α2δ-2 mediates coupling of presynaptic calcium entry to vesicle release in hippocampal parvalbumin-expressing interneurons

O cérebro depende de um equilíbrio delicado entre sinais que excitam os neurônios e sinais que os acalmam. Quando esse equilíbrio se inclina demais para a excitação, o resultado pode ser uma convulsão, um surto repentino de atividade elétrica que interrompe o funcionamento normal. Para manter essa estabilidade, o cérebro utiliza células especiais chamadas interneurônios, que atuam como os freios do sistema nervoso. Essas células liberam um mensageiro químico conhecido como GABA, que retarda o ritmo dos neurônios vizinhos, impedindo que eles disparem muito rapidamente. Para que esse sistema de frenagem funcione, os interneurônios devem ser capazes de detectar quando um sinal elétrico chega e liberar instantaneamente sua carga química. Esse processo depende de minúsculos poros na membrana celular chamados canais de cálcio, que permitem a entrada de cálcio para desencadear a liberação. No entanto, esses canais frequentemente precisam da ajuda de proteínas parceiras menores para funcionar corretamente, e os cientistas ainda estão aprendendo exatamente como essas parcerias funcionam em diferentes partes do cérebro.

Uma equipe de pesquisadores voltou recentemente sua atenção para uma proteína parceira específica chamada alfa-2-delta-2, que pertence a uma família de moléculas que auxiliam os canais de cálcio. Eles focaram em um grupo de células inibitórias no hipocampo, uma região do cérebro vital para a memória, que são marcadas por uma proteína chamada parvalbumina. Essas células parvalbumina-positivas são conhecidas por serem ricas na parceira alfa-2-delta-2, e estudos anteriores mostraram que camundongos que carecem dessa proteína sofrem de convulsões espontâneas. Os pesquisadores queriam entender o elo mecânico entre a proteína ausente e as convulsões. Eles questionaram se a ausência dessa proteína parceira simplesmente reduzia o número dessas células de frenagem ou se quebrava a maquinaria dentro das células que permite a liberação de seus mensageiros químicos calmantes em primeiro lugar.

Para encontrar a resposta, os cientistas prepararam fatias finas de tecido cerebral de camundongos que careciam da proteína alfa-2-delta-2 e as compararam com fatias de camundongos normais. Primeiro, eles observaram a atividade geral no giro dentado, uma área específica dentro do hipocampo. Descobriram que, nos camundongos sem a proteína, o equilíbrio de sinais havia mudado; os sinais excitatórios eram mais fortes em relação aos inibitórios. Para ver se isso ocorria porque as células de frenagem estavam falhando em disparar, os pesquisadores utilizaram uma técnica chamada optogenética, que permite aos cientistas ligar e desligar células específicas com luz. Quando eles usaram a luz para ativar as células parvalbumina-positivas, os camundongos normais mostraram uma forte liberação de sinais inibitórios. Em contraste, os camundongos sem a proteína alfa-2-delta-2 produziram correntes inibitórias dramaticamente menores, indicando que as células estavam lutando para realizar seu trabalho.

A equipe investigou então se as células estavam simplesmente ausentes ou se estavam presentes, mas apresentavam mau funcionamento. Ao corar o tecido para visualizar as células, descobriram que havia, de fato, menos conexões dessas células inibitórias sobre seus neurônios alvo nos camundongos mutantes. No entanto, o problema ia além de apenas uma perda de conexões. Mesmo as conexões que restaram estavam funcionalmente prejudicadas. Os pesquisadores mediram a probabilidade de as células liberarem seu mensageiro químico e descobriram que era significativamente menor nos camundongos mutantes. Além disso, observaram que o suprimento de pacotes químicos prontos para liberação, conhecidos como vesículas, era menor do que nos camundongos normais.

Finalmente, os cientistas examinaram quão bem os canais de cálcio estavam ligados à liberação dessas vesículas. Ao manipular os níveis de cálcio dentro e fora das células, eles demonstraram que a conexão entre a entrada de cálcio e a subsequente liberação do químico inibitório era muito mais fraca nas células que careciam da proteína alfa-2-delta-2. O estudo conclui que esta proteína parceira específica é essencial para acoplar a entrada de cálcio à liberação de sinais inibitórios nessas células cerebrais. Sem ela, o sistema de frenagem torna-se ineficiente, levando a um estado em que o cérebro está mais propenso às tempestades elétricas incontroláveis conhecidas como convulsões. As descobertas sugerem que as convulsões observadas nesses camundongos não são apenas resultado de ter menos células inibitórias, mas são causadas por uma falha fundamental em como as células restantes se comunicam e liberam seus sinais calmantes.