Un nou mecanism de comunicare neuronală: cum enzima VLK activează durerea și modelează plasticitatea sinaptică

Un studiu realizat la Tulane University și publicat în revista Science a investigat, pe parcursul unor experimente celulare și comportamentale avansate, modul în care neuronii transmit semnale în afara celulei prin eliberarea unei enzime specializate. Analiza a evaluat impactul acestei enzime asupra sensibilizării durerii după leziuni și asupra proceselor de învățare și memorie, deschizând perspective noi în neuroștiințele sinaptice.
Comunicarea neuronală este, în mod tradițional, privită ca un proces dominat de semnale electrice și eliberare de neurotransmițători în fanta sinaptică. Totuși, numeroase proteine de la suprafața celulelor nervoase sunt modificate prin fosforilare, un mecanism-cheie de reglare intracelulară. Prezența și funcția fosforilării în spațiul extracelular – la suprafața neuronilor, în zona unde aceștia stabilesc conexiuni – a fost puțin explorată. Cercetările recente au sugerat existența unor kinaze secretate, dar nu era clar dacă această fosforilare extracelulară influențează comunicarea neuronală sau comportamentul organismului.

Receptorii EphB și receptorii NMDA, esențiali pentru transmiterea semnalelor glutamatergice și pentru plasticitatea sinaptică, interacționează printr-un mecanism ce necesită fosforilarea unei regiuni specifice a receptorului EphB2. Se presupunea că această modificare era realizată de enzime interne, dar studiile anterioare nu au elucidat sursa exactă. Descoperirea unei kinaze extracelulare care controlează direct această interacțiune reprezintă un avans conceptual major, cu implicații pentru durere, funcții cognitive și potențial terapeutic.

Despre studiu

Studiul a fost realizat în colaborare cu opt instituții academice și a combinat analiza moleculară, biologia sinaptică, imagistica neuronală și teste comportamentale pe modele animale. Cercetătorii au investigat rolul enzimei vertebrate lonesome kinase (VLK), singura kinază dintr-o familie de șase enzime despre care se știe că este atât secretată, cât și capabilă să fosforileze domenii extracelulare ale proteinelor sinaptice.

Primul obiectiv a fost stabilirea faptului că VLK este necesară și suficientă pentru fosforilarea receptorului EphB2 la nivelul regiunii extracelulare Y504, modificare esențială pentru interacțiunea receptorului cu subunitatea GluN1 a receptorului NMDA. Folosind culturi neuronale, preparate tisulare și detectarea complexelor proteice, cercetătorii au demonstrat că VLK fosforilează în mod direct EphB2 într-un mod dependent de ATP, iar această fosforilare este blocată de fosfataze extracelulare sau de mutații care inactivează funcția kinazică.

Ulterior, echipa a urmărit localizarea și dinamica VLK în neuroni. Analiza microscopică a arătat că VLK este concentrată în vezicule sinaptice presinaptice și este eliberată în mod dependent de mecanisme SNARE atunci când neuronii sunt activați sau stimulați prin căi ephrin-B. Această eliberare în spațiul extracelular permite VLK să modifice proteinele de pe neuronii vecini.

Pentru a determina rolul comportamental al VLK, cercetătorii au utilizat modele murine cu eliminare selectivă a genei Pkdcc (care codifică VLK) în neuronii senzoriali. S-a evaluat sensibilitatea la durere după leziuni chirurgicale, coordonarea motorie și răspunsurile la stimuli termici și chimici. În paralel, s-au folosit injecții intratecale cu VLK recombinant pentru a testa dacă această enzimă poate induce direct comportamente asemănătoare durerii.

Rezultate

Rezultatele au demonstrat existența unui nou mecanism prin care neuronii comunică în mod direct în spațiul extracelular, independent de căile intracelulare clasice.

• VLK este enzima cheie care permite interacțiunea dintre receptorii EphB2 și NMDAR. Aceasta a fost singura kinază din familia analizată capabilă să fosforileze poziția Y504 a receptorului EphB2, permițând formarea complexului EphB2–GluN1.
• VLK este eliberată în mod controlat în spațiul sinaptic. Eliberarea depinde de activitatea neuronală și de mecanismele SNARE, confirmând că rolul ei este reglat de semnalizarea presinaptică.
• Ablația VLK în neuronii senzoriali elimină apariția durerii postoperatorii. Șoarecii fără VLK în terminațiile senzoriale nu au dezvoltat hipersensibilitate mecanică după o leziune chirurgicală, în timp ce reacțiile motorii și senzoriale obișnuite (la căldură, stimuli chimici) au rămas normale.
• Excesul de VLK intensifică durerea. Administrarea intratecală de VLK recombinant a activat complexul EphB2–NMDAR și a indus comportamente specifice durerii, dependente de receptorii NMDA.
• VLK este esențială pentru supraviețuirea neuronală. Eliminarea completă a genei Pkdcc este letală în stadiile timpurii ale dezvoltării, ceea ce indică un rol fundamental al enzimei în fiziologia sistemului nervos.
• Fosforilarea extracelulară este un mecanism major al plasticității sinaptice. Prin modularea directă a organizării receptorilor NMDA, VLK influențează adaptarea sinapselor la activitate, mecanismele de memorie și învățare.

Aceste descoperiri conturează pentru prima dată o cale complet extracelulară care conectează activarea presinaptică cu reorganizarea receptorilor postsinaptici și cu comportamentul organismului. În loc ca neuronii să acționeze doar prin neurotransmițători și semnale electrice, aceștia pot remodela sinapsa modificând proteinele din exteriorul celulelor vecine.

Un aspect important al acestor rezultate este relevanța clinică: direcționarea enzimelor extracelulare precum VLK ar putea permite modularea durerii fără a interfera cu receptorii NMDA, ale căror inhibitori produc efecte adverse semnificative. Abordarea ar putea simplifica dezvoltarea medicamentelor, deoarece agenții terapeutici nu ar mai trebui să pătrundă în interiorul neuronilor, reducând astfel toxicitatea și efectele nedorite.

În ansamblu, studiul susține ideea că VLK joacă un rol pivot în sensibilizarea durerii după leziuni și în plasticitatea sinaptică, sugerând o nouă direcție pentru tratamentele durerii acute și posibil pentru tulburări neurologice mai complexe. Următorii pași vor clarifica amploarea acestui mecanism și dacă fosforilarea extracelulară reprezintă un proces mult mai extins decât se credea până acum.