Por primera vez, los científicos del Hospital para Niños Enfermos (SickKids) utilizaron tecnología de imágenes avanzada en el Centro de imágenes biomédicas a nanoescala de SickKids para revelar la estructura atómica de una enzima que las neuronas utilizan para comunicarse.
Toda la actividad cerebral, desde la memoria y las emociones hasta el aprendizaje y el control motor, es posible gracias a la comunicación a través de las sinapsis, las conexiones entre las neuronas. Cuando esta comunicación no tiene éxito, pueden ocurrir diversas condiciones como la epilepsia. Una neurona es un tipo de célula que se especializa en comunicarse con otras células enviando señales químicas, llamadas neurotransmisores, a las sinapsis. En el cerebro existen 100 billones de sinapsis entre neuronas.
La forma en que se comunican las neuronas se ha estudiado durante décadas, pero una investigación publicada hoy en Ciencia muestra modelos derivados de cientos de miles de imágenes de alta resolución que revelan la función sináptica con nueva claridad.
Dirigido por el Dr. John Rubinstein, científico principal del programa de Medicina Molecular, y la Dra. Claire Coupland, primera autora y becaria postdoctoral en el Laboratorio Rubinstein, el equipo de investigación espera que al capturar imágenes y modelar cómo se liberan las sustancias químicas de las neuronas, puedan puede ser capaz de informar nuevos objetivos terapéuticos que ayuden a mejorar la atención de los niños con epilepsia y otras afecciones neurológicas.
Tras la publicación de estos hallazgos, Rubinstein comparte cómo su equipo capturó las imágenes y qué podrían significar sus hallazgos para los pacientes en el futuro.
¿Qué descubrió su investigación sobre la forma en que se comunican las neuronas?
Cuando se comunican, las neuronas liberan neurotransmisores en una sinapsis para ser entregados a una neurona receptora. Estos neurotransmisores se liberan a partir de pequeños paquetes llamados vesículas sinápticas. Una vez que se recibe un mensaje, los neurotransmisores deben reabsorberse y reempaquetarse en nuevas vesículas sinápticas para limpiar la sinapsis y dejar espacio para la siguiente señal.
Para facilitar este proceso, una enzima llamada ATPasa de tipo vesicular (V-ATPasa) actúa como una bomba para impulsar los neurotransmisores hacia las vesículas sinápticas. La V-ATPasa también regula la liberación de neurotransmisores de las vesículas.
En nuestra investigación, aprendimos que la forma en que la V-ATPasa controla el proceso de liberación de neurotransmisores de las vesículas sinápticas es deshaciéndose espontáneamente después de que se cargan las vesículas. Descubrimos que cuando llenamos las vesículas sinápticas con neurotransmisores, las V-ATPasas se dividían en dos partes, lo que luego permitía la liberación de neurotransmisores.
¿Cómo capturaste imágenes de este proceso?
Mediante el uso de nuevos métodos bioquímicos y nuevos métodos de imágenes respaldados por el Centro de imágenes biomédicas a nanoescala de SickKids, pudimos aislar vesículas sinápticas y obtener imágenes de ellas. A partir de ahí, desarrollamos nuevos enfoques computacionales para analizar las imágenes y mostrar la V-ATPasa en las vesículas en alta resolución, algo que no se había hecho antes.
Creamos modelos 3D de la V-ATPasa basados en imágenes que capturamos usando microscopía electrónica criogénica (cryo-EM), un método que toma imágenes de muestras a -196 C. Nuestro equipo vio que la V-ATPasa interactúa con varios componentes de la vesícula sináptica. que contiene muchas proteínas y lípidos que participan en la liberación de neurotransmisores.
Lo más sorprendente es que aprendimos que la V-ATPasa interactúa con una proteína llamada sinaptofisina. En peso, la sinaptofisina es la proteína de vesículas sinápticas más abundante. Hasta ahora no se conocía su función en las neuronas. Lo que encontramos muestra que la sinaptofisina podría estar ayudando a reclutar V-ATPasa en las vesículas sinápticas cuando se forman inicialmente.
¿Cuáles son los próximos pasos de esta investigación?
Ahora que hemos descubierto que la V-ATPasa interactúa con la sinaptofisina en las vesículas sinápticas, estamos trabajando con el Dr. Lu-Yang Wang, científico principal del programa de Neurociencias y Salud Mental, para comprender el papel de esta interacción en el cerebro. También queremos comprender cómo la carga de vesículas hace que la V-ATPasa se desmorone y cómo este proceso controla la liberación de neurotransmisores de las neuronas.
En el futuro, este proceso podría ser un objetivo terapéutico para muchas afecciones de salud, incluidos algunos tipos de epilepsia.
Esta investigación fue financiada por los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CIHR), la Universidad de Toronto y el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Naturales (NSERC). La infraestructura de la instalación de imágenes biomédicas a nanoescala recibió el apoyo de la Fundación Canadiense para la Innovación y el Fondo de Investigación de Ontario.
