Introducción

La sinaptogénesis o construcción de sinapsis tiene su apogeo en etapas tempranas del desarrollo del embrión; entre tanto, en la etapa posnatal, conocida como periodo crítico, unas sinapsis se fortalecen y maduran mientras otras no se conservan. La eliminación de sinapsis, conocida como poda sináptica, es necesaria para las sinapsis inapropiadas o aquellas cuya maduración no se estimuló por falta de actividad, tornándose ineficaces. Varios trastornos del neurodesarrollo, incluidos los trastornos del espectro autista (TEA) y el síndrome del frágil X (SFX), coinciden en presentar afecciones en el periodo crítico del desarrollo neuronal, con conexiones sinápticas que se constituyen defectuosamente, transmisión sináptica poco modulada, un desbalance entre señales excitatorias e inhibitorias y alteración en los sistemas de plasticidad sináptica (1).

Existe un grupo de proteínas que participan activamente en el crecimiento y extensión de las neuritas, así como en su diferenciación y en el establecimiento final de contactos sinápticos maduros. Dada su relevancia funcional, su estrecha relación funcional y sus implicaciones en el contexto clínico de patologías del desarrollo, la proteína asociada al retardo mental frágil X (FMRP) y las proteínas neuroliginas (Nlg) se revisan en el presente artículo. Cabe destacar que estos dos grupos proteicos están relacionados con la actividad sensorial inducida por la experiencia, de la cual son dependientes durante los periodos críticos posnatales.

Las funciones de la proteína FMRP, cuya síntesis se ve afectada en el SFX, incluyen el transporte del ARN mensajero (ARNm) a la sinapsis desde el soma, e incluso desde el núcleo y la regulación de la síntesis de proteínas implicadas en el ensamblaje y funcionamiento de las sinapsis, ya sea por unión a sus transcritos o por bloqueo a las subunidades ribosomales que los traducen (2). Los defectos en la expresión de la FMRP coinciden con la presencia de circuitos neuronales aberrantes, ya que hay demasiadas sinapsis, muchas de ellas inmaduras y con una morfología anormal, con sobreproducción de proteínas y con toxicidad causada por acumulación de ARNm (3).

Las Nlg, por otro lado, son proteínas de adhesión celular que, además de conectar en la sinapsis las membranas de las dos neuronas, ayudan a consolidar las conexiones neuronales que se forman con la experiencia sensorial (4). En el TEA se han detectado mutaciones en la proteína Nlg que afectan la citoarquitectura funcional de la sinapsis con implicaciones en la actividad de las conexiones neuronales (1). Existen estudios que relacionan la ausencia de la FMRP con la expresión anormal de Nlg1 y con déficits en el comportamiento social en ratones, y hay estudios in vitro de inmunoprecipitación que han encontrado la FMRP unida al ARNm de la Nlg 2 (5,6). Sin embargo, aún falta mucho por entender sobre las bases moleculares de este vínculo y su posible conexión en el desarrollo de estas enfermedades.

Sinaptogénesis, poda sináptica y eliminación dependiente de actividad

El desarrollo del sistema nervioso es un proceso complejo que inicia con la proliferación de las células neuronales y su migración a posiciones particulares. A este primer proceso complejo, le sigue la etapa de la sinaptogénesis en la que, usando el cono de crecimiento axónico, la neurona busca y reconoce su dendrita objetivo. La sinaptogénesis se divide en la fase inicial de reconocimiento, donde hay un contacto superficial entre las dos neuronas; la fase inductiva, donde por medio de proteínas de adhesión celular se afianza esta unión; la fase de especialización, donde gracias a la activación de cascadas de señalización celular se diferencia la membrana postsináptica de la presináptica y se define la sinapsis como excitatoria o inhibitoria, y la fase de maduración, donde se consolida la expresión de las todas proteínas necesarias en la sinapsis, como las proteínas necesarias para la exocitosis de las vesículas con los neurotransmisores, las proteínas que reclutan los receptores sinápticos y las proteínas de soporte del citoesqueleto (7,8).

