EphA3 couples attractive guidance to persistent retinal axon growth through modulation of EphA4 forward signaling in a plasma membrane cholesterol-dependent manner

Il cervello è una vasta rete di fili, ma a differenza dei cavi di rame in una parete, queste connessioni biologiche devono trovare la loro strada attraverso il corpo con una precisione millimetrica durante lo sviluppo. Nel sistema visivo, le cellule nervose nell'occhio, note come cellule gangliari retiniche, inviano lunghi filamenti chiamati assoni verso un bersaglio specifico nel cervello. Affinché la visione funzioni, questi fili devono mappare il mondo esattamente com'è: il lato sinistro dell'occhio deve connettersi al lato destro del cervello, e la parte superiore deve connettersi alla parte inferiore. Se questi fili si incrociano o si fermano nel posto sbagliato, il risultato è la cecità o una vista distorta. Per raggiungere questo obiettivo, gli assoni in crescita si affidano a segnali chimici nel loro ambiente. Alcuni di questi segnali dicono all'assone di fermarsi, mentre altri gli dicono di girare o di continuare a muoversi in avanti. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che una specifica famiglia di proteine, chiamate recettori EphA e i loro partner, le efrine, agiscono come un importante insieme di questi segnali, funzionando spesso come una forza repulsiva che spinge gli assoni lontano dalle aree in cui non dovrebbero trovarsi. Tuttavia, la storia completa di come questi segnali guidino un assone non solo lontano dal pericolo, ma attivamente verso la sua destinazione mantenendolo in movimento, è rimasta incompleta.

Un team di ricercatori dell'Università di Buenos Aires e della Miami University ha ora scoperto un ruolo più sfumato per queste proteine, rivelando come possano agire come una mano gentile che guida una fibra nervosa in avanti piuttosto che solo come un muro che la spinge indietro. Concentrandosi sulla parte nasale dell'occhio del pollo, che invia assoni verso la parte posteriore del bersaglio cerebrale, gli scienziati hanno investigato come una specifica proteina, EphA3, influenzi il comportamento di questi nervi in crescita. Hanno scoperto che quando l'EphA3 è presente sulla superficie su cui l'assone sta camminando, non respinge il nervo. Al contrario, lo attrae, tirandolo verso concentrazioni più elevate della proteina. Ancora più importante, questa attrazione fa più di cambiare direzione; aiuta l'assone a continuare a muoversi costantemente senza fermarsi o tornare indietro. I ricercatori hanno scoperto che questo processo si basa su due fattori critici: l'assone deve avere un livello basale di attività da una proteina correlata chiamata EphA4, e la membrana esterna della cellula nervosa deve essere ricca di colesterolo, una sostanza grassa che aiuta a organizzare la superficie cellulare.

Per vedere come ciò funzioni, gli scienziati hanno fatto crescere cellule nervose retiniche in una capsula e le hanno poste su una superficie modellata con strisce alternate di proteina EphA3 e una sostanza di controllo. Hanno osservato che gli assoni nasali sceglievano costantemente di crescere sulle strisce contenenti EphA3, ignorando le aree di controllo. Ciò ha confermato che la proteina agisce come un magnete per queste specifiche fibre nervose. Per comprendere la meccanica di questa attrazione, il team ha poi posto le cellule in una camera dove la proteina EphA3 formava un gradiente fluido, con la concentrazione che aumentava da un lato all'altro. Utilizzando telecamere a scorrimento temporale per osservare la crescita degli assoni per due ore, hanno visto le punte dei nervi volgersi verso la fonte della proteina. La svolta non era casuale; gli assoni si sterzavano attivamente lungo la pendenza chimica.

Lo studio è andato più a fondo per misurare come gli assoni si muovessero durante questo viaggio. I ricercatori hanno tracciato la velocità e il comportamento dei coni di crescita, le punte degli assoni che esplorano l'ambiente. Hanno scoperto che la presenza di EphA3 non faceva muovere gli assoni alla loro velocità massima assolabile. Invece, cambiava il ritmo del loro movimento. In condizioni normali, gli assoni in crescita spesso si fermano, pausano o addirittura arretrano leggermente prima di muoversi di nuovo in avanti. Quando esposti a EphA3, gli assoni trascorrevano significativamente più tempo in un movimento costante in avanti e molto meno tempo a fare pause o a ritirarsi. La proteina essenzialmente levigava il viaggio, permettendo all'assone di mantenere un passo costante per periodi più lunghi. Ciò suggerisce che l'EphA3 aiuti la fibra nervosa a impegnarsi nel proprio percorso, riducendo l'esitazione che spesso rallenta la crescita.

