El receptor MT2 es un tipo principal de receptor acoplado a la proteína G que media principalmente los efectos de la melatonina. Se han encontrado déficits de señalización de melatonina / MT2 en muchos trastornos neurológicos, incluida la enfermedad de Alzheimer, la causa más común de demencia en los ancianos, lo que sugiere que la preservación del receptor MT2 puede ser beneficiosa para estos trastornos neurológicos. Sin embargo, aún no se ha establecido evidencia directa que vincule el receptor MT2 con la plasticidad sináptica relacionada con la cognición. Aquí, informamos que el receptor MT2, pero no el receptor MT1, es esencial para la axonogénesis tantoin vitroyin vivo. Encontramos que la formación de axones se retrasa en ratones knockout del receptor MT2, cortes cerebrales electroporados MT2-shRNA o neuronas primarias tratadas con un antagonista selectivo del receptor MT2. La activación del receptor MT2 promueve la axonogénesis que se asocia con una mejora en la transmisión sináptica excitatoria en las neuronas centrales. Los componentes de señalización aguas abajo del receptor MT2 consisten en el Akt/GSK-3β/CRMP-2 cascada. El motivo C-terminal del receptor MT2 se une directamente a Akt. La inhibición del receptor MT2 o la interrupción de la unión al receptor MT2-Akt reduce la axonogénesis y la transmisión sináptica. Nuestros datos sugieren que el receptor MT2 activa Akt/GSK-3β/CRMP-2 señalización y es necesario y suficiente para mediar la axonogénesis funcional y la formación sináptica en las neuronas centrales.
Los circuitos sinápticos se establecen en los sitios de contacto axón-dendrítico, axón-somático o axón-axonal, en los que la axonogénesis funcional es un paso crítico. La axonogénesis puede ser regulada por muchas señales intracelulares que involucran reordenamientos citoesqueléticos, degradación local de proteínas, así como barreras de difusión. Además, varios factores neurotróficos extracelulares y hormonas también han demostrado tener un papel en la guía de axones y la formación sináptica en las neuronas centrales. Hasta la fecha, el papel de la melatonina y sus receptores en la axonogénesis sigue sin estar claro. La mayoría de las funciones biológicas de la melatonina están mediadas por sus dos receptores, los receptores MT1 y MT2, ambos pertenecen a la subfamilia de receptores acoplados a proteínas G (GPCR) y se expresan ampliamente en todo el sistema nervioso central (SNC). La activación del receptor MT2 en respuesta a la melatonina es fundamental para controlar los ritmos circadianos y la regulación del sueño de onda lenta. Los primeros estudios han demostrado que la activación del receptor MT2 en la retina reduce la liberación de dopamina, mientras que la dopamina inhibe la motilidad del cono de crecimiento y el crecimiento de neuritas durante el desarrollo embrionario, lo que sugiere la participación del receptor MT2 en la axonogénesis funcional. En ratones mutantes con expresión deficiente del gen MT2, la inducción de la potenciación a largo plazo (LTP) de la transmisión sináptica excitatoria se ve afectada, y este deterioro está estrechamente relacionado con los déficits en el aprendizaje. En el hipocampo, el receptor MT2 inhibe la corriente mediada por el receptor GABAA, que está implicada en la transmisión sináptica. En la enfermedad de Alzheimer, la expresión del receptor MT2 se reduce significativamente, especialmente en el hipocampo. Un agonista parcial del receptor MT2, UCM765, exhibe propiedades ansiolíticas al aumentar el tiempo que se pasa en el brazo abierto de una prueba elevada de laberinto más y al reducir la latencia para comer en un entorno novedoso en la prueba de alimentación suprimida por novedad, lo que sugiere su papel en la ansiedad. Juntos, estos hallazgos sugieren que el receptor MT2 une las cascadas de señalización que median el aprendizaje y la formación de la memoria, una de las funciones biológicas importantes de la melatonina; sin embargo, los eventos celulares y moleculares que subyacen a este vínculo aún no se han establecido.
Las neuronas disociadas del hipocampo se han utilizado comúnmente como un excelentein vitromodelo en el estudio del desarrollo de axones y transmisión sináptica porque mantienen características morfológicas, funcionales y moleculares de las neuronas del hipocampoin vivo.En las neuronas disociadas del hipocampo, la transición para la formación y maduración de los axones implica las siguientes cinco etapas: las neuronas en etapa 1 (~ 2 a 4 h después del recubrimiento) muestran abundantes lamellipodia y filopodia que se desarrollan en varias neuritas cortas inmaduras en la etapa 2 (~ 12 a 24 h); la polarización ocurre en la etapa 3 (~24 a 48 h), en la que una sola neurita inicia un rápido alargamiento para convertirse en el axón mientras que otras adquieren identidad dendrítica; la etapa 4 (~3-4 días) se caracteriza por un rápido crecimiento de axones y dendritas; y en la etapa 5 (7 días en adelante), la maduración del axón y las dendritas es esencial para la formación de sinapsis funcional. En el presente estudio, hemos identificado un nuevo papel para el receptor MT2 en la axonogénesis funcional y mostramos que la activación del receptor MT2 es crucial para la axonogénesis funcional y la transmisión sináptica en las neuronas centrales. Utilizando imágenes de transferencia de energía de resonancia de fluorescencia (FRET) combinadas con ensayos de bloqueo de péptidos, hemos identificado a Akt como un socio que interactúa y un sustrato del receptor MT2. La activación de la cascada de señalización del receptor MT2-Akt promueve la formación de sinapsis funcionales en el hipocampo, mientras que la inhibición del receptor MT2 detiene la axonogénesis y la transmisión sináptica. Dadas las implicaciones del receptor MT2 en el aprendizaje y la memoria, proponemos que apuntar a la señalización del receptor MT2-Akt puede ser una estrategia factible para estimular el ensamblaje funcional del circuito sináptico.
Acumulación del receptor MT2 en axones polarizados
Para explorar el papel de los receptores MT1 y MT2 en el desarrollo de los axones, primero medimos su localización celular en neuronas disociadas del hipocampo de rata mediante coinmunotinción para el receptor MT1 o receptor MT2 y Tuj1, una clase III específica de neuronas.β-tubulina. Encontramos que el receptor MT2 se distribuyó uniformemente en todas las neuritas con enriquecimiento de punta en las neuronas en etapa 2, mientras que una fuerte señal de fluorescencia solo se detectó en la punta del axón polarizado, pero no en las dendritas en las neuronas en etapa 3. El análisis cuantitativo mostró que el receptor MT2 se enriqueció diferencialmente en las puntas de neurita en las neuronas en etapa 2, mientras que el enriquecimiento de la punta del axón más exclusivo del receptor MT2 se observó en las neuronas en etapa 3. El receptor MT1 tenía una distribución similar al receptor MT2 en la etapa 2, pero no se detectó una distribución polarizada del receptor MT1 en la etapa 3. La especificidad del anticuerpo del receptor MT2 fue verificada por el experimento de bloqueo de péptidos. Estos resultados sugieren que el receptor MT2 podría tener un papel potencial en la diferenciación de axones, una etapa temprana del desarrollo de la sinapsis.