14. Subfamilia de las ‘Diaphanous-related formins’
5.1.2. CRECIMIENTO DENDRÍTICO
Después de la inducción de neuritogénesis, el sistema nervioso se encuentra con un problema de una gran complejidad, que es evolucionar desde un enorme número de neuronas desconectadas entre ellas hasta la formación de una red de circuitos neuronales que sea capaz de procesar información sensorial y generar una respuesta apropiada. Para formar dichos circuitos, los axones deben hacer sinapsis con sus dianas, que normalmente son dendritas de neuronas postsinápticas. Una vez la nueva neurona está polarizada, tal y como se indica en la Figura I4, empiezan a crecer y a ramificarse las primeras dendritas. Conjuntamente con este proceso, se extienden filopodios de estas dendritas, algunos de los cuales se estabilizarán y generarán las espinas dendríticas, en dependencia de si han encontrado el axón apropiado, participando en la formación de sinapsis.
Al igual que los axones, las dendritas se extienden buscando el camino con estructuras basadas en actina tipo conos de crecimiento, pero se estabilizan y regulan su tamaño final con estructuras basadas en una corteza de actina alrededor de la membrana plasmática y microtúbulos formando el interior con proteínas específicas de dendritas asociadas a microtúbulos (MAP) como por ejemplo MAP2 (Harada et al., 2002). Contrariamente, los filopodios y las espinas que se generan de las dendritas están formadas de una red de actina extremadamente dinámica. Las espinas dendríticas son diminutos salientes de las dendritas que reciben las señales entrantes (‘inputs’) excitatorias y compartimentalizan las respuestas postsinápticas. Son heterogéneas en tamaño y forma (típicamente miden entre 0,5-2 μm de longitud y se encuentran en una densidad de 1-10 espinas por μm de longitud dendrítica), y se pueden modificar a causa de la actividad y la experiencia. Se cree que dan las bases morfológicas para la plasticidad sináptica.
Aunque en principio el árbol dendrítico de una neurona viene dado en función del fenotipo de ésta y de su programa intrínseco de diferenciación, la regulación del crecimiento dendrítico también depende de la actividad neuronal, de factores de crecimiento y de moléculas guía que provienen del exterior. Las dendritas en desarrollo se encuentran un ambiente complejo, ya que están rodeadas de neuronas vecinas, glía y de axones aferentes que llegan antes o junto con la iniciación del crecimiento dendrítico. Estos ‘inputs’ sinápticos tempranos exponen las dendritas a neurotransmisores y a potenciales de acción. A la vez, los axones de la propia neurona en desarrollo dendrítico reciben señales de neurotrofinas que señalizan retrógradamente e influencian el crecimiento dendrítico. Seguidamente expondremos cuales son las señales ambientales que regulan el crecimiento neurítico.
5.1.2.1. Actividad neuronal
Se conoce ampliamente que los neurotransmisores y la actividad neuronal regula la motilidad y el crecimiento neto dendrítico (Wong and Ghosh, 2002). Se ha demostrado que los
incrementos locales de calcio (Ca2+) debidos al efecto de neurotransmisores incrementa y estabiliza el árbol dendrítico y la retirada de la actividad conduce a una completa retracción (Lohmann et al., 2002). Entre los mecanismos de señalización involucrados, se ha descrito ampliamente el papel de las Rho GTPasas como mediadores entre diferentes señales y el citoesqueleto de actina (Vaillant et al., 2002). No obstante, se han identificado dos vías adicionales importantes para la formación de dendritas dependiente de actividad, una que identifica las CaMKs (kinasas de calcio/calmodulina) y la otra es la vía Ras/MAPK. En diferentes estudios se ha concluido que las CaMKs median sus efectos de crecimiento dendrítico en colaboración con la vía Ras/MAPK, tal como se esquematiza en la Figura I13. Debe destacarse que la despolarización causa una activación a corto plazo de la vía ERK y otra a largo plazo. La primera activación requiere de Ca2+-CaMK-Ras-MEK-ERK y la más prolongada sólo de Ras y MEK (Wu et al., 2001). A parte, se ha descrito que la formación de dendritas inducida por actividad es reversible y que el NGF, que por si solo no puede inducir la formación de las dendritas, aumenta su crecimiento combinado con la actividad. La estimulación de dichas vías, en este caso con CaMKII, incrementa las interacciones MAP2-microtúbulos, lo que incrementa la estabilidad de los microtúbulos (Vaillant et al., 2002). Finalmente, se ha descrito que la actividad de CaMKIV-CREB tiene relevancia para el crecimiento dendrítico mediado por despolarización con KCl (Redmond et al., 2002).
