Sinapsis de cinta - Ribbon synapse
| Sinapsis de cinta | |
|---|---|
| Detalles | |
| Función | Sinapsis |
| Identificadores | |
| latín | Synapsis fasciolaris |
| TH | H2.00.06.2.00024 |
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Términos anatómicos de microanatomía | |
La sinapsis en cinta es un tipo de sinapsis neuronal caracterizada por la presencia de una estructura densa en electrones, la cinta sináptica , que mantiene las vesículas cerca de la zona activa . Se caracteriza por un acoplamiento estrecho entre la vesícula y el canal de calcio que promueve la liberación rápida de neurotransmisores y la transmisión sostenida de señales. Las sinapsis de cinta se someten a un ciclo de exocitosis y endocitosis en respuesta a cambios graduales del potencial de membrana . Se ha propuesto que la mayoría de las sinapsis de cinta sufren un tipo especial de exocitosis basada en la liberación multivesicular coordinada. Esta interpretación se ha cuestionado recientemente en la sinapsis de la cinta de las células ciliadas internas , donde se ha propuesto en cambio que la exocitosis se describe por liberación unicuantal (es decir, univesicular) formada por un poro de fusión de vesícula parpadeante.
Estas características únicas especializan la sinapsis de cinta para permitir una neurotransmisión extremadamente rápida, precisa y sostenida , que es fundamental para la percepción de sentidos complejos como la visión y la audición. Las sinapsis de cinta se encuentran en las células fotorreceptoras de la retina , los receptores de órganos vestibulares , las células ciliadas cocleares , las células bipolares de la retina y los pinealocitos .
La cinta sináptica es una estructura única en la zona activa de la sinapsis. Se coloca a varios nanómetros de la membrana presináptica y sujeta 100 o más vesículas sinápticas . Cada célula presináptica puede tener de 10 a 100 cintas atadas a la membrana, o un número total de 1000 a 10000 vesículas en las proximidades de las zonas activas . La sinapsis en cinta se identificó por primera vez en la retina como una proyección presináptica delgada en forma de cinta rodeada por un halo de vesículas utilizando microscopía electrónica de transmisión en la década de 1950, ya que la técnica estaba ganando un uso generalizado.
Estructura
Microscópico
La sinapsis de la cinta del fotorreceptor tiene un grosor de alrededor de 30 nm. Se adhiere al citoplasma alrededor de 200-1000 nm y se ancla a lo largo de su base a la densidad arciforme, que es una estructura densa de electrones que está anclada a la membrana presináptica. La densidad arciforme se encuentra dentro de la cresta sináptica, una pequeña evaginación de la membrana presináptica. Las células ciliadas carecen de una densidad arciforme, por lo que el ancla de esta cinta se considera invisible al microscopio electrónico. La superficie de la cinta tiene pequeñas partículas de alrededor de 5 nm de ancho donde las vesículas sinápticas se unen densamente a través de finos filamentos de proteína . Hay múltiples filamentos por vesícula. También hay canales de calcio de tipo L activados por voltaje en los sitios de acoplamiento de la sinapsis de cinta que desencadenan la liberación de neurotransmisores. Específicamente, las sinapsis de cinta contienen orgánulos especializados llamados cintas sinápticas, que son grandes estructuras presinápticas asociadas en la zona activa . Se cree que afinan el ciclo de vesículas sinápticas. Las cintas sinápticas están muy próximas a las vesículas sinápticas que, a su vez, están cerca del sitio de liberación del neurotransmisor presináptico a través de la cinta.
Las estructuras postsinápticas difieren para las células cocleares y las células fotorreceptoras. Las células ciliadas son capaces de propagar un potencial de acción para la liberación de una vesícula. La liberación de una vesícula de la célula pilosa presináptica al botón postsináptico es suficiente para crear un potencial de acción en las células aferentes auditivas . Los fotorreceptores permiten la liberación de una vesícula para la propagación de muchos potenciales de acción. La sinapsis del terminal del bastón y la cinta cónica de los fotorreceptores tienen espinas sinápticas horizontales que expresan receptores AMPA con dendritas bipolares adicionales que exhiben los receptores mGluR6 . Estas estructuras permiten la unión de múltiples moléculas de glutamato, lo que permite la propagación de muchos potenciales de acción.
