A EVOLUÇÃO DA SINAPSE.

Entre as características mais facilmente reconhecíveis de qualquer sistema nervoso está a sinapse. Embora a questão de como as sinapses evoluam tenha sido um mistério de longa data, agora pode ser amplamente resolvida. Em poucas palavras, parece que as sinapses entre os neurônios evoluíram diretamente dos contatos célula a célula originais, a saber, as junções de aderência e outras ligações que ligavam as folhas epiteliais primitivas dos primeiros organismos multicelulares.

Crédito: TheFreeDictionary.com

Em outras palavras, a história de como os sistemas nervosos se originou data das próprias origens da multicelularidade, ou pelo menos próxima a ela. As implicações dessa afirmação são profundas. Embora os detalhes exatos ainda sejam obscuros, os organismos multicelulares evoluíram através de episódios de aquisição e fusão clonal. Em sua encarnação mais simples, uma célula em divisão replica seu DNA e particiona sua membrana da maneira normal, mas as células filhas permanecem ligadas. Uma forma bruta de aparente diferenciação fenotípica logo segue com a indução de alguma assincronia temporal nos processos de maturação das células individuais. Algumas células filhas podem acelerar para a forma adulta normal, enquanto outras ficam permanentemente em alguma nova forma diferenciada.

O outro caminho para a multicelularidade é que células independentes com DNA completamente exclusivo se conectem de alguma forma. Curiosamente, esse segundo mecanismo persiste em diversos organismos agregadores existentes, como fungos e coanoflagelados. Como um grupo irmão de todos os metazoários, os coanoflagelados são de especial interesse aqui, não apenas por causa de suas mudanças flexíveis entre unicelularidade e colonialismo, mas por causa das junções celulares especiais que eles desenvolveram para controlar seu estado e polaridade. Embora a agregação seja tipicamente considerada uma resposta à fome ou ao estresse, há outro componente crítico que liga o comportamento desses tipos de organismos mais diretamente ao sistema nervoso: a comunicação.

A questão de como os sistemas de comunicação dos neurônios, ou seja, seus sistemas de neurotransmissores, evoluíram primeiro, agora também foi amplamente respondida. Em uma recente revisão abrangente da Current Biology, Detlev Arendt, de Heidelberg, Alemanha, detalha a gênese completa do hardware real do pré e pós-sinapse. O artigo estabelece a ordem em que os sistemas transmissores canônicos da vida das pequenas moléculas fizeram sua primeira aparição no palco, e narra a nova implantação e proliferação das matrizes estruturais associadas, andaimes e moléculas de adesão que fizeram tudo acontecer.

No lado pré-sináptico, Detlev subdivide as etapas em três partes principais, o mecanismo de liberação de vesículas da zona ativa, os canais de cálcio dependentes de voltagem que convertem o pico em um transiente de cálcio e os complexos SNAP/Snare/sinaptotagmina que convertem o sinal de cálcio em vesícula fusão. Na expansão evolutiva das sinaptotagminas em particular, parece ter havido um importante papel precoce no transporte regulado por cálcio de glicerolipídeos entre as membranas. Uma vez na forma de vesículas, essas parcelas de membrana inevitavelmente também continham proteínas hidrofílicas e, presumivelmente, também peptídeos solúveis escondidos ou importados para seu interior.

O registro evolutivo também mostra que um conjunto de transportadores de nucleotídeos de purina vesicular estavam presentes desde o início da vida. Com a adição de receptores apropriados à mistura, os ingredientes dos sistemas transmissores peptídicos e nucleotídicos já estavam em mãos antes dos animais aparecerem. Nos coanoflagelados, por exemplo, as vesículas secretoras saem da rede trans-Golgi para fundir-se com a membrana plasmática apical. Uma maquinaria pré-sináptica sensível ao cálcio quase completa também é ativa na secreção densa de vesículas centrais em muitos tipos de células secretoras não-neurais.

