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 . [1] Se caracteriza por un acoplamiento estrecho entre vesícula y canal de calcio [2] [3] que promueve la liberación rápida de neurotransmisores y la transmisión sostenida de señales. Las sinapsis en cinta experimentan un ciclo de exocitosis y endocitosis en respuesta a cambios graduales del potencial de membrana . Se ha propuesto que la mayoría de las sinapsis en cinta experimentan un tipo especial de exocitosis basada en la liberación multivesicular coordinada. [4] [5] [6] Esta interpretación ha sido cuestionada recientemente en la sinapsis en cinta de las células pilosas internas , donde en cambio se ha propuesto que la exocitosis se describe por una liberación uniquantal (es decir, univesicular) moldeada por un poro de fusión de vesículas parpadeantes. [7]
Estas características únicas especializan la sinapsis en cinta para permitir una neurotransmisión extremadamente rápida, precisa y sostenida , que es fundamental para la percepción de sentidos complejos como la vista y la audición. Las sinapsis en cinta se encuentran en las células fotorreceptoras de la retina , los receptores de los 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. Está ubicada a varios nanómetros de la membrana presináptica y une 100 o más vesículas sinápticas . [8] Cada célula presináptica puede tener de 10 a 100 cintas unidas a la membrana, o un número total de 1000 a 10000 vesículas en estrecha proximidad a las zonas activas . [9] La sinapsis de cinta se identificó por primera vez en la retina como una proyección presináptica delgada, similar a una cinta, rodeada por un halo de vesículas [10] utilizando microscopía electrónica de transmisión en la década de 1950, cuando la técnica estaba ganando uso generalizado.
La sinapsis de la cinta del fotorreceptor tiene un grosor de alrededor de 30 nm. Sobresale en el citoplasma alrededor de 200-1000 nm y se ancla a lo largo de su base a la densidad arciforme, que es una estructura densa en 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 anclaje de esta cinta se considera invisible al microscopio electrónico. [11] 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 filamentos de proteína finos . Hay múltiples filamentos por vesícula. También hay canales de calcio de tipo L controlados por voltaje en los sitios de acoplamiento de la sinapsis de la cinta que desencadenan la liberación de neurotransmisores. Específicamente, las sinapsis de la cinta contienen orgánulos especializados llamados cintas sinápticas, que son grandes estructuras presinápticas asociadas en la zona activa . Se cree que ajustan el ciclo de las vesículas sinápticas. [8] Las cintas sinápticas están muy cerca de las vesículas sinápticas, que, a su vez, están cerca del sitio de liberación del neurotransmisor presináptico a través de la cinta. [12]
Las estructuras postsinápticas difieren entre las células cocleares y las células fotorreceptoras. Las células ciliadas son capaces de propagar un potencial de acción para liberar una vesícula. Una liberación de vesícula desde la célula ciliada presináptica hacia el botón postsináptico es suficiente para crear un potencial de acción en las células aferentes auditivas . [13] Los fotorreceptores permiten la liberación de una vesícula para la propagación de muchos potenciales de acción. La terminal de bastón y la sinapsis de cinta de cono de los fotorreceptores tienen espinas sinápticas horizontales que expresan receptores AMPA con dendritas bipolares adicionales que exhiben los receptores mGluR6 . [11] Estas estructuras permiten la unión de múltiples moléculas de glutamato, lo que permite la propagación de muchos potenciales de acción.
