Los neurocientíficos de Columbia han descubierto por qué las mitocondrias, pequeños generadores de energía que mantienen nuestras células sanas, a menudo tienen una forma extraña dentro del cerebro. Las mitocondrias, que existen por miles en cada una de las 37 billones de células de nuestro cuerpo, generalmente parecen tubos largos interconectados.dentro de las células cerebrales llamadas neuronas, adoptan dos formas completamente diferentes dependiendo de su ubicación dentro de la célula: esa misma forma alargada, tubular y una forma sustancialmente más pequeña, casi esférica, que se parece más a las pelotas de golf. En el estudio de hoy, los investigadores han identificadomecanismo responsable de estas diferencias en la forma mitocondrial, descubriendo una visión clave de la relación entre la forma mitocondrial y su función.
Esta investigación, publicada en línea hoy en Comunicaciones de la naturaleza , sugiere que estas mitocondrias achaparradas inusualmente pequeñas ayudan a las neuronas a crecer y hacer conexiones apropiadas en el cerebro en desarrollo. El trabajo podría abrir nuevas líneas de investigación que pueden estar en juego cuando estos procesos salen mal en la enfermedad cerebral.
"En la mayoría de las células de nuestro cuerpo, las mitocondrias adoptan la forma tubular estándar, pero dentro de las neuronas, las mitocondrias pueden adoptar esa misma forma o pueden ser pequeñas, casi esféricas; las razones de esta diferencia han permanecido en gran parte inexploradas", dijo FranckPolleux, PhD, investigador principal del Instituto Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute de Columbia y autor principal del artículo. "Hoy, hemos descubierto un mecanismo inesperado que ayuda a mantener el tamaño inusualmente pequeño de estas mitocondrias, arrojando nueva luz sobre cómo el mantenimientode su tamaño es crítico para el crecimiento normal de las células cerebrales "
La forma única de estas mitocondrias está finalmente ligada a la forma única de las neuronas. A diferencia de otras células del cuerpo que están compuestas solo por un cuerpo celular simple, las neuronas también tienen dos conjuntos de extensiones, que se ramifican hacia afuera en direcciones opuestas, llamadasdendritas y axones. Estas extensiones son esenciales. Se extienden desde la neurona como zarcillos, uniéndose a otras células para transmitirse información entre sí en forma de pulsos eléctricos, formando una autopista de información de proporciones microscópicas.
Para pasar estos pulsos, un axón de una neurona se conectará a la dendrita de otra neurona. Ese punto de contacto, llamado sinapsis, actúa como un "apretón de manos" intercelular para garantizar los pulsos eléctricos correctos y, por lo tanto, la información correcta.- se comparten entre celdas.
Para reforzar la comunicación celular, un solo axón puede formar miles de ramas individuales, cada una de las cuales tiene aproximadamente un micrón de diámetro, 50 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. En cada axón y sus ramas existen miles de pequeñas mitocondrias, que a menudo se localizan en las sinapsis.
"Estas mitocondrias axonales son diferentes a las mitocondrias en cualquier otra parte del cuerpo, incluso son diferentes a las que se encuentran en otras partes de la neurona", dijo el Dr. Polleux, quien también es profesor de neurociencia en el Centro Médico Irving de la Universidad de Columbia. "Esto planteó la pregunta: ¿este pequeño tamaño cumple una función?"
Las mitocondrias son notablemente dinámicas. Para mantener su tamaño uniforme, se someten constantemente a la fusión en la que varias mitocondrias se combinarán en una y a la fisión en la que se separan. En una serie de experimentos con neuronas extraídas de los cerebrosde los ratones, los investigadores, incluido el coautor y ex miembro del laboratorio de Polleux, Tommy Lewis, PhD, identificaron un gen llamado MFF. Cuando se activa, MFF parece mantener las mitocondrias axonales decididamente pequeñas.
"El gen MFF promueve la fisión mitocondrial", dijo el Dr. Polleux. "Entonces, cuando apagamos MFF, inclinamos el equilibrio, aumentando los eventos de fusión. Esto causó que las mitocondrias axonales normalmente pequeñas aumentaran en longitud de cinco a-décuplo."
Sorprendentemente, este aumento de tamaño no redujo la capacidad de las mitocondrias para moverse hacia arriba y hacia abajo del axón. Tampoco cambió su capacidad para actuar como potencias de energía, lo cual fue totalmente inesperado, dado que se cree que este es su papel principal en la mayoríacélulas.
Hubo una diferencia significativa en estas nuevas mitocondrias axonales más largas, descubiertas por el coautor y ex miembro del laboratorio Polleux Seok-Kyu Kwon, PhD: tomaron una cantidad significativamente mayor de calcio de su entorno. El calcio es crítico paraactividad cerebral, incluida la transmisión entre sinapsis. La absorción de calcio de las mitocondrias normalmente permite que las señales eléctricas pasen entre las células.
Pero las mitocondrias más largas significaron una mayor capacidad de absorber calcio en las sinapsis. Esto, observaron los investigadores, interrumpió el patrón normal de señales eléctricas que pasaban entre las células, lo que perjudicaba la capacidad de las neuronas para comunicarse con sus vecinos.axón durante el desarrollo, lo que finalmente hace que disminuyan sus ramificaciones.
"El tamaño normalmente pequeño de las mitocondrias axonales parece mantener el tampón de calcio en el nivel justo para impulsar el crecimiento axonal saludable y fomentar las conexiones celulares", dijo el Dr. Polleux.
Curiosamente, estos hallazgos también sugieren que la producción de energía, el trabajo principal de las mitocondrias en otras partes del cuerpo, puede no ser el principal deber de las mitocondrias axonales.
"Puede haber un papel mucho más especializado para ellos", dijo el Dr. Polleux. "Y eso es algo que estamos descifrando activamente en este mismo momento".
Para el Dr. Polleux, conocer los pasos que impulsan el crecimiento neuronal es un paso crítico para desenredar la enfermedad neurodegenerativa. Muchas enfermedades, incluido el Alzheimer, afectan la estructura y función mitocondrial. Espera que el trabajo en su laboratorio pueda ayudar a aclarar por qué esto es así.el caso, y también qué pasos se pueden tomar para mitigarlo.
"Sin profundizar en el funcionamiento interno del cerebro en este nivel de detalle, sería similar a tratar de entender cómo funciona un automóvil simplemente al verlo moverse a lo largo de una carretera", agregó. "Hay que abrir el automóvilcapucha y eche un vistazo de cerca a todas sus partes ".
Este documento se titula "La fisión mitocondrial dependiente de MFF regula la liberación presináptica y la ramificación del axón al limitar el tamaño de las mitocondrias axonales". Contribuyentes adicionales incluyen Annie Lee, PhD Universidad de Columbia y Reuben Shaw, PhD Instituto Salk.
Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud R01NS089456, K99NS091526, el Programa de Ciencias de Fronteras Humanas y la Fundación Roger de Spoelberch.
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Materiales proporcionado por El Instituto Zuckerman de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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