Meccanismi di smistamento molecolare assicurano la consegna di proteine a compartimenti di membrana discreti
Mentre sono stati stabiliti in termini generali i percorsi attraverso i quali le proteine selezionate associate alla membrana sono consegnate alla destinazione corretta, molte domande intriganti riguardanti il processo di selezione stesso rimangono. Come mai alcune proteine di membrana rimangono nel corpo cellulare, per esempio le glicosiltransferasi del Golgi, mentre altre vengono impacchettate per essere consegnate all’assone? Tra le proteine trasportate, come fanno alcune, come i canali ionici del sodio e del potassio, a raggiungere l’assolemma mentre altre, come i recettori presinaptici, le vescicole sinaptiche o i neuropeptidi secreti, percorrono la lunghezza dell’assone fino al terminale nervoso o entrano nella fessura sinaptica? Infine, come mai organelli come la vescicola sinaptica sono diretti verso gli assoni e i terminali presinaptici, ma non negli arbori dendritici? Questa domanda diventa particolarmente interessante per i neuroni sensoriali del ganglio della radice dorsale, dove il ramo centrale del singolo assone ha terminali presinaptici mentre il ramo periferico dello stesso assone non ne ha nessuno.
Le risposte a queste domande rimangono incomplete, ma alcuni meccanismi hanno cominciato ad emergere. Alcune informazioni provengono da studi su cellule epiteliali polarizzate, dove l’identità dei segnali di destinazione molecolari per la consegna delle proteine appena sintetizzate alle membrane basolaterali o apicali può essere valutata. Questi meccanismi sono rilevanti per il neurone perché le proteine virali che normalmente vanno alle membrane basolaterali epiteliali finiscono nei compartimenti dendritici neuronali, mentre quelle destinate ai compartimenti apicali possono essere spostate nell’assone. Tuttavia, i meccanismi sottostanti sembrano essere complessi. I segnali possono essere “aggiunti”, come modifiche post-traslazionali tra cui glicosilazione, acilazione o fosforilazione, o “costruiti”, sotto forma di sequenze discrete di aminoacidi. Entrambi i meccanismi sembrano operare nelle cellule. Per esempio, l’aggiunta di mannosio-6-fosfato alle proteine le dirige verso i lisosomi, mentre sono state identificate sequenze di aminoacidi che dirigono le proteine nel nucleo o nei mitocondri. In generale, è probabile che i segnali di targeting dirigano le proteine verso specifici organelli, mentre altri meccanismi dirigono gli organelli verso destinazioni finali appropriate.
I componenti di membrana specifici devono essere consegnati ai loro siti di utilizzo e non lasciati in siti inappropriati. Una vescicola sinaptica dovrebbe andare ai terminali presinaptici perché non hanno alcuna funzione in un assone o nel corpo cellulare. Il problema è aggravato dal fatto che molti terminali presinaptici non sono alla fine di un assone. Spesso, numerosi terminali si verificano in sequenza lungo un singolo assone, facendo contatti en passant con più bersagli. Così, le vescicole sinaptiche non possono semplicemente spostarsi alla fine delle MT assonali e il targeting delle vescicole sinaptiche diventa un problema più complesso. Complessità simili sorgono con le proteine di membrana destinate all’assolemma o a una membrana nodale.
Un meccanismo proposto per il targeting degli organelli ai terminali può avere implicazioni generali. La famiglia delle fosfoproteine della sinapsina, che è concentrata nel terminale presinaptico, può essere coinvolta nel targeting delle vescicole sinaptiche. La sinapsina defosforilata si lega strettamente sia alle vescicole sinaptiche che ai microfilamenti di actina (MF), mentre la fosforilazione libera entrambi. La sinapsina defosforilata inibisce il trasporto assonale di MBO nell’assoplasma isolato, mentre la sinapsina fosforilata a concentrazioni simili non ha alcun effetto. Quando una vescicola sinaptica passa attraverso una regione ricca di sinapsina defosforilata, può essere relegata alla matrice MF disponibile dalla sinapsina. Tali vescicole reticolate verrebbero rimosse dal trasporto assonale veloce e sono effettivamente destinate a un dominio ricco di sinapsina e MF, il terminale presinaptico. Le chinasi attivate dal calcio mobilitano successivamente le vescicole mirate per il trasferimento nelle zone attive per il rilascio del neurotrasmettitore (vedi capitolo 9). Questo suggerisce un meccanismo generale che, con variazioni, potrebbe indirizzare le MBO ad altri domini specifici.
Infine, questo capitolo si è concentrato quasi interamente sul trasporto assonale, ma esiste anche il trasporto dendritico. Poiché i dendriti di solito includono regioni postsinaptiche mentre la maggior parte degli assoni terminano in elementi presinaptici, il trasporto dendritico e assonale ricevono ciascuno un certo numero di proteine uniche. Prove di meccanismi di smistamento provengono da studi su neuroni ippocampali in coltura utilizzando due diverse proteine virali. Le glicoproteine virali a bersaglio basale sono state trasportate esclusivamente nei processi dendritici dei neuroni coltivati, mentre le glicoproteine del virus a gemmazione apicale sono state trovate negli assoni. Un ulteriore livello di complessità per i fenomeni di trasporto intraneuronale è l’intrigante osservazione che l’mRNA è instradato nei dendriti, dove è implicato nella sintesi proteica locale nei siti postsinaptici, ma che i componenti ribosomiali e l’mRNA sono ampiamente esclusi dai domini assonali. Processi simili di trasporto di mRNA sono stati descritti nelle cellule gliali.