Tuttavia, questa guida attrattiva non è un semplice interruttore on-off. I ricercatori hanno scoperto che la capacità dell'assone di rispondere a EphA3 dipende dall'attività di un'altra proteina, EphA4, che è naturalmente presente nella cellula nervosa. Quando gli scienziati hanno utilizzato un farmaco per bloccare completamente l'EphA4, gli assoni hanno perso la capacità di volgersi verso il segnale EphA3. Crescevano con la stessa velocità, o anche più velocemente, ma vagavano senza meta, non seguendo più la mappa chimica. Questa scoperta esclude l'idea che l'EphA3 lavori in isolamento; al contrario, richiede un livello specifico e moderato di attività di EphA4 per funzionare correttamente come guida. Sembra che l'EphA4 agisca come un partner necessario che permette all'assone di interpretare il segnale EphA3 e tradurlo in una svolta direzionale.

Lo studio ha anche evidenziato l'importanza della struttura fisica della membrana esterna della cellula nervosa. I ricercatori hanno trattato le cellule con una sostanza che rimuove il colesterolo dalla membrana, interrompendo efficacemente i lipid rafts — patch specializzati sulla superficie cellulare dove si radunano queste proteine di segnalazione. Quando il colesterolo è stato depauperato, gli assoni sono cresciuti più lentamente e si sono fermati più frequentemente. Fondamentalmente, l'attrazione di EphA3 è svanita. Gli assoni non si sono più rivolti verso la proteina, e la crescita costante e persistente che l'EphA3 solitamente incoraggiava è scomparsa. Ciò indica che l'ambiente ricco di colesterolo è essenziale affinché le proteine EphA3 e EphA4 interagiscano correttamente e inviino il segnale corretto alla macchina interna della cellula.

Combinando queste osservazioni, i ricercatori hanno proposto un modello di come il cervello costruisce la sua mappa visiva. Nello sviluppo del cervello, l'area target contiene un gradiente di EphA3, con livelli elevati dove gli assoni nasali entrano nel tetto rostrale. Gli assoni nasali, che devono raggiungere la parte posteriore, sono attratti da questa alta concentrazione. La presenza di EphA3 attrae l'assone e lo mantiene in movimento costante in avanti, impedendogli di fermarsi troppo presto o di ramificarsi nel posto sbagliato. Mentre l'assone viaggia più a fondo nell'area target, i livelli di EphA3 scendono e altri segnali prendono il sopravvento per rallentare la crescita e incoraggiare l'assone a fermarsi e formare connessioni. Lo studio suggerisce che se l'EphA4 viene bloccato completamente, l'assone potrebbe crescere molto velocemente e proseguire oltre il suo bersaglio, potenzialmente rovinando la mappa. Al contrario, se il colesterolo della membrana viene interrotto, l'assone non può leggere la mappa affatto.

Questo lavoro chiarisce che la guida non è solo evitare i posti sbagliati; è un processo attivo di sterzata e sostenimento della crescita. Le scoperte mostrano che la stessa famiglia di proteine può agire sia come barriera repulsiva che come guida attrattiva, a seconda del contesto e dei partner specifici con cui interagiscono. La ricerca sottolinea che lo stato fisico della membrana cellulare, specificamente il contenuto di colesterolo, è un requisito fondamentale per questi complessi compiti di navigazione. Mostrando come l'EphA3 accoppi la svolta direzionale con la crescita persistente in avanti, lo studio fornisce un quadro più chiaro della delicata precisione richiesta affinché il cervello si cabli correttamente. Suggerisce che la futura rigenerazione delle fibre nervose potrebbe richiedere non solo la stimolazione della crescita, ma anche l'assicurazione che i segnali di guida e l'ambiente di membrana siano intatti per mantenere quelle fibre sul percorso giusto.