Orientação do axônio - Axon guidance

A orientação do axônio (também chamada de localização do caminho do axônio ) é um subcampo do desenvolvimento neural relacionado ao processo pelo qual os neurônios enviam axônios para atingir seus alvos corretos. Os axônios costumam seguir caminhos muito precisos no sistema nervoso, e como eles conseguem encontrar seu caminho com tanta precisão é uma área de pesquisa contínua.

O crescimento do axônio ocorre a partir de uma região chamada cone de crescimento e o alcance do axônio alvo é realizado com relativamente poucas moléculas de orientação. Os receptores do cone de crescimento respondem às dicas de orientação.

Mecanismos

Os axônios em crescimento têm uma estrutura altamente móvel na ponta do crescimento chamada de cone de crescimento , que "fareja" as atividades extracelulares no ambiente em busca de sinais que instruem o axônio em que direção crescer. Esses sinais, chamados de dicas de orientação, podem ser fixados no lugar ou difundidos; eles podem atrair ou repelir axônios. Os cones de crescimento contêm receptores que reconhecem essas dicas de orientação e interpretam o sinal em uma resposta quimiotrópica . A estrutura teórica geral é que, quando um cone de crescimento "detecta" uma pista de orientação, os receptores ativam várias moléculas de sinalização no cone de crescimento que eventualmente afetam o citoesqueleto . Se o cone de crescimento detecta um gradiente de sugestão de orientação, a sinalização intracelular no cone de crescimento acontece de forma assimétrica, de modo que as alterações do citoesqueleto acontecem de forma assimétrica e o cone de crescimento gira em direção ou para longe da sugestão de orientação.

Uma combinação de métodos genéticos e bioquímicos (ver abaixo) levou à descoberta de várias classes importantes de moléculas de orientação de axônio e seus receptores:

  • Netrinas : as netrinas são moléculas secretadas que podem atuar para atrair ou repelir axônios ligando-se a seus receptores, DCC e UNC5 .
  • Fendas : proteínas secretadas que normalmente repelem os cones de crescimento ao envolver os receptores da classe Robo (Rotatória).
  • Efrinas : as efrinas são moléculas da superfície celular que ativam os receptores Eph na superfície de outras células. Essa interação pode ser atraente ou repulsiva. Em alguns casos, as efrinas também podem atuar como receptores transduzindo um sinal na célula de expressão, enquanto os Ephs atuam como ligantes. A sinalização para as células portadoras de Efrina e Eph é chamada de "sinalização bidirecional".
  • Semaforinas : os muitos tipos de Semaforinas são principalmente repelentes axonais e ativam complexos de receptores de superfície celular chamados Plexinas e Neuropilinas .
  • Moléculas de adesão celular (CAMs) : proteínas integrais da membrana que medeiam a adesão entre os axônios em crescimento e induzem a sinalização intracelular dentro do cone de crescimento. CAMs são a principal classe de proteínas que medeiam a navegação axonal correta de axônios crescendo em axônios (fasciculação). Existem dois subgrupos CAM: IgSF-CAMs (pertencentes à superfamília das imunoglobulinas) e Caderinas (CAMs dependentes de Ca).

Além disso, muitas outras classes de moléculas extracelulares são usadas por cones de crescimento para navegar adequadamente:

  • Morfógenos de desenvolvimento, como BMPs, Wnts, Hedgehog e FGFs
  • Matriz extracelular e moléculas de adesão, como laminina, tenascinas, proteoglicanos, N-CAM e L1
  • Fatores de crescimento como NGF
  • Neurotransmissores e moduladores como GABA

Integração de informações na orientação do axônio

Os axônios em crescimento dependem de uma variedade de pistas de orientação para decidir sobre uma via de crescimento. Os cones de crescimento de axônios estendidos processam essas pistas em um sistema intrincado de interpretação e integração de sinais, a fim de garantir uma orientação apropriada. Essas dicas podem ser subdivididas funcionalmente em:

