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Científicos descubren un citoesqueleto periódico y anillado dentro de los axones

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Científicos han descubierto que arreglos periódicos de actina en forma de anillos rodean las largas fibras axonales de las células nerviosas, en contraste con las redes lineares que comúnmente le dan forma a las células.

Las membranas plasmáticas que le dan a las células sus formas, comúnmente se sostienen mediante redes formadas con la proteína actina. No obstante, ahora científicos del Instituto Médico Howard Hughes han descubierto que arreglos periódicos de actina en forma de anillos rodean las largas fibras axonales de las células nerviosas.

Las estructuras de actina rodean los axones a intervalos perfectos, que están conectados por una proteína asociada al citoesqueleto llamada espectrina. “Nadie había visto anillos periódicos como éstos formados por actina”, dice la investigadora del HHMI Xiaowei Zhuang, biofísica de la Universidad de Harvard que dirigió el estudio. Los autores, que publicaron sus hallazgos en la edición del 25 de enero de 2013, de la revista Science, sugieren que estos anillos de actina distribuidos periódicamente y conectados por tetrámeros flexibles de espectrina, le brindan a las delgadas fibras nerviosas un apoyo flexible pero robusto.

Nadie había visto anillos periódicos como éstos formados por actina.

Xiaowei Zhuang

La proteína del citoesqueleto actina se encuentra en todas las células menos en las más simples. La función de las células es fuertemente influenciada por las formas creadas por la organización de las moléculas de actina. Por ejemplo, una red ramificada de actina en el borde anterior de las células móviles les ayuda a desplazarse y la red de actina-espectrina de hexágonos y pentágonos de las células rojas de la sangre les ayuda a resistir la compresión a medida que circulan a través de los vasos sanguíneos. Aunque los experimentos demostraron que las células cerebrales dependen de actina para el crecimiento y la estabilización de los axones, entre otras cosas, la forma en que la actina se organiza en las fibras de los axones había permanecido desconocida.

La visualización de la forma de la actina en las células puede ayudar a los investigadores a entender mejor su función. Sin embargo, los filamentos de actina individuales son tan finos y están empaquetados tan densamente en las células que los investigadores han tenido dificultades para distinguirlos usando técnicas de imágenes ópticas estándares. Pero en 2006, Zhuang inventó un método para visualizar células que tiene una resolución que supera con creces la lograda con microscopios de luz convencional. El año pasado, ella y sus colegas utilizaron este método para estudiar la actina en el cerebro.

STORM (microscopía óptica de reconstrucción estocástica, por sus siglas en inglés), desarrollada por Zhuang, es una de las metodologías de “super-resolución” de imágenes desarrolladas en la última década. La metodología permite que los investigadores superen los límites impuestos por la microscopía de luz convencional debido a la difracción de la luz. STORM sólo activa un subconjunto de moléculas fluorescentes en la muestra a la vez, y toma imágenes instantáneas de esas pequeñas moléculas brillantes en diferentes momentos, de modo que sus posiciones se pueden determinar con una gran precisión. Las coordenadas de estas moléculas fluorescentes se usan para reconstruir una imagen de la muestra. Zhuang lo describe como un enfoque puntillista.

Zhuang y su equipo decidieron utilizar la técnica para examinar actina marcada con fluorescencia dentro de las neuronas de rata y ratón. Utilizando STORM, el equipo fue capaz de resolver estructuras tan pequeñas como de 10 nanómetros (una diez millonésima parte de un milímetro) –cerca de 20 veces menor de lo que los microscopios de alta potencia de barrido confocal pueden conseguir–.

Cuando Zhuang le indicó a los miembros de su equipo que visualicen la actina en las neuronas, su objetivo inicial era las uniones donde los axones transmiten mensajes a sus células vecinas – las sinapsis. Sin embargo, el investigador postdoctoral Ke Xu se detuvo cuando notó puntos fluorescentes regularmente espaciados a lo largo de los axones, en lugar de las esperadas líneas brillantes y continuas. Xu y Guisheng Zhong, otro investigador postdoctoral en el laboratorio, siguieron investigando y eventualmente revelaron la nueva estructura del citoesqueleto.

“Cuando notaron por primera vez el patrón aparentemente periódico, no fue para nada tan obvio”, dice Zhuang. “Estos talentosos muchachos fueron muy persistentes y superaron una dificultad tras otra para optimizar las condiciones experimentales, eventualmente generando estas imágenes bellas y convincentes. Me encanta que no dejaron de lado esta observación inesperada y simplemente se dedicaron a las imágenes de las sinapsis, como yo se los había pedido”.

El descubrir una nueva estructura para la actina prueba el valor de STORM, dice Zhuang. “El realizar un descubrimiento científico es muy gratificante para gente como nosotros que desarrolla nuevos métodos. Es la máxima validación de un método”.

Los puntos resultaron ser anillos individuales de actina que rodean los axones justo debajo de la membrana de la célula, en toda su longitud. Cada anillo de actina se compone de filamentos de actina pequeños. Los anillos se dan cada espacios de 190 nanómetros de espectrina, que le dan a la estructura su periodicidad. El equipo piensa que esta estructura anillada le podría otorgar a los largos axones la habilidad de atravesar el sistema nervioso sin romperse, así como de soportar el estrés mecánico cuando un animal se mueve.

A fines de comparación, el equipo también observó la actina dentro de las dendritas, que son las ramificaciones que se proyectan de las neuronas. Allí la actina forma largos filamentos que corren a lo largo del eje de las dendritas.

A continuación, el equipo descubrió una señal de que la actina periódica y los anillos de espectrina podrían influir la forma en la que las células nerviosas se comunican entre sí. Las neuronas se comunican a través de potenciales de acción, en el que los canales de iones en las membranas generan una carga eléctrica que sube y baja rápidamente. El equipo encontró un patrón periódico entre los canales de iones de sodio en las membranas axonales que se correspondía con la red subyacente al anillado. “Uno no puede evitar preguntarse si esta periodicidad tiene alguna influencia en el potencial de acción”, dice Zhuang.

Al igual que el efecto final de la periodicidad del canal iónico sigue siendo un misterio, también lo es el desarrollo de los anillos de actina y espectrina, y si en efecto confieren flexibilidad y durabilidad, de acuerdo a la hipótesis del equipo. “Esto es sólo el principio”, dice Zhuang. “Descubrimos algo tan novedoso que hemos abierto más preguntas de las que hemos contestado”.

Scientist Profile

Investigator
Harvard University
Biophysics, Cell Biology

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