Visualizzazione del trasporto dei recettori all'interno dei neuroni tramite transcitosi / Visualizing Receptor Transport Within Neurons via Transcytosis

Visualizzazione del trasporto dei recettori all'interno dei neuroni tramite transcitosi / Visualizing Receptor Transport Within Neurons via Transcytosis

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

Colture miste di neuroni simpatici TrkAWT e cardiomiociti in camere microfluidiche. Immagine rappresentativa degli assoni che innervano i cardiomiociti nel compartimento assonale distale delle camere microfluidiche. Siti presinaptici identificati dalla colocalizzazione di sinaptotagmina-1/2 (verde) e tirosina idrossilasi (rosso) negli assoni nei siti di contatto con i cardiomiociti nelle colture miste di TrkAWT. I cardiomiociti sono stati marcati con troponina cardiaca (blu). Barre di scala: 10 μm. / Co-cultures of TrkAWT sympathetic neurons and cardiomyocytes in microfluidic chambers. Representative image of axons innervating cardiomyocytes in the distal axon compartment of microfluidic chambers. Presynaptic sites identified by colocalization of synaptotagmin-1/2 (green) and Tyrosine Hydroxylase (red) in axons at sites of contacts with cardiomyocytes in TrkAWT cocultures. Cardiomyocytes were labeled by cardiac troponin (blue). Scale bars, 10 μm. 

Essendo cellule sottili ed allungate, i neuroni devono essere in grado di trasportare proteine ​​e recettori tra siti distanti all'interno del loro corpo cellulare e degli assoni per funzionare correttamente. Un nuovo studio di imaging condotto da ricercatori della Johns Hopkins University ha ora visualizzato il flusso e riflusso del recettore del fattore di crescita nervoso TrkA all'interno dei neuroni, attraverso un processo insolito noto come transcitosi. Il loro studio spiega anche come questo fenomeno supporti la funzione e la connettività neuronale nei topi.

Rejji Kuruvilla, PhD, autore senior e corrispondente del Dipartimento di Biologia della Johns Hopkins University, e i suoi colleghi hanno pubblicato i risultati della loro ricerca su Science Signaling , in un articolo intitolato " Il trasporto anterogrado del recettore TrkA mediato dalla transcitosi media la formazione di siti presinaptici nei neuroni simpatici ". Nell'articolo, gli autori concludono: "Questi risultati forniscono informazioni meccanicistiche su una modalità atipica di traffico recettoriale e ne dimostrano la rilevanza fisiologica nella connettività dei neuroni simpatici nei topi... Il nostro studio suggerisce che la transcitosi potrebbe essere un meccanismo più generale di quanto si pensi per il trasporto mirato di recettori trofici e di guida, proteine ​​di adesione e sinaptiche, nonché canali ionici".

Gli assoni dei neuroni sono estremamente lunghi rispetto al corpo cellulare principale, e le terminazioni assoniche a volte si trovano a grande distanza dal nucleo cellulare. "Le terminazioni assoniche possono trovarsi a metri di distanza dal corpo cellulare, dove vengono prodotte molte proteine ​​della membrana assonale con funzioni critiche nella regolazione della guida e della crescita degli assoni, nella sopravvivenza neuronale, nell'organizzazione presinaptica e nella trasmissione sinaptica", hanno scritto gli autori.

I neuroni devono essere in grado di trasportare queste proteine ​​in modo efficiente attraverso distanze relativamente grandi. Lo fanno inviando direttamente la proteina attraverso una via secretoria o tramite un meccanismo indiretto chiamato transcitosi. Quest'ultimo si verifica quando il corpo cellulare centrale assorbe le proteine ​​od i recettori di superficie appena sintetizzati, dopodiché questi si spostano verso gli assoni attraverso il citoplasma cellulare. "La transcitosi è un meccanismo atipico basato sull'endocitosi, in cui le proteine ​​appena sintetizzate vengono prima inserite sulla superficie del corpo cellulare, internalizzate e trasportate in senso anterogrado verso gli assoni", ha continuato il gruppo.

Rispetto alla secrezione diretta, la transcitosi rimane un processo relativamente oscuro ed enigmatico, e permangono interrogativi su come essa sostenga esattamente la funzione e la connettività dei neuroni. "A differenza dei notevoli progressi compiuti nella comprensione della via secretoria diretta, le conoscenze sulla transcitosi sono limitate, in particolare per quanto riguarda la cinetica di trasporto e gli organelli coinvolti, se essa avvenga in vivo ed il suo contributo alla connettività ed alla funzione neuronale", hanno osservato i ricercatori.

Attraverso il loro studio, gli autori hanno notato vari cambiamenti di velocità e direzione mentre le vescicole trasportavano TrkA dal soma agli assoni. Utilizzando proteine ​​TrkA marcate, gli scienziati hanno anche confermato che la transcitosi si verificava all'interno delle terminazioni nervose di topi vivi. "L'imaging in vivo e la microscopia elettronica di colture compartimentalizzate hanno rivelato che le proteine ​​TrkA derivate dalla superficie del soma subivano un trasporto dinamico all'interno degli assoni, con cambiamenti di velocità, direzione e organelli vescicolari che le trasportavano mentre si spostavano dai compartimenti assonali prossimali a quelli distali", hanno affermato. "Nei topi, le proteine ​​TrkA marcate sulla superficie del soma sono state osservate nelle terminazioni nervose simpatiche, dimostrando che la transcitosi si verifica in vivo ".

