Come si rafforzano le sinapsi? La ricerca sul dolore svela un tassello del puzzle / How do synapses strengthen? Pain research reveals a piece of the puzzle

Come si rafforzano le sinapsi? La ricerca sul dolore svela un tassello del puzzle / How do synapses strengthen? Pain research reveals a piece of the puzzle

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori del Center for Advanced Pain Studies dell'Università del Texas a Dallas (TX, USA) ed i loro colleghi hanno fatto una scoperta fondamentale su un meccanismo chiave che consente il rafforzamento delle connessioni del sistema nervoso.

I risultati hanno implicazioni dirette per una migliore comprensione dei meccanismi biochimici sottostanti coinvolti nell'apprendimento e nella memoria, nonché nel dolore, ha affermato il dott. Ted Price BS'97, professore di neuroscienze Ashbel Smith presso la School of Behavioral and Brain Sciences, direttore del CAPS e coautore corrispondente dello studio pubblicato il 20 novembre sulla rivista Science.

"Questo studio arriva al nocciolo del funzionamento della plasticità sinaptica, ovvero di come si evolvono le connessioni tra i neuroni", ha affermato. "Ha implicazioni molto ampie per le neuroscienze".

La scoperta, basata su studi condotti su topi e tessuti umani, ruota attorno alla fosforilazione, un processo biochimico in cui un enzima chiamato chinasi modifica la funzione di un'altra proteina aggiungendovi una molecola di fosfato. Questo processo è considerato fondamentale per funzioni cellulari come il metabolismo, i processi strutturali e la segnalazione subcellulare.

Il ruolo della fosforilazione extracellulare, che avviene al di fuori delle cellule, è stato tuttavia meno chiaro, soprattutto nelle sinapsi, gli spazi tra le cellule nervose. È in questo spazio che un neurone presinaptico rilascia neurotrasmettitori, peptidi e proteine ​​che poi si legano ai recettori sui neuroni postsinaptici, attivandoli e regolandoli. Questo trasferimento di informazioni costituisce la base della plasticità neuronale, un processo che può aumentare o diminuire la forza delle connessioni tra le cellule nervose coinvolte nell'apprendimento, nella memoria e nel dolore.

I ricercatori si sono concentrati sul ruolo che le chinasi fosforilanti secrete dai neuroni potrebbero svolgere nella regolazione della segnalazione sinaptica.

"La fosforilazione extracellulare avviene tramite ectochinasi, chinasi secrete al di fuori delle cellule. È nota da quasi 150 anni, ma non si è ancora scoperto quasi nulla al riguardo nel sistema nervoso", ha affermato Price. "In questo studio abbiamo scoperto che le chinasi all'interno della fessura sinaptica svolgono un ruolo importante nella plasticità sinaptica. Questi risultati modificano la nostra comprensione, a livello di manuale, del funzionamento delle sinapsi".

I ricercatori sapevano che la fosforilazione tramite ectochinasi era collegata al dolore, ma non sapevano quale chinasi specifica ne fosse responsabile.

È stato recentemente dimostrato che un'ectochinasi chiamata vertebral lonesome kinase (VLK) ha un ruolo nella funzione piastrinica e nello sviluppo osseo. La nuova ricerca condotta da gruppi guidati da Price e dal Dott. Matthew Dalva, direttore del Tulane Brain Institute (LA, USA) e professore di biologia cellulare e molecolare alla Tulane University (LA, USA), suggerisce che la VLK sia necessaria anche per un'interazione chiave tra neuroni che media il dolore indotto da lesioni.

Hanno scoperto che, a seguito di una lesione, i neuroni presinaptici secernono VLK, che a sua volta fosforila il lato extracellulare del recettore 2 dell'efrina di tipo B (EphB2) che fuoriesce dalle membrane delle cellule nervose postsinaptiche. Questo processo unico attrae le proteine ​​recettoriali N-metil-D-aspartato (NMDA), che poi si raggruppano nella membrana insieme ai recettori EphB2. I recettori NMDA svolgono un ruolo chiave nell'apprendimento e nella formazione della memoria, regolando il potenziale elettrico dei neuroni per rafforzare le connessioni sinaptiche

"L'aumento delle concentrazioni dei recettori NMDA nella sinapsi consente alti livelli di attivazione neuronale, portando a maggiori potenziali postsinaptici, un meccanismo fondamentale della plasticità sinaptica", ha affermato Hajira Elahi BS'17, MS'19, PhD'23, co-prima autrice dello studio che ha completato gran parte del lavoro come parte della sua tesi di laurea.

