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Aug 02, 2023

Biologia das Comunicações volume 6, Número do artigo: 366 (2023) Cite este artigo

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A plasticidade sináptica envolve o estabelecimento e rearranjo adequados de microdomínios estruturais e funcionais. No entanto, a visualização das pistas lipídicas subjacentes provou ser um desafio. Aplicando uma combinação de criofixação rápida, liofilização de membrana, marcação imunogold e microscopia eletrônica, visualizamos e determinamos quantitativamente as mudanças e a distribuição de fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP2) na membrana plasmática de espinhas dendríticas e subáreas das mesmas em resolução ultra-alta. Esses esforços desvendam fases distintas dos sinais PIP2 durante a indução da depressão de longo prazo (LTD). Durante os primeiros minutos, o PIP2 aumenta rapidamente de maneira dependente do PIP5K, formando nanoclusters. O PTEN contribui para uma segunda fase de acumulação do PIP2. Os sinais PIP2 aumentados temporariamente são restritos às cabeças da coluna superior e média. Finalmente, a degradação de PIP2 dependente de PLC fornece a terminação oportuna das pistas de PIP2 durante a indução de LTD. Juntos, este trabalho desvenda as pistas espaciais e temporais definidas pelo PIP2 durante diferentes fases após a indução de LTD e disseca os mecanismos moleculares subjacentes à dinâmica observada do PIP2.

A maioria das pós-sinapses excitatórias no sistema nervoso central está localizada em pequenas saliências dendríticas, denominadas espinhas dendríticas. Os processos de plasticidade sináptica envolvendo mudanças dinâmicas na estrutura e organização das espinhas dendríticas estão subjacentes à modulação da força sináptica excitatória e são considerados a base para o aprendizado e a memória1,2. Entre os modos de plasticidade sináptica, destaca-se um processo denominado depressão de longo prazo (LTD), que reduz a sensibilidade e a resposta a um determinado sinal sináptico3. No nível molecular, o LTD envolve a remoção de receptores de glutamato do tipo α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiônico (AMPA) do andaime de densidade pós-sináptica por endocitose ou difusão lateral, bem como rearranjos estruturais do citoesqueleto de actina resultando em um volume reduzido da coluna3,4.

Durante as últimas décadas, grande progresso foi feito na identificação e caracterização dos mecanismos de proteínas que controlam e medeiam a plasticidade da coluna dendrítica. No entanto, o conhecimento sobre o envolvimento dos lipídios da membrana, embora sejam os principais constituintes da membrana, ainda é escasso e muitas vezes controverso ou mesmo contraditório5,6. Os fosfoinositídeos são conhecidos por interagir e regular proteínas de membrana distintas e por ter uma variedade de funções celulares7. Fosfatidilinositol-4-fosfato (PI4P) e fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (aqui para simplificar referido como PIP2) são os fosfoinositídeos mais abundantes nas células. O PIP2 é enriquecido na membrana plasmática, onde constitui menos de um por cento dos fosfolipídios8. Nas pré-sinapses, papéis cruciais para fosfoinositídeos foram bem estabelecidos e compreendem principalmente funções de tráfego de membrana9,10,11,12. Em contraste, a importância fisiológica e o papel específico do PIP2 nas pós-sinapses são muito menos compreendidos e controversos.

As concentrações de fosfoinositídeos individuais são controladas por um conjunto complexo de lipídios fosfatases, quinases e lipases específicos que são eles próprios alvos de uma variedade de vias de sinalização13,14. Estudos investigando um papel putativo de PIP2 em especialmente LTD basearam-se amplamente na manipulação dessas enzimas metabólicas e produziram resultados conflitantes15,16,17,18,19,20. As razões para as discrepâncias (aparentes) podem, em grande parte, incluir a incapacidade de fixar e visualizar diretamente o PIP2 nas espinhas pós-sinápticas sem alterar sua distribuição e sua disponibilidade imperturbável como sugestão lipídica.

As sinapses têm demandas funcionais e estruturais específicas para compartimentalização, conforme estabelecido por nanodomínios de membrana distintos. Além disso, esses nanodomínios da membrana sináptica requerem a capacidade de se adaptar plasticamente durante os rearranjos pós-sinápticos. Para seguir a hipótese de que esses rearranjos durante o LTD podem ser provocados por pistas temporais e espaciais definidas pela importante molécula de sinalização PIP2, aplicamos criofixação rápida, fratura por congelamento de membrana, marcação com imuno-ouro e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para visualizar e avaliar quantitativamente a distribuição de PIP2 na membrana plasmática de espinhas dendríticas e em suas diferentes subáreas em ultra-alta resolução. Assim, revelamos as pistas espaciais e temporais definidas pelo PIP2 durante diferentes fases após a indução de LTD e dissecamos os mecanismos moleculares subjacentes à dinâmica observada do PIP2.