Tema 4. Citoesqueleto: estructura y transporte intracelular en neuronas

1. Introducción al Citoesqueleto

El citoesqueleto es un complejo sistema de proteínas fibrilares que se une a las membranas celulares y entre sí mediante proteínas de unión formando un armazón tridimensional dinámico interno en la célula.

• Muy desarrollado en neuronas: formado por gran cantidad de neurofibrillas.
• Mantienen la forma celular e intervienen en el transporte de vesículas y orgánulos citoplasmicos.

1.1. Clasificación del Citoesqueleto

1. Microtúbulos
1. Proteínas relacionadas (MAPs) Estabilizadoras:
   • Polimerizador1as
   • Reguladoras de tubulina
   • De corte
   • Despolimerizantes
   • Motoras
2. Transporte intracelular:
   • Tipos
   • Proteínas de transporte
2. FI o Neurofilamentos
1. Tipos y dinámica
3. Microfilamentos de actina
1. Proteínas relacionadas (ARPs) Factores de nucleación
   • Proteínas de tapado (capping) Proteínas anti-capping
   • Proteínas de corte
   • Proteínas estabilizadoras (asociación)
2. Redes de actina en la neurona.

1) Los microtúbulos (24 nm. diámetro) están formados por tubulina, proteínas asociadas (MAPs) que proporcionan estabilidad y favorecen el ensamblaje de microtúbulos. 2) Los FI o Neurofilamentos (10 nm. diámetro) -> filamentos intermedios formados por diversas proteínas. 3) Microfilamentos (6 nm. diámetro) de Actina y proteínas relacionadas (ARPs).

2. Microtúbulos

Están formados por dímeros de tubulina a y ß. Tienen una estabilidad dinámica y polarización.

• Los protofilamentos tienen una polaridad estructural:

la a tubulina siempre formará un extremo del protofilamento (extremo -). ○ la ß el otro (extremo +). ○

• Estabilidad dinámica:

o En los microtúbulos, hay periodos de adición, y periodos de eliminación, lo que se conoce como polimerización y despolimerización. o El extremo +, es el lugar preferente del crecimiento de microtúbulos. 1En el extremo -, predominan los periodos de despolimerización. ○ B-tubulin tubulin heterodimer (= microtubule subunit) B pretofilament and a minus and (A) e tubulin 1 Protofilament assembly 2 Sheet assembly 8 Microtubule elongation

2.1. Distribución de Microtúbulos en la Neurona

• No asociados a MTOC organizador de microtúbulos).

(centro Myelin sheath Schwann cell Dendritas: es variable aprox 50% GA + + Nucleus + + MTOCO Node of Ranvier Asociados a MTOC Microtubules ***** Neurofilaments From: Molecular Components of the Neuronal Cytoskeleton Basic Neurochemistry: Molecular, Cellular and Medical Aspects. 6th edition.Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, et al., editors. Copyright @ 1999, American Society for Neurochemistry. NCBI Bookshelf. A service of the National Library of Medici Isoformas de tubulina más abundantes en neuronas: Protein Expression pattern and distribution a-Tubulin (multigene family) In all cells but some isoforms preferentially expressed in brain a1 y a8 ß-Tubulin (multigene family) In all cells but some isoforms preferentially expressed in brain Bll y BIII V-Tubulin In all cells, pericentriolar region/MTOC

2.2. Proteínas Asociadas a Microtúbulos en Neuronas

Hay: Estabilizadoras, Polimerizadoras, Reguladoras de tubulina, De corte, Despolimerizantes y Motoras. Proteínas estabilizadoras de microtúbulos Se unen al microtúbulo ya formado y estabilizan la estructura impidiendo la despolarización. Son las TAU, MAP1 y MAP2.

• tau: 6 isoformas, estabilizan el axon e impiden la ramificación axonal. No se despolimeriza pero tampoco se ramifica.

○ Papel crucial tanto en la iniciación, estabilización y el mantenimiento del axón. ○ Regulan (inhiben) ramificación axonal. GTP GTP @ Tubulin # Tubulin GTP cap .. (+) and GDP micro- tubule (-) and

• Axón: todos la misma orientación: Extremo (-) cerca del núcleo.

