Cinquecento milioni di anni fa si verificò uno straordinario sviluppo nell’evoluzione cellulare: la formazione di una guaina isolante (mielina) sulle fibre nervose (assoni) nei vertebrati. La guaina mielinica ha trasformato il modo in cui gli impulsi neurali vengono trasmessi, costringendo i potenziali d’azione a “saltare” rapidamente tra pause periodiche nella mielina (nodi di Ranvier), aumentando così drasticamente la velocità di trasmissione e elevando la funzione nervosa ben oltre quella degli invertebrati. Non fino a quando lo sviluppo della microscopia elettronica è stata la struttura submicroscopica sorprendente della mielina rivelato. Piuttosto che essere una secrezione dell’assone, la mielina è stata trovata per essere un involucro spesso degli strati altamente compressi della membrana cellulare ha filato intorno all’assone dalle cellule nonneuronal (glia). La mielina ed i nodi di Ranvier sono le giunzioni cellula-cellula più complesse conosciute, che richiedono un preciso riconoscimento cellula-cellula, sintesi di grandi quantità di membrana cellulare specializzata e intricata motilità cellulare per avvolgere fino a 100 strati di membrana attorno agli assoni. Il danno alla mielina è la fonte di molte malattie e disabilità, e recentemente la mielina ha attirato l’attenzione come un possibile nuovo meccanismo cellulare che partecipa all’apprendimento (Fields, 2010). Gli studi di Snaidero et al. (2014), fornire nuove informazioni sulla dinamica cellulare e la segnalazione molecolare che controlla la formazione e il rimodellamento della mielina. Il lavoro avanza la comprensione di come la membrana mielinica viene aggiunta alla guaina esistente, che ha un significato per lo sviluppo del sistema nervoso, la malattia e la comprensione di come la mielina può essere rimodellata per ottimizzare la funzione.
Nel sistema nervoso centrale, la mielina è formata da glia multipolare, oligodendrociti, che possono estendere dozzine di processi cellulari snelli a ensheath più assoni contemporaneamente. Avvolgere più strati di membrana attorno ad un assone come si avvolgerebbe del nastro isolante su un filo è un’impossibilità topologica per una cellula multipolare. La mielina è formata nel PNS (sistema nervoso periferico) e nel SNC dal processo gliale più interno simile a un foglio a contatto con l’assone che si sviluppa a spirale attorno ad esso e filtra più strati di membrana sovrapposta. Citoplasma viene espulso da tutti, ma gli strati più interni ed esterni della guaina mielinica. Negli strati intermedi, le membrane cellulari si uniscono per formare mielina compatta dall’azione della proteina di base della mielina (MBP), trovata preferenzialmente negli strati compattati della mielina. Il processo di mielinizzazione inizia quando un processo di cellule oligodendrocyte contatta un assone e forma una giunzione a membrana specializzata “saldatura a punti”, come descritto da Luse nel 1959. Questa giunzione è ora intesa come un dominio di membrana specializzato per la comunicazione intercellulare tra il processo delle cellule gliali e l’assone (Wake et al., 2011). Il processo gliale si espande quindi lateralmente lungo l’assone e inizia a circondarlo in modo non uniforme (Luse, 1959). Poiché il segmento di mielina fra ogni nodo di Ranvier è parecchie volte più grande di un oligodendrocyte, mentre avvolge, il processo della cellula gliale si espande lateralmente in un nastro che si allarga in larghezza per avvolgere l’intera lunghezza internodal. Questo può essere visto in studi di imaging dal vivo, dove il processo è stato paragonato a fare un croissant da un pezzo triangolare di pasta (Sobottka et al., 2011). Utilizzando metodi simili e l’imaging faccia blocco seriale di mielinizzazione in zebrafish, Snaidero et al., fornisca dati coerenti con questo meccanismo di formazione di mielina (Figura 1).
Credito di immagine: Alan Hoofring, NIH.
Snaidero e colleghi di affrontare la questione di come membrana e proteine vengono consegnati nel progresso interiore lingua della mielina, non solo durante lo sviluppo, ma per tutta la vita, perché la lunghezza della guaina mielinica deve espandersi e ulteriori strati di mielina sono aggiunti come assoni crescere in calibro e lunghezza, con la crescita del corpo.
Gli oligodendrociti sono cellule altamente polarizzate che sintetizzano grandi quantità di membrana specializzata in assoni di ensheath. Di conseguenza, il traffico di vescicole, MRNA specifici e proteine è altamente polarizzato e precisamente ordinato in oligodendrociti per generare e mantenere la composizione unica della guaina mielinica e dei domini della membrana del corpo cellulare. La glicoproteina del virus della stomatite vescicolare (VSC-G), un marker del traffico verso la regione basolaterale delle cellule, viene trafficata lontano dal corpo cellulare e si accumula selettivamente nel dominio sub-cellulare della guaina mielinica degli oligodendrociti nella coltura cellulare (Baron et al., 1999). La consegna di VSC alla membrana dipende dalla F-actina submembrana sul bordo d’attacco, come mostrato interrompendo il citoscheletro o alterando la polimerizzazione dell’actina con le protein chinasi. Snaidero et al., replichi questi risultati della coltura cellulare e mostri che questo inoltre accade in vivo iniettando il virus nel cervello durante la mielinizzazione del corpo calloso ed osservando VSC che si accumula alla lingua interna della mielina adiacente alla membrana dell’assone.
