurona aumenta la concentración de Ca+2, se genera un potencial de acción que hace que se liberen de estos gránulos los neurotransmisores por exocitosis a la hendidura sináptica. Estos llegan a la neurona postsinápticas uniéndose a sus respectivos receptores, los cuales, pueden ser receptores asociados a canales iónicos o ionotrópicos y receptores asociados a proteínas G o metabotrópicos (figura 1) (Bear et al., 2016). Figura 1. Sinapsis. Fuente: Bear et al., 2016 La diferencia entre ambos receptores es que, en los primeros, al unirse el neurotransmisor, se induce un cambio conformacional, pasando de su estado cerrado a abierto y pudiendo ser atravesado por iones. En el segundo, el neurotransmisor se une al receptor, el cual activa a unas pequeñas proteínas, denominadas proteínas G, que se mueven por la cara intracelular de la membrana postsináptica activando a las proteínas efectoras. Es así como se consigue el intercambio de información entre las distintas neuronas (Bear et al., 2016). En el caso del glutamato, tenemos receptores ionotrópicos NMDA, AMPA y kainato, y en el caso de los metabotrópicos el más nos interesa es el mGluR1 (figura 2). Página 8 de 38 Figura 2. Receptores ionotrópicos y metabotrópicos del glutamato. Fuente: ResearchGate. 2.3. PLASTICIDAD SINÁPTICA Cuando se crean nuevas sinapsis, es decir, conexiones entre las neuronas, y se reconstruye el citoesqueleto neuronal debido a nuevos estímulos, se genera la plasticidad sináptica. Comienza cuando al cerebro le llegan nuevos conocimientos, información o estímulos. Esto es lo que se conoce como aprendizaje que forma redes más flexibles y móviles generando la memoria a corto plazo. Si este aprendizaje se repiten a lo largo del tiempo, se convierten en redes más estables y densas que son las que se encargan de la memoria a largo plazo (Valenzuela, 2013). Se distinguen dos tipos de memoria a largo plazo; la explícita que es la que adquirimos gracias al estudio de ciertos temas en las aulas o por experiencias personales y la implícita, que se construye de manera más lenta gracias a la repetición y se identifica más con acciones (Loubon y Franco, 2010). Por lo tanto, la plasticidad se da como resultado del aprendizaje y de la experiencia. Así se sabe que mientras más gratificante sea la experiencia del aprendizaje mayor será la plasticidad. Además, a medida que se va aprendiendo y viviendo experiencias, no solo se lleva a cabo el fortalecimiento de las mismas, sino que puede ser que aquello que no utilicemos sea eliminado. Es a lo que se denomina poda sináptica. Esto se desarrolla mediante dos rutas moleculares cuyos procesos bioquímicos estudiaremos más adelante que son el potencial de larga acción (LTP) o la depresión a largo plazo (LTD) (Figura 3) (Horta et al., 2019). Página 15 de 38 En el promotor de Arc/Arg3.1 se localiza una región de 100 pares de bases necesarios para su expresión, ésta se denomina ‘synaptic activity responsive element’ (SARE) o elemento responsable de la actividad sináptica que consiste en un único sitio de unión para factores de transcripción como: - Proteína de unión a elementos de respuesta al AMP cíclico o CREB. Este se une a una secuencia específica del ADN, lo que anteriormente hemos llamado secuencia enhancer, y que se denomina elemento de respuesta del AMP cíclico o CRE, el cual es capaz de regular la expresión de genes vecinos (Bear et al., 2016). - Factor de respuesta en suero o SRF que se une a su secuencia enhancer denominada elemento de respuesta conservado de suero o SRE. Este factor es común en muchos promotores IEG (Carmichael y Henley, 2018). - Factor potenciador de miocitos, o MEF2, que es un factor clave para la transcripción de Arc/Arg3.1 en respuesta a la estimulación sináptica (Carmichael y Henley, 2018). Esta región es la que posibilita que, cuando hay una estimulación sináptica, se transcriba Arc/Arg3.1 de manera rápida en el hipocampo (Bramham et al., 2010). Que necesite tanto factores de transcripción y una zona característica para ellos, indica la actividad tan específica y controlada de la expresión de Arc/Arg3.1 (Carmichael y Henley, 2018) Se han descubierto otros elementos importantes fuera de esta secuencia, como ZRE, que contribuyen casi tanto como SARE a la actividad sináptica y a la transcripción de Arc/Arg3.1 cuando ésta es inducida por BDNF (figura 5) (Pintchovski et al., 2009) Figura 5. Control de la transcripción Arc/Arg3.1. Fuente: Carmichael y Henley, 2018 Página 16 de 38 La trascripción de Arc/Arg3.1 tiene dos características importantes; su rápida inducción y su reversibilidad. Gracias a la primera, la transcripción del ARNm de Arc/Arg3.1 se genera a los 30 minutos de la actividad sináptica y ,por la segunda, vuelve a sus niveles basales a las 4-8 horas posteriores a la estimulación. El tiempo que tarda depende de la zona del cerebro donde se genere. Estos cambios en la transcripción de Arc/Arg3.1, junto con su baja expresión basal y su corta vida media, permiten cambios rápidos en la disponibilidad de la proteína Arc/Arg3.1 para regular la plasticidad sináptica (Bramham et al., 2010; Carmichael y Henley, 2018; Korb y Finkbeiner, 2011) El ARNm tiene varias regiones (Figura 6) (Bramham et al., 2010; Gao el al.,2008): - En el 5´UTR nos encontramos con una secuencia llamada ‘Internal Ribosomal Entry Site’ (IRES) que permite la traducción de manera rápida en el caso de que fuese necesario - Siguiendo esta secuencia nos encontramos con A2RE secuencia de 11 nucleótidos que reconoce como ribonucleoproteína nuclear heterogénea A2 (hnRNP) - Secuencia por la que se le va a unir el complejo de unión al exón central (ECJ) por la proteína eIF4AIII - Un 3´UTR contiene dos secuencias encargadas de localizar a la proteína en la dendrita. Estos son DTE. 5.3.3. Transporte hacia las dendritas El ARNm que se sintetiza en el núcleo, pasa al citoplasma para su transporte a las dendritas, sin embargo, el proceso es desconocido (Gao et al.,2008), lo que sí se sabe, es que una vez en el citoplasma se inicia su transporte gracias a la formación de gránulos de ARNm o ribonucleoproteína mensajera. Este complejo va a estar formado por unas series de proteínas donde destacamos (Figura 7): - Proteínas de transporte y formadoras del complejo como ribonucleoproteína nuclear heterogénea A2 (hnRNP) que se une a la secuencia A2RE. Gracias a esta proteína se forma la ribonucleoproteína mensajera, a la que se unen otros factores (Giorgi et al., 2007) - A los gránulos de ARNm se une a un complejo de unión al exón central (Giorgi et al., 2007). Es un complejo proteico que se ensambla con el ARNm por una secuencia que posee el mismo. El núcleo de ECJ comprende cuatro proteínas (Boehm y Figura 6: ARNm de Arc/Arg 3.1 Fuente: Modificación Bramham et al., 2010 Página 17 de 38 Gehring, 2016), donde la que realmente nos importa es el factor de iniciación eucariótico 4AIII, ya que es la que se une a los gránulos y permite regular la traducción de ARNm en proteínas. Gracias a este se pueden unir proteínas de retraso mental X frágil (FMRP) (Giorgi et al., 2007) y otro complejo que veremos más adelante, pero que inhibe la traducción ya en las dendritas. - Después se une FMPR y puromicina para inhibir la traducción (Kanai et al., 2004). FMRP funciona tanto como represor traduccional como proteína adaptadora, es decir, une Arc/Arg3.1 mRNP al complejo motor quinesina, seguido del acoplamiento a F-actina cuando llegan a las dendritas, provocando así, que se separe de este complejo motor y se pueda traducir (Davidovic et al., 2007; Heredia et al., 2004) 5.3.4. Traducción Una vez en las dendritas y acoplados en la F-actina, se traduce nuestra proteína. Sin embargo, la función neuronal adecuada y las formas de plasticidad sináptica dependen en gran medida del control preciso de la traducción de ARNm, particularmente en las dendritas. Para ello, tenemos un mecanismo de vigilancia que degrada los ARNm para evitar su traducción. Este complejo se denomina Nonsense-mediated RNA decay (NMD), el cual se une al ARNm gracias a que el ECJ capta a FMRP, que a su vez, permite la unión de NMD (Giorgi et al., 2007). NMD tiene dos genes centrales son Upf1 y Upf2 (Vicente-Crespo y Palacios, 