Illustrazione dell'attività sinaptica e della struttura su vari ordini di grandezza che iniziano con il modello di attività (a sinistra) di una placca neuromuscolare di una larva di moscerini della frutta in cui l'attività neuronale viene convertita in una contrazione muscolare. I punti neri contrassegnano i singoli contatti (sinapsi) tra il neurone e la cellula muscolare. Le attività delle singole sinapsi sono state misurate e sono rappresentate dal blu (=inattivo) al rosso (= molto attivo) a seconda di quanto erano attive. Abbiamo utilizzato un microscopio ad alta risoluzione (STED) per mostrare in dettaglio le configurazioni delle cosiddette zone attive (siti di attività sinaptica). In questo caso, le proteine localizzanti sono 'Bruchpilot' (BRP, verde) e Unc13A (magenta). Un diagramma descrive in dettaglio la funzione proteica: Unc13A genera siti di rilascio dove vengono rilasciate le vescicole sinaptiche contenenti neurotrasmettitori. La proteina BRP posiziona questi siti di rilascio con alta precisione per una trasmissione del segnale regolata in modo preciso. (Illustrazione: Mathias Böhme, Andreas Grasskamp, Alexander Walter, FMP)
Le sinapsi sono le aree dove le cellule nervose vengono a contatto. Ciò che succede lì sta al cuore della comunicazione tra le cellule nervose. La comunicazione inizia con il rilascio in queste sinapsi di messaggeri chimici chiamati neurotrasmettitori.
Le vescicole sinaptiche, contenenti neurotrasmettitori, sono coinvolte in questo processo di rilascio, e queste vescicole si fondono con la membrana cellulare. La fusione avviene in una posizione specifica all'interno della sinapsi, piuttosto che in un luogo qualsiasi, a caso.
Gli scienziati dell'Istituto Leibniz per la Farmacologia Molecolare (FMP) e i loro colleghi della Freie Universität Berlin (FU) sono riusciti a identificare la molecola che determina dove vengono liberati i neurotrasmettitori nello spazio sinaptico.
Questo risolve un grande mistero nella neuroscienza, e contribuisce a una migliore comprensione della trasmissione sinaptica e alla possibilità futura di migliorare la nostra capacità di spiegare i processi patologici del sistema nervoso. Le scoperte sono pubblicate sulla rivista scientifica Neuron.
Che parliamo, corriamo o pensiamo, il nostro sistema nervoso risponde sempre, funziona sempre trasformando i segnali elettrici in informazioni chimiche e viceversa. Ciò accade nelle aree di contatto tra le cellule nervose chiamate sinapsi. Un segnale elettrico in ingresso alla sinapsi innesca l'afflusso di calcio attraverso i canali di calcio a seconda della tensione.
A sua volta, questo flusso di calcio porta al rilascio di messaggeri chimici (neurotrasmettitori) entro pochi millisecondi. Le vescicole si fondono in un lampo con la membrana cellulare. La cellula nervosa adiacente convertirà quindi il segnale chimico in un segnale elettrico. Gli scienziati si riferiscono a questo processo come 'trasmissione sinaptica', un processo elementare negli organismi viventi.
Sappiamo bene che molte vescicole affollano ogni sinapsi. Tuttavia, il rilascio dei neurotrasmettitori avviene in pochi punti specifici, la cui collocazione, in relazione ai canali di calcio, sembra cruciale per la trasmissione sinaptica. La distanza corretta determina la velocità con cui il segnale elettrico può essere trasformato in informazioni chimiche. Fino a poco tempo fa, tuttavia, non si conosceva la molecola che gestisce i siti di rilascio.
Spazio e tempo sono interconnessi
Gli scienziati dell'Istituto Leibniz di Farmacologia Molecolare (FMP) e i loro colleghi della Freie Universität Berlin (FU) sono riuscisti a identificare tale molecola. È la proteina Unc13A, ed è ben nota agli scienziati. La proteina è stata scoperta negli anni '70.
Ogni volta che questa proteina funzionava male nei lombrichi, i movimenti di questi vermi diventavano scoordinati (UNCoordinated), e così ha dato il nome alla proteina. Dato l'effetto della Unc13 sui vermi, trovare una funzione importante per questa proteina non sarebbe stata una sorpresa per gli scienziati anche poco dopo la sua scoperta.
Il dottor Alexander Walter, neuroscienziato del FMP, spiega: "Sapevamo che la molecola ha un ruolo importante nel trasferimento delle informazioni, in quanto non c'è alcuna trasmissione sinaptica quando manca; tuttavia, non sapevamo che questa proteina determina il sito di rilascio del neurotrasmettitore".
Gli scienziati hanno impiegato quasi quattro anni e hanno usato combinazioni di varie misure e metodi ottici per individuare con certezza la proteina Unc13A. Cambiando la posizione della proteina Unc13A nella sinapsi e la sua distanza dal canale del calcio, si spostava il sito di rilascio del neurotrasmettitore.
Spostare la proteina cambiava anche il cammino temporale della trasmissione sinaptica, come spostare i blocchi di partenza rispetto alla linea di arrivo in una corsa. A seconda della distanza, il trasferimento delle informazioni richiede più o meno tempo. Ciò dimostra che la disposizione spaziale dei siti di rilascio è strettamente accoppiata al corso temporale del flusso di informazioni tra le cellule nervose.
Il dottor Alexander Walter sottolinea: "I nostri esperimenti hanno rivelato che l'esatto posizionamento assicura che la trasmissione sinaptica proceda alla giusta velocità. Sono sicuro che ognuno possa immaginare quanto ciò sia importante per la precisa comunicazione tra le cellule nervose e per la modalità operativa del cervello".
Rilevanza oltre la ricerca di base
La scoperta contribuisce significativamente alla comprensione dell'organizzazione della trasmissione sinaptica. Un grande divario nelle neuroscienze è stato chiuso.
Gli scienziati hanno usato il moscerino della frutta Drosophila melanogaster per i loro esperimenti. Tuttavia, la proteina Unc13 è presente anche negli organismi superiori, compresi gli esseri umani. Pertanto è molto probabile che il principio dei siti di rilascio definiti si applichi a tutte le specie.
"Per capire i cambiamenti patologici dobbiamo prima comprendere le basi della trasmissione sinaptica, proprio come dobbiamo capire come funziona un'auto prima di poterla riparare", sostiene il neuroscienziato Dr. Alexander Walter. Per questo motivo, l'identificazione della molecola è rilevante al di là della ricerca di base. Un giorno, la scoperta potrà dare benefici ai pazienti con malattie neurologiche.
Fonte: Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB) (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Riferimenti: Suneel Reddy-Alla, Mathias A. Böhme, Eric Reynolds, Christina Beis, Andreas T. Grasskamp, Malou M. Mampell, Marta Maglione, Meida Jusyte, Ulises Rey, Husam Babikir, Anthony W. McCarthy, Christine Quentin, Tanja Matkovic, Dominique Dufour Bergeron, Zeeshan Mushtaq, Fabian Göttfert, David Owald, Thorsten Mielke, Stefan W. Hell, Stephan J. Sigrist, Alexander M. Walter. Stable Positioning of Unc13 Restricts Synaptic Vesicle Fusion to Defined Release Sites to Promote Synchronous Neurotransmission. Neuron, 2017; DOI: 10.1016/j.neuron.2017.08.016
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