  • Pistas adesivas, que fornecem interação física com o substrato necessário para a protrusão do axônio. Essas pistas podem ser expressas nas células gliais e neuronais com os contatos do axônio em crescimento ou fazer parte da matriz extracelular. Os exemplos são laminina ou fibronectina, na matriz extracelular , e caderinas ou moléculas de adesão celular da família Ig , encontradas em superfícies celulares.
  • Pistas tropicais, que podem atuar como atrativos ou repelentes e causar alterações na motilidade do cone de crescimento, agindo no citoesqueleto por meio de sinalização intracelular. Por exemplo, a Netrin desempenha um papel na orientação dos axônios através da linha média, agindo tanto como um atrativo quanto como um repelente, enquanto a Semaphorin3A ajuda os axônios a crescer a partir do epitélio olfatório para mapear diferentes locais no bulbo olfatório .
  • Pistas modulatórias, que influenciam a sensibilidade dos cones de crescimento a certas pistas de orientação. Por exemplo, as neurotrofinas podem tornar os axônios menos sensíveis à ação repelente da Semaforina 3A.

Dada a abundância dessas diferentes dicas de orientação, acreditava-se anteriormente que os cones de crescimento integram várias informações simplesmente somando o gradiente de dicas, em diferentes valências, em um determinado ponto no tempo, para tomar uma decisão sobre a direção do crescimento. No entanto, estudos em sistemas nervosos de vertebrados de axônios de cruzamento da linha média ventral mostraram que as pistas modulatórias desempenham um papel crucial na sintonia das respostas do axônio a outras pistas, sugerindo que o processo de orientação do axônio não é linear. Por exemplo, axônios comissurais são atraídos por Netrin e repelidos por Slit. No entanto, conforme os axônios se aproximam da linha média, a ação repelente de Slit é suprimida pelo receptor Robo-3 / Rig-1. Assim que os axônios cruzam a linha média, a ativação do Robo por Slit silencia a atração mediada por Netrin e os axônios são repelidos por Slit.

Estratégias celulares de formação do trato nervoso

Axônios pioneiros

A formação de um trato nervoso segue várias regras básicas. Em ambos os sistemas nervoso dos vertebrados e invertebrados vias nervosas iniciais são formados pelos axónios pioneiros de neurónios pioneiros . Esses axônios seguem uma via reproduzível, param em alvos intermediários e ramificam axônios em certos pontos de escolha, no processo de direcionar seu destino final. Esse princípio é ilustrado pelos axônios que estendem o SNC de neurônios sensoriais em insetos.

Durante o processo de desenvolvimento do membro , os neurônios proximais são os primeiros a formar feixes axonais enquanto crescem em direção ao SNC. Em estágios posteriores de crescimento dos membros, os axônios dos neurônios mais distais fasciculam-se com esses axônios pioneiros. A exclusão de neurônios pioneiros interrompe a extensão dos axônios posteriores, destinados a inervar o SNC. Ao mesmo tempo, é importante notar que, na maioria dos casos, os neurônios pioneiros não contêm características únicas e seu papel na orientação do axônio pode ser substituído por outros neurônios. Por exemplo, nos sistemas de conexão retinotetal Xenopus , os axônios pioneiros das células ganglionares da retina se originam da parte dorsal do olho. No entanto, se a metade dorsal do olho for substituída por uma parte dorsal menos madura, os neurônios ventrais podem substituir a via pioneira das células dorsais, após algum atraso. Estudos em retina de peixe-zebra mostraram que a inibição da diferenciação neural dos progenitores retinais iniciais impede que os axônios saiam do olho. O mesmo estudo demonstrou trajetórias de crescimento aberrantes em neurônios secundários, seguindo o crescimento de neurônios pioneiros sem um receptor de orientação. Assim, embora a extensão da orientação fornecida pelos axônios pioneiros esteja em debate e possa variar de sistema para sistema, as vias pioneiras fornecem claramente às projeções do seguidor pistas de orientação e aumentam sua capacidade de navegar até o alvo.

