Crecimiento axonal y función del segmento inicial del axón

El correcto funcionamiento de la fisiología neuronal, y por tanto, de las funciones del sistema nervioso, depende en un alto grado de su polarización morfológica y funcional. El primer paso para la polarización morfológica de las neuronas es la formación y crecimiento de un axón para alcanzar sus dianas, seguido del desarrollo de dendritas. Las dendritas y los axones presentan una expresión diferencial de proteínas estructurales y funcionales, lo que permite una transmisión vectorial de la información entre las dendritas y la terminación axonal.

El crecimiento del axón está altamente regulado por vías de señalización intracelular (p. ej.: PI3K/Akt/GSK3) y receptores en la membrana neuronal que regulan positiva o negativamente el crecimiento, así como la dirección de crecimiento. En el laboratorio hemos identificado varios receptores que actúan de forma coordinada para modular el crecimiento axonal (P2X7, P2Y1 y P2Y13).

Acompañando a la elongación axonal, se genera el Segmento Inicial del Axón (SIA), lugar de generación de los potenciales de acción en respuesta a las señales recibidas por la neurona. Ello es posible por la alta concentración de canales iónicos dependientes de voltaje en un espacio de unas 35 micras. Este potencial es propagado y amplificado a lo largo del axón por los nodos de Ranvier hasta llegar a la región pre-sináptica, donde se liberan los neurotransmisores.

El segmento inicial del axón es de extrema importancia en la neurona, y la fisiología neuronal depende de su correcta función. En primer lugar es el lugar donde se genera el impulso nervioso, y además actúa como una barrera que diferencia el dominio somato-dendrítico y axonal controlando el tráfico de proteínas hacia el axón. Por ello su integridad es necesaria para la regeneración de axones tras una lesión. Su disfunción o la alteración de su composición está relacionada con múltiples múltiples enfermedades del sistema nervioso (p. ej: Síndrome de Angelman, Alzheimer, schizophrenia, autismo etc..), así como lesiones generadas por daño traumático en el cerebro o por isquemia.

Figura: El Segmento inicial del Axón es una diana terapéutica para proteger las neuronas frente a isquemia.

De hecho, la desaparición de proteínas específicas del SIA es previo a la detección del inicio de la muerte neuronal. Estudios recientes en varios laboratorios, entre ellos el nuestro, han mostrado que el segmento inicial del axón posee un alto grado de plasticidad, pudiendo cambiar su distancia al soma, su longitud, así como la concentración de canales iónicos. Estos cambios permiten adaptar la amplitud y número de potenciales de acción en función de la señal recibida por las neuronas en condiciones fisiológicas o patológicas. En concreto, estudios recientes de nuestro grupo han identificado la función de quinasas (GSK3), neurotransmisores (ATP) y receptores de membrana (P2X7) que modulan la concentración de canales de sodio dependientes de voltaje en el SIA, y por tanto, la excitabilidad neuronal. Ello nos ha permitido demostrar que el uso de un antagonista del receptor P2X7 protege el segmento inicial del axón frente al daño generado por isquemia cerebral.

El trabajo del laboratorio se organiza en torno a dos líneas fundamentales:

1. Estudio de las cascadas de señalización y los receptores de membrana que regulan la formación, elongación y regeneración de un axón.
2. Identificación de los mecanismos intracelulares y receptores que modulan la concentración de proteínas adaptadoras y canales iónicos dependientes de voltaje en el segmento inicial del axón, y su papel en modelos de enfermedades y daño cerebral.

Para abordar estos objetivos utilizamos diferentes aproximaciones experimentales. En primer lugar estudiamos estos mecanismos en cultivos de neuronas primarias de hipocampo o corteza que podemos mantener hasta un alto grado de diferenciación (1 mes). Mediante nucleofección o transfección expresamos en las neuronas receptores y proteínas reguladores acopladas con GFP para obsevar su influencia en el crecimiento axonal, la composición del segmento inicial del axón y su plasticidad mediante técnicas de immunofluorescencia, microscopia confocal y electrofisiología. En segundo lugar, transferimos estos resultados a secciones de hipocampo y modelos animales. Por último, cuando es necesario observar la función de estas proteínas en el desarrollo temprano del cerebro, realizamos electroporaciones "in utero". Esta aproximación multidisciplinar nos permite conocer la función de receptores y moléculas de señalización, y así identificar dianas terapéuticas y fármacos de posible uso en patologías relacionadas con el axón y el segmento inicial del axón.

Publicaciones relevantes:

1) ATP-P2X7 Receptor Modulates Axon Initial Segment Composition and Function in Physiological Conditions and Brain Injury. Del Puerto A, Fronzaroli-Molinieres L, Perez-Alvarez MJ, Giraud P, Carlier E, Wandosell F, Debanne D, Garrido JJ.
Cereb Cortex. 2014 Mar 7. [Epub ahead of print]

2) GSK3 and β-catenin determines functional expression of sodium channels at the axon initial segment. Tapia M, Del Puerto A, Puime A, Sánchez-Ponce D, Fronzaroli-Molinieres L, Pallas-Bazarra N, Carlier E, Giraud P, Debanne D, Wandosell F, Garrido JJ.
Cell Mol Life Sci. 2013 Jan;70(1):105-20.

3) Adenylate cyclase 5 coordinates the action of ADP, P2Y1, P2Y13 and ATP-gated P2X7 receptors on axonal elongation. del Puerto A, Díaz-Hernández JI, Tapia M, Gomez-Villafuertes R, Benitez MJ, Zhang J, Miras-Portugal MT, Wandosell F, Díaz-Hernández M, Garrido JJ.
J Cell Sci. 2012 Jan 1;125(Pt 1):176-88. doi: 10.1242/jcs.091736. Epub 2012 Jan 16.

4) Impaired function of HDAC6 slows down axonal growth and interferes with axon initial segment development. Tapia M, Wandosell F, Garrido JJ.
PLoS One. 2010 Sep 23;5(9):e12908. doi: 10.1371/journal.pone.0012908.

5) Casein kinase 2 and microtubules control axon initial segment formation. Sanchez-Ponce D, Muñoz A, Garrido JJ.
Mol Cell Neurosci. 2011 Jan;46(1):222-34.