Cartografierea rolului MAP7 în ramificarea colaterală a axonului

Neuronii au morfologii dendritice și axonale diverse și distinctive. Dezvoltarea adecvată a acestor structuri este vitală pentru funcția și conectivitatea normală. Într-adevăr, morfologia neuronală anormală a fost legată de diverse tulburări neurobiologice și psihiatrice (Luo și O’Leary, 2005). Dezvoltarea diverselor morfologii axonale depinde de capacitatea axonilor în creștere de a răspunde la indicii extracelulare. Aceste indicii induc remodelarea citoscheletală localizată pentru întoarcerea și ramificarea axonală (Armijo-Weingart și Gallo, 2017).

Dezvoltarea axonilor în neuronii senzoriali DRG este foarte stereotipată și, prin urmare, oferă un bun model pentru înțelegerea mecanismului de ramificare a axonilor. Acești axoni senzoriali se bifurcă la intrarea în măduva spinării, iar axonii fiică se extind fie anterior, fie posterior. Axonul care se dezvoltă anterior va urca pentru a transmite informații senzoriale destinate creierului. În plus, ramurile axonale ascendente și descendente vor genera colaterale axonale interstițiale care se formează de pe un axon stabilit pentru a inerva diferite lamine de-a lungul axei dorsal-ventrale în cadrul măduvei spinării (Gibson și Ma, 2011).

Lucrări recente ale lui Tymanskyj et al. (2017) au încercat să identifice proteinele care mediază ramificarea axonală în neuronii senzoriali DRG. Pentru a face acest lucru, ei au comparat profilurile transcripționale ale neuronilor DRG înainte și după formarea ramurilor colaterale. Deoarece proteina 7 asociată microtubulilor (MAP7) a fost puternic suprareglementată după formarea colateralelor, autorii au examinat în continuare efectele supraexprimării MAP7 și ale knockdown-ului asupra culturilor de neuroni senzoriali primari recoltați în stadii embrionare timpurii și târzii. Supraexprimarea MAP7 a crescut în numărul de ramificații interstițiale la neuronii mai tineri care nu exprimă de obicei MAP7. Dimpotrivă, reducerea MAP7 în neuronii mai bătrâni, cultivați după formarea ramurilor in vivo, a dus la mai puține ramuri interstițiale in vitro. Aceste experimente au demonstrat că MAP7 este atât suficient cât și necesar pentru ramificarea interstițială în neuronii senzoriali.

Tymanskyj et al. (2017) au motivat că un regulator al formării ramificațiilor s-ar localiza probabil în regiunile unui axon în care apar ramificațiile. Într-adevăr, autorii au constatat o preferință puternică pentru MAP7 în punctele de ramificare. Deoarece ramurile născute sunt formate din filopode care sunt stabilizate prin penetrarea microtubulilor, momentul localizării MAP7 la punctele de ramificare ar sugera rolul său care guvernează momentul și modelul de formare a ramurilor. Prin urmare, autorii au realizat imagistică în direct și au determinat că MAP7 marcat fluorescent a fost absent în filopodiile pioniere, dar a întârziat intrarea în ramurile noi îmbogățite cu microtubuli. Alte lucrări au constatat că MAP7 s-a localizat preferențial în ramurile lungi și stabile. Împreună, aceste studii indică faptul că MAP7 este esențială pentru maturarea ramurilor, dar probabil nu și pentru formarea ramurilor inițiale.