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 . [14] Por el contrario, la ablación genética o la aplicación de botulinum , dirigida a SNAP-25, sintaxina 1-3 y VAMP 1-3, no afectó la exocitosis de la sinapsis en cinta de las células ciliadas internas en ratones. [15] Además, no se observaron SNARE neuronales en las células ciliadas utilizando inmunotinción , [15] lo que apunta a la posibilidad de un mecanismo de exocitosis diferente. Sin embargo, varios estudios encontraron ARNm y proteína SNARE expresados en células ciliadas, [15] [16] [17] [18] lo que quizás indica la presencia de un complejo SNARE neuronal en la sinapsis de cinta que está presente en niveles bajos y con componentes muy redundantes. [19] [20]
También se ha descubierto 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 preparar las vesículas sinápticas. [12] La inmunotinción ha revelado la presencia de KIF3A , un componente del complejo motor de kinesina II cuya función aún se desconoce. [21] Las proteínas de la citomatriz presináptica Bassoon y Piccolo se expresan en las cintas de fotorreceptores, pero Piccolo solo se expresa en las cintas sinápticas bipolares de la retina. Bassoon es responsable de unirse a la base de las cintas sinápticas y, posteriormente, anclar las cintas sinápticas. La función de Piccolo es desconocida. [11] También son importantes los filamentos que unen las vesículas a la sinapsis de la cinta. Estos se desprenden durante altas tasas de exocitosis. [11] La única proteína única asociada con la cinta sináptica es RIBEYE, identificada por primera vez en la cinta sináptica purificada de la retina bovina. [22] RIBEYE está codificada en los genomas de vertebrados como una transcripción alternativa del gen CtBP2 . [12] Durante el desarrollo de la retina de pollos y humanos, RIBEYE se expresa en las neuronas retinianas de células bipolares y fotorreceptoras. [23] Se ha descubierto que forma parte de todas las cintas sinápticas de vertebrados en las sinapsis de cinta y es la porción central de las sinapsis de cinta. [12] Las interacciones de RIBEYE son necesarias para formar una proteína de formación de andamiaje de la cinta sináptica. [12]
Se ha investigado mucho sobre la proteína citomatriz presináptica Bassoon, una proteína de andamiaje multidominio que se expresa universalmente en las sinapsis del sistema nervioso central. [24] Se ha demostrado que las mutaciones en Bassoon provocan una disminución de la transmisión sináptica. Sin embargo, los mecanismos subyacentes a este fenómeno observado no se comprenden por completo y actualmente se están investigando. Se ha observado que en la retina de ratones mutantes en Bassoon, las sinapsis en cinta de los fotorreceptores no están ancladas a zonas activas presinápticas durante la sinaptogénesis de los fotorreceptores. Se observa que las sinapsis en cinta de los fotorreceptores flotan libremente en el citoplasma de las terminales de los fotorreceptores. [24] Estas observaciones han llevado a la conclusión de que Bassoon desempeña un papel fundamental en la formación de la sinapsis en cinta de los fotorreceptores.
En correspondencia con su actividad, las sinapsis en cinta pueden tener cintas sinápticas que varían en tamaño. En las sinapsis de los 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. [12] Una hipótesis actual es que las cintas sinápticas pueden agrandarse mediante la adición de más subunidades RIBEYE. [25]
Las características de la sinapsis en cinta le permiten procesar información con extrema rapidez. Las neuronas bipolares representan un buen modelo de cómo funcionan las sinapsis en cinta.
La información se transmite desde las células fotorreceptoras a las células bipolares a través de la liberación del neurotransmisor glutamato en la sinapsis en cinta. [24] Las neuronas convencionales codifican la información mediante cambios en la tasa de potenciales de acción , pero para sentidos complejos como la visión, esto no es suficiente. Las sinapsis en cinta permiten a las neuronas transmitir 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, que requiere la liberación de varios cientos a varios miles de vesículas sinápticas por segundo. [24]
Para lograr este nivel de rendimiento, las neuronas sensoriales del ojo mantienen grandes reservas de vesículas de liberación rápida que están equipadas con sinapsis en cinta. Esto permite que la célula exocite cientos de vesículas por segundo, superando ampliamente la velocidad de las neuronas sin la sinapsis en cinta especializada. [24]
La hipótesis actual de exocitosis dependiente de calcio en las sinapsis de la cinta retiniana sugiere que la cinta alberga un reservorio de vesículas liberables preparadas. 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 de vesículas sinápticas alineadas regularmente unidas a ambos lados de la cinta junto con la expresión de la proteína motora de kinesina KIF3A en las sinapsis de la cinta retiniana pueden mover las vesículas como una cinta transportadora al sitio de acoplamiento/liberación en la base de la cinta. [24]
Durante la exocitosis en la sinapsis bipolar en cinta, se observa que las vesículas se detienen en la membrana y luego, al abrir los canales de calcio , liberan rápidamente su contenido en milisegundos [ cita requerida ] . Como la mayoría de las exocitosis, el Ca 2+ regula la liberación de vesículas de la membrana presináptica. Los diferentes tipos de sinapsis en cinta tienen diferente dependencia de las liberaciones de Ca 2+ . Las sinapsis en cinta de las células ciliadas exhiben una marcada dependencia de la concentración de Ca 2+ , [26] 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 . [27] La sinapsis en cinta de las células ciliadas experimenta actividad espontánea en ausencia de estímulos, en condiciones de un potencial de membrana de células ciliadas constante. [28] La fijación de voltaje en el botón postsináptico mostró que el botón experimenta una amplia gama de amplitudes de corriente postsináptica excitatoria . [4] La distribución de amplitud de corriente es un sesgo positivo , con un rango de amplitudes mayores tanto para la liberación espontánea como para la evocada por estímulo. Se pensó que esta distribución de corriente no era explicable con la liberación de una sola vesícula, y se han propuesto otros escenarios de liberación: liberación multivesicular coordinada , [4] [29] beso y fuga , o fusión compuesta de vesículas antes de la exocitosis. [30] Sin embargo, recientemente se ha propuesto que la liberación uniquantal con parpadeo del poro de fusión es la interpretación más plausible de la distribución de corriente encontrada. [7] De hecho, la distribución de carga de las corrientes está realmente distribuida normalmente , lo que respalda el escenario de liberación uniquantal. Se ha demostrado que la asimetría de la distribución de amplitud de corriente se explica bien por diferentes cursos temporales de liberación de neurotransmisores de una sola vesícula con un poro de fusión parpadeante.
