Los científicos han revelado detalles nunca antes vistos de cómo nuestro cerebro envía mensajes de disparo rápido entre sus células. Mapearon la estructura atómica en 3-D de un complejo proteico de dos partes que controla la liberación de químicos de señalización, llamados neurotransmisores,de las células cerebrales. Comprender cómo las células liberan esas señales en menos de una milésima de segundo podría ayudar a lanzar una nueva ola de investigación sobre medicamentos para tratar los trastornos cerebrales.
Los experimentos, en el láser de rayos X de la fuente de luz coherente Linac LCLS en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, se basan en décadas de investigación previa en la Universidad de Stanford, la Escuela de Medicina de Stanford y SLAC. Los investigadores informaron sus últimos hallazgosen el diario Naturaleza .
"Este es un avance muy importante y emocionante que puede abrir posibilidades para apuntar a nuevos medicamentos para controlar la liberación de neurotransmisores. Muchos trastornos mentales, como depresión, esquizofrenia y ansiedad, afectan los sistemas de neurotransmisores", dijo Axel Brunger, investigador principal del estudio.Es profesor en la Escuela de Medicina de Stanford y SLAC e investigador del Instituto Médico Howard Hughes.
"Ambas partes de este complejo de proteínas son esenciales", dijo Brunger, "pero hasta ahora no estaba claro cómo encajan y funcionan juntas sus dos piezas".
Desvelando los secretos combinados de dos proteínas
Las dos partes de proteínas se conocen como SNARE neuronales y sinaptotagmina-1.
Los estudios de rayos X anteriores, incluidos los experimentos en Stanford Synchrotron Radiation Lightsource SSRL hace casi dos décadas, arrojan luz sobre la estructura del complejo SNARE, un paquete de proteínas helicoidales que se encuentra en levaduras y mamíferos. Los SNARE desempeñan un papel clave enla señalización química del cerebro uniendo o "fusionando" pequeños paquetes de neurotransmisores a los bordes exteriores de las neuronas, donde se liberan y luego se acoplan con receptores químicos en otra neurona para activar una respuesta.
Una 'pistola humeante' para la liberación de neurotransmisores
En esta última investigación, los científicos descubrieron que cuando los SNARE y la sinaptotagmina-1 se unen, actúan como un amplificador para un ligero aumento en la concentración de calcio, desencadenando una liberación de neurotransmisores de una neurona a otra.aprendió que las proteínas se unen antes de llegar a la membrana de una neurona, lo que ayuda a explicar cómo desencadenan la señalización cerebral tan rápidamente.
"La neurona no está construyendo la 'pistola' ya que se encuentra allí en la membrana, ya está allí", dijo Brunger.
El equipo especula que varios de los complejos de proteínas unidos pueden agruparse e interactuar simultáneamente con la misma vesícula para desencadenar de manera eficiente la liberación de neurotransmisores, un área emocionante para futuros estudios.
"La estructura del complejo SNARE-synaptotagmin-1 es un hito que el campo ha esperado durante mucho tiempo, y establece el marco para una mejor comprensión del sistema", dijo James Rothman, profesor de la Universidad de Yale quedescubrió las proteínas SNARE y compartió el Premio Nobel 2013 en Fisiología o Medicina.
Thomas C. Südhof, profesor de la Escuela de Medicina de Stanford e investigador del Instituto Médico Howard Hughes que compartió el Premio Nobel 2013 con Rothman, descubrió la sinaptotagmina-1 y demostró que juega un papel importante como sensor de calcio y dependiente del calciodisparador para la liberación de neurotransmisores.
"La nueva estructura ha identificado interfaces no anticipadas entre synaptotagmin-1 y el complejo neuronal SNARE que cambia la forma en que pensamos sobre su interacción al revelar, en detalle atómico, exactamente dónde se unen", dijo Südhof. "Este es un concepto nuevoeso va mucho más allá de los modelos generales anteriores de cómo funciona synaptotagmin-1 ".
Uso de cristales, robótica y rayos X para avanzar en la neurociencia
Para estudiar la estructura de la proteína unida, los investigadores del laboratorio de Brunger en la Escuela de Medicina de Stanford encontraron una forma de cultivar cristales del complejo. Utilizaron un sistema robótico desarrollado en SSRL para estudiar los cristales en el LCLS de SLAC, un láser de rayos Xesa es una de las fuentes más brillantes de rayos X en el planeta. SSRL y LCLS son instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
Los investigadores combinaron y analizaron cientos de imágenes de rayos X de aproximadamente 150 cristales de proteínas para revelar los detalles a escala atómica de la estructura unida.
Aina Cohen de SSRL, que supervisó el desarrollo de la plataforma altamente automatizada utilizada para el experimento de neurociencia, dijo: "Este experimento fue el primero en usar esta plataforma robótica en LCLS para determinar una estructura previamente no resuelta de una proteína múltiple grande y desafiantecomplejo ". El estudio también fue respaldado por experimentos de rayos X en SSRL y en la fuente avanzada de fotones del Laboratorio Nacional de Argonne.
"Este es un buen ejemplo de cómo las herramientas avanzadas, los instrumentos y los métodos de rayos X nos proporcionan nuevas ideas sobre lo que son mecanismos realmente complejos", dijo Cohen.
Brunger dijo que los estudios futuros explorarán otras interacciones de proteínas relevantes para la liberación de neurotransmisores. "Lo que estudiamos es solo un subconjunto", dijo. "Hay muchos otros factores que interactúan con este sistema y queremos saber cómo se ven. Estode ninguna manera es el final de la historia "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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