2012). El gen Upf1 es el que conduce a la degradación de ARN después de una sola ronda de traducción, limitando así la síntesis de Arc/Arg3.1, aunque se sabe que es posible más de una traducción de esta proteína (Bramham et al., 2010). Por lo tanto, la función de NMD sería la de frenar la síntesis de proteínas en células como las neuronas, que tienen que tener un control preciso de la expresión de proteínas (Figura 7) (Giorgi et al., 2007). Figura 7: transporte y regulación de la traducción Arc/arg3.1 Fuente: Modificación Bramham et al., 2010 Por otro lado, la traducción necesita la unión del ARNm a un ribosoma, que depende de la cooperación de numerosos factores de traducción, siendo uno de ellos, el factor de iniciación eucariota de traducción 4E (eIF4E), el cual promueve el reclutamiento del complejo de preiniciación 43S. La fosforilación de este factor por las rutas MAPK activadas anteriormente Página 18 de 38 mejoran la traducción de la proteína, mientras que la hiperfosforilación disminuye la misma (Richter y Sonenberg, 2005). Así la activación por estimulación neuronal conlleva una mayor fosforilación del factor eIF4E, aumentando la síntesis de nuestra proteína (Bramham et al., 2010). Arc/Arg3.1 puede sufrir modificaciones postraducionales. Así, podemos nombrar la adición postraduccional de una proteína llamada pequeño modificador similar a la ubiquitina (SUMO), el cual, se piensa que puede ser el mecanismo principal para regular la localización intracelular, interacciones proteicas, renovación y actividad de proteínas diana (Meulmeester y Melchior, 2008). Esta modificación, se lleva a cabo mediante una cascada de enzimas similares a las involucradas en la ubiquitinación y en mamíferos nos encontramos con tres tipos de proteínas que pueden formar el complejo; SUMO 1, SUMO 2 y SUMO 3, siendo la SUMO 1 la que nos interesa (Carmichael y Henley, 2018; Meulmeester y Melchior, 2008; Nair et al., 2017) ya que es la que se une a Arc/Arg3.1 y permite que se dirija hacia las dendritas y el citoesqueleto durante la consolidación de LTP (Nair et al., 2017). 5.4. MECANISMO DE ACCIÓN DE ARC/ARG3.1 Arc/Arg 3.1 se sintetiza cuando el glutamato o el BDNF se une a varios de sus receptores, dando lugar a varios procesos de la plasticidad donde intervendrá la proteína (figura 8) (Mabb y Ehlers, 2018): - El glutamato se puede unir a sus receptores ionotrópicos (AMPA y NMDA), produciendo tanto LTP como LTD (Bramham et al., 2010; Mabb y Ehlers, 2018). - Cuando el glutamato se une a los receptores metabotrópicos del grupo 1 producen LTD (Carmichael y Henley, 2018; Mabb y Ehlers, 2018). - El factor neutrófico derivado del cerebro o BDNF se une a TkrB produce LTP (Bramham y Messaoudi, 2005; Mabb y Ehlers, 2018) Página 19 de 38 Figura 8: Acciones de Arc/Arg3.1 en la plasticidad sináptica dependiendo del receptor activado. Fuente: (Mabb y Ehlers, 2018) Arc/Arg3.1 participa en dos mecanismos fisiológicos fundamentales para el aprendizaje, la potenciación a largo plazo (LTP) y la depresión a largo plazo (LTD), descubiertas en primer lugar en el hipocampo ya que este es el que se encarga de almacenar la memoria (Chéron, 2018.) Además, estos procesos se han estudiado, sobre todo, en el hipocampo debido a que es una zona del cerebro con la cual se podían hacer estudios in vitro durante muchas horas. El hipocampo está formado por dos láminas situadas una encima de la otra, tenemos la circunvalación dentada y el asta de Ammon que se subdivide en 4 tipos de células, las que más nos interesan la CA1 y la CA3 (Bear et al., 2016). La información entra al hipocampo por la corteza entorrinal, a partir de aquí la aferencia sigue 3 vías; la vía perforante, formada con unas series de axones que se conectan con las células granulosas de la circunvalación dentada. Las fibras musgosas que son los axones de las células granulosas, hacen sinapsis con las células piramidales de las células CA3. Por último, la vía colateral de Schaffer por la cual los axones de las células CA3 conectan con las células CA1 (Figura 9) (Loubon y Franco, 2010). Los niveles y la