Sin embargo, durante el desarrollo del sistema nervioso no todas las sinapsis formadas llegarán a la fase de maduración; muchas iniciarán la fase de eliminación. Se cree que la experiencia sensorial y la actividad eléctrica que esta produce en los circuitos neuronales es determinante en el momento de seleccionar cuáles sinapsis maduran y cuáles se eliminan. Los circuitos neuronales que se activaron al captar una experiencia se hacen más fuertes y tienden a crear más conexiones sinápticas; mientras que aquellas sinapsis que no se usaron o que fueron generadas en puntos incorrectos se hacen más débiles y se eliminan (7,8).

En los animales, el refinamiento o remodelación de los circuitos neuronales generado por estos procesos de eliminación o poda sináptica y cimentación de nuevas conexiones se maximiza en la ventana del desarrollo que corresponde con el periodo posnatal (que en humanos corresponde a la niñez y a la adolescencia) y se reduce drásticamente cuando se llega a la madurez (9). Aunque los mecanismos moleculares encargados de eliminar una sinapsis (ya sea porque es incorrecta o porque no se usó para alguna actividad) aún no están totalmente entendidos, si hay evidencia que implica directamente a la proteína FMRP en el proceso (10).

A lo largo de la vida de los animales, las sinapsis que no se eliminaron y que, por el contrario, maduraron pueden cambiar la fortaleza de su respuesta eléctrica dependiendo de la experiencia obtenida en la interacción con el ambiente. A esto se le llama plasticidad neuronal (1,11,12). Las dos formas principales de plasticidad sináptica en el cerebro son la potenciación a largo plazo (LTP) y la depresión a largo plazo (LTD) (13).

La LTD es el mecanismo dependiente de actividad por el cual se eliminan algunas sinapsis. Ocurre especialmente cuando la membrana postsináptica es estimulada con baja intensidad durante largos periodos o cuando el potencial de acción de la neurona presináptica ocurre después de que inicie el potencial postsináptico excitador (EPSP) (14). Independientemente de la razón, este mecanismo es sobre todo glutamatérgico. Al unirse el glutamato a los receptores ionotrópicos AMPA, estos abren el poro de su canal y permiten la entrada de cationes de sodio y potasio (Na⁺ y K⁺) a la neurona postsináptica, despolarizándola e incitando a que los receptores ionotrópicos NMDA se desbloqueen del ion magnesio (Mg⁺²) que obstruye el poro de su canal (15,16). Este desbloqueo de los receptores NMDA permite un influjo de iones de Na⁺, especialmente de calcio (Ca⁺²), el cual es importante para los procesos de plasticidad sináptica, aprendizaje y memoria, ya que de la cantidad de Ca⁺² ingresado depende tanto la magnitud de la señal eléctrica recibida como la temporalidad del potencial de acción recibido por la membrana presináptica (si este potencial presináptico precede o, por el contrario, sigue al EPSP) (17, 18, 19).

Si el EPSP es fuerte y ocurre después de la despolarización de la membrana presináptica, la concentración de Ca⁺² dentro de las células será suficiente para activar ciertas cinasas que ayudarán a que se transloquen en la membrana más receptores AMPA con más permeabilidad, lo que aumenta la señal eléctrica y, por lo tanto, vuelve más fuerte aquellas sinapsis, un proceso denominado LTP. Por el contrario, si el potencial de acción recibido es débil y muy frecuente o el EPSP ocurre antes de la activación del potencial de acción presináptico, el influjo de Ca⁺² recibido es poco y no activará cinasas, sino más bien fosfatasas que provocarán la internalización, por endocitosis, de los receptores AMPA, lo que trae como consecuencia que, cada vez más, la membrana postsináptica sea menos sensible al glutamato y su estimulación sea más difícil, proceso que corresponde al LTD (14, 15, 16, 17, 18, 19).

