Canalele de calciu din neuroni au o „memorie moleculară” ce contribuie la formarea și păstrarea amintirilor pe tot parcursul vieții

Un studiu publicat în Nature Communications de cercetători de la Columbia University aduce o contribuție majoră la înțelegerea modului în care canalele de calciu CaV2.1 (de tip P/Q) reglează transmiterea sinaptică în creierul uman. Autorii demonstrează că aceste canale prezintă o diversitate structurală și funcțională remarcabilă, sugerând că dinamica conformațională a subunităților senzitive la voltaj (VSD) joacă un rol esențial în plasticitatea sinaptică și, posibil, în procesele de învățare și memorie.
Canalele de calciu CaV2.1 sunt predominante la nivel presinaptic în sistemul nervos central și convertesc semnalele electrice în influx de calciu care declanșează eliberarea neurotransmițătorilor. Aceste canale pot intra într-o stare inactivă (inactivare dependentă de voltaj – VDI) în timpul activității sinaptice susținute, fenomen ce contribuie la depresia sinaptică pe termen scurt, o formă de plasticitate sinaptică. În plus, mutațiile genei CACNA1A ce codifică subunitatea α1A a canalului CaV2.1 sunt asociate cu patologii neurologice severe.

Despre studiu

Cercetătorii au analizat în detaliu comportamentul celor patru domenii senzitive la voltaj (VSD-I–IV) ale subunității α1A a canalului CaV2.1, folosind o combinație între tehnica clemă de tensiune ovocitară tăiată și fluorometrie cu clemă de tensiune (VCF) în ovocite de Xenopus laevis, reconstituind astfel condiții fiziologice relevante.

Principalele elemente metodologice:

•  Fluorofori sensibili la mediu (MTS-TAMRA) au fost atașați selectiv pe buclele extracelulare S3–S4 ale fiecărui VSD, urmărindu-se modificările de fluorescență corespunzătoare mișcărilor dependente de voltaj.
•  Pentru a evita interferența reglementării dependente de calciu sau a inactivării canalelor, s-au folosit ioni de bariu (Ba²⁺) și BAPTA (chelator al calciului).
•  Canalele au fost exprimate cu subunități auxiliare β2a sau β3, care influențează cinetica VDI.

Rezultate

Diversitate de activare a domeniilor VSD

•  VSD-I este singurul domeniu a cărui activare este corelată cu deschiderea porului și este compusă din două componente (F1 și F2) cu dependențe diferite de voltaj.
•  VSD-II nu a prezentat semnale optice detectabile și pare a fi insensibil la voltaj.
•  VSD-III și VSD-IV se activează la potențiale negative, apropiate de potențialul de repaus neuronal, cu comportamente distincte de fluorescență care sugerează mecanisme de activare diferite.

Conversia conformațională și legătura cu inactivarea

Cercetătorii au identificat un mecanism de conversie a VSD-urilor între două moduri de funcționare:

•  Modul 1 (activabil): caracterizat prin activare sincronă cu deschiderea porului.
•  Modul 2 (inactivabil): prezentă la potențiale de repaus sau după depolarizări susținute, caracterizată printr-o activare decuplată de deschiderea canalului.

Această conversie este esențială pentru inactivarea dependentă de voltaj (VDI) și este reglată diferit în funcție de subunitatea β auxiliară:

•  Subunitatea β3 favorizează conversia spre modul 2, accelerând inactivarea.
•  Subunitatea β2a stabilizează modul 1 și reduce inactivarea.

Modelarea cineticii și semnificația funcțională

Un model cinetic în patru stări (două stări de repaus și două stări activate) a fost folosit pentru a descrie tranzițiile dintre moduri și stări de activare. Datele obținute arată că:

•  VSD-I joacă un rol central în determinarea disponibilității canalului.
•  Conversia spre modul 2 este lentă (timp caracteristic de aproximativ o secundă), iar revenirea este și mai lentă (~5 secunde), sugerând un mecanism de memorie moleculară.
•  La potențiale de repaus, populația de canale CaV2.1 este împărțită între cele în modul 1 (pregătite pentru activare) și cele în modul 2 (inactivate).

Concluzii

Acest studiu definește pentru prima dată o „paletă conformațională” bogată și funcțional diversificată a canalelor CaV2.1, în care fiecare VSD contribuie diferențiat la reglarea canalului. Cele mai importante concluzii sunt:

•  VSD-I este elementul cheie care dictează deschiderea canalului și inactivarea sa, fiind implicat în reglarea fină a eliberării neurotransmițătorilor.
•  Conversia VSD-I este corelată direct cu inactivarea dependentă de voltaj și poate reprezenta o formă de memorie moleculară sinaptică, relevantă pentru mecanismele de învățare.
•  VSD-II este funcțional inactiv, o caracteristică conservată între canalele CaV2.1 și CaV2.2.
•  Subunitățile auxiliare modifică profund comportamentul canalului, adăugând un nou nivel de complexitate în reglarea excitabilității sinaptice.

Implicații

Aceste descoperiri oferă un cadru conceptual nou pentru înțelegerea plasticității sinaptice rapide și a proceselor de învățare, integrând pentru prima dată dimensiunea conformațională a canalelor de calciu CaV2.1. De asemenea, oferă posibile ținte pentru intervenții farmacologice în tulburări neurologice asociate mutațiilor în CACNA1A, cum ar fi ataxia episodică sau migrena hemiplegică familială.

Studiul demonstrează că, departe de a fi simple porți ionice, canalele CaV2.1 sunt entități moleculare cu o arhitectură dinamică complexă, capabile să integreze informația electrică într-un limbaj conformațional ce stă la baza cogniției.