Deși aceste manipulări in vitro au stabilit un rol pentru MAP7 în ramificarea colaterală, autorii au căutat să fundamenteze acest lucru prin utilizarea unui mutant de șoarece în care proteina MAP7 este trunchiată la terminația C (MAP7mshi) (Turner et al., 1997). S-a demonstrat anterior că terminusul C al MAP7 interacționează cu kinesina (Sung et al., 2008; Barlan et al., 2013). Astfel, Tymanskyj et al. (2017) au motivat că acesta a fost mecanismul de ramificare a axonului și că neuronii MAP7mshi ar avea mai puține colaterale. În mod surprinzător, neuronii senzoriali cultivați de la șoarecii MAP7mshi au avut o creștere drastică a ramificării axonilor în comparație cu neuronii de la animalele de control. Acest lucru, combinat cu constatările anterioare in vitro, implică puternic faptul că terminalul N, și nu terminalul C, al MAP7 este vital pentru promovarea ramificării colaterale a axonilor. În mod curios, dacă terminația C ar fi fost dispensabilă pentru promovarea ramificării, atunci ar fi fost rezonabil să presupunem că neuronii MAP7mshi ar fi similari cu neuronii de control; totuși, în schimb, pierderea terminației C a MAP7 duce la o potențare a ramificării colaterale. O explicație este că un domeniu C-terminal blochează funcția N-terminală și pierderea terminației C duce la o ramificare exuberantă. Este, de asemenea, posibil ca trunchierea C-terminală să producă niveluri anormal de ridicate ale proteinei MAP7 la șoarecii mutanți, promovând ramificarea axonilor, similar cu supraexprimarea MAP7 in vitro. Deși Tymanskyj et al. (2017) au folosit analiza in situ și RT-PCR pentru a confirma prezența ARNm trunchiat la animalele MAP7mshi, nivelurile de expresie comparabile ale MAP7 sunt neclare. Astfel, rolul precis de reglementare al terminației C va necesita studii suplimentare.

O descoperire cheie a animalelor MAP7mshi a venit din analiza proiecțiilor neuronilor senzoriali DRG. Neuronii senzoriali trebuie să inerveze în mod corespunzător atât țesutul țintă periferic, cum ar fi pielea și mușchii, cât și măduva spinării prin formarea unui număr de colaterale axonale în ambele regiuni pentru o sensibilitate precisă la stimuli externi. În mod interesant, șoarecii MAP7mshi au prezentat un număr crescut de colaterale axonale care se ramificau în măduva spinării în comparație cu animalele de control, în timp ce numărul de colaterale din laba anterioară era normal. Inervația aberantă a axonilor DRG în măduva spinării la șoarecii MAP7mshi a fost asociată cu hiperalgezia termică, sugerând că nociceptorii DRG se bazează pe MAP7 pentru formarea adecvată a axonilor. Dacă și alte subtipuri de neuroni DRG necesită MAP7 necesită investigații suplimentare. Deși Tymanskyj et al. (2017) au cultivat o populație eterogenă de neuroni senzoriali din DRG-uri disociate, ei au suplimentat aceste culturi cu factor de creștere nervoasă (NGF), care oferă factor trofic doar pentru un subset de subtipuri neuronale (adică nociceptorii) (Lallemend și Ernfors, 2012). Alte subtipuri neuronale DRG (de exemplu, proprioceptorii) nu beneficiază de sprijin trofic din partea NGF și, prin urmare, au fost excluse din aceste culturi (Lallemend și Ernfors, 2012). Dacă atât nociceptorii, cât și proprioceptorii se bazează pe MAP7 este deosebit de interesant, deoarece aceștia se proiectează la ținte diferite. Cu toate acestea, în mod notabil, Tymanskyj et al. (2017) au constatat că (1) doar un subset de ramuri a apărut dintr-o regiune îmbogățită cu MAP7, (2) doar un subset de regiuni îmbogățite cu MAP7 de-a lungul axonului a produs ramuri și (3) șoarecii MAP7mshi au avut anomalii de ramificare în proiecțiile centrale, dar nu și în cele periferice. Astfel, este probabil ca alți factori să guverneze formarea ramificațiilor în acești axoni.