I ricercatori hanno scoperto che i topi geneticamente modificati per essere privi di VLK nei neuroni sensoriali coinvolti nel dolore non sviluppavano ipersensibilità acuta al dolore dopo l'intervento chirurgico. Al contrario, la somministrazione di VLK a topi normali induceva una robusta ipersensibilità al dolore, mediata dall'attivazione del recettore NMDA.

"A complemento degli studi sui topi, abbiamo scoperto che anche i neuroni sensoriali umani esprimono e secernono VLK, e che VLK induce l'interazione tra EphB2 e recettori NMDA anche nei tessuti umani", ha affermato Elahi. "Questo evidenzia davvero l'impatto traslazionale del nostro lavoro: il ruolo ectochinasico di VLK è probabilmente importante anche nella segnalazione sinaptica umana".

Price ha affermato: "Abbiamo avviato questo progetto 10 anni fa, sulla base della nostra consolidata collaborazione con il laboratorio Dalva, sintetizzando inizialmente chinasi qui all'Università del Texas a Dallas [Texas, USA]. Ci sono voluti anni per arrivare a testare VLK. Quando lo abbiamo fatto, è diventato molto chiaro che VLK è la chinasi che fosforila i recettori EphB1 ed EphB2 e che l'attività di VLK è sufficiente a causare il clustering del recettore NMDA".

Dalva, coautore corrispondente dell'articolo, ha aggiunto: "La scoperta che i neuroni rilasciano una proteina chinasi per modificare la funzione sinaptica è di grande importanza e suggerisce molti nuovi ed inaspettati obiettivi. Il nostro lavoro è un ottimo esempio di scienza collaborativa. Il progetto e le nostre scoperte non sarebbero stati possibili senza la condivisione delle competenze dei diversi gruppi partecipanti".

Sebbene i recettori NMDA siano da tempo un potenziale bersaglio per i farmaci antidolorifici, gli approcci diretti per modularli sono pieni di effetti collaterali.

"I recettori NMDA sono coinvolti in quasi ogni aspetto del funzionamento del sistema nervoso", ha affermato Price. "I nostri risultati suggeriscono un nuovo modo di manipolare i recettori NMDA attraverso il targeting di VLK, potenzialmente senza enormi effetti collaterali. Nei neuroni corticali del cervello, VLK sembra essere rilasciato in modo dipendente dall'attività. Per questo motivo, possiamo immaginare un modello con numerose implicazioni all'interno del sistema nervoso".

Un potenziale approccio terapeutico per alleviare il dolore potrebbe includere iniezioni locali per bloccare il VLK nella colonna vertebrale, ha affermato, anche se sono necessarie ulteriori ricerche per determinare quanto sia diffuso il meccanismo sinaptico del VLK nel sistema nervoso.

"Siamo entusiasti di aver scoperto che le chinasi agiscono all'interno della sinapsi, non solo all'interno dei neuroni. Si tratta di un enorme aggiornamento per la nostra comprensione dei meccanismi di base che regolano i recettori coinvolti nella plasticità sinaptica", ha affermato Price. "E penso che stiamo solo grattando la superficie. Dimostrare che l'attività chinasica all'interno della fessura sinaptica è importante per il funzionamento delle sinapsi avrà un grande impatto sul nostro modo di concepire la plasticità sinaptica".

ENGLISH

Researchers from The University of Texas at Dallas’ Center for Advanced Pain Studies (TX, USA) and their colleagues have made a fundamental discovery about a key mechanism that enables nervous system connections to strengthen.

The findings have direct implications for better understanding the underlying biochemical mechanisms involved in learning and memory, as well as pain, said Dr. Ted Price BS’97, Ashbel Smith Professor of neuroscience in the School of Behavioral and Brain Sciences, CAPS director and a co-corresponding author of the study published Nov. 20 in the journal Science.

“This study gets to the core of how synaptic plasticity works – how connections between neurons evolve,” he said. “It has very broad implications for neuroscience.”

The discovery, based on studies in mice and on human tissue, revolves around phosphorylation, a biochemical process in which an enzyme called a kinase modifies another protein’s function by adding a phosphate molecule to it. This process is considered fundamental for functions within cells, such as metabolism, structural processes and subcellular signaling.