persistencia de la inducción de Arc/Arg3.1 parecen diferir según la región del cerebro y el tipo de célula. Por ejemplo, regiones diferentes del hipocampo, CA3 y CA1, mostraron una inducción de Arc/Arg3.1 diferente en respuesta a tareas de comportamiento (Kelly y Deadwyler, 2003). Figura 9. Entrada de información en el hipocampo. Fuente: Loubon y Franco,2010 Página 20 de 38 5.4.1. Arc/Arg3.1 en el potencial de larga acción o LTP. Aumento de las espinas dendríticas. LTP Una estimulación fuerte no es necesaria para que se origine el LTP. Es necesario, por una parte, que estas sean frecuentes (HFS) para que se sume unas a otras formando el primer requisito del LTP, asociatividad, el cual llevará al segundo, que es que en ese momento la neurona postsináptica esté despolarizada (cooperatividad). Así un estímulo fuerte podrá generar LTP, pero si no es frecuente decaerá en unas horas, es lo que se conoce como LTP temprano, el cual podrá eliminarse gracias al LTD. Sin embargo, si éste se produce por HFS durará mucho más tiempo y generará el LTP tardío (Bear et al., 2016). La transmisión sináptica excitadora en el hipocampo está mediada por glutamato. Las células colaterales de Schaffer liberan este neurotransmisor, el cual, al liberarse, se une al receptor AMPA entrando Na+ y K+ en las neuronas CA1. Estas neuronas postsinápticas, también presentan receptores NMDA, sin embargo, están bloqueados por Mg2+, ya que, a diferencia del anterior, son voltaje-dependientes, por lo que, para que se desbloquen, necesitan que se lleve a cabo la despolarización de la membrana postsináptica. La despolarización se consigue por la acumulación de Na+ gracias al flujo que crea el receptor AMPA. Cuando esto ocurre, se desplaza al Mg+2, por lo que el Ca2+ podrá entrar en la neurona postsináptica a través de este canal. Se genera lo que se conoce como LTP precoz (Figura 10) (Loubon y Franco, 2010). Figura 10: generación LTP. Fuente: Loubon y Franco,2010 Si la estimulación sigue, habrá un aumento del Ca2+ haciendo que, a su vez, se activen a unas series de cascadas de proteínas. - Primero, calmodulina quinasa dependientes del calcio II (CAMKII). CAMKII tiene la capacidad de producir la exocitosis de los receptores AMPA, es decir, puede fosforilarlos Página 21 de 38 aumentando su concentración en la membrana, incrementando la afinidad del glutamato por estos receptores y aumentando la fuerza del potencial. Así comienza el LTP tardío. (Matynia et al., 2002). - CaMKII es capaz de convertir el ATP en AMP cíclico (AMPc), de manera que activan a PKA que es la encargada de activar una cascada de reacciones bioquímicas denominadas rutas MAPK (Chéron, 2018; Loubon y Franco, 2010). Estas cascadas constituyen una vía de la más importantes en la regulación celular como la diferenciación, la proliferación y la migración al activar señales de distintos tipos desde los receptores de membrana hasta los factores de transcripción nuclear, que serán los encargados de iniciar la transcripción de las proteínas como Arc/Arg3.1, la cual, cambiará el citoesqueleto de las conexiones sináptica y ayudará a almacenar la memoria. La estructura básica de esta vía está formada por tres quinasas RAF, MEK y ERK, donde se van fosforilando una a otra hasta llegar a la proteína quinasa reguladora extracelular que es la que se transloca al núcleo para activar a los factores de transcripción (Figura 11) (Zafon Obiols, 2009). Figura 11: LTP tardío y síntesis de novo de proteínas Fuente: Cherón,2018 Así se produce la expresión de genes que codifican para proteínas relacionadas con la plasticidad (PRP), como es caso de la proteína que nos ocupa (Bello-Medina et al., 2019), tal y como hemos visto en otros apartados. Aumento de las espinas dendríticas. Una vez traducida, si hay mucha actividad sináptica, Arc/Arg3.1 sufre una modificación postraducional en la que se le une una proteína SUMO. Esta es la que determina que se va a retener el aprendizaje, ya que forman un complejo con Debrina A que estabiliza la actina y Página 22 de 38 aumenta la transmisión glutaminérgica (Kedrov et al., 2019). La actina