Lucrări extinse au arătat că indicii de mediu modelează formarea ramificațiilor axonice prin declanșarea unei secvențe foarte reglementate de evenimente citoscheletice, inclusiv formarea patch-urilor de actină, apariția filopodiilor și polimerizarea și depolimerizarea microtubulelor (Armijo-Weingart și Gallo, 2017). Proteinele asociate microtubulilor (MAPs) pot media modificări ale citoscheletului prin influențarea pozitivă sau negativă a stabilității și grupării microtubulilor (Armijo-Weingart și Gallo, 2017). Similar rolului nou al MAP7 în maturarea ramurilor senzoriale, lucrările anterioare au identificat un rol pentru MAP7 în stabilitatea microtubulelor celulelor Sertoli și în spermatogeneză, unde absența MAP7 la șoareci duce la sterilitate masculină (Komada et al., 2000; Magnan et al., 2009). În schimb, Tymanskyj și alții (Tymanskyj et al., 2012; Barnat et al., 2016) au identificat MAP1B ca fiind un regulator negativ al ramificării și maturării axonilor în neuronii corticali și în neuronii DRG adulți. Aceste lucrări aruncă lumină asupra setului divers de instrumente proteice disponibile pentru programele intrinseci de maturare a ramurilor. O întrebare intrigantă este ce controlează competiția dintre regulatorii pozitivi și negativi pentru a media construcția sau distrugerea ramurilor.

Ramurile segregate local de la un singur neuron pot răspunde la indicii permisive și/sau restrictive. După cum s-a menționat mai sus, Tymanskyj et al. (2017) descoperă că șoarecii MAP7mshi au o ramificare colaterală aberantă în măduva spinării, dar nu și la nivelul labei anterioare, sugerând că aceste ramuri divergente răspund la diferite indicii de mediu. Această restricție aparentă a funcției MAP7 la ramificarea colaterală centrală, dar nu periferică, oglindește funcția unilaterală a kinazelor SAD în inervația centrală, dar nu periferică, în neuronii proprioceptivi, un alt subtip de neuron senzorial (Lilley et al., 2013). Lilley et al. (2013) propun un model în care kinazele SAD sculptează ramurile axonale prin expuneri secvențiale la neurotrofine pe termen lung și scurt. Neuronii proprioceptivi primesc o expunere tonică pe termen lung la neurotrofina-3 de la ținte periferice, cum ar fi mușchiul, ceea ce duce la creșterea expresiei kinazei SAD. Această upregulație pregătește axonii pentru programarea intrinsecă a ramificării, dar această cale pregătită este declanșată numai în urma expunerii de scurtă durată la neurotrofina-3 de la neuronii țintă din măduva spinării, cum ar fi neuronii motori, pentru a induce ramificarea abundentă în măduva spinării ventrale (Lilley et al., 2013). În schimb, structurarea axonilor în alte subtipuri neuronale poate fi guvernată de diferite indicii extracelulare. De exemplu, sistemul nervos simpatic, o altă populație dependentă de neurotrofe, răspunde la două indicii neurotrofice diferite în etape secvențiale în timpul proiecției axonale. Axonii simpatici se dezvoltă inițial de-a lungul vaselor de sânge, o țintă intermediară, care secretă o neurotrofină care promovează extinderea axonului (Kuruvilla et al., 2004). Cu toate acestea, la inervația finală, terminalele axonilor sunt expuse la NGF care este produs de țesutul țintă. NGF derivat din țintă induce un comutator de semnalizare pentru a opri creșterea axonului și a încuraja ramificarea pentru a permite o inervație extinsă a țintei (Suo et al., 2015). Poate că maturarea ramificațiilor dependentă de MAP7 se bazează, de asemenea, fie pe (1) un singur indiciu de modelare a axonului cu modele distincte temporal și local, fie pe (2) indicii secvențiale diferite de la țintele intermediare și finale.

