Cientistas do Janelia Research Campus do HHMI descobriram um novo tipo de sinapse nos minúsculos pêlos da superfície dos neurônios.
As saliências comumente ignoradas chamadas cílios primários contêm junções especiais que atuam como um atalho para enviar sinais de forma rápida e direta ao núcleo da célula, induzindo alterações na cromatina da célula que forma cromossomos.

"Esta sinapse especial representa uma maneira de mudar o que está sendo transcrito ou feito no núcleo, e isso muda programas inteiros", diz o líder do grupo sênior de Janelia, David Clapham, cuja equipe liderou a nova pesquisa publicada em Cell . Os efeitos na célula não são apenas de curto prazo, acrescenta – alguns podem ser de longo prazo. "É como um novo encaixe em uma célula que dá acesso expresso às alterações da cromatina, e isso é muito importante porque a cromatina altera muitos aspectos da célula".

As sinapses ocorrem entre o axônio de um neurônio e os dendritos de outros neurônios, mas nunca foram observadas entre o axônio do neurônio e o cílio primário. Os microscópios de alta resolução e ferramentas inovadoras de Janelia permitiram aos pesquisadores examinar profundamente a célula e os cílios para observar a sinapse, a cascata de sinalização dentro da célula e as mudanças no núcleo.

A descoberta da sinapse ciliar pode ajudar os cientistas a entender melhor como as mudanças de longo prazo nas células são comunicadas. Os cílios, que se estendem do interior da célula, próximo ao núcleo, para o exterior, podem fornecer uma maneira mais rápida e seletiva para as células realizarem essas mudanças de longo prazo, diz Clapham.

"Isso foi tudo sobre ver - e Janelia nos permite ver como não podíamos ver antes", diz Clapham. "Isso abre muitas possibilidades que não tínhamos pensado."

Cílios de imagem

Quase todas as células do nosso corpo têm um único cílio primário, que provavelmente é um vestígio de nossos ancestrais unicelulares. Ostentando receptores de detecção de sinal, os cílios desempenham um papel importante na divisão celular durante o desenvolvimento. Alguns cílios, como os de nossos pulmões ou a cauda de um espermatozóide, também desempenham funções importantes mais tarde na vida.

No entanto, não ficou claro por que outras células em nossos corpos, incluindo neurônios, retiveram essa protuberância do tamanho de uma bactéria na maturidade. Os cientistas ignoraram amplamente esses cílios porque eram difíceis de ver com as técnicas tradicionais de imagem. Mas recentemente, melhores ferramentas de imagem despertaram o interesse por esses pequenos apêndices.

Shu-Hsien Sheu, cientista sênior da Janelia e primeiro autor do novo estudo, admite que, embora treinado como neurocientista e neuropatologista, ele só aprendeu sobre cílios em neurônios como pós-doutorando no Clapham Lab. Intrigado, Sheu decidiu dar uma olhada melhor na organela no tecido cerebral, para ver o que ele poderia aprender.

Sheu usou sua experiência em microscopia eletrônica de varredura por feixe de íons focado, ou FIB-SEM, para dar uma boa olhada nos cílios. O microscópio de alta potência permitiu que a equipe visse que havia uma conexão, ou sinapse, entre o axônio do neurônio e o cílio que se projetava para fora do corpo celular. As características estruturais dessas conexões se assemelham às encontradas em sinapses conhecidas, levando-os a chamar essas conexões de sinapse "axônio-cílio" ou sinapse "axo-ciliar".

Em seguida, a equipe desenvolveu novos biossensores e ferramentas químicas para estudar a função dessa estrutura recém-descoberta. Os pesquisadores também usaram uma modalidade de imagem emergente – imagem de vida de fluorescência (FLIM) – para fazer melhores medições de eventos bioquímicos dentro dos cílios. "Aprendi o FLIM durante a pandemia para lidar com alguns dos desafios técnicos. Acabou sendo um divisor de águas", diz Sheu.

Com essas ferramentas, a equipe conseguiu mostrar passo a passo como o neurotransmissor serotonina é liberado do axônio para os receptores nos cílios. Isso desencadeia uma cascata de sinalização que abre a estrutura da cromatina e permite mudanças no material genômico no núcleo da célula. "A função é o que faz as estruturas estáticas ganharem vida", diz Sheu. "Uma vez que estávamos confiantes sobre a descoberta estrutural, analisamos profundamente suas propriedades funcionais".

Sheu diz que a filosofia de pesquisa baseada na curiosidade do HHMI permitiu a descoberta, que pode não ter sido possível em um ambiente de pesquisa tradicional. "Este é um bom exemplo de como somos capazes de fazer observações em descobertas."

Mudanças de longo prazo

Como os sinais transmitidos pela sinapse ciliar permitem mudanças no material genômico no núcleo, eles provavelmente são responsáveis ​​​​por mudanças de longo prazo nos neurônios do que os sinais passados ​​dos axônios para os dendritos, dizem os pesquisadores. Essas mudanças podem durar de horas a dias a anos, dependendo das proteínas que a cromatina codifica.

A nova pesquisa analisou especificamente os receptores da serotonina, um neurotransmissor difundido no cérebro que desempenha um papel importante no estado de alerta, memória e medo. Existem pelo menos sete a dez outros receptores nos cílios para diferentes neurotransmissores que agora precisarão ser examinados. Cílios em outras células além do cérebro, como fígado e rim, também merecem um olhar mais atento.

No futuro, uma melhor compreensão do papel dessas sinapses e receptores ciliares pode ajudar os cientistas a desenvolver medicamentos mais seletivos. Drogas que têm como alvo os transportadores de serotonina são usadas para tratar a depressão, enquanto a serotonina também está ligada ao nosso ciclo sono-vigília.

"Tudo o que aprendemos sobre biologia pode ser útil para as pessoas levarem uma vida melhor", diz Clapham. "Se você pode descobrir como a biologia funciona, você pode consertar as coisas." + Explorar mais

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