○ ○ Extremo (+) hacia el terminal. · Dendritas: es variable aprox 50% "Free" polysomes Tau MAP2 GDP 2· MAP clásicas: (proteína asociada a los microtúbulos) llamadas MAPs estructurales y regulan la polimerización de microtúbulos y la estabilización. Están: MAP1 y MAP2. o MAP1: regulan la estabilización y fasciculación mediante formación de puentes cruzados entre ellos. + imp -> MAP1B q aparece también en axones pero durante el desarrollo es altamente expresada en los conos de crecimiento y regula crec. axónico). Primera MAP estructural que se expresa en las neuronas. o MAP2: impide la polarización. Promueven la nucleación y estabilización de los microtúbulos, aumentan su rigidez. Tienen funciones esenciales en la morfogénesis. Las de alto peso molecular (HMWMAP2) -> incluye a MAP2A y MAP2B, expresadas específicamente en las neuronas, se limita al soma neuronal y las dendritas. De bajo peso molecular (LMWMAP2) incluye MAP2C y MAP2D presente en neuronas y células gliales. Se distribuyen en todos los compartimentos con patrones de expresión temporal. En cuanto a la distribución celular: · MAP2 -> principalmente en dendritas, donde contribuye a la estabilización de los microtúbulos que mantienen la estructura dendrítica. · Tau: localizada principalmente en los axones neuronales, donde ayuda a estabilizar los microtúbulos del citoesqueleto axonal, fundamentales para el transporte de vesículas y otros componentes. Las MAP2 tienen una zona de unión al microtub y una cola que da la distancia del microtub al otro microtub. TAU tiene un segmento más corto de distanciación -> Los microtúbulos en las dendritas van a estar más separados entre sí (MAP2 tienen cola más larga) que los microtúbulos a lo largo del axón. Los microtúbulos son más estables y geométricos, en Tau hay menor separación. Microtubule MAP2 Tau MAP2 Tau / / 25 nm 25 nm Continuando con las proteínas estabilizadoras de microtúbulos, también tenemos:

• Doblecortina (DCX) se une en el cruce de cuatro monómeros de tubulina, fortaleciendo así interacciones laterales y longitudinales entre protofilamentos.

○ Estimula la agrupación de microtúbulos y la nucleación, y los estabiliza mediante la inhibición de su despolimerización. ○ 1 expresado en cerebro en desarrollo -> papel en migración neuronal cortical. ○ Parece regular la morfogenesis neuronal más tardiamente. La DCX se une a cada túnel entre 4 monomeros y fortalece las interacciones entre los diferentes unidades de filamentos. La DCX se expresa en el desarrollo y es muy importante en procesos migración, específicamente en migración de células corticales, tiene papel importante en morfogénesis neuronal y se usa como marcador de células en migración durante desarrollo. 3· STOPS (for Stable-Tubule-Only-Peptide) se expresan fuertemente durante la diferenciación neuronal y parecen preferentemente asociadas a los microtúbulos estables, lo que sugiere un papel en la inducción de la diferenciación neuronal.

• Se unen a microtub estables y están implicadas en la diferenciación neuronal.

○ Son un subtipo de proteínas estabilizadoras, no dentro de DCX. ○

• +TIPS (Microtubule plus-end tracking proteins) se acumulan en los extremos + de los microtúbulos en crecimiento, donde controlan su dinámica y asociación con orgánulos intracelulares y actina.