Papel da glia

Os primeiros axônios que se estendem em uma via interagem intimamente com as células da glia imaturas. No corpo caloso em formação dos vertebrados, as células gliais primitivas migram primeiro para as zonas ependimárias dos hemisférios e para a parede do septo dorsal para formar uma estrutura transitória que os axônios pioneiros das fibras calosas usam para se estender. A sinalização entre a glia e os neurônios no sistema nervoso em desenvolvimento é recíproca. Por exemplo, no sistema visual da mosca, os axônios dos fotorreceptores requerem que as células da glia saiam da haste do olho, enquanto as células da glia dependem dos sinais dos neurônios para migrar de volta ao longo dos axônios.

Postes de guia

Os axônios em crescimento também dependem de estruturas neuronais transitórias, como células guias , durante o pathfinding. No sistema visual do mouse , a formação do quiasma óptico adequada depende de uma estrutura em forma de V de neurônios transitórios que se cruzam com a glia radial especializada na linha média do quiasma. Os axônios do quiasma crescem ao longo e ao redor dessa estrutura, mas não a invadem. Outro exemplo é a subplaca no córtex cerebral em desenvolvimento, que consiste em uma camada neuronal transitória sob a zona subventricular e serve como um guia para axônios que entram em camadas corticais permanentes. A subplaca é semelhante aos neurônios quiasmáticos no sentido de que esses grupos de células desaparecem (ou transitam para outros tipos de células) à medida que o cérebro amadurece. Essas descobertas indicam que as populações de células transitórias podem ter um papel importante de orientação, embora não tenham função no sistema nervoso maduro.

Estudo da orientação do axônio

As primeiras descrições do cone de crescimento axonal foram feitas pelo neurobiologista espanhol Santiago Ramón y Cajal no final do século XIX. No entanto, a compreensão da biologia molecular e celular da orientação dos axônios só começaria décadas depois. Nos últimos trinta anos ou mais, os cientistas usaram vários métodos para descobrir como os axônios encontram seu caminho. Muito do trabalho inicial na orientação dos axônios foi feito no gafanhoto , onde neurônios motores individuais foram identificados e suas vias caracterizadas. Em organismos-modelo genético como ratos , peixes-zebra , nematóides e moscas-das-frutas , os cientistas podem gerar mutações e ver se e como elas fazem com que os axônios cometam erros na navegação. Os experimentos in vitro podem ser úteis para a manipulação direta de axônios em crescimento. Um método popular é fazer crescer neurônios em cultura e expor cones de crescimento a pistas de orientação purificadas para ver se elas causam a rotação dos axônios em crescimento. Esses tipos de experimentos costumam ser feitos usando organismos-modelo não genéticos embriológicos tradicionais, como a galinha e o sapo africano com garras . Os embriões dessas espécies são fáceis de obter e, ao contrário dos mamíferos, se desenvolvem externamente e são facilmente acessíveis à manipulação experimental.

Sistemas de modelo de orientação de axônio

Vários tipos de vias de axônio foram extensivamente estudados em sistemas de modelo para entender melhor os mecanismos de orientação do axônio. Talvez os dois mais proeminentes deles sejam comissuras e mapas topográficos. As comissuras são locais onde os axônios cruzam a linha média de um lado ao outro do sistema nervoso. Mapas topográficos são sistemas nos quais grupos de neurônios em um tecido projetam seus axônios para outro tecido em um arranjo organizado de forma que as relações espaciais sejam mantidas; ou seja, neurônios adjacentes irão inervar regiões adjacentes do tecido alvo.

