Una investigación publicada hoy en Science Advances desvela la maquinaria molecular que determina la forma, el crecimiento y el movimiento de las neuronas. Es la primera vez que los científicos revelan cómo el cerebro transporta código genético dentro de sus células, un proceso esencial para la formación y el almacenamiento de recuerdos a largo plazo.
Las células cerebrales, también conocidas como neuronas, son células complejas con largas ramas llamadas dendritas. Para crecer, las neuronas construyen proteínas en lugares específicos de una dendrita, que las ayuda a crear nuevas protuberancias, controlar la dirección en la que se mueven y establecer conexiones con otras neuronas. El proceso es de particular importancia durante el desarrollo del cerebro, ayudando a las neuronas a encontrar su espacio en el tejido cerebral. El plan genético para construir miles de diferentes tipos de proteínas útiles viaja continuamente alrededor de las ramas de la célula en forma de ARN mensajero (ARNm), que es información genética copiada del ADN.
Cómo las neuronas, que son las células animales más largas, consiguen que el plan genético llegue al lugar debido en el tiempo debido es una pregunta aún sin resolver. Se creía que es transportado por kinesinas, proteínas largas con dos patas que caminan con un pie en frente al otro para llegar a un destino, pero no hay pruebas directas para demostrarlo. Cada célula viva tiene una red de autopistas auto ensambladas para transportar materiales moleculares de gran tamaño de un lado al otro. Los diferentes vehículos mueven bulliciosamente miles de cargamentos, y las kinesinas son el tipo de vehículo más común.
Ahora, científicos del Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona han descubierto que una kinesina llamada KIF3A/B puede transportar ARNm con la combinación de otra proteína llamada adenomatous polyposis coli (APC) como un adaptador que une la kinesina y el cargamento de ARNm. Las proteínas transportan al menos dos tipos de ARNm que codifican para tubulina y actina, dos tipos de proteína que las neuronas usan para construir su esqueleto celular. Son esenciales para dar forma a la célula para que puedan establecer nuevas conexiones con otras neuronas.
Los resultados son interesantes ya que el ARNm tiene un papel importante en el almacenamiento y la formación de la memoria. Estudios previos muestran que los ARNms que codifican para la proteína beta-actina viajan de manera continua en las sinapsis de una célula cerebral, que es el espacio donde se unen dos neuronas. Cuando las sinapsis reciben repetidamente una señal, los ARNms se usan para construir proteínas de beta-actina, que son importantes para reforzar las sinapsis y estrechar la conexión entre dos neuronas. Estimular las sinapsis repetidamente refuerza la conexión y se cree que así es cómo se crean recuerdos.
“Santiago Ramón y Cajal fue el primero en describir la idea de que nuestros cerebros almacenan recuerdos reforzando las sinapsis neuronales, lo que hace que las células cerebrales cambien de forma para que puedan agarrarse una a la otra y conducir señales con más eficacia,” declara Sebastian Maurer, investigador del Centro de Regulación Genómica y autor principal del estudio. “Más de un siglo después estamos describiendo un mecanismo esencial que probablemente subyace a sus teorías, mostrando cuán adelantado estaba a su tiempo.”
Los investigadores recrearon las autopistas celulares auto ensambladas de manera sintética usando componentes puros en un tubo de ensayo, revelando la función de las moléculas y cómo trabajan juntas para transportar ARNm. Las proteínas purificadas, que se sospecha que son importantes para el transporte de ARNm en neuronas, eran marcadas con tintes fluorescentes y estudiadas con microscopía de alta sensibilidad que detecta el movimiento rápido de moléculas solas.
Los investigadores encontraron que el ARNm y su adaptador APC activan el encendido de la kinesina, activando la proteína. Los ARNm transportados tienen una señal de localización especial que controla la eficiencia de cómo se carga mercancía sobre una kinesina. La mínima alteración de la señal afecta el viaje del ARNm a su destino, mostrando los sofisticados mecanismos de las neuronas para controlar la logística de enviar miles de mensajes diferentes. Cuando no transportan cargamento las kinesinas cambian a un modo de ahorro energético y guardan combustible para el siguiente trabajo.
“Encontrar el vehículo exacto que transporta ARNm es como buscar una aguja en un pajar, por lo que casi todos pensaban que era imposible,” comenta Sebastian Maurer, “pero se hizo, y no habría sido posible sin el CRG o la inversión que hace el gobierno español en proyectos de alto riesgo.”
“Continuaremos investigando los sistemas de transporte que forman la compleja red logística de una neurona. Comprender la maquinaria molecular que ayuda al desarrollo de neuronas es clave para combatir retos globales como la demencia y las enfermedades neurodegenerativas.”
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