○ Se incorporan al extremo plus (+) del microtub impidiendo su polimerización y les permite anclarse a otros organelos. ○ Son un subtipo de proteínas estabilizadoras, no dentro de DCX. Proteínas poli y despolimerizadoras de microtúbulos en las neuronas En paralelo a la estabilización de los microtúbulos, la polimerización es un proceso esencial para la elongación de neuritas. . CRMPs (Collapsin-Response-Mediator Protein) son las principales proteínas identificadas como factores de polimerización de microtúbulos en las neuronas en desarrollo. Ayudan a la polimerización. · Solo se han descubierto las CRMPs y son esenciales para elongación de las neuritas y si no están no se alargan ni axón ni dendritas. Aparecen en neuronas en desarrollo. Por otro lado, la despolimerización es necesaria para mantener el dinamismo de los microtúbulos en procesos como la retracción de las neuritas o reorganización de las ramificaciones. . KIFs (Kinesinas). Ciertos tipos de Kinesinas constituyen los principales factores despolimerizantes en las neuronas. Son ATPasas dependientes de microtúbulos, actúan principalmente como proteínas motoras de transporte. o KIF2 se expresa transitoriamente en las neuronas en desarrollo y se acumulan en los conos de crecimiento, lo que sugiere posibles funciones en la morfogénesis neuronal. Las KIFs son subclases kinesinas, dependientes de ATPasa. Imp en procesos de plasticidad porque están implicadas en la retracción neuritas. Proteínas reguladoras de tubulina Son la familia de fosfoproteínas estatminas y las TBTC. Controlan la cantidad de tubulina libre disponible para el ensamblaje, con lo que modulan indirectamente la dinámica de microtúbulos. Junto a las CRMPs que promueven el ensamblaje de los microtúbulos, la familia de fosfoproteínas estatminas son las principales proteínas de unión a tubulina soluble identificados hasta ahora en las neuronas.

• Capaces de secuestrar o liberar la tubulina en función de su estado de fosforilación.
• Se localizan a lo largo de neuritas y acumulado en los conos de crecimiento (donde probablemente controlan tubulina libre localmente).
• Su expresión varía durante el desarrollo. 4Las proteínas CRMPs (Collapsin Response Mediator Proteins) y las estatminas son dos tipos de proteínas diferentes, aunque ambas están involucradas en la regulación de los microtúbulos. Cofactor B de tubulina (TBCB): disocia dímeros aß-tubulina
• Implicados en la diferenciación neuronal.
• Promueve la degradación de tubulina libre mediante la unión al heterodímero aß, y promueve su disociación. Las estatminas se unen a tubulina soluble y promueven el ensamblaje de microtúbulos. El cofactor B de tubulina se une a los dímeros de tubulina y los separa, impidiendo la polimerización, aumenta la cantidad de tubulina soluble. Proteínas de escisión Cortan microtub, dependientes de ATPasa.
• Katalina: corta los microtub de manera lineal.

○ ATPasa que requiere la hidrólisis de ATP para cortar los microtúbulos. ○ Se expresa de forma ubicua (todas partes), pero especialmente durante períodos de crecimiento axonal. · Espasitina: corta microtub en ramificaciones, tiene mayor efectividad de corte. ○ ATPasa que se ensambla en un hexamero para interactuar y cortar los microtúbulos. ○ Participa en el control de ramificación axonal, una función no observada para katanina. Ambas se conforman en hexameros, se unen a microtub y van soltando las subunidades. Proteínas motoras asociadas a citoesqueleto . Todas son proteínas con capacidad ATPasa implicadas en el transporte intracelular. · Necesitan ATP y se unen, por un lado a los filamentos y por otro lado a la molécula que transporta (cargo se llama, pueden ser vesículas de transporte u otros que mueven a través de los microtúbulos). Las dineinas y kinesinas se asocian a microtúbulos. Las miosinas se asocian a los microfilamentos. A) KINESINAS Transporte anterogrado vs. retrógrado Las proteínas motoras pueden generar transporte anterogrado (extremo - al +) y hay otras especializadas en el retrógrado (+ a -). Cell membrane (+) (+) Myosin Miosina (+) Microfilament 1 Vesicle Vesicle Microtubule / Dineínas Kinesinas Kinesin (-) En transporte anterógrado están las kinesinas formadas por subunidades también llamadas kinesinas. Las proteínas motoras tienen zona motora (cabeza o dominio motor), cola (zona intermedia) y luego zona donde se asocia el cargo. La estructura de la unidad es de una zona N- terminal donde reside el dominio motor, a este dominio motor le sigue una alfa hélice y luego hay una cola variable. Otras kinesinas pueden tener el dominio motor no en la N-termina, sino en zonas intermedias. 5