Formação de comissura: atração e repulsão

Conforme descrito acima, as pistas de orientação axonal são frequentemente categorizadas como "atraentes" ou "repulsivas". Esta é uma simplificação, pois diferentes axônios responderão a uma determinada sugestão de maneira diferente. Além disso, o mesmo cone de crescimento axonal pode alterar suas respostas a uma determinada sugestão com base no tempo, na experiência anterior com a mesma ou outras sugestões e o contexto em que a sugestão é encontrada. Esses problemas são exemplificados durante o desenvolvimento das comissuras. A simetria bilateral do sistema nervoso significa que os axônios encontrarão as mesmas pistas em ambos os lados da linha média. Antes de cruzar (ipsilateralmente), o cone de crescimento deve navegar em direção e ser atraído para a linha média. No entanto, após o cruzamento (contralateralmente), o mesmo cone de crescimento deve ser repelido ou perder a atração pela linha média e reinterpretar o ambiente para localizar o tecido-alvo correto.

Dois sistemas experimentais tiveram impactos particularmente fortes na compreensão de como a orientação do axônio da linha média é regulada:

O cordão nervoso ventral de Drosophila
Orientação do axônio no cordão nervoso ventral embrionário de Drosophila . De Sanchez-Soriano et al., 2007

O uso de ferramentas genéticas poderosas em Drosophila levou à identificação de uma classe-chave de pistas de orientação de axônio, as fendas e seus receptores, os Robos (abreviação de Roundabout). O cordão nervoso ventral parece uma escada, com três feixes de axônios longitudinais (fascículos) conectados pelas comissuras, os "degraus" da escada. Existem duas comissuras, anterior e posterior, dentro de cada segmento do embrião.

O modelo atualmente aceito é que o Slit, produzido por células da linha média, repele axônios da linha média por meio de receptores Robo. Axônios que se projetam ipsilateralmente (sem cruzamento) sempre têm receptores Robo em sua superfície, enquanto os axônios comissurais têm muito pouco ou nenhum Robo em sua superfície, permitindo que sejam atraídos para a linha média por Netrins e, provavelmente, outras pistas ainda não identificadas. Após o cruzamento, no entanto, os receptores Robo são fortemente regulados positivamente no axônio, o que permite que a repulsão mediada por Robo supere a atração pela linha média. Essa regulação dinâmica do Robo é, pelo menos em parte, realizada por uma molécula chamada Comm (abreviação de Commissureless), que evita que o Robo alcance a superfície da célula e a destrua.

A medula espinhal de ratos e galinhas

Na medula espinhal dos vertebrados, os neurônios comissurais das regiões dorsais projetam-se para baixo em direção à placa do assoalho ventral. Os axônios ipsilaterais giram antes de alcançar a placa do assoalho para crescer longitudinalmente, enquanto os axônios comissurais cruzam a linha média e fazem sua volta longitudinal no lado contralateral. Surpreendentemente, Netrins, Slits e Robos também desempenham papéis funcionais semelhantes neste sistema. Um mistério notável era a aparente falta de qualquer gene comm em vertebrados. Agora parece que pelo menos algumas das funções do Comm são executadas por uma forma modificada do Robo chamada Robo3 (ou Rig1).

O sistema da medula espinhal foi o primeiro a demonstrar explicitamente a capacidade de resposta alterada dos cones de crescimento aos sinais após a exposição à linha média. Neurônios explantados crescidos em cultura responderiam à fenda fornecida exogenamente de acordo com o fato de terem ou não contatado o tecido da placa de piso.

Mapas topográficos: gradientes para orientação

Conforme descrito acima, os mapas topográficos ocorrem quando as relações espaciais são mantidas entre as populações neuronais e seus campos-alvo em outro tecido. Esta é uma das principais características da organização do sistema nervoso, em particular nos sistemas sensoriais. O neurobiologista Roger Sperry propôs um modelo presciente para o mapeamento topográfico mediado pelo que chamou de "marcas" moleculares. As quantidades relativas dessas marcas variam em gradientes em ambos os tecidos. Agora pensamos nessas marcas como ligantes (pistas) e seus receptores axonais. Talvez a classe de tags mais bem compreendida sejam os ligantes de Efrina e seus receptores, os Ephs.