Molecular
La composición molecular entre la sinapsis neuronal convencional y la sinapsis en cinta es sorprendentemente diferente. En el núcleo de la maquinaria de exocitosis de vesículas sinápticas en las sinapsis neuronales de vertebrados se encuentra el complejo SNARE . El complejo SNARE mínimamente funcional incluye sintaxina 1 , VAMP 1 y 2 y SNAP-25 . Por el contrario, la ablación genética o la aplicación de botulinum , dirigida a SNAP-25, sintaxina 1-3 y VAMP 1-3, no afectó a la exocitosis de la sinapsis de la cinta de las células ciliadas internas en ratones. Además, no se observaron SNARE neuronales en las células ciliadas usando inmunotinción , lo que apunta a la posibilidad de un mecanismo de exocitosis diferente. Sin embargo, varios estudios encontraron ARNm y proteína de SNARE expresados en las células ciliadas, lo que quizás indique la presencia de un complejo neuronal SNARE en la sinapsis de cinta que está presente en niveles bajos y con componentes muy redundantes.
También se ha encontrado que varias proteínas de la cinta sináptica están asociadas con sinapsis convencionales. RIM ( proteínas que interactúan con Rab 3) es una GTPasa expresada en vesículas sinápticas que es importante para cebar las vesículas sinápticas. La inmunotinción ha revelado la presencia de KIF3A , un componente del complejo motor kinesin II cuya función aún se desconoce. Las proteínas presinápticas citomatriz Bassoon y Piccolo se expresan en cintas de fotorreceptores, pero Piccolo solo se expresa en cintas sinápticas bipolares retinianas. El fagot se encarga de adherirse a la base de las cintas sinápticas y posteriormente anclar las cintas sinápticas. Se desconoce la función de Piccolo. También son importantes los filamentos que unen las vesículas a la sinapsis de la cinta. Estos se eliminan durante las altas tasas de exocitosis. La única proteína única asociada con la cinta sináptica es RIBEYE, identificada por primera vez en una cinta sináptica purificada de la retina bovina. Se encuentra que es parte de todas las cintas sinápticas de los vertebrados en las sinapsis de las cintas y es la parte central de las sinapsis de las cintas. Se requieren interacciones RIBEYE para formar una proteína de formación de andamio de la cinta sináptica.
Ha habido una cantidad significativa de investigación sobre la proteína de citomatriz presináptica Fagot, que es una proteína de andamiaje de múltiples dominios expresada universalmente en las sinapsis del sistema nervioso central. Se ha demostrado que las mutaciones en fagot provocan una disminución de la transmisión sináptica. Sin embargo, los mecanismos subyacentes detrás de este fenómeno observado no se comprenden completamente y actualmente se están investigando. Se ha observado que en la retina de ratones mutantes Bassoon, las sinapsis de la cinta de los fotorreceptores no están ancladas a las zonas activas presinápticas durante la sinaptogénesis de los fotorreceptores. Se observa que las sinapsis de la cinta del fotorreceptor flotan libremente en el citoplasma de los terminales del fotorreceptor. Estas observaciones han llevado a la conclusión de que Fagot juega un papel fundamental en la formación de la sinapsis de la cinta del fotorreceptor.
Plasticidad estructural
En correspondencia con su actividad, las sinapsis de cinta pueden tener cintas sinápticas que varían en tamaño. En las sinapsis de fotorreceptores de ratón, cuando la tasa de liberación de neurotransmisores es alta y la exocitosis es alta, las cintas sinápticas son largas. Cuando la tasa de liberación de neurotransmisores es baja y la exocitosis es baja, las cintas sinápticas son cortas. Una hipótesis actual es que las cintas sinápticas pueden agrandarse mediante la adición de más subunidades RIBEYE.
Función
Las características de la sinapsis de cinta le permiten procesar información de manera extremadamente rápida. Las neuronas bipolares presentan un buen modelo de cómo funcionan las sinapsis de cinta.
