La neuroligina ( NLGN ), una proteína de membrana de tipo I , es una proteína de adhesión celular en la membrana postsináptica que media la formación y el mantenimiento de sinapsis entre neuronas . Las neuroliginas actúan como ligandos para las β-neurexinas , que son proteínas de adhesión celular ubicadas presinápticamente. La neuroligina y la β-neurexina "se dan la mano", lo que da como resultado la conexión entre dos neuronas y la producción de una sinapsis. [2] Las neuroliginas también afectan las propiedades de las redes neuronales al especificar funciones sinápticas, y median la señalización al reclutar y estabilizar componentes sinápticos clave. Las neuroliginas interactúan con otras proteínas postsinápticas para localizar receptores y canales de neurotransmisores en la densidad postsináptica a medida que la célula madura. [3] Además, las neuroliginas se expresan en tejidos periféricos humanos y se ha descubierto que desempeñan un papel en la angiogénesis . [4] En los humanos, las alteraciones en los genes que codifican las neuroliginas están implicadas en el autismo y otros trastornos cognitivos . [5] Los anticuerpos en una madre de embarazos masculinos previos contra la neuroligina 4 del cromosoma Y aumentan la probabilidad de homosexualidad en la descendencia masculina.
Las neuroliginas se unen con la ayuda de Ca 2+ a los dominios LNS de la α-neurexina (unidades de plegamiento similares a la laminina, la neurexina y la globulina transportadora de hormonas sexuales) y al dominio LNS de la β-neurexina, que luego establece un código de reconocimiento transsináptico heterofílico. [6] A través de la observación de la estructura cristalina de la neuroligina-1, se determinó que la neuroligina-1 forma un dímero proteico cuando dos monómeros de neurexina-1 beta se unen a las dos superficies opuestas de la neuroligina-1. Esto forma un heterotetrámero, que contiene una interfaz para la unión de Ca 2+ . La interacción de la neuroligina y la neurexina para formar un heterotetrámero se controla mediante sitios empalmados alternativamente ubicados cerca de la interfaz de unión para Ca 2+ tanto en la neuroligina-1 como en la neurexina-1 beta. [7] Posteriormente, se confirmó la presencia de dímeros de neuroligina nativos en neuronas a través de la detección bioquímica , que incluyó heterodímeros compuestos por diferentes especies de neuroligina, [8] aumentando la heterogeneidad potencial de los complejos de dímeros del núcleo de neuroligina endógenos.
El dominio extracelular de la NLGN consiste principalmente en una región homóloga a las acetilcolinesterasas , pero los aminoácidos importantes para la catálisis en la AChE no se conservan en la NLGN, que carece de actividad esterasa . Además, esta región homóloga de la AChE es crucial para el funcionamiento adecuado de la NLGN. [2]
Se han identificado neuroliginas tanto en vertebrados como en invertebrados, incluidos humanos, roedores, pollos, Drosophila melanogaster , Caenorhabditis elegans , abejas y Aplysia . Se han encontrado tres genes para la expresión de neuroligina en ratones y ratas, mientras que los humanos expresan cinco genes. [9] Drosophila expresa cuatro genes, las abejas expresan cinco genes y tanto C. elegans como Aplysia expresan un solo gen para neuroligina. [10]
Los genes de neuroligina conocidos en el Homo sapiens incluyen NLGN1 , NLGN2 , NLGN3 , NLGN4X y NLGN5 (también conocido como NLGN4Y). Se ha descubierto que cada gen tiene influencias únicas en la transmisión sináptica.