Adicionalmente, para la LTD existe otro mecanismo que no es mediado por receptores NMDA, sino por los receptores metabotrópicos de glutamato mGluR, en especial los receptores 1 y 5. Por lo general, la estimulación prolongada de estos receptores conduce a la cascada de acople a la proteína G trimérica, que lleva a la activación de la proteína fosfolipasa C (PLC), a la producción de 1,4,5-trifosfato de inositol y a la liberación de Ca⁺² intracelular (15). Las señales de Ca⁺² activan las proteínas cinasas que se translocan a la densidad postsináptica y activan la traducción de proteínas como las Step, Map1b, Arc y APP que, a su vez, promueven la internalización de los receptores AMPA. Las cascadas de señalización más estudiadas para la LTD son la ERK 1/2 y la mTOR, las cuales llevan al aumento de traducción de proteínas para la internalización de los receptores AMPA o activan su proteólisis por calpaína. También se ha visto implicada en este fenómeno la vía Ras-MEK-JNK, que lleva a la activación de factores de transcripción. Por último, cuando estas vías llevan a la internalización de receptores ionotrópicos de glutamato mediada por mGluR, el proceso es prácticamente irreversible, lo que lleva a la eliminación indefectible de la sinapsis afectada (18,19). Interesantemente, la función de la FMRP en el transporte del ARNm a las sinapsis y en la regulación negativa de la traducción la posiciona como una proteína con capacidad moduladora de las cascadas de señalización que participan tanto en la fase de maduración como en la poda o fase de eliminación de las sinapsis (20).

Proteína de retardo mental asociada a frágil X

La FMRP es una proteína de unión al ARNm que participa en su transporte y estabilización desde el núcleo al citoplasma, del citoplasma a la región sináptica y que, además, controla negativamente la traducción de estos (21). Dicha proteína se encuentra en todos los tejidos del cuerpo, pero sobreabunda en los tejidos cerebrales y en los testículos y ovarios. En las células, la mayoría de esta proteína se encuentra en el citoplasma, aunque una parte de ella se ubica en el núcleo. La FMRP es expresada altamente en las neuronas, pero también se puede encontrar en astrocitos, oligodendrocitos y en la microglía (22). Tanto en murinos como en Drosophila, así como en los humanos, esta proteína tiene varias isoformas, lo que da cuenta de su versatilidad en cada uno de los tejidos (23).

La FMRP posee en su estructura varios dominios de unión al ARNm: dos dominios Tudor (que también están implicados en las interacciones proteína-proteína), dos dominios KH y un dominio RGG. Gracias a estos, la FMRP se puede unir a las estructuras secundarias que forman sus ARN diana. Por ejemplo, se describe que se une a la región G-quadruplex de los ARNm de una manera tridimensional o que sus dominios pueden interactuar con las regiones ricas en uracilo, según algunos autores (23,24). Otras interacciones que se predicen para los dominios KH, que se han demostrado solamente in vitro, son la asociación de la FMRP a las estructuras de bucle y a algunas horquillas de ARN denominadas kissing, stem-loop (23, 24, 25).

Este tipo de uniones directas de FMRP con el ARNm no son las únicas que se plantean como el mecanismo por el cual la FMRP es capaz de bloquear la traducción de transcritos. Se ha propuesto que la unión de la FMRP a las estructuras secundarias del ARNm, además de ayudar a estabilizarlo, puede generar un impedimento estérico para que sea traducido por polirribosomas en la fase de elongación. También se ha postulado que la FMRP puede impedir físicamente la unión de los factores iniciadores de la traducción del ARNm a la caperuza 5-prima (23,24).

Adicionalmente, se ha descubierto que la FMRP puede unirse directamente a los ribosomas y detener la traducción del transcrito que están llevando a cabo. En este caso, se ha propuesto que la FMRP bloquea la iniciación, el alargamiento de la traducción y la translocación ribosomal, uniéndose a la subunidad 80S (21,25,26). La FMRP también puede disminuir la traducción de las proteínas al unirse con micro-ARN y estimular la formación del complejo de silenciamiento inducido, el cual cumple con silenciar el ARNm diana. Este tipo de regulación negativa de la traducción se da para los transcritos de NR2A, que es una subunidad del receptor NMDA, y para los transcritos de la proteína PSD-95 (27,28).