La información se transmite desde las células fotorreceptoras a las células bipolares mediante la liberación del neurotransmisor glutamato en la sinapsis de la cinta. Las neuronas convencionales codifican información mediante cambios en la velocidad de los potenciales de acción , pero para sentidos complejos como la visión, esto no es suficiente. Las sinapsis de cinta permiten que las neuronas transmitan señales de luz en un rango dinámico de varios órdenes de magnitud en intensidad. Esto se logra codificando cambios de intensidad en la tasa tónica de liberación del transmisor, lo que requiere la liberación de varios cientos a varios miles de vesículas sinápticas por segundo.
Para lograr este nivel de rendimiento, las neuronas sensoriales del ojo mantienen grandes grupos de vesículas de liberación rápida que están equipadas con sinapsis de cinta. Esto permite que la célula exocite cientos de vesículas por segundo, superando en gran medida la velocidad de las neuronas sin la sinapsis de cinta especializada.
La hipótesis actual de la exocitosis dependiente del calcio en las sinapsis de la cinta retiniana sugiere que la cinta aloja un depósito de vesículas liberables cebadas. Las vesículas que están en contacto más cercano con la membrana plasmática presináptica en la base de la cinta constituyen el pequeño grupo de vesículas que se liberan rápidamente, mientras que las vesículas restantes unidas a la cinta constituyen el grupo grande, que se libera fácilmente (más lentamente). Estas filas alineadas regularmente de vesículas sinápticas atadas a ambos lados de la cinta junto con la expresión de la proteína motora kinesina KIF3A en las sinapsis de la cinta retiniana pueden mover vesículas como una cinta transportadora al sitio de acoplamiento / liberación en la base de la cinta.
Exocitosis
Durante la exocitosis en la sinapsis de la cinta bipolar, se observa que las vesículas se detienen en la membrana y luego, al abrirse los canales de calcio , liberan rápidamente su contenido en milisegundos. Como la mayoría de las exocitosis, el Ca 2+ regula la liberación de vesículas de la membrana presináptica. Los diferentes tipos de sinapsis de cinta tienen una dependencia diferente de las liberaciones de Ca 2+ . Las sinapsis de la cinta de las células ciliadas muestran una fuerte dependencia de la concentración de Ca 2+ , mientras que las sinapsis de los fotorreceptores son menos dependientes del Ca 2+ y son estimuladas por niveles mucho más bajos de Ca 2+ libre . La sinapsis de la cinta de las células ciliadas experimenta una actividad espontánea en ausencia de estímulos, en condiciones de un potencial constante de membrana de las células ciliadas. La pinza de voltaje en el botón postsináptico mostró que el botón experimenta una amplia gama de amplitudes de corriente postsinápticas excitatorias . La distribución de amplitud de la corriente es un sesgo positivo , con un rango de amplitudes mayores para la liberación espontánea y provocada por estímulos. Se pensó que esta distribución actual no era explicable con la liberación de una sola vesícula, y se han propuesto otros escenarios de liberación: liberación multivesicular coordinada , besar y correr o fusión compuesta de vesículas antes de la exocitosis. Sin embargo, se ha propuesto recientemente que la liberación unicuantal con parpadeo de los poros de fusión es la interpretación más plausible de la distribución de corriente encontrada. De hecho, la distribución de carga de las corrientes en realidad se distribuye normalmente , lo que respalda el escenario de liberación uniquantal. Se ha demostrado que la asimetría de la distribución de amplitud de la corriente se explica bien por diferentes cursos de tiempo de liberación de neurotransmisores de una sola vesícula con un poro de fusión parpadeante.
La zona activa de la célula bipolar de la sinapsis en cinta puede liberar neurotransmisores continuamente durante cientos de milisegundos durante una estimulación intensa. Esta liberación de neurotransmisores ocurre en dos fases cinéticamente distintas: una pequeña reserva rápida donde aproximadamente el veinte por ciento del total se libera en aproximadamente 1 milisegundo, y una gran reserva sostenida donde los componentes restantes se liberan durante cientos de milisegundos. La existencia de correspondencia entre el grupo de vesículas atadas y el grupo para la liberación sostenida en los bastones y las células bipolares de la cinta revela que la cinta puede servir como una plataforma donde las vesículas se pueden preparar para permitir la liberación sostenida de neurotransmisores. Este gran tamaño del componente grande sostenido es lo que separa las zonas activas de sinapsis de cinta de las de las neuronas convencionales donde la liberación sostenida es pequeña en comparación. Una vez que se han agotado las vesículas presinápticas, la reserva liberable de la célula bipolar requiere varios segundos para rellenarse con la ayuda de la hidrólisis de ATP .
