Competing calcium sensors orchestrate various patterns of synaptic transmission

All'interno del cervello, la capacità di pensare, sentire e muoversi dipende da una conversazione microscopica tra cellule nervose. Queste cellule non si toccano; comunicano invece attraverso un minuscolo spazio chiamato sinapsi. Quando un segnale elettrico raggiunge la fine di una cellula nervosa, innesca un'ondata di ioni calcio che inonda lo spazio. Questo calcio agisce come una chiave chimica, sbloccando un meccanismo che costringe piccoli sacchi di neurotrasmettitori a rompersi e rilasciare il loro contenuto nella cellula successiva. La tempistica e la forza di questo rilascio sono tutto. Se il messaggio arriva troppo lentamente o troppo debolmente, il segnale si perde. Se arriva con il ritmo sbagliato, i calcoli intricati del cervello falliscono. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che le cellule nervose utilizzano proteine specifiche per percepire questo calcio e innescare il rilascio, ma le regole esatte che governano il modo in cui queste proteine lavorano insieme per creare diversi modelli di comunicazione sono rimaste un mistero.

Un team di ricercatori dell'Istituto di Scienza e Tecnologia di Okinawa ha ora costruito un modello informatico dettagliato per risolvere questo enigma. Si sono concentrati su due proteine specifiche, la sinaptotagmina-1 e la sinaptotagmina-7, che agiscono come sensori per il calcio. Sebbene entrambe le proteine svolgano lo stesso compito fondamentale di rilevare il calcio e aprire la porta al rilascio di neurotrasmettitori, esse si comportano in modo molto diverso. Una è veloce e precisa, mentre l'altra è più lenta e paziente. I ricercatori volevano capire come questi due sensori distinti competano e cooperino all'interno della stessa terminazione nervosa per produrre la diversità dei ritmi dell'attività cerebrale. Simulando l'ambiente fisico di una terminazione nervosa con estremo dettaglio, hanno scoperto che l'equilibrio tra questi sensori non è solo una questione di quale sia presente, ma di come essi combattano per il calcio disponibile e di come altre molecole nella cellula interferiscano con tale lotta.

I ricercatori hanno costruito un modello virtuale di un bottone presinaptico, la piccola protuberanza all'estremità di una cellula nervosa dove sono stoccati i neurotrasmettitori. Questo modello non era un semplice diagramma, ma una complessa simulazione tridimensionale contenente centinaia di vescicole, i minuscoli sacchi che trasportano i messaggi chimici. Hanno programmato la simulazione con le regole fisiche specifiche che governano il movimento del calcio, il modo in cui si lega alle proteine e come queste proteine inneschino poi il rilascio delle vescicole. Hanno incluso le proprietà note della sinaptotagmina-1, che agisce come un sensore rapido, e hanno aggiunto una nuova, dettagliata descrizione di come funziona la sinaptotagmina-7, basata sulla sua natura più lenta e persistente. Hanno incluso anche la calmodulina, una comune proteina della cellula che si lega al calcio e agisce come una spugna, assorbendo gli ioni prima che possano raggiungere i sensori.

Quando hanno eseguito la simulazione, i risultati hanno rivelato una chiara divisione del lavoro guidata dalla velocità e dalla forza dei sensori. La sinaptotagmina-1 è una risponditrice veloce. Cattura il calcio rapidamente e innesca il rilascio dei neurotrasmettitori quasi istantaneamente dopo l'arrivo del segnale elettrico. Questo crea un rilascio sincrono, in cui il messaggio viene inviato in perfetto tempo con l'impulso nervoso. La sinaptotagmina-7, d'altro canto, è più lenta nel legarsi al calcio ma lo trattiene più a lungo. A causa di ciò, continua a innescare rilasci anche dopo che il segnale elettrico iniziale è passato, creando un rilascio asincrono che persiste. La simulazione ha mostrato che questi due modi non sono sistemi separati, ma sono il risultato di una diretta competizione tra i due sensori per lo stesso pool di ioni calcio.