Se ha postulado que la FMRP también inhibe la traducción de ciertos ARNm de manera indirecta, al unirse a proteínas reguladoras de la inhibición de la traducción. La proteína citoplasmática 1 de interacción con FMRP (CYFIP) es uno de estos reguladores. El complejo CYFIP-FMRP se une al factor de iniciación de la traducción eucariota 4E (eIF4E) e impide su ensamblaje con los demás factores de iniciación de la traducción (23,24,29).

Además de estas funciones en el citoplasma y las dendritas, la proteína FMRP también tiene funciones en el núcleo y se ha demostrado que las isoformas 6 y 12 se localizan en los cuerpos de Cajal en cultivo de células humanas (30). La proteína FMRP tiene una señal de exportación de núcleo y se une a la proteína factor de exportación de ARN nuclear Tap/NXF1, lo que le permitiría hacer el transporte extranuclear de los transcritos y una función de chaperona en el exporte de ARNm al citoplasma (31). Otros estudios describen la unión de la FMRP a la cromatina como respuesta a daños en el ADN, a través de la unión de su dominio Tudor a las histonas, postulándola incluso como una proteína prosupervivencia en células HeLa (32).

La FMRP también es modulable por modificaciones postraduccionales como fosforilación, metilación, N-glicosilación o amidación (33). La fosforilación de la FMRP la realizan varias cinasas como caseína cinasa-2 (CK2) y la proteína S6 cinasa 1 (S6K1); así mismo, es modulada por la proteína fosfatasa 2 (PP-2), que la desfosforila. La fosforilación en la serina 500 en humanos es necesaria para la unión de esta proteína a los polirribosomas (25,34,35). En cuanto a la metilación, la FMRP tiene regiones ricas en arginina y lisinas, especialmente en los motivos RGG, que son el sustrato potencial de las proteínas arginina metiltransferasas. Se ha observado que al metilarse, la FMRP reduce su capacidad de interacción con el ARNm (36).

Se ha encontrado un pico en la expresión de la FMRP en la ventana del desarrollo dependiente de actividad en el cerebro de ratones y en la cabezas de moscas (37,38) y, consecuentemente, se ha reportado que su activación/inactivación es dependiente de la experiencia sensorial (21,39). Por ejemplo, la FMRP está asociada a los gránulos neuronales que son complejos de proteínas y ARN encargados de llevar los transcritos desde el soma neuronal hasta las dendritas, donde se lleva a cabo la sinapsis. El ARNm transportado en estas estructuras es traduccionalmente silencioso, en el sentido de que su traducción está reprimida en el recorrido y es activada con estímulos neuronales. Se cree que, en el caso de los estímulos glutamatérgicos, la FMRP en estos gránulos es desfosforilada y metilada en su dominio RGG y, por lo tanto, se activa la traducción de los transcritos (40).

Una hipótesis del mecanismo de participación de la FMRP en el refinamiento o remodelación de los circuitos neuronales es que la supresión de la traducción de proteínas (generada por la FMRP) es regulada por la necesidad de la presencia de dichas proteínas en la sinapsis, necesidad que es dependiente de la actividad. En ausencia de la FMRP, podría existir una traducción excesiva y, por lo tanto, una presencia descomunal de proteínas en la sinapsis, que son ineficientes y pueden resultar tóxicas (12). Se ha comprobado que la FMRP regula la traducción de los ARNm que codifican para un gran número de proteínas de la sinapsis como las neurexinas, PSD-95, algunas subunidades de receptores NMDA y AMPA y la proteína asociada a los microtúbulos 1B (MAP1B).

