Un cono de crecimiento es una gran extensión sostenida por actina de una neurita en desarrollo o regeneración que busca su objetivo sináptico . Es el cono de crecimiento el que impulsa el crecimiento del axón. [1] Su existencia fue propuesta originalmente por el histólogo español Santiago Ramón y Cajal basándose en imágenes estacionarias que observó bajo el microscopio . Fue el primero en describir el cono de crecimiento basado en células fijas como "una concentración de protoplasma de forma cónica, dotada de movimientos ameboides" (Cajal, 1890). [2] Los conos de crecimiento están situados en las puntas de las neuritas, ya sean dendritas o axones , de la célula nerviosa . Las funciones sensoriales, motoras, integradoras y adaptativas de los axones y dendritas en crecimiento están todas contenidas dentro de esta estructura especializada.
La morfología del cono de crecimiento se puede describir fácilmente utilizando la mano como analogía. Las finas extensiones del cono de crecimiento son filopodios puntiagudos conocidos como microespículas. [3] Los filopodios son como los "dedos" del cono de crecimiento; contienen haces de filamentos de actina (F-actina) que les dan forma y soporte. Los filopodios son las estructuras dominantes en los conos de crecimiento y aparecen como estrechas extensiones cilíndricas que pueden extenderse varios micrómetros más allá del borde del cono de crecimiento. Los filopodios están unidos por una membrana que contiene receptores y moléculas de adhesión celular que son importantes para el crecimiento y la guía de los axones .
Entre los filopodios (de forma muy similar a la membrana interdigital de las manos) se encuentran los " lamelipodios ", que son regiones planas de una densa red de actina en lugar de un haz de actina F como en los filopodios. Suelen aparecer adyacentes al borde delantero del cono de crecimiento y se ubican entre dos filopodios, lo que les da una apariencia de "velo". En los conos de crecimiento, los nuevos filopodios suelen surgir de estos velos interfilopodiales.
El cono de crecimiento se describe en términos de tres regiones: el dominio periférico (P), el dominio transicional (T) y el dominio central (C). El dominio periférico es la región delgada que rodea el borde exterior del cono de crecimiento. Está compuesto principalmente de un citoesqueleto basado en actina y contiene los lamelipodios y filopodios que son altamente dinámicos. Sin embargo, se sabe que los microtúbulos ingresan transitoriamente a la región periférica a través de un proceso llamado inestabilidad dinámica . El dominio central está ubicado en el centro del cono de crecimiento más cercano al axón. Esta región está compuesta principalmente de un citoesqueleto basado en microtúbulos, generalmente es más gruesa y contiene muchos orgánulos y vesículas de varios tamaños. El dominio transicional es la región ubicada en la banda delgada entre los dominios central y periférico.
Los conos de crecimiento están especializados molecularmente, con transcriptomas y proteomas que son distintos de los de sus cuerpos celulares originales. [4] Hay muchas proteínas asociadas al citoesqueleto, que realizan una variedad de tareas dentro del cono de crecimiento, como anclar la actina y los microtúbulos entre sí, a la membrana y a otros componentes del citoesqueleto. Algunos de estos componentes incluyen motores moleculares que generan fuerza dentro del cono de crecimiento y vesículas unidas a la membrana que se transportan dentro y fuera del cono de crecimiento a través de microtúbulos. Algunos ejemplos de proteínas asociadas al citoesqueleto son la fascina y las filaminas (agrupamiento de actina), la talina (anclaje de actina), la miosina (transporte de vesículas) y mDia (enlace microtúbulo-actina).
La naturaleza altamente dinámica de los conos de crecimiento les permite responder al entorno circundante cambiando rápidamente de dirección y ramificándose en respuesta a diversos estímulos. Hay tres etapas de crecimiento del axón, que se denominan: protrusión, congestión y consolidación. Durante la protrusión, hay una rápida extensión de los filopodios y las extensiones lamelares a lo largo del borde delantero del cono de crecimiento. La congestión sigue cuando los filopodios se mueven a los bordes laterales del cono de crecimiento, y los microtúbulos invaden aún más el cono de crecimiento, trayendo vesículas y orgánulos como mitocondrias y retículo endoplasmático. Finalmente, la consolidación ocurre cuando la F-actina en el cuello del cono de crecimiento se despolimeriza y los filopodios se retraen. Luego, la membrana se encoge para formar un eje axónico cilíndrico alrededor del haz de microtúbulos. Una forma de ramificación axonal también ocurre a través del mismo proceso, excepto que el cono de crecimiento se "divide" durante la fase de congestión. Esto da como resultado la bifurcación del axón principal. Una forma adicional de ramificación axonal se denomina ramificación colateral (o intersticial); [5] [6] La ramificación colateral, a diferencia de las bifurcaciones axonal, implica la formación de una nueva rama a partir del eje axonal establecido y es independiente del cono de crecimiento en la punta del axón en crecimiento. En este mecanismo, el axón genera inicialmente un filopodio o lamelipodio que, tras la invasión de los microtúbulos axónicos, puede desarrollarse aún más hasta convertirse en una rama que se extiende perpendicularmente desde el eje axonal. Las ramas colaterales establecidas, como el axón principal, presentan un cono de crecimiento y se desarrollan independientemente de la punta del axón principal.