La expresión de neuroliginas puede diferir entre especies. La neuroligina 1 se expresa específicamente en el SNC en sinapsis excitatorias. En humanos, la expresión de neuroligina 1 es baja antes del nacimiento y aumenta entre los días 1 y 8 posnatales y permanece alta durante la edad adulta. Este aumento posnatal durante la sinaptogénesis activa corresponde a una mayor expresión de la proteína de densidad postsináptica-95 (PSD-95). La neuroligina 2 se concentra principalmente en sinapsis inhibidoras en el SNC, pero en ratones y humanos también puede expresarse en tejidos como el páncreas, los pulmones, los endotelios, el útero y el colon. La neuroligina 3 se expresa en neuronas del SNC, así como en una variedad de células gliales en ratones y ratas y en el cerebro, el corazón, el músculo esquelético, la placenta y el páncreas en humanos. La neuroligina 4X se expresa en el corazón, el hígado, el músculo esquelético, el páncreas y en niveles bajos en el cerebro. La neuroligina 5 (o 4Y), ubicada en el cromosoma Y, tiene solo 19 aminoácidos diferentes de la neuroligina 4X. [9] El ARNm de la neuroligina está presente en las células endoteliales humanas de los vasos sanguíneos grandes [11] y en los ganglios de la raíz dorsal . [12]
El empalme alternativo , una modificación que ocurre después de la transcripción del ARNm, regula la selectividad de unión de las neuroliginas para las α- o β-neurexinas, así como la función de las sinapsis. El empalme alternativo en las neuroliginas ocurre en el dominio funcional principal, la región homóloga de la acetilcolinesterasa. [13] Debido a que la neuroligina tiene dos sitios de empalme conservados en esta región, los sitios A y B, son posibles hasta cuatro isoformas diferentes para cada gen de neuroligina. [9] Las neurexinas también experimentan un empalme alternativo, y ciertas variantes de empalme de neuroliginas y neurexinas son más selectivas entre sí. El emparejamiento específico de variantes de empalme también afecta la función sináptica. Por ejemplo, las neuroliginas que carecen del inserto de empalme B y las β-neurexinas con el inserto S4 promueven la diferenciación de sinapsis inhibidoras GABAérgicas. Por otra parte, las neuroliginas con el inserto B y las β-neurexinas que carecen del inserto S4 promueven la diferenciación de sinapsis glutamatérgicas excitatorias. El inserto A puede promover la localización y la función de las neuroliginas en sinapsis inhibidoras, pero se desconocen los mecanismos. [13]
La neurexina y la neuroligina trabajan juntas para reunir y mantener los componentes del citoesqueleto necesarios para localizar las vesículas sinápticas. La neurexina es necesaria para contener los canales de Ca2 + dependientes del voltaje que se requieren para la liberación de vesículas, mientras que la neuroligina se une a la neurexina para localizar los receptores y proteínas de neurotransmisores necesarios para la especialización postsináptica. En el sitio postsináptico, las neuroliginas están conectadas en red con proteínas especializadas que estimulan receptores y canales de neurotransmisores específicos para ocupar densamente regiones especializadas de la terminal postsináptica durante la maduración de la sinapsis. Debido a que todas las sinapsis en desarrollo contienen neurexinas y neuroliginas, las células en desarrollo pueden realizar muchas conexiones diferentes con otras células. [3]
La neuroligina es suficiente para formar nuevas terminales presinápticas funcionales in vitro. [9] Sin embargo, la evidencia sugiere que otras moléculas de adhesión, como las proteínas de dominio de inmunoglobulina y de la familia de las cadherinas, median el contacto inicial entre los axones y las dendritas para una sinapsis. Las neurexinas y las neuroliginas luego refuerzan el contacto. [13]
Además de la selectividad de las variantes de empalme, los niveles de neuroliginas, neurexinas y otras proteínas interactuantes presentes en las membranas pre y postsinápticas influyen en la diferenciación y el equilibrio de las sinapsis. A medida que las sinapsis se forman durante la sinaptogénesis , se diferencian en una de dos categorías: excitatorias o inhibidoras. Las sinapsis excitatorias aumentan la probabilidad de disparar un potencial de acción en la neurona postsináptica y a menudo son glutamatérgicas , o sinapsis en las que se libera el neurotransmisor glutamato. Las sinapsis inhibidoras disminuyen la probabilidad de disparar un potencial de acción en la neurona postsináptica y a menudo son GABAérgicas , en las que se libera el neurotransmisor GABA. Especialmente durante el desarrollo temprano, las neuronas deben recibir un equilibrio apropiado de entrada sináptica excitatoria vs. inhibitoria, conocida como la relación E/I. De hecho, se cree que un desequilibrio en la relación E/I está involucrado en los trastornos del espectro autista. [14]