Además, la FMRP regula la traducción de proteínas implicadas en la plasticidad neuronal, como la proteína p0071 (implicada en la modulación del citoesqueleto de la actina) y la proteína TRF2 (cuya función es el transporte de ARNm a axones maduros para promover el crecimiento axonal) (41, 42, 43, 44). La FMRP participa en la activación de la familia de factores de transcripción factores potenciadores de miocitos 2, los cuales, vía calmodulina/calmodulina cinasa II, eliminan sinapsis robustamente. También la FMRP modula la producción de proteínas implicadas en la regulación de la LTD, que involucra los receptores metabotrópicos de glutamato (mGluR) 1 y 5, y está relacionada con la plasticidad neuronal, que depende de la síntesis proteica de novo. La ausencia de FMRP, por ejemplo, se ha relacionado con una exagerada LTD en las neuronas glutamatérgicas (21,45,46).

En la LTD mediada por los mGluR se ha postulado que la participación de la FMRP es de vital importancia para explicar los cambios de las espinas dendríticas y de las sinapsis vistos en el SFX y los TEA. Se ha planteado que la estimulación de los receptores de glutamato, por medio de la proteína adaptadora HOMER, inicia la cascada mTOR, la cual incluye la activación de una serie de cinasas (PIKE, PIK3, Akt, mTOR, S6K1). Así, se promueve la fosforilación de la FMRP, activándola y llevando a una disminución en la traducción. Cuando hay mutaciones en la FMRP, hay una excesiva traducción de proteínas incluso cuando mGluR no está activado, por lo que se produce LTD mantenida (23,47). También se ha demostrado que la ERK es desfosforilada rápidamente en ratones KO para fmr1 cuando los mGluR son estimulados, ya que, al parecer, en ausencia de FMRP se produce una activación aberrante de las fosfatasas. Por ejemplo, la proteína fosfatasa 2 (PP2) y la tirosina fosfatasa están hiperactivas en este tipo de mutación (48,49).

Esta serie de mecanismos moleculares mencionados explican cómo la experiencia sensorial y la actividad eléctrica que esta produce en los circuitos neuronales determinan el estado de activación de la FMRP, una proteína necesaria para generar los cambios dinámicos en el proteoma de la sinapsis que promueven la poda o fase de eliminación de las sinapsis. Por el contrario, cuando hay ausencia de FMRP, se pierde esta capacidad de modulación de la expresión de proteínas en la sinapsis y lleva a una sobreabundancia de espinas dendríticas, las cuales permanecen, en su mayoría, inmaduras y no entran en el proceso de poda sináptica o dendrítica, sino que permanecen en un estado de debilidad que incluso puede tomar morfología filopodial (20,50).

El estudio de las funciones de la proteína FMRP se hizo fundamental para los humanos, con la identificación de la mutación del gen a partir del cual esta se codifica en el SFX, también conocido como el síndrome de Martin-Bell. Es una enfermedad de gran interés, debido a que 1) representa la segunda causa mundial conocida de discapacidad cognitiva después del síndrome de Down, 2) es la forma más frecuente de discapacidad cognitiva heredada y 3) es la causa genética conocida más común de los TEA (51, 52, 53).

El SFX es causado por una mutación en el brazo largo del cromosoma X, en la región Xq27.3 en el gen FMR1. Esta mutación consiste en una expansión repetitiva de más de 55 veces del trinucleótido CGG que se encuentran al comienzo de este gen en la región no traducida (UTR) 5’ (2). El SFX puede ocurrir también por la deleción parcial o total del gen FMR1. La expansión del trinucleótido puede clasificarse en dos tipos de mutación: las personas que tienen de 55 a 200 repeticiones, quienes presentan una mutación parcial, y aquellas que poseen más de 200 repeticiones y presentan una mutación completa (54, 55, 56).

