Talvez a característica mais óbvia de um neurônio seja o longo ramo chamado axônio que se aventura longe do corpo celular para se conectar com outros neurônios ou músculos. Se essa projeção longa e fina parecer vulnerável, um novo estudo do MIT mostra que sua integridade estrutural pode de fato exigir o suporte de uma proteína circundante chamada perlecan. Sem essa proteína nas  moscas da fruta Drosophila  , os pesquisadores do Instituto Picower para Aprendizagem e Memória descobriram que os segmentos axonais podem se separar durante o desenvolvimento e as conexões, ou sinapses, que eles formam acabam morrendo.

Perlecan ajuda a tornar a matriz extracelular, as proteínas e outras moléculas que envolvem as células, estáveis ??e flexíveis para que as células possam se desenvolver e funcionar em um ambiente de suporte sem ser rígido.

“O que descobrimos foi que a matriz extracelular em torno dos nervos estava sendo alterada e essencialmente causando a ruptura completa dos nervos. Nervos quebrados eventualmente levaram à retração das sinapses”, diz o autor sênior do estudo,  Troy Littleton , o Menicon Professor nos departamentos de Biologia e Cérebro e Ciências Cognitivas do MIT.

Os humanos precisam de pelo menos um pouco de perlecan para sobreviver após o nascimento. As mutações que reduzem, mas não eliminam, o perlecan podem causar  a síndrome de Schwartz-Jampel , na qual os pacientes apresentam problemas neuromusculares e anormalidades esqueléticas. O novo estudo pode ajudar a explicar como os neurônios são afetados na condição, diz Littleton, e também aprofundar a compreensão dos cientistas sobre como a matriz extracelular suporta o desenvolvimento do axônio e do circuito neural.

Ellen Guss PhD '23, que recentemente defendeu sua tese de doutorado sobre o trabalho, liderou a pesquisa publicada em 8 de junho na  eLife .

A princípio, ela e Littleton não esperavam que o estudo produzisse uma nova descoberta sobre a durabilidade dos axônios em desenvolvimento. Em vez disso, eles estavam investigando a hipótese de que o perlecano poderia ajudar a organizar alguns dos componentes da proteína nas sinapses que os nervos das moscas desenvolvem para se conectar com os músculos. Mas quando eliminaram o gene chamado “trol” que codifica perlecan em moscas, eles viram que os neurônios pareciam “retrair” muitas sinapses em um estágio tardio do desenvolvimento larval. As proteínas do lado do músculo da conexão sináptica permaneceram, mas o lado do neurônio da conexão desapareceu. Isso sugeriu que o perlecan tinha um papel maior do que eles pensavam.

De fato, os autores descobriram que o perlecan não foi particularmente enriquecido em torno das sinapses. Onde foi pronunciado foi em uma estrutura chamada lamela neural, que envolve feixes de axônios e age um pouco como o revestimento de borracha em torno de um cabo de TV para manter a estrutura intacta. Isso sugeriu que a falta de perlecan pode não ser um problema na sinapse, mas causa problemas ao longo dos axônios devido à sua ausência na matriz extracelular que envolve os feixes nervosos.

O laboratório de Littleton havia desenvolvido uma técnica para imagens diárias do desenvolvimento neural da mosca chamada imagem intravital serial. Eles o aplicaram para observar o que acontecia com os axônios e sinapses das moscas em um período de quatro dias. Eles observaram que, embora os axônios e as sinapses das moscas se desenvolvessem normalmente no início, não apenas as sinapses, mas também segmentos inteiros de axônios desapareceram.

Eles também viram que quanto mais longe um segmento do axônio estava do cérebro da mosca, maior a probabilidade de ele se separar, sugerindo que os segmentos do axônio se tornavam mais vulneráveis ??quanto mais longe se estendiam. Olhando segmento por segmento, eles descobriram que onde os axônios estavam quebrando, a perda de sinapse logo ocorreria, sugerindo que a quebra do axônio era a causa da retração da sinapse.

“As quebras estavam ocorrendo em todo o segmento”, diz Littleton. “Em alguns segmentos os nervos rompiam e em outros não. Sempre que havia um evento de ruptura, você veria todas as junções neuromusculares (sinapses) em todos os músculos desse segmento se retraírem.”

Quando compararam a estrutura da lamela em mutantes versus moscas saudáveis, descobriram que a lamela era mais fina e defeituosa nos mutantes. Além disso, onde a lamela estava enfraquecida, os axônios eram propensos a quebrar e as estruturas de microtúbulos que percorriam o comprimento do axônio ficavam mal direcionadas, projetando-se para fora e tornando-se emaranhadas em feixes dramáticos em locais de axônios cortados.

Em outra descoberta importante, a equipe mostrou que o papel crítico do perlecan dependia de sua secreção de muitas células, não apenas dos neurônios. Bloquear a proteína em apenas um tipo de célula ou outro não causava os problemas que o knockdown total causava, e aumentar a secreção apenas de neurônios não era suficiente para superar sua deficiência de outras fontes.

Ao todo, as evidências apontavam para um cenário em que a falta de secreção de perlecano fazia com que a lamela neural fosse fina e defeituosa, com a matriz extracelular tornando-se muito rígida. Quanto mais os feixes nervosos do cérebro se estendem, mais provável é que as tensões de movimento causem a quebra dos axônios onde a lamela havia quebrado. A estrutura dos microtúbulos dentro dos axônios tornou-se então desorganizada. Isso levou a que as sinapses a jusante dessas rupturas desaparecessem porque a ruptura dos microtúbulos significa que as células não poderiam mais suportar as sinapses.

“Quando você não tem essa flexibilidade, embora a matriz extracelular ainda esteja lá, ela se torna muito rígida e apertada e isso basicamente leva a essa ruptura à medida que o animal se move e puxa esses nervos ao longo do tempo”, diz Littleton. “Ele argumenta que a matriz extracelular é funcional desde o início e pode apoiar o desenvolvimento, mas não tem as propriedades certas para sustentar algumas funções-chave ao longo do tempo, à medida que o animal começa a se mover e navegar. A perda de flexibilidade torna-se realmente crítica.”

Além de Littleton e Guss, os outros autores do artigo são Yulia Akbergenova e Karen Cunningham.

Apoio para o estudo veio do National Institutes of Health. O Littleton Lab também é apoiado pelo Picower Institute for Learning and Memory e The JPB Foundation.