Hanno inoltre scoperto che l'interruzione della transcitosi mediante l'introduzione di una mutazione puntiforme in TrkA riduceva il numero e le dimensioni dei siti presinaptici e diminuiva la trasmissione sinaptica in coltura e nei roditori in vivo , confermando l'importanza del processo per la fisiologia neuronale. "Questi risultati forniscono informazioni meccanicistiche su una modalità atipica di traffico recettoriale e dimostrano la sua rilevanza fisiologica nella connettività dei neuroni simpatici nei topi", ha concluso il gruppo. "Scoprire i meccanismi di trasporto assonale ha implicazioni che vanno oltre il sistema nervoso sano, arrivando a comprendere i percorsi biologici cellulari che contribuiscono alla riparazione dei nervi dopo lesioni o neurodegenerazione, poiché il corretto corredo di proteine ​​di membrana deve essere indirizzato con precisione agli assoni in rigenerazione per garantire il recupero funzionale."

ENGLISH

As spindly, elongated cells, neurons must be able to transport proteins and receptors between distant sites in their cell bodies and axons to function properly. A new imaging study by researchers at Johns Hopkins University has now visualized the ebb and flow of the nerve growth factor receptor TrkA within neurons, via an unusual process known as transcytosis. Their study also explains how this phenomenon supports neuronal function and connectivity in mice.

Senior and corresponding author Rejji Kuruvilla, PhD, at Johns Hopkins University Department of Biology, and colleagues reported on their findings in Science Signaling, in a paper titled “Transcytosis-mediated anterograde transport of the receptor TrkA mediates the formation of presynaptic sites in sympathetic neurons.” In their paper, the authors concluded, “These findings provide mechanistic insight into an atypical mode of receptor trafficking and demonstrate its physiological relevance in sympathetic neuron connectivity in mice … Our study suggests that transcytosis might be a more general mechanism than now appreciated for the targeted transport of trophic and guidance receptors, adhesion and synaptic proteins, as well as ion channels.”

The axons of neurons are extremely long compared to their main cell bodies, with axon terminals sometimes residing a long distance from the cell nucleus. “Axon terminals can be meters away from cell bodies where many axonal membrane proteins with critical functions in regulating axon guidance and growth, neuronal survival, presynaptic organization, and synaptic transmission are made,” the authors wrote.

Neurons need to be able to transport these proteins efficiently across these relatively vast distances. They do this by either directly sending the protein through a secretory pathway or via an indirect mechanism called transcytosis. The latter occurs when the central cell body takes in newly synthesized proteins or surface receptors, after which they move to axons through the cell cytoplasm. “Transcytosis is an atypical endocytosis-based mechanism, where newly synthesized proteins are first inserted on cell body surfaces, internalized, and anterogradely transported to axons,” the team continued.

Transcytosis is still relatively obscure and enigmatic compared with the direct secretion method, and questions remain about how exactly it sustains the function and connectivity of neurons. “In contrast to the considerable progress made in understanding the direct secretory pathway, there is limited knowledge about transcytosis, specifically the underlying transport kinetics and organelles involved, whether it occurs in vivo, and its contributions to neuronal connectivity and function,” the investigators noted.

Seeking answers, first author Kuruvilla, together with first author Guillermo Moya-Alvarado, PhD, and colleagues, used live cell imaging and electron microscopy to peer at the movement of receptors across compartments within mouse neurons.

They visualized the trafficking dynamics and transcytosis of a receptor named TrkA. “The family of tropomyosin-related kinase (Trk) receptors provides a prominent example of membrane proteins that undergo long-distance axonal trafficking to control neuronal survival, axon growth, and synaptic transmission,” the scientists explained.

Through their study, the authors noted various shifts in speed and direction as vesicles carried TrkA from the soma to axons. Using labeled TrkA proteins, the scientists also confirmed that transcytosis occurred within nerve terminals of living mice. “Live imaging and electron microscopy of compartmentalized cultures revealed that soma surface–derived TrkA proteins underwent dynamic transport within axons, with changes in speed, direction, and the vesicular organelles that carried them as they moved from proximal to distal axon compartments,” they stated. “In mice, soma surface–labeled TrkA proteins were observed in sympathetic nerve terminals, demonstrating that transcytosis occurs in vivo.”

They also found that disrupting its transcytosis by introducing a point mutation into TrkA reduced the number and size of presynaptic sites and decreased synaptic transmission in culture and in rodents in vivo, confirming the importance of the process for neuronal physiology.  “These findings provide mechanistic insight into an atypical mode of receptor trafficking and demonstrate its physiological relevance in sympathetic neuron connectivity in mice,” the team concluded “Uncovering mechanisms of axon delivery has implications that extend beyond the healthy nervous system to understanding cell biological pathways that contribute to nerve repair after injury or neurodegeneration, because the correct complement of membrane proteins must be accurately targeted to regenerating axons to ensure functional recovery.”

Da:

https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/visualizing-receptor-transport-within-neurons-via-transcytosis/?_hsenc=p2ANqtz-_Vo6nxE35Fhn-KP2P7smdb4B5zaT-MsKE05dbVcoLZaEP8Ut28QvFH4-2ZhpFnLRNq3qJMp3JTEoW5QdNqXre9FJC6b3KUodfL3yBR6so8wM2EDc8&_hsmi=418770365