5.1.2.2. Neurotrofinas
Las neurotrofinas son reguladoras clave para el crecimiento dendrítico. Se describió ya en 1988 que el NGF era necesario para el mantenimiento y desarrollo de las dendritas de las neuronas simpáticas (Purves et al., 1988). También se aumenta el crecimiento dendrítico con BDNF, pero sólo en las regiones más cercanas a las neuronas expresoras de la neurotrofina (Horch and Katz, 2002). Además, las dendritas corticales de los ratones nulos para TrkB específicamente en el sistema nervioso central, presentan una clara degeneración in vivo (Xu et al., 2000). Actualmente, se acepta la idea que las neurotrofinas potencian el crecimiento dendrítico por convergencia de las vías CaMKII y Ras/MAPK. Otro mecanismo descrito es la directa despolarización de membrana mediada por la interacción del receptor TrkB con un canal de sodio, Nav1.9 (Blum et al., 2002).
Figura I13. Mecanismos de regulación del crecimiento dendrítico. La actividad neuronal y las neurotrofinas convergen en las CaMKs y en la vía de Ras/MAPK para regular la formación dendrítica. Seguidamente, existen mecanismos que ligan los estímulos externos con las proteínas Rho GTPasas, las que regulan el citoesqueleto de actina a través de su activación y la de sus efectores. Fuente: (Miller and Kaplan, 2003).
5.1.2.3. Moléculas de guía axonal
En los últimos años se ha observado que los sistemas receptor-ligando que regulan la guía axonal también modulan la guía y crecimiento dendrítico. El primer artículo que describió este fenómeno demostró que la proteína semaforina3A era quimioatrayente de las dendritas y quimiorepelente de los axones de neuronas corticales (Polleux et al., 2000). A través de una señalización que implica la familia de las Rho GTPasas, dichas moléculas pueden regular el citoesqueleto de actina, por ejemplo, a través de la interacción del receptor de semaforina3A, neuropilina 1 (NP1), con la tirosina kinasa fyn, que a su vez señaliza a través de cdk5 (Sasaki et al., 2002). Otra molécula implicada es el receptor de efrinaB que interacciona con proteínas de las espinas como el receptor de NMDA (N-metil-D-aspartato) y el proteoglicano, sindecan-2. También, activa las Rho GTPasas Cdc42 y Rac1 mediante la interacción con algunas GEFs, intersectina1 y kalirina, respectivamente. EfrinaB causa la fosforilación de receptores de NMDA dependiente de la familia de las Src, aumentando así el flujo de calcio intracelular. El tercer ejemplo que mostraremos es el sistema de guía Slit-Robo, que también regula la formación dendrítica. Robo señaliza a través de la tirosina kinasa Abl (Abelson) y del sustrato de ésta, Mena. Revisado en (Miller and Kaplan, 2003).
5.1.2.4. Señalización a través de las Rho GTPasas
También en el crecimiento dendrítico, la familia de small-Rho GTPasas tiene un papel importante como intermediario de señales externas y regulación del citoesqueleto. Con el mismo enfoque descrito para la neuritogénesis, crecimiento axonal, etc…la activación de Rac y Cdc42 promueve una dinámica de arborización y generalmente, regula positivamente el crecimiento dendrítico. En cambio, la señalización de Rho/Rho kinasa actúa en sentido opuesto. Los estímulos positivos externos de moléculas de guía (efrinaB o Semaforina3A, por ejemplo), actividad neuronal y neurotrofinas, al igual que los negativos (retirada de actividad,…) pasan a través de esta señalización (Figura I14).
Figura I14. Regulación del citoesqueleto dendrítico a través de GTPasas y sus efectores. Fuente: (Miller and Kaplan, 2003).
Existen multitud de artículos donde se detallan actividades específicas de Rac, Cdc42, Rho, GEFs,… revisadas ampliamente en (Govek et al., 2005). Ponemos el ejemplo de la morfogénesis de las espinas dendríticas, elementos clave para la generación de las sinapsis nerviosas (Figura I15).
Figura I15. Cascada de señalización de las Rho GTPasas para la formación de espinas. Fuente: (Govek et al., 2005).
5.1.2.5. Señales promotoras de retracción dendrítica
La retracción dendrítica no es un proceso que sólo sucede por defecto, por ejemplo cuando no hay actividad neuronal, ya que se han encontrado ligandos que inhiben el crecimiento dendrítico y promueven retracción. Tres de estos ligandos son citoquinas, CNTF (‘ciliary neurotrophic factor’), LIF (‘leukemia inhibitory factor’) e interferón γ. Existen también dos péptidos, PACAP (‘pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide’) y VIP (‘vasoactive intestinal peptide’). Las primeras evidencias sugieren que el mecanismo involucrado en este proceso de retracción pasa a través de la vía JAK-STAT (‘janus kinase-signal transducer and activator of transcription’), en el caso de las citoquinas, y a través de un aumento del AMPc (adenosina monofosfato cíclico) y una posterior activación de la PKA (proteína kinasa A), en el caso de los polipéptidos. Como PKA fosforila MAP2 y STAT3 se une directamente a Rac1, esto significa que existen mecanismos de relación (‘crosstalk’) entre señales positivas y negativas a nivel del citoesqueleto. Revisado en (Miller and Kaplan, 2003).