La zona activa de las células bipolares de la sinapsis en cinta puede liberar neurotransmisores de forma continua durante cientos de milisegundos durante una estimulación intensa. Esta liberación de neurotransmisores se produce en dos fases cinéticamente distintas: una pequeña reserva rápida en la que se libera aproximadamente el veinte por ciento del total en aproximadamente 1 milisegundo, y una gran reserva sostenida en la que los componentes restantes se liberan a lo largo de cientos de milisegundos. La existencia de una correspondencia entre la reserva de vesículas ancladas y la reserva de liberación sostenida en los bastones y las células bipolares de la cinta revela que la cinta puede servir como plataforma en la que se pueden preparar las vesículas para permitir la liberación sostenida de neurotransmisores. Este gran tamaño del gran componente sostenido es lo que separa las zonas activas de la sinapsis en cinta de las de las neuronas convencionales, en las que 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 . [11]
Una alta tasa de endocitosis es necesaria para contrarrestar la alta tasa de exocitosis durante la liberación sostenida de neurotransmisores en las sinapsis en cinta. Las vesículas sinápticas necesitan reciclarse para que se produzca una mayor transmisión. Estas vesículas se reciclan directamente y, debido a su movilidad, reponen rápidamente los neurotransmisores necesarios para la liberación continua. En los fotorreceptores de cono, la membrana fusionada se recicla en la vesícula sináptica sin que la membrana se acumule en los endosomas . Las células bipolares dependen de un mecanismo diferente. Implica tomar una gran parte de la membrana que se endocita y da lugar a vesículas sinápticas. Este mecanismo también se conserva en las células ciliadas. [11]
Las investigaciones han demostrado que la expresión anormal de otoferlina , una proteína asociada a la sinapsis en forma de cinta, altera la exocitosis de las vesículas unidas a la cinta en las células ciliadas internas auditivas. La otoferlina 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 audición deteriorada en ratones está asociada con la expresión alterada de otoferlina. [31]
En estudios de codificación genética de la retina de ratones de laboratorio, se demostró que varias subunidades auxiliares de canales de calcio de tipo L dependientes de voltaje asociadas a sinapsis de cinta mutadas estaban asociadas con actividad disfuncional de bastones y conos y transmisión de información. [32] Se demostró que los ratones expresaban una visión escotópica significativamente reducida , y otras investigaciones han demostrado que la desregulación de la homeostasis del calcio puede tener un papel importante en la degradación y muerte de los fotorreceptores de bastones. [32]
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 pilosas internas auditivas humanas, y la expresión anormal se ha relacionado con la sordera. En 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 pilosas internas auditivas. [ cita requerida ] El código genético para las subunidades retinianas asociadas con la visión escotópica deteriorada y la degradación de los fotorreceptores de bastón se conserva aproximadamente en un 93% entre ratones y humanos. [31] Una mayor investigación sobre el funcionamiento anormal de estos mecanismos podría abrir la puerta a técnicas terapéuticas para aliviar los impedimentos auditivos y visuales.
Varios estudios recientes han proporcionado evidencia de que las mutaciones de pérdida de función en las proteínas presinápticas de la sinapsis de 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 . [24] El gen se expresa en la zona activa de las sinapsis de cinta de los fotorreceptores. La mutación se caracteriza por una reducción significativa tanto en la visión nocturna como en la perturbación variable de la visión diurna. También se ha observado que las mutaciones en CACNA1F y Ca v 1.4 se co-localizan con CaBP4, una proteína de unión al calcio específica de los fotorreceptores. [24] 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 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.