A pesar de todos sus misterios, a veces es posible describir al cerebro con metáforas sencillas. Un ejemplo es la comunicación entre neuronas, que funciona en muchos aspectos como un ajetreado centro de distribución: algunos productos entran, otros salen, y todo debe estar sistematizado para evitar el caos.
Además, hay que transportar las mercancías. Los mensajeros químicos entre neuronas no flotan libremente en el espacio intersticial; por el contrario, están empaquetados en vesículas con membrana que los transportan de una neurona a otra.
“Las vesículas sinápticas son las unidades básicas de la comunicación neuronal, ya que empaquetan los neurotransmisores para su liberación”, explica el Dr. Jihong Bai. El objetivo de su laboratorio en la División de Ciencias Básicas es comprender la comunicación de las neuronas. Las vesículas desempeñan un papel clave en este proceso; así pues, alteraciones en su formación o en la frecuencia de su recorrido entre las células pueden perturbar profundamente procesos vitales esenciales, desde el movimiento básico hasta el aprendizaje y la memoria.
Una característica sorprendente de las vesículas sinápticas es su tamaño notablemente uniforme. Aunque su contenido varía, su diámetro es consistentemente de 30 a 50 nm. Esta constante no es exclusiva de un organismo, sino que se mantiene en todas las especies animales, desde ratones hasta moscas y gusanos.
Las vesículas se forman mediante endocitosis, un proceso que recicla proteínas, aminoácidos y membranas. Entre las proteínas que intervienen en este proceso se encuentra la proteína adaptadora endocítica AP180, que facilita una transmisión sináptica eficiente. Por lo tanto, la presencia de mutaciones o la pérdida de AP180 en ratones y moscas afectan drásticamente el tamaño de las vesículas y tienen efectos perjudiciales en la comunicación celular sináptica. Además, la mutación del gen ortólogo unc-11 de C. elegans produce defectos parecidos en las vesículas y reduce de manera marcada la motilidad de este gusano.
Sin embargo, aún no se ha dilucidado el mecanismo por el cual AP180 lleva a cabo este importantísimo control de calidad vesicular. En su reciente estudio publicado en la revista PLOS Biology, el Laboratorio Bai se puso en la tarea de responder esta pregunta.
Una forma de conocer la función de cualquier proteína es descomponerla en sus partes constitutivas. En el caso de AP180 o sus ortólogos, existen dos dominios principales: un dominio estructurado N-terminal (denominado ANTH, del inglés AP180 N-terminal Homology domain, es decir, dominio de homología N-terminal de AP180) y un dominio de ensamblaje (Assembly Domain, AD) C-terminal intrínsecamente desordenado.
El Laboratorio Bai comenzó su estudio con la deleción completa de unc-11 en gusanos. Tal como se esperaba, la pérdida total de unc-11 produjo vesículas más grandes y de tamaño menos uniforme, así como una reducción de la locomoción de los gusanos.
Esta capacidad de los gusanos para desplazarse es un indicador o un resultado de la eficiencia con que las sinapsis pueden llevar a cabo la comunicación celular. Con el fin de cuantificar la fidelidad de la comunicación celular sináptica, es necesario emplear la electrofisiología para medir las corrientes neuronales tras la fusión vesicular. El equipo de Bai es especialista en esta técnica y pudo medir con precisión tanto la frecuencia de fusión vesicular como la amplitud de la señal inducida por esa fusión.
Luego, el equipo reintrodujo unc-11 en los gusanos en tres formas diferentes: una de longitud completa, una versión truncada que carecía del dominio de ensamblaje (ΔAD) y una versión que contenía únicamente el AD. La versión que tenía únicamente el AD no mejoró en absoluto el fenotipo del knockout. La versión de referencia —de unc-11 de longitud completa— fue capaz de restaurar tanto la frecuencia como la amplitud a los niveles naturales, y también restableció la motilidad de los gusanos.
Cabe destacar que la versión ΔAD aumentó significativamente la motilidad; además, elevó tanto la frecuencia como la amplitud de la comunicación celular posterior a la fusión por encima de los niveles naturales.