Una scoperta critica è stata che l'esito di questa competizione dipende fortemente dalla concentrazione di calcio. I ricercatori hanno individuato una soglia specifica, intorno a 9-10 micromolari, che funge da interruttore. Al di sotto di questo livello, il sensore più lento, la sinaptotagmina-7, spesso vince la corsa al legame con il calcio disponibile, portando a un maggiore rilascio asincrono e persistente. Al di sopra di questo livello, la sinaptotagmina-1 veloce domina perché può catturare l'abbondante calcio così rapidamente che il sensore più lento non ne riceve quasi nulla. Questo spiega perché la rimozione della sinaptotagmina-1 negli esperimenti permette alla sinaptotagmina-7 di prendere il sopravvento e rilasciare più neurotrasmettitori; senza il rapido competitore, il sensore più lento ha libero accesso al calcio.

Lo studio ha inoltre evidenziato il ruolo cruciale della spugna di calcio, la calmodulina. Questa proteina è presente in alte concentrazioni e compete con entrambi i sensori per il calcio. Poiché la calmodulina ha una forza di attrazione verso il calcio simile a quella della sinaptotagmina-7, essa non blocca il sensore lento tanto quanto l'altro. Tuttavia, è molto più forte della sinaptotagmina-1. Di conseguenza, quando la calmodulina è presente, blocca efficacementamente il sensore veloce impedendogli di legare abbastanza calcio per innescare un rilascio, a meno che i livelli di calcio non siano estremamente elevati. Ciò significa che la presenza di questa spugna può silenziare il segnale rapido e sincrono, lasciando intatto il segnale lento e asincrono. I ricercatori hanno scoperto che anche la disposizione fisica dei canali del calcio è importante. Quando i canali sono raggruppati strettamente, creano un'ondata locale di alto livello di calcio che può sopraffare la spugna e permettere al sensore veloce di funzionare. Quando i canali sono dispersi, il calcio è più diluito e la spugna vince, favorendo il sensore più lento.

Forse ancora più sorprendente, la simulazione ha mostrato che la quantità totale di calcio nella cellula non racconta tutta la storia. Due configurazioni diverse potrebbero avere esattamente la stessa quantità di calcio libero, pur producendo schemi di rilascio completamente differenti. Questo perché il modello è determinato da come il calcio è ripartito tra i sensori e la spugna, non solo dalla quantità totale disponibile. I ricercatori hanno dimostrato che cambiando il numero di sensori di sinaptotagmina-7 rispetto alla sinaptotagmina-1, potevano spostare l'equilibrio del sistema. Quando hanno aumentato il numero dei sensori più lenti per corrispondere alle osservazioni sperimentali nell'ippocampo, il sistema è diventato molto più sensibile alla frequenza della stimolazione. I sensori più lenti iniziarono ad accumulare calcio attraverso una serie di segnali rapidi, portando a un modello di rilascio che diventava più forte con l'invio ripetuto, un comportamento noto come facilitazione.

Il lavoro fornisce una spiegazione unificata di come una singola terminazione nervosa possa produrre sia segnali precisi, con tempi nell'ordine dei millisecondi, sia segnali più lenti e persistenti. Suggerisce che il cervello non ha bisogno di diversi tipi di sinapsi per ottenere questi diversi ritmi; può invece regolare il rilascio regolando il rapporto tra i sensori e l'ambiente locale del calcio. Il modello conferma che l'interazione tra il sensore veloce e quello lento, mediata dalla competizione per il calcio e dall'interferenza delle proteine di buffering, è il meccanismo centrale che guida la diversità della trasmissione sinaptica. Mappando queste interazioni, i ricercatori sono andati oltre la semplice descrizione di ciò che accade per spiegare esattamente come accade, rivelando che la tempistica dei nostri pensieri e delle nostre azioni è radicata nella fisica microscopica della competizione proteica.