Além dos transmissores de peptídeos e nucleotídeos, o primeiro dos neurotransmissores modernos de aminoácidos (ou derivados de aminoácidos) parece ser glutamato. Transportadores de glutamato vesicular da família SLC17A6-8 (Solute Carrier) estão presentes em todos os animais, incluindo esponjas e placozoários de ramificação precoce. O primeiro transportador de aminoácidos inibidores vesiculares (VIAAT-SLC32A1) parece ser o da captação de GABA e glicina, como estava presente no ancestral cnidário-bilateriano. O próximo a evoluir foi o transportador vesicular de acetilcolina (VAChT-SLC18B3), encontrado apenas em bilaterianos. Isso fornece uma cronologia inicial aproximada do transmissor da seguinte maneira:

ATP> glutamato> GABA / glicina> acetilcolina

No lado pós-sináptico, Detlev observa que a estrutura modular tende a ser muito mais variável do que a pré-sinapse. O pós-sinapse glutamatérgico, com sua formação elaborada da coluna vertebral, tende a ser mais complexo que o pós-sinapse colinérgico, embora ambos diferam em aspectos importantes do pós-sinapse inibitório. Por exemplo, os receptores se ligam diretamente às estruturas proteícas construídas em torno da proteína Shank pós-sináptica específica da densidade nas duas sinapses excitatórias, mas não inibitórias. A família de receptores nicotínicos de acetilcolina são canais iônicos pentaméricos dependentes de ligantes e estão relacionados à distância com os receptores GABA-A e glicina.

Nas pós-sinapses de glutamato, a proteína Shank se conecta ao esqueleto da actina via cortactina e forma uma matriz semelhante a uma malha com uma proteína de andaime conhecida como Homer. Em algum momento da evolução, parece que a pós-sinapse glutamatérgico inicial incorporou um antigo módulo de crescimento filopodial baseado em outra proteína de andaime conhecida como IRSp53 para estabelecer contato com uma célula pré-sináptica. Essa união produziu a morfologia padrão da coluna dendrítica que ainda vemos hoje em muitos neurônios excitatórios.

Grande parte das evidências desse empreendimento conjunto vem das estruturas tipo filopodial contendo IRSp53 do chamado colar microvilar encontrado na região apical de coanoflagelados e coanócitos de esponja. De fato, um colar microvilar de relíquia ainda é retido criticamente em metazoários em muitos tipos de células epiteliais sensoriais e secretórias. Por exemplo, microvilosidades positivas para IRSp53 estáveis ​​formam as extremidades comerciais de nossas células ciliadas, e também as células que entram em contato com o líquido espinhal, encontradas profundamente nos ventrículos cerebrais.

O pós-sinapse colinérgico em evolução posterior parece usar o mesmo andaime Shank de estilo glutamatérgico, ao contrário dos módulos Homer e IRSp53. As pós-sinapses inibitórias de GABA e glicina, por outro lado, não ancoram seus receptores ionotrópicos um no outro ou no citoesqueleto com Shank, Homer ou IRSp53. Em vez disso, eles implantam outra molécula intrigante conhecida como gephyrin. Uma coisa curiosa sobre a gephyrin é que ela brilha em outro papel crítico, embora às vezes enigmático: fica no ápice de uma cadeia complexa de síntese de cofatores de molibdênio e lança um único íon Mo no backbone da molibdopterina, em última análise, usado em pelo menos quatro enzimas humanas.

Perguntei a Detlev como essa proteína antiga e amplamente expressa de síntese crítica de molibdênio poderia ter adquirido sua agitação lateral sináptica e ele disse: “Essa é a pergunta de um milhão de dólares para nós agora”. Talvez as pistas venham em breve dos mesmos tipos de inspeção filogenética como acima. Ao olhar mais de perto as muitas proteínas caderina e integrina que ancoram seus componentes na sinapse, agora é possível ver diretamente como a rígida ordenação vertical apical-basal dos subtipos específicos de adesão, junção oclusa e septada encontrados nos a maioria das criaturas primitivas se desdobrava topologicamente em domínios axo-dendríticos lineares, polarizados, que consertam nosso próprio sistema nervoso hoje.

Talvez esse sentimento não seja mais pungente do que nas fronteiras paranódicas requintadamente estruturadas dos nódulos de Ranvier, o que serve para facilitar a condução rápida de impulsos nervosos nos segmentos mielinizados do axônio. Estritamente falando, junções estreitas emergem primeiro em cordados e localizam-se apicalmente a junções aderentes, enquanto as junções separadas mais esquivas aparecem nos lados. O engraçado aqui é que as junções septadas só foram relatadas de forma inequívoca nos invertebrados, com exceção de apenas um lugar – os paranodos dos vertebrados.

Jornal Referência: Detlev Arendt. The Evolutionary Assembly of Neuronal Machinery, Current Biology (2020). DOI: 10.1016/j.cub.2020.04.008

Fonte: Phys.Org

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