Tulburările neurologice pot fi asociate cu alterarea comportamentului axonului și a conectivității creierului, contribuind la natura lor complexă și multifactorială. În mod intrigant, MAP7 este exprimat în creierul embrionar de șoarece, iar studiile de cartografiere genetică fină arată o asociere semnificativă în polimorfismele de nucleotid unic MAP7 cu schizofrenia (Fabre-Jonca et al., 1998; Torri et al., 2010; Venkatasubramanian, 2015). Ca urmare a descoperirilor din Tymanskyj et al. (2017) în sistemul nervos periferic, va fi esențial să se investigheze reglarea MAP7 a maturării ramurilor axonice în creier pentru a elucida orice legătură între MAP7 și schizofrenie. În plus, dincolo de dezvoltarea sistemului nervos periferic, ramificarea colaterală a axonilor este necesară în tot sistemul nervos și este esențială pentru o cablare adecvată. Studiile anterioare indică faptul că activarea programelor celulare intrinseci care promovează polimerizarea microtubulilor poate reglementa în mod pozitiv recreșterea și ramificarea axonului după o leziune (Ruschel et al., 2015). Prin urmare, pentru a discerne potențiale ținte terapeutice pentru recreșterea axonilor, investigațiile viitoare se pot concentra pe MAP7 pentru a reangaja programarea intrinsecă a dezvoltării.

↵

1. Barnat M,
2. Benassy MN,
3. Vincensini L,
4. Soares S,
5. Fassier C,
6. Propst F,
7. Andrieux A,
8. von Boxberg Y,
9. Nothias F

(2016) Calea GSK3-MAP1B controlează ramificarea neuronilor și dinamica microtubulilor. Mol Cell Neurosci 72:9-21. doi:10.1016/j.mcn.2016.01.001 pmid:26773468

↵

1. Fabre-Jonca N,
2. Allaman JM,
3. Radlgruber G,
4. Meda P,
5. Kiss JZ,
6. French LE,
7. Masson D

(1998) Distribuția proteinei murine 115-kDa asociată microtubulilor epiteliali (E-MAP-115) în timpul embriogenezei și în organele adulte sugerează un rol în polarizarea și diferențierea epitelială. Differentiation 63:169-180. doi:10.1111/j.1432-0436.1998.00169.x pmid:9745708

↵

1. Gibson DA,
2. Ma L

(2011) Developmental regulation of axon branching in the vertebrate nervous system. Development 138:183-195. doi:10.1242/dev.046441. pmid:21177340

↵

1. Komada M,
2. McLean DJ,
3. Griswold MD,
4. Russell LD,
5. Soriano P

(2000) E-MAP-115, care codifică o proteină asociată microtubulilor, este o genă indusă de acidul retinoic necesară pentru spermatogeneză. Genes Dev 14:1332-1342. doi:10.1101/gad.14.11.1332 pmid:10837026

↵

1. Kuruvilla R,
2. Zweifel LS,
3. Glebova NO,
4. Lonze BE,
5. Valdez G,
6. Ye H,
7. Ginty DD

(2004) O cascadă de semnalizare a neurotrofinei coordonează dezvoltarea neuronilor simpatici prin controlul diferențial al traficului TrkA și al semnalizării retrograde. Cell 118:243-255. doi:10.1016/j.cell.2004.06.021 pmid:15260993

↵

1. Lallemend F,
3. Ernfors P

(2012) Interacțiuni moleculare care stau la baza specificării neuronilor senzoriali. Trends Neurosci 35:373-381. doi:10.1016/j.tins.2012..03.006 pmid:22516617

↵

1. Lilley BN,
2. Pan YA,
3. Sanes JR

(2013) SAD kinases sculpt axonal arbors of sensory neurons through long- and short-term responses to neurotrophin signals. Neuron 79:39-53. doi:10.1016/j.neuron.2013.05.017 pmid:23790753

↵

1. Luo L,
2. O’Leary DD

(2005) Retracția și degenerarea axonului în dezvoltare și boală. Annu Rev Neurosci 28:127-156. doi:10.1146/annurev.neuro.28.061604.135632 pmid:16022592

↵

1. Magnan DR,
2. Spacek DV,
3. Ye N,
4. Lu YC,
5. King TR

(2009) Mutația de sterilitate masculină și histoincompatibilitate (mshi) la șoareci este o variantă naturală a proteinei 7 asociată cu microtubuli (Mtap7). Mol Genet Metab 97:155-162. doi:10.1016/j.ymgme.2009.02.010 pmid:19329343

↵

1. Ruschel J,
2. Hellal F,
3. Flynn KC,
4. Dupraz S,
5. Elliott DA,
6. Tedeschi A,
7. Bates M,
8. Sliwinski C,
9. Brook G,
10. Dobrindt K,
11. Peitz M,
12. Brüstle O,
13. Norenberg MD,
14. Blesch A,
15. Weidner N,
16. Bunge MB,
17. Bixby JL,
18. Bradke F

(2015) Axonal regeneration: Administrarea sistemică a epothilonei B promovează regenerarea axonilor după leziuni ale măduvei spinării. Science 348:347-352. doi:10.1126/science.aaa2958 pmid:25765066

↵

1. Sung HH,
2. Telley IA,
3. Papadaki P,
4. Ephrussi A,
5. Surrey T,
6. Rørth P

(2008) Drosophila ensconsin promovează recrutarea productivă a Kinesinei-1 pe microtubuli. Dev Cell 15:866-876. doi:10.1016/j.devcel.2008.10.006 pmid:19081075

↵

1. Suo D,
2. Park J,
3. Young S,
4. Makita T,
5. Deppmann CD

(2015) Coronin-1 și semnalizarea calciului guvernează inervația simpatică a țintei finale simpatetice. J Neurosci 35:3893-3902. doi:10.1523/JNEUROSCI.4402-14.2015 pmid:25740518

↵

1. Torri F,
2. Akelai A,
3. Lupoli S,
4. Sironi M,
5. Amann-Zalcenstein D,
6. Fumagalli M,
7. Dal Fiume C,
8. Ben-Asher E,
9. Kanyas K,
10. Cagliani R,
11. Cozzi P,
12. Trombetti G,
13. Strik Lievers L,
14. Salvi E,
15. Orro A,
16. Beckmann JS,
17. Lancet D,
18. Kohn Y,
19. Milanesi L,
20. Ebstein RB, et al

. (2010) Cartografierea fină a AHI1 ca genă de susceptibilitate la schizofrenie: de la asociere la dovezi evolutive. FASEB J 24:3066-3082. doi:10.1096/fj.09-152611. pmid:20371615

↵

1. Turner JP,
2. Carpentino JE,
3. Cantwell AM,
4. Hildebrandt AL,
5. Myrie KA,
6. King TR

(1997) Cartografierea genetică moleculară a mutației de sterilitate masculină și histoincompatibilitate (mshi) la șoarece pe cromozomul 10 proximal. Genomics 39:1-7. doi:10.1006/geno.1996..4475 pmid:9027480

↵

1. Tymanskyj SR,
2. Scales TM,
3. Gordon-Weeks PR

(2012) MAP1B îmbunătățește ratele de asamblare a microtubulelor și ratele de extindere a axonului în neuronii în curs de dezvoltare. Mol Cell Neurosci 49:110-119. doi:10.1016/j.mcn.2011.10.003 pmid:22033417

↵

1. Tymanskyj SR,
2. Yang B,
3. Falnikar A,
4. Lepore AC,
5. Ma L

(2017) MAP7 reglează dezvoltarea ramurii colaterale a axonului în neuronii ganglionilor rădăcinii dorsale. J Neurosci 37:1648-1661. doi:10.1523/JNEUROSCI.3260-16.2017 pmid:28069923

↵

1. Venkatasubramanian G

(2015) Înțelegerea schizofreniei ca o tulburare a conștiinței: corelații biologice și implicații translaționale din perspectiva teoriei cuantice. Clin Psychopharmacol Neurosci 13:36-47. doi:10.9758/cpn.2015.13.1.36 pmid:25912536

.