Endocitosis
Es necesaria una alta tasa de endocitosis para contrarrestar la alta tasa de exocitosis durante la liberación sostenida de neurotransmisores en las sinapsis de cinta. Las vesículas sinápticas deben reciclarse para que se produzca una mayor transmisión. Estas vesículas se reciclan directamente y, debido a su movilidad, reponen rápidamente los neurotransmisores necesarios para una liberación continua. En los fotorreceptores de cono, la membrana fusionada se recicla a la vesícula sináptica sin que la membrana se acumule en los endosomas . Las células bipolares se basan en un mecanismo diferente. Consiste en tomar una gran parte de la membrana que está endocitosada y da lugar a vesículas sinápticas. Este mecanismo también se conserva en las células ciliadas.
Investigar
Pérdida de audición y vista en ratones.
La investigación ha demostrado que la expresión anormal de otoferlin , una proteína asociada a la sinapsis de cinta, altera la exocitosis de las vesículas unidas a la cinta en las células ciliadas internas auditivas. Otoferlin muestra características funcionales similares a la sinaptotagmina , una proteína asociada a la sinapsis importante para mediar la exocitosis en muchas otras sinapsis (como las del sistema nervioso central ). Se ha demostrado que la alteración de la audición en ratones está asociada con la expresión alterada de otoferlina.
En estudios de codificación genética retiniana de ratones de laboratorio, se demostró que varias subunidades auxiliares del canal de calcio tipo L activadas por voltaje asociadas a la sinapsis de cinta mutada estaban asociadas con la actividad disfuncional de los bastones y los conos y la transmisión de información. Se demostró que los ratones expresan una visión escotópica significativamente reducida , y la investigación adicional ha demostrado que la desregulación de la homeostasis del calcio puede tener un papel importante en la degradación y muerte de los fotorreceptores de los bastones.
Implicaciones humanas
Gran parte de la información genética asociada con las proteínas observadas en ratones de laboratorio se comparte con los humanos. La proteína otoferlina se observa fenotípicamente en las células ciliadas internas auditivas humanas y la expresión anormal se ha relacionado con la sordera. En los seres humanos, se ha demostrado que los implantes cocleares reducen los efectos debilitantes de la expresión anormal de otoferlina al superar la sinapsis asociada con las células ciliadas internas auditivas. El código genético de las subunidades de la retina asociadas con la visión escotópica deficiente y la degradación de los fotorreceptores de varillas se conservan en aproximadamente el 93% entre ratones y humanos. Una mayor investigación sobre el funcionamiento anormal de estos mecanismos podría abrir la puerta a técnicas terapéuticas para aliviar las deficiencias auditivas y visuales.
Otras areas
Varios estudios recientes han proporcionado evidencia de que las mutaciones de pérdida de función en las proteínas presinápticas de la sinapsis en cinta de las células fotorreceptoras pueden causar ceguera nocturna estacionaria congénita ligada al cromosoma X (CSNB) a través de mutaciones en el gen CACNA1F, que codifica la subunidad αF1 del canal de calcio de tipo L Ca v 1.4 . El gen se expresa en la zona activa de las sinapsis de la cinta de los fotorreceptores. La mutación se caracteriza por una reducción significativa tanto de la noche como de la perturbación variable de la visión diurna. También se ha observado que las mutaciones en CACNA1F y Ca v 1.4 co-localizan con CaBP4, una proteína de unión al calcio específica de fotorreceptores. Se ha teorizado que CaBP4 modula la actividad del canal Ca v 1.4. Se ha teorizado que está asociado con el establecimiento y mantenimiento adecuados de las sinapsis de la cinta de los fotorreceptores. Si bien no se ha publicado ninguna evidencia, la asociación entre CaBP4 y Ca v 1.4 es un área de investigación continua.