Los científicos del Campus de Investigación Janelia del HHMI han descubierto un nuevo tipo de sinapsis en los diminutos vellos de la superficie de las neuronas.

Las protuberancias que comúnmente se pasan por alto llamadas cilios primarios contienen uniones especiales que actúan como un atajo para enviar señales rápida y directamente al núcleo de la célula, induciendo cambios en la cromatina de la célula que forma los cromosomas.

"Esta sinapsis especial representa una forma de cambiar lo que se transcribe o se crea en el núcleo, y eso cambia programas completos", dice el líder sénior del grupo de Janelia, David Clapham, cuyo equipo dirigió la nueva investigación publicada en Cell. . Los efectos en la célula no son solo a corto plazo, agrega, algunos pueden ser a largo plazo. "Es como un nuevo muelle en una célula que da acceso rápido a los cambios de cromatina, y eso es muy importante porque la cromatina cambia muchos aspectos de la célula".

Es bien sabido que se producen sinapsis entre el axón de una neurona y las dendritas de otras neuronas, pero nunca se habían observado entre el axón de la neurona y el cilio primario. Los microscopios de alta resolución y las herramientas innovadoras de Janelia permitieron a los investigadores mirar profundamente en la célula y los cilios para observar la sinapsis, la cascada de señalización dentro de la célula y los cambios en el núcleo.

El descubrimiento de la sinapsis ciliar podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo se comunican los cambios a largo plazo en las células. Los cilios, que se extienden desde el interior de la célula, cerca del núcleo, hacia el exterior, podrían proporcionar una forma más rápida y selectiva para que las células lleven a cabo estos cambios a largo plazo, dice Clapham.

"Todo se trataba de ver, y Janelia nos permite ver como no podíamos ver antes", dice Clapham. "Abre muchas posibilidades en las que no habíamos pensado".

Imagen de cilios

Casi todas las células de nuestro cuerpo tienen un solo cilio primario, que probablemente sea un vestigio de nuestros ancestros unicelulares. Con receptores de detección de señales deportivas, los cilios juegan un papel importante en la división celular durante el desarrollo. Algunos cilios, como los de nuestros pulmones o la cola de un espermatozoide, también cumplen funciones importantes más adelante en la vida.

Sin embargo, no estaba claro por qué otras células de nuestro cuerpo, incluidas las neuronas, conservaron esta protuberancia del tamaño de una bacteria, similar a un cabello, hasta la madurez. Los científicos habían ignorado en gran medida estos cilios porque eran difíciles de ver con las técnicas de imagen tradicionales. Pero recientemente, mejores herramientas de imágenes han despertado el interés en estos diminutos apéndices.

Shu-Hsien Sheu, científico principal de Janelia y primer autor del nuevo estudio, admite que, aunque se formó como neurocientífico y neuropatólogo, solo aprendió sobre los cilios en las neuronas como postdoctorado en el laboratorio de Clapham. Intrigado, Sheu decidió observar mejor el orgánulo en el tejido cerebral, para ver qué podría aprender.

Sheu usó su experiencia en microscopía electrónica de barrido de haz de iones enfocados, o FIB-SEM, para observar bien los cilios. El microscopio de alta potencia permitió al equipo ver que había una conexión, o sinapsis, entre el axón de la neurona y el cilio que sobresale fuera del cuerpo celular. Las características estructurales de estas conexiones se asemejan a las que se encuentran en las sinapsis conocidas, lo que las lleva a llamar a estas conexiones sinapsis "axon-cilium" o sinapsis "axonciliar".

A continuación, el equipo desarrolló nuevos biosensores y herramientas químicas para estudiar la función de esta estructura recién descubierta. Los investigadores también utilizaron una modalidad de imagen emergente, la imagen de por vida de fluorescencia (FLIM), para realizar mejores mediciones de los eventos bioquímicos dentro de los cilios. "Aprendí FLIM durante la pandemia para abordar algunos de los desafíos técnicos. Resultó ser un cambio de juego", dice Sheu.

Con estas herramientas, el equipo pudo mostrar paso a paso cómo se libera el neurotransmisor serotonina desde el axón hacia los receptores de los cilios. Esto desencadena una cascada de señalización que abre la estructura de la cromatina y permite cambios en el material genómico en el núcleo de la célula. "La función es lo que hace que las estructuras estáticas cobren vida", dice Sheu. "Una vez que confiamos en el hallazgo estructural, analizamos en profundidad sus propiedades funcionales".

Sheu dice que la filosofía de investigación impulsada por la curiosidad del HHMI permitió el descubrimiento, que puede no haber sido posible en un entorno de investigación tradicional. "Este es un buen ejemplo de cómo podemos convertir las observaciones en descubrimientos".

Cambios a largo plazo

Debido a que las señales que pasan a través de la sinapsis ciliar permiten cambios en el material genómico en el núcleo, es probable que sean responsables de cambios a más largo plazo en las neuronas que las señales que pasan de los axones a las dendritas, dicen los investigadores. Estos cambios pueden durar desde horas hasta días o años, según las proteínas que codifica la cromatina.

La nueva investigación analizó específicamente los receptores de serotonina, un neurotransmisor generalizado en el cerebro que desempeña un papel importante en el estado de alerta, la memoria y el miedo. Hay al menos siete a 10 otros receptores en los cilios para diferentes neurotransmisores que ahora deberán examinarse. Los cilios en otras células más allá del cerebro, como el hígado y el riñón, también merecen una mirada más cercana.

Más adelante, una mejor comprensión del papel de estas sinapsis y receptores ciliares podría ayudar a los científicos a desarrollar medicamentos más selectivos. Los medicamentos que se dirigen a los transportadores de serotonina se usan para tratar la depresión, mientras que la serotonina también está relacionada con nuestro ciclo de sueño y vigilia.

"Todo lo que aprendemos sobre biología puede ser útil para que las personas lleven una vida mejor", dice Clapham. "Si puedes descubrir cómo funciona la biología, puedes arreglar las cosas". + Explora más

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