The role of extracellular phosphorylation, which occurs outside of cells, has been less clear, however, especially in synapses, the spaces between nerve cells. It is into this space that a presynaptic neuron releases neurotransmitters, peptides and proteins that then bind to, activate and regulate receptors on postsynaptic neurons. This information transfer forms the basis of neuronal plasticity, a process that can enhance or diminish the strength of connections between nerve cells involved in learning, memory and pain.

The researchers focused on the role that phosphorylating kinases secreted by neurons might play in regulating synaptic signaling.

“Extracellular phosphorylation occurs via ectokinases – kinases secreted outside of cells. It has been known to occur for almost 150 years, but almost nothing has been learned about it in the nervous system,” Price said. “In this study we found that kinases within the synaptic cleft itself play an important role in synaptic plasticity. These results alter our textbook-level understanding of how synapses work.”

Researchers knew that phosphorylation via ectokinases was linked to pain but did not know which specific kinase was responsible.

An ectokinase called vertebrate lonesome kinase (VLK) was recently shown to have a role in platelet function and bone development. The new research by teams led by Price and Dr. Matthew Dalva, director of the Tulane Brain Institute (LA, USA) and professor of cell and molecular biology at Tulane University (LA, USA), suggests VLK is also needed for a key interaction between neurons that mediates injury-induced pain.

They discovered that, as the result of an injury, presynaptic neurons secrete VLK, which then phosphorylates the extracellular side of ephrin type-B receptor 2 (EphB2) extruding from the membranes of postsynaptic nerve cells. This unique process attracts N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor proteins, which then cluster in the membrane with the EphB2 receptors. NMDA receptors play a key role in learning and memory formation by regulating the electrical potential of neurons to strengthen synaptic connections.

“Increased concentrations of NMDA receptors at the synapse allows for high levels of neuronal activation, leading to greater postsynaptic potentials – a fundamental mechanism of synaptic plasticity,” said Hajira Elahi BS’17, MS’19, PhD’23, a co-first author of the study who completed much of the work as part of her dissertation.

The researchers found that mice genetically engineered to lack VLK in sensory neurons involved in pain did not develop acute hypersensitivity to pain after surgery. Conversely, administering VLK to normal mice induced robust pain hypersensitivity that was mediated by NMDA receptor activation.

“Complementing the mouse studies, we found that human sensory neurons also express and secrete VLK, and that VLK induces the EphB2 and NMDA receptor interaction in human tissue, too,” Elahi said. “This really highlights the translational impact of our work – the ectokinase role of VLK is likely important in human synaptic signaling as well.”

Price said: “We started this project 10 years ago based on our long-standing collaboration with the Dalva lab, initially synthesizing kinases here at UT Dallas [TX, USA]. It took us years to get around to testing VLK. When we did, it became very clear that VLK is the kinase that phosphorylates EphB1 and EphB2 receptors, and that VLK activity is sufficient to cause NMDA receptor clustering.”

Dalva, the co-corresponding author of the paper, added: “The finding that neurons release a protein kinase to modify synaptic function is broadly important and suggests many new and unexpected targets. Our work is a great example of collaborative science. The project and our findings would not have been possible without the shared expertise of the different teams participating.”

Although NMDA receptors have long been a potential pain-relief drug target, direct approaches to modulate them are fraught with side effects.

“NMDA receptors are involved in almost every aspect of how the nervous system works,” Price said. “Our findings suggest a new way to manipulate NMDA receptors through VLK targeting potentially without huge side effects. In cortical neurons from the brain, VLK seems to be released in an activity-dependent fashion. Because of that, we can envision a model with many implications within the nervous system.”

A potential therapeutic approach to pain relief might include local injections to block VLK in the spine, he said, although more research is needed to determine how widespread the synaptic VLK mechanism is in the nervous system.

“We’re most excited about having discovered that kinases act within the synapse, not just inside neurons. It’s a huge update to our understanding of the basic mechanisms that regulate receptors involved in synaptic plasticity,” Price said. “And I think we’re just scratching the surface. Showing that kinase activity within the synaptic cleft is important for how synapses work will have a big impact on how we think about synaptic plasticity.”

Da:

https://www.biotechniques.com/neuroscience/how-do-synapses-strengthen-pain-research-reveals-a-piece-of-the-puzzle/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Daily%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-9n_We6mKa0viTfUEBjmo6xtGMxvLKJE5LJs9XgVPuadsMFRohdRpnszXCjxSebxnSOf75p5z_EzRv4d6Qb-3_VoKjImEj3j6UIDAEaQbskSx8Yi4s&_hsmi=392995344&utm_content=392993445&utm_source=hs_email