Las diferentes manifestaciones clínicas de dicho síndrome están ligadas al número de veces que se reproduce este trinucleótido. Las repeticiones en la premutación —situación de riesgo donde existen expansiones anormales de los tripletes, pero que no causa la enfermedad como tal— permiten fabricar el transcrito del gen FMR1, pero dicho transcrito tiende a acumularse y se traduce muy poco (23). La acumulación de transcritos se vuelve entonces tóxica, ya que estos forman agregados intranucleares en los que pueden estar implicadas varias proteínas de unión a ARN que aumentan su afinidad por estos transcritos al aumentar las repeticiones de CGG (57,58). Las premutaciones de frágil X producen insuficiencia ovárica primaria, ansiedad, trastorno del sueño y síndrome de ataxia/temblor asociado al frágil X. Por otro lado, el efecto directo de la mutación es la no producción de la FMRP, debido a que las repeticiones CGG llevan al bloqueo de la unión de los factores de transcripción, ya sea por la hipermetilación en estas bases o por la conformación errónea de la cromatina (26,53,59).

Esta mutación se transmite a la descendencia siguiendo, más o menos, los patrones de herencia genética de enfermedades ligadas al cromosoma X. Esta alteración de repeticiones trinucleotídica se replica, también, en la gametogénesis de los portadores y se transmite a la descendencia por un mecanismo aún no dilucidado. No obstante, se plantea que la razón por la cual los mecanismos de reparación del ADN no corrigen dichas repeticiones es que estas bases forman estructuras como bucles y horquillas que limitan el acceso a ellas. Durante la meiosis, las repeticiones de CGG tienden a expandirse, especialmente en la ovogénesis. Sin embargo, solo hasta que se excedan las 200 repeticiones que se presentará el síndrome, esta es la razón por la cual esta enfermedad no sigue rigurosamente el típico patrón de herencia ligada al X (2,23).

Se estima que alrededor del mundo uno de cada 4000 hombres y una de cada 6000 mujeres padece el SFX, al presentar la mutación completa (60,61). El estimado para las mutaciones parciales es uno por cada 130-200 hombres y uno por cada 250-450 mujeres (53,62). Las personas con SFX, además de mostrar rasgos físicos característicos, como orejas grandes, cara alargada, estrabismo y testículos grandes, presentan discapacidad intelectual, alto déficit de atención (prevalencia del 80%), problemas en el lenguaje, ansiedad e hiperactividad (incidencia del 66%) (63). Una de las comorbilidades más asociadas al SFX es la epilepsia, aparte de que casi el 90% de los niños que sufren SFX tiene características autistas o sufre algún trastorno autista (56,64).

En términos morfológicos, algunos estudios revelan que el volumen de los lóbulos corticales frontales y temporales en pacientes con SFX es menor que en pacientes sanos, y lo contrario ocurre con los lóbulos parietal y occipital, donde son significativamente mayores en el SFX. Se muestra, además, gran tamaño del núcleo caudado, y la reducción del tamaño del vermis cerebeloso posterior, la amígdala y el giro temporal superior en pacientes con SFX (65,66). Histológicamente, las neuronas piramidales de la corteza cerebral de gran parte de estos pacientes muestran un mayor número de espinas dendríticas, que también son inmaduras y dismorfogénicas, lo que supone problemas en la plasticidad sináptica y da cuenta de muchos de los síntomas (67,68). Estas observaciones confirman la importancia de la FMRP tanto en la fase de maduración como en la fase de eliminación de las sinapsis.

Neuroliginas

Las moléculas de adhesión neuronal sináptica son proteínas que conectan las membranas celulares de las neuronas implicadas en la sinapsis. Además de formar el marco estructural que define la hendidura sináptica, estas son específicas para cada fase de la sinaptogénesis, e incluso para cada tipo de membrana sea pre- o postsináptica. El deterioro funcional de alguna de estas moléculas es perjudicial para la función de la sinapsis (69). Dentro de este conjunto están las Nlg, que participan en el complejo de adhesión neurexina-Nlg, fundamental en la fase de especialización sináptica.

