Revelando la logística celular oculta del almacenamiento de memoria en las neuronas

En esta representación, el fondo rojo es el citosol y los ribosomas están en verde claro. Los ARNt son las manchas de color azul violáceo. Algunos tRNA están en el citosol y otros están unidos a los ribosomas verdes. Los ARNm están representados en amarillo. La delgada hebra púrpura que sale por el otro lado de los ribosomas (y hacia la luz del RE) es la proteína. Las grandes líneas negras gruesas en la esquina inferior izquierda representan la bicapa lipídica de la membrana del RE. Crédito: Sara Aton

Al explorar los mecanismos involucrados en el almacenamiento de memoria dependiente del sueño, un equipo de biólogos celulares de la Universidad de Michigan (UM) descubrió que los ARN asociados con un compartimento celular poco estudiado en las neuronas del hipocampo varían mucho entre ratones dormidos y privados de sueño. después de aprender.

Sara Aton, profesora adjunta en el Departamento de Biología Molecular, Celular y del Desarrollo, y James Delorme, estudiante de posgrado reciente en neurociencia de la UM, plantearon la hipótesis de que tanto un evento de aprendizaje como el sueño posterior (o la pérdida de sueño) afectarían la traducción del ARNm. La mayoría de los trabajos previos sobre los efectos del sueño en los ARNm se han centrado en las transcripciones en el citosol neuronal. Sin embargo, los Dres. Aton y Delorme descubrieron que, después del aprendizaje, los principales cambios en los ARN están presentes casi exclusivamente en los ribosomas asociados con las membranas de las células neuronales. Estos resultados se publicaron en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, el 30 de noviembre de 2021.

El equipo primero aplicó un método bioquímico de uso común que homogeneiza y centrifuga el tejido del hipocampo, para separar el citosol ( el componente acuoso del citoplasma de una célula dentro del cual se suspenden orgánulos y partículas más pequeños) de otros componentes celulares que generalmente se consideran «desechos» (retículo endoplásmico, aparato de Golgi, membrana celular, etc.). En este estudio, los autores encontraron que el ARN asociado con los ribosomas en el citosol variaba dependiendo de si los animales dormían o no, lo que confirma estudios transcriptómicos previos. Sin embargo, los ribosomas citosólicos casi no mostraron cambios en el ARN según el aprendizaje previo.

«Si nos hubiéramos detenido allí, no habríamos encontrado nada que fuera novedoso o revelador. Sentimos firmemente que teníamos que repensar nuestra metodología», explicó Aton. Dado que es bien sabido que el retículo endoplásmico está cubierto de ribosomas, la maquinaria que convierte los ARN en proteínas, Delorme y Aton decidieron secuenciar los ARN en las otras partes de la célula, los «desechos», fuera del citosol. Es en la fracción celular que contiene la membrana menos estudiada donde encontraron que muchas transcripciones se vieron afectadas en función del aprendizaje previo. Estas transcripciones modificadas también diferían significativamente si a los animales se les había permitido dormir después del aprendizaje, permitiendo que se almacenara un nuevo recuerdo, o si se les había privado del sueño. Estos resultados inesperados abren la puerta a muchas más investigaciones.

«Al observar esas otras áreas de la célula, ahora tenemos la capacidad de generar muchas hipótesis nuevas sobre lo que sucede a nivel molecular cuando se consolidan los recuerdos». , y cuando la consolidación se interrumpe debido a la falta de sueño», dijo Aton.

Por ejemplo, en los animales que dormían después del aprendizaje, Aton y Delorme observaron un aumento en la abundancia de transcripciones que codifican componentes de la síntesis de proteínas maquinaria en la fracción de membrana de las neuronas del hipocampo. Una hipótesis sería probar si realmente hay un aumento en la producción de proteínas por parte de los ribosomas asociados a la membrana después del sueño posterior al aprendizaje.

Además de los ARNm, los autores también encontraron que el aprendizaje condujo a cambios en los largos no La asociación de los ARN codificantes con los ribosomas unidos a la membrana neuronal. Estos podrían desempeñar un papel en la regulación de la traducción de otras transcripciones, lo que debería investigarse. «Las células han desarrollado mecanismos muy elegantes para afinar el proceso desde la transcripción hasta la traducción, y los ARN largos no codificantes podrían ser uno de ellos en esta parte del cerebro», dijo Aton.

Explicó con más detalle al comparar las neuronas con un gran almacén, con una logística compleja que se necesita para responder rápidamente a las necesidades de nuevas proteínas en procesos celulares distantes, que requieren procesos de adaptación de preparación y distribución. «Las neuronas tienen que entregar el ‘paquete’ dentro de un marco de tiempo razonable, cuando se necesita, sin importar qué tan lejos esté ese lugar. Las neuronas han evolucionado para hacer esto, y es una gran pregunta biológica para investigar. Es importante entender cómo funciona esta biología porque, además de almacenar nuevos recuerdos, afecta la regeneración, la degeneración y las enfermedades neurológicas», concluyó Aton.

Esta es la segunda publicación de PNAS del equipo de investigación de Delorme-Aton. En su primer artículo, el equipo encontró, en ratones privados de sueño, un mecanismo de activación inhibidor que podría interrumpir la actividad del hipocampo y la consolidación de la memoria. Por el contrario, el sueño posterior al aprendizaje suprimió la actividad de las interneuronas inhibidoras, aumentó la actividad entre las neuronas del hipocampo circundante y mejoró el almacenamiento de la memoria.

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Cómo la pérdida de sueño sabotea el nuevo almacenamiento de memoria en el hipocampo Más información: James Delorme et al, Los perfiles de transcripción ribosómica citosólica y unida a la membrana de las neuronas del hipocampo están regulados diferencialmente por el aprendizaje y el sueño posterior, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2021). DOI: 10.1073/pnas.2108534118

James Delorme et al, Sleep loss drives acetylcholine- and somatostatin interneuronmediad gating of hippocampal activity to inhibitor memoryconsolidation, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2019318118 Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias