El receptor MT2 estimula l'axonogènesi i millora la transmissió sinàptica activant la senyalització Dkt

El receptor MT2 és un tipus principal de receptor acoblat a proteïnes G que mitjandeix principalment en els efectes de la melatonina. S'han trobat dèficits de senyalització de melatonina / MT2 en molts trastorns neurològics, inclosa la malaltia d'Alzheimer, la causa més comuna de demència en la gent gran, el que suggereix que la preservació del receptor MT2 pot ser beneficiosa per a aquests trastorns neurològics. No obstant això, encara s'ha d'establir evidència directa que vinculi el receptor MT2 amb la plasticitat sinàptica relacionada amb la cognició. Aquí, informem que el receptor MT2, però no el receptor MT1, és essencial per a l'axonogènesi tantin vitroiin vivo. Trobem que la formació d'axons es retarda en ratolins knockout receptor MT2, llesques cerebrals electroporades MT2-shRNA o neurones primàries tractades amb un antagonista selectiu de receptors MT2. L'activació del receptor MT2 promou l'axonogènesi que s'associa amb una millora en la transmissió sinàptica excitatòria en neurones centrals. Els components de senyalització aigües avall del receptor MT2 consisteixen en l'Akt/GSK-3βCascada /CRMP-2. El motiu C-terminal receptor MT2 s'uneix directament a Akt. Ja sigui la inhibició del receptor MT2 o la interrupció de la unió MT2 receptor-Akt redueix l'axonogènesi i la transmissió sinàptica. Les nostres dades suggereixen que el receptor MT2 activa Akt/GSK-3β/CRMP-2 senyalització i és necessària i suficient per mediar l'axonogènesi funcional i la formació sinàptica en neurones centrals.

Els circuits sinàptics s'estableixen en els llocs del contacte axó-dendrític, axó-somàtic o axó-axonal, en els quals l'axonogènesi funcional és un pas crític. L'axonogènesi pot ser regulada per molts senyals intracel·lulars que impliquen reordenaments citosquelètics, degradació local de proteïnes, així com barreres de difusió. A més, també s'ha demostrat que diversos factors neurotròfics extracel·lulars i hormones tenen un paper en la guia d'axons i la formació sinàptica en les neurones centrals. Fins ara, el paper de la melatonina i els seus receptors en l'axonogènesi encara no està clar. La majoria de les funcions biològiques de la melatonina estan mediades pels seus dos receptors, els receptors MT1 i MT2, tots dos pertanyen a la subfamília del receptor acoblat a proteïnes G (GPCR) i s'expressen àmpliament en tot el sistema nerviós central (SNC). L'activació del receptor MT2 en resposta a la melatonina és fonamental per controlar els ritmes circadians i la regulació del son d'ona lenta. Els primers estudis han demostrat que l'activació del receptor MT2 a la retina redueix l'alliberament de dopamina, mentre que la dopamina inhibeix la motilitat del con de creixement i el creixement de la neurita durant el desenvolupament embrionari, el que suggereix la participació del receptor MT2 en l'axonogènesi funcional. En ratolins mutants amb expressió deficient del gen MT2, la inducció de la potenciació a llarg termini (LTP) de transmissió sinàptica excitatòria es veu afectada, i aquest deteriorament està estretament relacionat amb els dèficits en l'aprenentatge. En l'hipocamp, el receptor MT2 inhibeix el corrent mediat pel receptor GABAA, que està implicat en la transmissió sinàptica. En la malaltia d'Alzheimer, l'expressió del receptor MT2 es redueix significativament, especialment en l'hipocamp. Un agonista parcial del receptor MT2, UCM765, exhibeix propietats ansiolítices augmentant el temps passat en el braç obert d'una prova elevada de laberint de plus, i reduint la latència per menjar en un nou entorn en la prova d'alimentació suprimida de novetat, suggerint el seu paper en l'ansietat. En conjunt, aquestes troballes suggereixen que el receptor MT2 enllaça les cascades de senyalització que intervenen en l'aprenentatge i la formació de memòria, una de les funcions biològiques importants de la melatonina; no obstant això, els esdeveniments cel·lulars i moleculars subjacents a aquest vincle encara no s'han establert.

Les neurones dissociades de l'hipocamp s'han utilitzat comunament com una excel·lentin vitroModel en l'estudi del desenvolupament de l'axó i la transmissió sinàptica perquè mantenen les característiques morfològiques, funcionals i moleculars de les neurones de l'hipocamp.in vivo.En les neurones dissociades de l'hipocamp, la transició per a la formació i maduració d'axons implica les següents cinc etapes: les neurones de l'estadi 1 (~ 2 a 4 h després del revestiment) mostren abundants lamellipodis i filopodis que es converteixen en diverses neurites curtes immadures en l'etapa 2 (~ 12 a 24 h); la polarització es produeix en l'etapa 3 (~ 24 a 48 h), en la qual una sola neurita inicia una ràpida elongació per convertir-se en l'axó mentre que altres adquireixen identitat dendrítica; l'etapa 4 (~ 3-4 dies) es caracteritza per un ràpid creixement d'axó i dendrites; i en l'etapa 5 (7 dies en endavant), la maduració d'axó i dendrites és essencial per a la formació funcional de sinapsis. En el present estudi, hem identificat un nou paper per al receptor MT2 en l'axonogènesi funcional i mostrem que l'activació del receptor MT2 és crucial per a l'axonogènesi funcional i la transmissió sinàptica en neurones centrals. Utilitzant imatges de transferència d'energia de ressonància de fluorescència (FRET) combinades amb assays de bloqueig de pèptids, hem identificat Akt com un soci que interactua i un substrat del receptor MT2. L'activació de la cascada de senyalització mt2 receptor-Akt promou la formació de sinapsis funcionals en l'hipocamp, mentre que la inhibició del receptor MT2 deté l'axonogènesi i la transmissió sinàptica. Donades les implicacions del receptor MT2 en l'aprenentatge i la memòria, proposem que la senyalització del receptor MT2-Akt pot ser una estratègia factible per estimular l'assemblatge de circuits sinàptics funcionals.

Acumulació del receptor MT2 en axons polaritzats

Per explorar el paper dels receptors MT1 i MT2 en el desenvolupament de l'axó, vam mesurar per primera vegada la seva localització cel·lular en neurones dissociades de l'hipocamp de rates mitjançant co-immunostaining per al receptor MT1 o receptor MT2 i Tuj1, una classe específica de neurones IIIβ-tubulina. Vam trobar que el receptor MT2 es distribuïa uniformement en totes les neurites amb enriquiment de punta en neurones de l'etapa 2, mentre que un fort senyal de fluorescència només es va detectar a la punta de l'axó polaritzat, però no en les dendrites en les neurones de l'etapa 3. L'anàlisi quantitativa va mostrar que el receptor MT2 s'enriquia diferencialment a les puntes de la neurita en les neurones de l'etapa 2, mentre que l'enriquiment de punta d'axó més exclusiu del receptor MT2 es va observar en neurones de l'etapa 3. El receptor MT1 tenia una distribució similar al receptor MT2 en l'etapa 2, però no es va detectar cap distribució polaritzada del receptor MT1 en l'etapa 3. L'especificitat de l'anticòs del receptor MT2 va ser verificada per l'experiment de bloqueig de pèptids. Aquests resultats suggereixen que el receptor MT2 podria tenir un paper potencial en la diferenciació d'axons, una etapa primerenca del desenvolupament de la sinapsi.