La Nlg es una proteína transmembrana postsináptica que, con su dominio extracelular, se une a su contraparte presináptica, la proteína neurexina. Ambas proteínas tienen una región PDZ en su dominio citoplasmático que les permite unirse a proteínas del andamiaje celular que se anclan al citoesqueleto de la actina y les permite congregar proteínas a la densidad sináptica (4,70). Estas proteínas promueven la especialización, sea pre- o postsináptica, de la neurona en la que se encuentran. Existen cuatro miembros en esta familia, las Nlg 1, 2, 3 y 4. En el caso de la Nlg 1, hay evidencia de que su dominio PDZ recluta las proteínas necesarias para el ensamblaje de los receptores inotrópicos o metabotrópicos de glutamato en la membrana postsináptica (71,72). Al contrario, se plantea que la Nlg 2 participa exclusivamente en sinapsis inhibitorias en el cerebro, debido a que recluta las proteínas que reúnen las subunidades de los receptores para GABA y glicina, independientemente de su dominio PDZ (71,73).

Ampliando la información anterior, se ha establecido que el dominio de densidad postsináptica de la Nlg 1 se une principalmente a la proteína de densidad postsináptica PSD-95 y a la proteína “molécula de andamiaje sináptico” (S-SCAM), las cuales pueden unirse a los receptores NMDA y AMPA y reclutarlos en la membrana postsináptica. Por su parte, la Nlg 2 se une a la proteína de andamiaje gefirina y a la proteína colibistina, que ayudan a reclutar a los receptores gabaérgicos de las sinapsis inhibitorias (71,74).

Las Nlg tienen una distribución específica en el cerebro: la Nlg 1 se expresa exclusivamente dentro de las sinapsis excitatorias glutamatérgicas (inotrópicas y metabotrópicas) y la Nlg 2, por el contrario, preferentemente en las sinapsis inhibitorias gabaérgicas o colinérgicas. La Nlg 3 es capaz de localizarse en ambos tipos de sinapsis y la distribución de la Nlg 4 es, en su mayoría, en sinapsis glicinérgicas; pero también se ha observado en sinapsis gabaérgicas, preponderantemente en la médula espinal y la retina (69,71).

Es importante aclarar que aun cuando las Nlg son importantes para la especialización de la sinapsis, de ellas no depende la formación de estas, ya que en ratones triple KO para Nlg 1, 2 y 3 se demostró que se construían sinapsis, sin alteraciones en su número. Sin embargo, estas sinapsis presentaban problemas en su maduración y transmisión eléctrica, así como en la LTP (75). En ratones se ha encontrado que mutaciones en las Nlg 2 llevan a un decrecimiento en las transmisiones gabaérgicas postsinápticas y, por lo tanto, a una alteración en la inhibición (76,77).

Las Nlg forman homodímeros o heterodímeros obligatorios para cumplir su función (Nlg1-Nlg1; Nlg1-Nlg3; Nlg2-Nlg2; Nlg2-Nlg3) o, a veces, agrupaciones de, al menos, cuatro entidades. Con este tipo de arreglos se cree que estas combinaciones aportan a la diversidad sináptica en el cerebro. Cabe resaltar que las Nlg son transportadas a la membrana postsináptica por tráfico vesicular y que ya en estas vesículas se cree que viajan dimerizadas (71,78).

Las Nlg pueden sufrir cambios postraduccionales y, a su vez, estas modificaciones pueden ser promovidas por la actividad sináptica. La Nlg1 es susceptible de ser fosforilada en su treonina 739 por la calmodulina cinasa 2 (CAMKII), lo que la hace más propensa a escisión o a que disminuya su expresión en la superficie de membrana postsináptica. Otra modificación interesante es la fosforilación casi constante de la Nlg1 en su tirosina 782, la cual impide la interacción de esta proteína con la gefirina (71). Se ha postulado que esta interacción se promueve justo en el momento en el que la Nlg1 se une con la neurexina 1. También se han descrito fosforilaciones en la Nlg2 que modulan su disposición a la asociación con la gefirina (71,79). Se ha descrito también que las Nlg pueden ser glicosiladas y que esta modificación ayuda a la especialización de la proteína en su tipo de sinapsis; además, cuando esta modificación postraduccional es alterada, también lo hace la especificidad de la sinapsis (79,80).