es una proteína que existe en su forma monomérica (G-actina) y polimérica (F-Actina). En las espinas están presentes ambas. La inducción de LTP y la unión de las distintas proteínas hacen que la relación cambie más hacia la F-actina incrementando el volumen de las espinas dendríticas (Fregozo y Vega, 2012). Es así como la unión de Arc/Arg 3.1, junto a otras proteínas, cambia el citoesqueleto de las sinapsis que se generan entre las distintas neuronas, fortaleciendo las espinas dendríticas más débiles o engrosando las fuertes (Korb y Finkbeiner, 2011). Todo este proceso está regulado por una retroalimentación positiva ya que al interaccionar Arc/Arg3.1 con F-actina, ésta provoca la fosforilación de eIF4E, aumentando la traducción de la proteína (Bramham et al., 2010). Para mantener el LTP y exponerlo hacia otras neuronas, Arc/Arg3.1 gracias a su parecido a los retrovirus, es capaz de empaquetar su ARNm en cápsidas y transferirlo. Esto es lo que denominaremos como Arc/Arg3.1 exógeno. La capacidad del mismo aún no se conoce bien (Kedrov et al., 2019). Una vez que se ha consolidado el LTP, a las 6 horas de la estimulación sináptica, Ube3A (una enzima ubiquitina ligasa) se sintetiza y marca con ubiquitina a Arc/Arg 3.1 para su degradación. Así se consigue un mecanismo por el cual los niveles de la proteína vuelven a su estado basal después de una actividad prolongada (Korb y Finkbeiner, 2011). Se ha visto que puede existir una segunda oleada de Arc/Arg3.1 que pude ser necesaria para la consolidación de LTP (Bramham et al., 2010; Korb y Finkbeiner, 2011). Para comprobar esto se han hecho estudios in vitro con ratones donde se vio que la densidad de las espinas disminuía con la interrupción de la síntesis Arc/Arg3.1. Además, en investigaciones con ratones KO (KnockOut, que son ratones a los cuales se les ha inactivado un gen, en este caso, el del Arc/Arg3.1) se ha visto que son capaces de aprender, pero no de consolidar ese aprendizaje. Estos ratones fueron sometidos a una serie de actividades y observaron que podían aprender y recordar en un corto periodo de tiempo, sin embargo, pasadas 24 horas no podían llevarlas a cabo (Korb y Finkbeiner, 2011). 5.4.2. Arc/Arg3.1 en Depresión largo plazo o LTD. Debilitamiento de las espinas dendríticas. Endocitosis de los receptores AMPA. La plasticidad sináptica, no solo requiere que se genere potenciales de larga acción, también requiere que toda aquella información que no se use, se pueda eliminar. Así, el LTD puede hacer que se debiliten las espinas dendríticas. Si inducimos LTD, entonces la relación G-actina/F-actina se cambia hacia G-actina, disminuyendo los filamentos de actina y provocando la contracción de las espinas dendríticas (Fregozo y Vega, 2012). Para ello, el LTD se puede generar por: Página 23 de 38 - El glutamato se une a los receptores del glutamato metabotrópicos del grupo 1 (mGluRs) (Carmichael y Henley, 2018) - Estímulos débiles a baja frecuencia (LFS) en las células de Schaffer, induciendo una despolarización débil de CA1. En esta membrana los receptores NMDA estarán parcialmente bloqueados, por lo que entrará menos cantidad de calcio, y CaMKII estará en su forma inactiva, llevando a cabo la endocitosis de los receptores AMPA con la ayuda de Arc/Arg 3.1 (Bear et al.,2016; Wall y Corrêa, 2018). Este tipo de receptores son heterodímeros formados por 4 subunidades donde nos importan la GluR1 y GluR2. Arc/Arg3.1 activa el complejo AP-2 y esta asociación, a su vez, se une a estas subunidades de los receptores AMPA. AP-2 permite iniciar la formación del complejo de clatrina, ya que es capaz de reclutar la misma a la membrana. Una vez que comienza a formarse la vesícula, la afinidad de Arc/Arg3.1 por AP- 2 disminuye y se disocia este complejo. Es ahora cuando nuestra proteína se une a dinamina y endofilina y las sitúa en el lugar donde se encuentra la vesícula formada, para provocar la escisión de la misma. Por lo tanto, Arc/Arg3.1 y la vesícula endocítica con los receptores AMPA quedan libres para su a reciclaje o degradación (Figura 13). Hay que tener en cuenta que dinamina y AP-2 se unen en la misma secuencia peptídica a Arc/Arg3.1, por eso es necesaria la disociación de nuestra proteína con AP-2 (Figura 16) (Wall y Corrêa, 2018). Podemos deducir que Arc/arg3.1 tiene una gran importancia en la plasticidad homeostática, ya que aquellos estímulos de baja frecuencia que generen un LTP temprano, pasarán a LTD por la endocitosis de AMPA. 5.4.3. Plasticidad homeostática o escalado sináptico Como sabemos, las conexiones entre las neuronas se modifican dependiendo de la actividad, así HFS conducen a fortalecer estas conexiones (LTP) y LFS conduce a su depresión (LTD). Sin embargo, esto sigue un circuito de retroalimentación positiva, lo cual quiere decir que si le llega a una dendrita un HFS que genera LTP tardío y, al mismo tiempo, a otras dendritas de la misma Figura 13: endocitosis de los receptores AMPA Fuente: Wall y Corrêa, 2018 Página 24 de 38 neurona le llegan estímulos que generen LTP temprano, la fuerza del primero puede hacer que se baje el umbral, provocando que ambos estímulos terminen generando LTP tardío (Figura 12 A), provocando la sobreexcitabilidad de la neurona y enfermedades como la epilepsia. La plasticidad homeostática genera un circuito de retroalimentación negativa. Así la neurona postsináptica puede ajustar la fuerza de todas las aferencias que le llegan en mayor o menor medida para estabilizar el disparo (Figura 12B). Si se genera LTP en ambas dendritas de la neurona, tiene la capacidad de distinguir cual tiene que aumentar su potencial y cual disminuir gracias a la concentración de calcio. Si esta es alta, se llevará a cabo la agregación de receptores AMPA en la membrana y si es baja, se llevará a cabo su endocitosis. Podemos decir que el proceso se basa en pasar de LTP a LTD para mantener el equilibrio del cerebro, teniendo un gran protagonismo las PRP, entre ellas Arc/Arg3.1 (Siddoway et al., 2014; Turrigiano, 2008). A B Figura 12 A: sobrexcitación de la neurona Figura 12B: escalado sináptico Fuente: Turrigiano, 2008 Página 31 de 38 2011). Esta enzima es la encargada de eliminar Arc/Arg3.1 por la vía ubiquitina-proteosoma. Por lo tanto, esta enfermedad se asocia a la acumulación de Arc/Arg3.1, lo que provoca defectos en la neurotransmisión y la plasticidad, aunque no está claro si pueden estar involucrados otros mecanismos (Nikolaienko et al., 2018). Página 32 de 38 6. CONCLUSIONES - Arc/Arg3.1 es un modulador de la plasticidad sináptica, ya que es el encargado de regular procesos como el LTP, LTD y escala sináptica para mantener la homeóstasis del cerebro. Esto lo puede realizar mediante el etiquetado sináptico inverso con la ayuda de CaMKII. - Arc/Arg3.1 es capaz de almacenar nuevos recuerdos por aumentar la proporción de las espinas dendríticas, pero también puede hacer que se dé el olvido de los mismos mediante la disminución de los engrosamientos de esas redes. Lo realiza gracias a su interacción con F-actina. - Arc/Arg3.1 es una proteína que está muy involucrada en trastornos mentales por lo que se debería desarrollar una mayor investigación en torno a ellos. Es importante que no haya ni un exceso, ni defecto de la misma, ya que podría originar trastornos como los vistos. - Por último, por su capacidad de transferir su material genético por vesículas extracelulares, podría utilizarse en terapia génica. Página 33 de 38 7. BIBLIOGRAFÍA Bayona EA, Prieto JB, León-sarmiento FE. Neuroplasticidad , Neuromodulación y Neurorrehabilitación : Tres conceptos distintos y un solo fin verdadero Neuroplasticity , Neuromodulation , and Neurorehabilitation : Three different concepts , one only true goal.Salud Uninorte. 2011;27 (1):95-107. Bear F.M, Connors W.B, Paradio A.M. Neurociencia. La exploración del cerebro. 4º ed. Barcelona: Walters Kluewer;2016. Bello-Medina PC, González-Franco DA, Vargas-Rodríguez I, Díaz-Cintra S. Estrés oxidativo, respuesta inmune, plasticidad sináptica y cognición en modelos transgénicos de la enfermedad de Alzheimer. Neurologia 2019. https://doi.org/10.1016/j.nrl.2019.06.002. Boehm V, Gehring NH. 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