En general, la elongación del axón es el producto de un proceso conocido como crecimiento de la punta. En este proceso, se agrega material nuevo al cono de crecimiento mientras que el resto del citoesqueleto axonal permanece estacionario. Esto ocurre a través de dos procesos: dinámica basada en el citoesqueleto y tensión mecánica. Con la dinámica del citoesqueleto, los microtúbulos se polimerizan en el cono de crecimiento y entregan componentes vitales. La tensión mecánica se produce cuando la membrana se estira debido a la generación de fuerza por parte de los motores moleculares en el cono de crecimiento y las fuertes adherencias al sustrato a lo largo del axón. En general, los conos de crecimiento de rápido crecimiento son pequeños y tienen un alto grado de estiramiento, mientras que los conos de crecimiento de movimiento lento o en pausa son muy grandes y tienen un bajo grado de estiramiento.
Los conos de crecimiento se construyen continuamente mediante la construcción de los microfilamentos de actina y la extensión de la membrana plasmática a través de la fusión de vesículas . Los filamentos de actina se despolimerizan y se desensamblan en el extremo proximal para permitir que los monómeros libres migren al borde delantero (extremo distal) del filamento de actina donde puede polimerizarse y así volver a unirse. Los filamentos de actina también se transportan constantemente lejos del borde delantero mediante un proceso impulsado por un motor de miosina conocido como flujo retrógrado de F-actina. Los filamentos de actina se polimerizan en la región periférica y luego se transportan hacia atrás a la región de transición, donde se despolimerizan; liberando así los monómeros para repetir el ciclo. Esto es diferente de la cinta de correr de la actina, ya que toda la proteína se mueve. Si la proteína simplemente se moviera en la cinta de correr, los monómeros se despolimerizarían de un extremo y se polimerizarían en el otro, mientras que la proteína en sí no se mueve.
La capacidad de crecimiento de los axones reside en los microtúbulos que se encuentran justo detrás de los filamentos de actina. Los microtúbulos pueden polimerizarse rápidamente y, por lo tanto, “sondear” la región periférica rica en actina del cono de crecimiento. Cuando esto sucede, los extremos polimerizantes de los microtúbulos entran en contacto con los sitios de adhesión de la F-actina, donde las proteínas asociadas a la punta de los microtúbulos actúan como “ligandos”. Las lamininas de la membrana basal interactúan con las integrinas del cono de crecimiento para promover el movimiento hacia adelante de este último. Además, el crecimiento del axón también se ve respaldado por la estabilización de los extremos proximales de los microtúbulos, que proporcionan el soporte estructural para el axón.
El movimiento de los axones está controlado por una integración de su función sensorial y motora (descrita anteriormente) que se establece a través de segundos mensajeros como el calcio y los nucleótidos cíclicos. La función sensorial de los axones depende de señales de la matriz extracelular que pueden ser atractivas o repulsivas, ayudando así a guiar al axón lejos de ciertas rutas y atrayéndolo hacia sus destinos objetivo adecuados. Las señales atractivas inhiben el flujo retrógrado de los filamentos de actina y promueven su ensamblaje, mientras que las señales repulsivas tienen el efecto exactamente opuesto. Las proteínas estabilizadoras de actina también están involucradas y son esenciales para la protrusión continua de filopodios y lamelipodios en presencia de señales atractivas, mientras que las proteínas desestabilizadoras de actina están involucradas en presencia de una señal repulsiva.
Un proceso similar se produce con los microtúbulos . En presencia de una señal atractiva en un lado del cono de crecimiento, las proteínas estabilizadoras de microtúbulos se dirigen a microtúbulos específicos de ese lado, lo que hace que el cono de crecimiento gire en la dirección del estímulo positivo. Con señales repulsivas, ocurre lo contrario: la estabilización de los microtúbulos se ve favorecida en el lado opuesto del cono de crecimiento que el estímulo negativo, lo que hace que el cono de crecimiento se aleje del repelente. Este proceso, junto con los procesos asociados a la actina, da como resultado el crecimiento dirigido general de un axón.
Los receptores de cono de crecimiento detectan la presencia de moléculas de guía axonal como Netrina , Slit , Efrinas y Semaforinas . Más recientemente se ha demostrado que los determinantes del destino celular como Wnt o Shh también pueden actuar como señales de guía. La misma señal de guía puede actuar como un atrayente o un repelente, dependiendo del contexto. Un excelente ejemplo de esto es Netrina-1, que señala atracción a través del receptor Netrina DCC y repulsión a través del receptor UNC-5 . Además, se ha descubierto que estas mismas moléculas están involucradas en la guía del crecimiento de los vasos. La guía axonal dirige el cableado inicial del sistema nervioso y también es importante en la regeneración axonal después de una lesión . [7]