La neuroligina 1 se localiza en las sinapsis excitatorias, la neuroligina 2 en las sinapsis inhibidoras y la neuroligina 3 en ambas. La reducción en los niveles de neuroliginas 1, 2 y 3 da como resultado una fuerte reducción de la entrada inhibidora pero poca reducción de la entrada excitatoria. [13] Además, las neuroliginas interactúan con PSD-95 , una proteína intracelular que ancla las proteínas sinápticas en la densidad postsináptica de las sinapsis excitatorias, y gefirina , la respectiva proteína de andamiaje de las postsinapsis inhibidoras. [15] Además, la neuroligina 2 y 4 interactúan específicamente con colibistina, una proteína que regula la localización de la gefirina. El nivel de PSD-95 parece influir en el equilibrio de las entradas excitatorias e inhibidoras. Un aumento en la proporción de PSD-95 a neuroligina resultó en un aumento en la proporción E/I, y una disminución en la proporción PSD-95/neuroligina tuvo el efecto opuesto. [14] Además, la sobreexpresión de PSD-95 redirige la neuroligina-2 de las sinapsis excitatorias a las inhibitorias, fortaleciendo la entrada excitatoria y reduciendo la entrada inhibitoria. [13] Estas interacciones de neuroligina, neurexina y proteínas interactuantes como PSD-95 apuntan a un mecanismo regulador potencial que controla el desarrollo y el equilibrio de las sinapsis excitatorias e inhibitorias, gobernado por mecanismos de retroalimentación homeostática. [14]
La disfunción de la neuroligina se ha implicado en los trastornos del espectro autista . Se han detectado diferentes alteraciones genéticas en los genes de la neuroligina en pacientes con TEA, incluidas mutaciones puntuales , mutaciones sin sentido y deleciones internas . [11] En estudios realizados en familiares con autismo ligado al cromosoma X, se han identificado mutaciones específicas de NLGN3 y NLGN4. Se ha demostrado que estas mutaciones afectan el funcionamiento de las neuroliginas y se ha demostrado que interfieren con la transmisión sináptica. 19 de las 69 proteínas conocidas mutadas en el autismo ligado al cromosoma X codifican proteínas postsinápticas, incluidas las neuroliginas.
Además, los anticuerpos maternos contra la neuroligina NLGN4Y del cromosoma Y se han visto implicados en el desarrollo fetal de la homosexualidad masculina. [16]
Se ha clonado un gen NLGN3 mutado, R451C. Se ha demostrado que el mutante causa un tráfico defectuoso de neuroligina y la retención de la proteína mutante en el retículo endoplasmático . [17] La pequeña cantidad de proteína mutante que llegó a la membrana celular demostró una actividad de unión disminuida para la neurexina-1, consistente con una pérdida de función. [18] El gen mutante ha sido clonado y se introdujo en ratones, lo que resultó en interacciones sociales deterioradas, habilidades de aprendizaje espacial mejoradas y una mayor transmisión sináptica inhibitoria. La eliminación de NLGN3 no produjo estos efectos, lo que indica que R451C es una mutación de ganancia de función. Esto respalda la afirmación de que una mayor transmisión sináptica inhibitoria puede contribuir a los trastornos del espectro autista humano. [19]
También se han encontrado mutaciones en NLGN4 en personas con autismo ligado al cromosoma X. Se ha descubierto que una mutación de cambio de marco de lectura 1186T causa un codón de terminación temprano y un truncamiento prematuro de la proteína. Esta mutación da como resultado la retención intracelular de proteínas mutantes, lo que posiblemente cause una función deteriorada de una molécula de adhesión celular sináptica, [17] y modifique la unión de la proteína neuroligina a sus socios presinápticos, las neurexinas, interrumpiendo así la función sináptica esencial. [20] Otras mutaciones de NLGN4 encontradas en relación con los trastornos del espectro autista incluyen una deleción de 2 pb, 1253delAG, en el gen NLGN4, que causa un cambio de marco de lectura y un codón de terminación prematuro. [21] Otra mutación es una deleción hemicigótica en el gen NLGN4 que abarca los exones 4, 5 y 6. Se predijo que la deleción de 757 kb daría como resultado una proteína significativamente truncada. [22]