Sin embargo, lo que la versión ΔAD no restableció fue el tamaño uniforme de las vesículas; éstas en los gusanos permanecieron tan grandes e irregulares en tamaño como en los animales con mutaciones en unc-11, lo que sugiere que el dominio de ensamblaje es necesario para formar paquetes de tamaño adecuado.
Otra observación que es importante mencionar es que ni la deleción de unc-11 ni la restauración de UNC-11 de longitud completa o ΔAD tiene repercusiones sobre la cantidad de vesículas. Sin embargo, el tamaño parece influir en la frecuencia con la que las vesículas se fusionan con las neuronas diana y en la amplitud de la señal que estas envían como resultado.
“Nuestro trabajo demuestra que su tamaño no es meramente estructural, sino que influye directamente en la frecuencia con la que se liberan, lo que revela un mecanismo por el cual la morfología vesicular determina la fidelidad de la comunicación celular presináptica”, explica el Dr. Bai.
Dado que el dominio AD es intrínsecamente desordenado, no existe ninguna estructura disponible que permita comprender cómo controla el tamaño. No obstante, mediante un ingenioso trabajo genético, el equipo logró desentrañar este misterio.
En un experimento, insertaron el dominio AD de otras especies en el locus de unc-11. El AD de AP180 tanto de ratón como de Drosophila restableció completamente el tamaño normal de las vesículas, lo que indica que el dominio AD tiene una función conservada para garantizar un tamaño vesicular uniforme.
En otro experimento, analizaron otras proteínas endocíticas con una organización de dominio similar a la de AP180. Algunas de estas proteínas presentaban grandes dominios C-terminales, que según el equipo, podrían interactuar con AP180 u otros factores importantes para determinar el tamaño de las vesículas. Para comprobarlo, fusionaron los dominios C-terminales de las otras proteínas endocíticas al extremo C-terminal de UNC-11, y descubrieron que esta fusión también recobra el tamaño de las vesículas.
Finalmente, lograron identificar un mecanismo. Dado que muchas otras proteínas endocíticas —como las mencionadas en el párrafo anterior— interactúan con la actina, se planteó la hipótesis de que el dominio AD interactúa directamente con la actina para determinar el tamaño de las vesículas. Así pues, mediante estudios genéticos y bioquímicos, demostraron que UNC-11 interactúa con la actina y que restaurar únicamente su capacidad de unión a la actina es suficiente para que se formen vesículas de tamaño adecuado.
“Estos hallazgos dilucidan un mecanismo molecular por el cual UNC-11 vincula el citoesqueleto de la actina con las membranas endocíticas a través de las funciones complementarias de sus dominios AD y ANTH”, anota el equipo.
“De cara al futuro, queremos comprender cómo las neuronas utilizan los mecanismos de detección de curvatura para ajustar la transmisión sináptica con alta precisión”, explica el Dr. Bai. “También nos interesa conocer cómo se ajusta la dinámica de la actina en las terminales presinápticas y cómo estos procesos, junto con otra maquinaria proteica, contribuyen a mantener la fidelidad de la neurotransmisión”.
Jihong Bai —integrante del Consorcio Oncológico de Fred Hutch, la Universidad de Washington y el hospital Seattle Children's— contribuyó con esta investigación.
Esta investigación destacada recibió financiamiento del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales y el Instituto Nacional del Cáncer.
Wang Y., Wu L., Zhang L., Dong Y., Pant A., Liu Y., Bai J. Endocytic protein AP180 assembly domain regulates synaptic vesicle size and release in Caenorhabditis elegans. 2026. PLoS Biol. doi: 10.1371/journal.pbio.3003643
Hannah Lewis es investigadora postdoctoral del grupo de Jim Boonyaratanakornkit de la División de Vacunas y Enfermedades Infecciosas (VIDD). Diseña pruebas de detección de las células B infrecuentes que producen anticuerpos protectores contra los virus del herpes humano. Tiene un doctorado en biología molecular y celular de la Universidad de Washington.