No tipo mais simples de modelo de mapeamento, poderíamos imaginar um gradiente do nível de expressão do receptor Eph em um campo de neurônios, como a retina, com as células anteriores expressando níveis muito baixos e as células posteriores expressando os níveis mais elevados do receptor. Enquanto isso, no alvo das células retinianas (o tectum óptico ), os ligantes de Efrina são organizados em um gradiente semelhante: alto posterior para baixo anterior. Os axônios retinais entram no tectum anterior e prosseguem posteriormente. Como, em geral, os axônios portadores de Eph são repelidos por Efrinas, os axônios se tornarão cada vez mais relutantes em prosseguir à medida que avançam em direção ao tectum posterior. No entanto, o grau em que são repelidos é definido por seu próprio nível particular de expressão de Eph, que é definido pela posição do corpo da célula neuronal na retina. Assim, os axônios da retina anterior, expressando o nível mais baixo de Ephs, podem se projetar para o tectum posterior, embora seja onde as Efrinas sejam altamente expressas. As células retinianas posteriores expressam alto nível de Eph e seus axônios irão parar mais anteriormente no tectum.

A projeção retinotetal de galinhas, sapos e peixes

O grande tamanho e acessibilidade do embrião de galinha o tornaram um organismo modelo favorito para embriologistas. Os pesquisadores usaram o pintinho para purificar bioquimicamente componentes do tectum que mostraram atividade específica contra axônios da retina em cultura. Isso levou à identificação de Ephs e Ephrins como as supostas "etiquetas" de Sperry.

A projeção retinotectal também foi estudada em Xenopus e peixes-zebra. O peixe-zebra é um sistema potencialmente poderoso porque as triagens genéticas, como as realizadas em invertebrados, podem ser feitas de maneira relativamente simples e barata. Em 1996, telas em grande escala foram conduzidas em peixes-zebra, incluindo telas para orientação e mapeamento do axônio da retina. Muitos dos mutantes ainda não foram caracterizados.

Biologia Celular

A genética e a bioquímica identificaram um grande conjunto de moléculas que afetam a orientação dos axônios. Como todas essas peças se encaixam é menos compreendido. A maioria dos receptores de orientação de axônio ativa cascatas de transdução de sinal que, em última análise, levam à reorganização do citoesqueleto e às propriedades adesivas do cone de crescimento, que, juntas, são a base da motilidade de todas as células. Isso foi bem documentado em neurônios corticais de mamíferos. No entanto, isso levanta a questão de como as mesmas sugestões podem resultar em um espectro de respostas de diferentes cones de crescimento. Pode ser que diferentes receptores ativem atração ou repulsão em resposta a um único sinal. Outra possibilidade é que os complexos de receptores atuem como "detectores de coincidência" para modificar as respostas a uma pista na presença de outra. Sinalização semelhante "cross-talk" pode ocorrer intracelularmente, a jusante de receptores na superfície celular.

De fato, foi demonstrado que as respostas de crescimento do axônio comissural são atraídas, reprimidas ou silenciadas na presença do receptor DCC ativado por Netrin . Esta atividade variável é dependente da expressão do receptor Robo ou UNC-5 nos cones de crescimento. De forma que o receptor Robo ativado por Slit, causa um silenciamento do potencial de atração de Netrin através do receptor DCC. Enquanto os cones de crescimento expressam o receptor UNC-5, respondem de maneira repulsiva à ativação de Netrin-DCC. Esses eventos ocorrem como consequência de interações citoplasmáticas entre o receptor DCC ativado por Netrin e o receptor Robo ou UNC-5, o que acaba alterando a sinalização citoplasmática do DCC. Assim, a imagem que surge é que o avanço do cone de crescimento é altamente complexo e sujeito à plasticidade de pistas de orientação, expressão do receptor, interações do receptor e os mecanismos de sinalização subsequentes que influenciam a remodelação do citoesqueleto.