La formazione di strati densi di membrana cellulare altamente compattata crea un impedimento nel fornire proteine e lipidi per sostituire quelli persi dalla guaina mielinica compattata e per fornire la lingua interna della membrana non compattata dove si formano nuovi strati di mielina. I domini citoplasmatici laterali sul bordo di ogni strato di mielina rimangono non compatti e in contatto con la membrana assonale. Questi tubi di citoplasma sul bordo di ogni foglio si muovono in un’elica continua attorno all’assone verso il futuro nodo di Ranvier, dove si impilano e formano i loop paranodali come si vede nella sezione trasversale che fiancheggia il nodo. Questo lungo canale citoplasmatico a spirale fornisce un percorso a lunga distanza per il trasporto di materiale dal corpo cellulare. Il trasporto è anche facilitato da sacche fenestrate di citoplasma che si intromettono tra gli strati di mielina altrimenti compattata.
oltre a fornire un canale per la trasmissione di costituenti cellulari in tutto il compattato mielina, questi canali citoplasmatici sono pensati per consentire la regolazione dinamica della guaina mielinica partecipare”, in un processo dinamico in cui la mielina lamelle sono continuamente troncatura e venire insieme durante la vita di risposta fisiologica alle sollecitazioni e delle deformazioni” (Robertson, 1958, come citato in Velumian et al., 2011). Riempire i canali citoplasmatici con il colorante fluorescente Lucifero giallo mostra che possono essere in stati aperti o chiusi, presumibilmente associati alla stabilità e alla dinamica della mielina (Velumian et al., 2011). Snaidero et al., fornisca un progresso importante mostrando che questi canali possono essere regolati stimolando la sintesi di mielina.
L’inibizione della segnalazione PI3K è nota per stimolare la formazione di nuovi strati di mielina agendo su AKT, bersaglio mammifero di rapamicina (mTOR) e altri substrati per promuovere la polarizzazione cellulare, l’escrescenza del processo gliale e la mielinizzazione. PIP3 è antagonizzato dalla fosfatasi e tenesin homolog (PTEN), che defosforila PIP3 a PIP2. In precedenza i membri di questo gruppo di ricerca hanno scoperto che le cellule mielinizzanti prive di PTEN hanno elevati livelli di PIP3 e ipermielinizzazione, anche se indotte in oligodendrociti maturi (Goebbels et al., 2010).
Qui Snaidero e colleghi riferiscono che quando la sintesi della mielina viene stimolata in questo modo (mediante inattivazione condizionale di Pten, che eleva i livelli di PI(3,4,5)P3) il numero di canali citoplasmatici è aumentato con l’aumento della mielinizzazione. Inoltre, un gran numero di inclusioni ricche citoplasmatiche sono state viste avanzare lungo la lunghezza della guaina mielinica se osservate in sezione lunga, spiegando come nuovi strati di mielina possono essere posati sotto gli strati esistenti di mielina compatta.
C’è interesse corrente nella possibilità che il rimodellamento della mielina possa partecipare all’apprendimento, alla funzione cognitiva e alla malattia psichiatrica regolando la velocità di conduzione per una funzione ottimale in modo dipendente dall’attività (Fields, 2010). Cambiamenti nell’anisotropia della diffusione dell’acqua visti dall’imaging del tensore di diffusione nelle regioni della materia bianca degli individui dopo l’apprendimento (Zatorre et al., 2012) potrebbe riflettere i cambiamenti nella mielinizzazione o verificarsi più rapidamente dalla diffusione alterata dell’acqua attraverso questi canali citoplasmatici aperti dopo l’apprendimento.
Sulla base dell’orientamento degli oligodendrociti verso il catodo in colture cellulari con un campo elettrico extracellulare imposto (1V / cm), gli autori ipotizzano che un’elevata concentrazione extracellulare di K+ nel nodo di Ranvier prodotta dal potenziale di azione ripetitiva potrebbe promuovere il traffico di componenti di membrana e stimolare l’avvolgimento della mielina nel nodo. Saranno necessarie ricerche future per determinare se un campo elettrico della corretta polarità e intensità viene generato nel nodo in via di sviluppo, ma questo meccanismo può essere più rilevante per gli effetti patologici sulla mielina durante l’ipereccitazione rispetto al normale sviluppo del nodo.
Gli autori interpretano il risultato come un’azione diretta della segnalazione PI(3,4,5)P3-dipendente sull’apertura dei canali citoplasmatici, ma in teoria i canali citoplasmatici dovrebbero riaprire in risposta a qualsiasi fattore che ha aumentato la mielinogenesi o prolunga la mielinizzazione nell’età adulta, come la segnalazione Akt (Flores et al., 2008) o regolazione del fattore di crescita. Altre domande per il futuro includono: In che modo l’assone guida il processo di mielinizzazione? Come viene determinata e mantenuta la posizione nodale e la sua struttura? Esiste un meccanismo per assottigliare la mielina e, in tal caso, è un’inversione del processo simile al croissant della mielinogenesi o un processo diverso? La propagazione del potenziale d’azione è influenzata dai cambiamenti nelle inclusioni citoplasmatiche tra gli strati di mielina compattata? In che modo l’interruzione delle dinamiche del canale citoplasmatico potrebbe partecipare alla malattia? L’attività del potenziale d’azione influenza l’apertura o la chiusura dei canali citoplasmatici in modo dipendente dall’attività per regolare la velocità di conduzione? Chiaramente, queste nuove scoperte aprono nuove strade per le indagini.