Tradução do cone de crescimento em axônios guiados

A capacidade dos axônios de navegar e ajustar as respostas a vários sinais extracelulares, a longas distâncias do corpo celular, levou os investigadores a examinar as propriedades intrínsecas dos cones de crescimento. Estudos recentes revelam que as pistas de orientação podem influenciar mudanças espaço-temporais nos axônios, modulando a tradução local e a degradação de proteínas em cones de crescimento. Além disso, essa atividade parece ocorrer independentemente da expressão do gene nuclear distal. Na verdade, nas células ganglionares da retina (RGCs) com axônios separados por soma, os cones de crescimento continuam a rastrear e inervar o tectum de embriões de Xenopus.

Para acomodar essa atividade, acredita-se que os cones de crescimento agrupam mRNAs que codificam para receptores e proteínas de sinalização intracelular envolvidas na remodelação do citoesqueleto. Nos sistemas de projeção retinotectal Xenopus, a expressão dessas proteínas mostrou ser influenciada por pistas de orientação e a ativação subsequente da maquinaria de tradução local. A sugestão atrativa Netrin-1 estimula o transporte de mRNA e influencia a síntese de β-Actina em filopódios de cones de crescimento, para reestruturar e orientar os cones de crescimento RGC na direção da secreção de Netrina. Enquanto a deixa repulsiva, Slit, é sugerida para estimular a tradução de Cofilin (um fator de despolimerização de actina) em cones de crescimento, levando à repulsão do axônio. Além disso, axônios comissurais cortados em pintinhos exibem a capacidade de traduzir e expressar o receptor Eph-A2 durante o cruzamento da linha média. Como resultado, estudos sugerem que a expressão local da proteína é um mecanismo conveniente para explicar a natureza rápida, dinâmica e autônoma do avanço do cone de crescimento em resposta às moléculas de orientação.

A hipótese de crescimento do axônio e a dinâmica do conectoma de consenso

As técnicas contemporâneas de ressonância magnética de difusão também podem revelar o processo macroscópico de desenvolvimento axonal. O conectoma , ou o Braingraph, pode ser construído a partir de ressonância magnética de difusão de dados: os vértices do correspondem gráfico para as áreas do cérebro anatomicamente marcados, e dois desses vértices, dizer u e v , estão ligados por uma aresta se o tractography fase do processamento de dados encontra uma fibra axonal que conecta as duas áreas, correspondendo a u e v . Numerosos braingraphs, calculados a partir do Human Connectome Project, podem ser baixados do site http://braingraph.org . O Consensus Connectome Dynamics (CCD) é um fenômeno notável que foi descoberto diminuindo continuamente o parâmetro de confiança mínimo na interface gráfica do servidor Budapest Reference Connectome . O Budapest Reference Connectome Server descreve as conexões cerebrais de n = 418 indivíduos com um parâmetro de frequência k: Para qualquer k = 1,2, ..., n pode-se visualizar o gráfico das arestas que estão presentes em pelo menos k conectomas . Se o parâmetro k for diminuído um a um de k = n até k = 1, então mais e mais arestas aparecem no gráfico, uma vez que a condição de inclusão é relaxada. A observação surpreendente é que a aparência das bordas está longe de ser aleatória: assemelha-se a uma estrutura crescente e complexa, como uma árvore ou um arbusto (visualizado nesta animação no YouTube . A hipótese é que a estrutura crescente copia o desenvolvimento axonal de o cérebro humano: as primeiras conexões em desenvolvimento (fibras axonais) são comuns na maioria dos indivíduos, e as conexões subsequentes em desenvolvimento têm variações cada vez maiores, porque suas variações são acumuladas no processo de desenvolvimento axonal.

Associação genética

A orientação do axônio está geneticamente associada a outras características ou recursos. Por exemplo, as análises de enriquecimento de diferentes vias de sinalização levaram à descoberta de uma associação genética com o volume intracraniano.

Veja também

Referências

links externos