Se han encontrado mutaciones en los cromosomas que codifican para Nlgs en algunos pacientes con TEA. Dichas mutaciones se han asociado con el desequilibrio excitatorio/inhibitorio característico del autismo y la epilepsia, donde se encuentran conexiones cerebrales menos inhibidas (1,81,82). En ratones, la sobreexpresión y la eliminación de las Nlg lleva a deficiencias en la interacción social o la comunicación, a comportamientos repetitivos, a ansiedad y a problemas de aprendizaje y memoria (83,84). En Drosophila, el KO de dnlg2 produce una disminución en los botones sinápticos, desarrollo aberrante de las uniones neuromusculares y una transmisión sináptica afectada; en tanto que los receptores de glutamato están disminuidos y hay una reducción de los potenciales de unión excitatoria. En pacientes con TEA se ha encontrado una mutación en Nlg3, diez mutaciones en Nlg4 y diferentes deleciones en el cromosoma X, algunas de las cuales afectan el locus que codifica para Nlg4 (80,85). Estas mutaciones se han inducido en modelos animales murinos y se ha encontrado que afectan el tráfico de los receptores AMPA y la regulación de la transmisión sináptica excitatoria (79,86).

Existen estudios que relacionan la ausencia de la FMRP con la expresión anormal de la proteína Nlg1 y con déficits en el comportamiento social en ratones (5). Para reforzar esta relación, se ha comprobado que la FMRP se une a los ARNm de las Nlg 1, 2 y 3 en la sinapsis, y que regula negativamente su traducción en sinaptoneurosomas y en cultivos neuronales de ratón. Incluso se ha descrito que cuando se estimulan los receptores NMDA, hay una mayor asociación de Nlg a los polirribosomas, donde se potencia la traducción de estas proteínas; pero también existe una escisión proteolítica de las Nlg 1 y 3 que ya se encuentran en la membrana, por lo que se ha propuesto de manera más contundente que las Nlg y su asociación con FMRP son dependientes de estimulación sensorial. En el estudio de Chmielewska et al. (87) se demostró, además, que en ratones KO para fmr1 la cantidad de Nlg 1 y 3 expresadas en la membrana postsináptica aumenta como consecuencia de su elevada traducción.

Se han realizado experimentos en los que se induce LTP y LTD en neuronas del hipocampo en ratones y se ha mostrado un incremento y un decrecimiento, respectivamente, de la aparición de las Nlg 1 y 3 en la superficie de la membrana postsináptica. De esta manera, se plantea que la expresión de estas proteínas en la membrana celular es regulada por la actividad sináptica y también que su función aumenta o disminuye dependiendo de los estímulos aplicados (74). Estas observaciones explican cómo la actividad eléctrica, generada por la experiencia sensorial en las sinapsis, determina el estado de expresión de la familia de las Nlg, proteínas necesarias para consolidar las fases de especialización y de maduración de las sinapsis.

Drosophila melanogaster como modelo animal para el estudio de patologías relacionadas con FMRP y neuroliginas

A pesar de que no existe ningún modelo animal que pueda reproducir el desarrollo de la expansión CGG en la UTR de sus ortólogos para el gen FMR1, en la mosca Drosophila melanogaster existe un gen ortólogo al FMR1 humano (dFMR1), con dominios idénticos en un 75% y con una similaridad del 85% que, incluso bioquímicamente y en cascadas celulares, se iguala a la función de la FMRP humana (23,58,88). En la Drosophila melanogaster, la FMRP se expresa principalmente en el cerebro y la mutación para silenciar o escindir el gen dFMR1 genera un fenotipo que se asemeja el fenómeno del síndrome apreciado en mamíferos, desde su vía molecular hasta el desempeño comportamental, como lo han demostrado los resultados de las pruebas de memoria a largo plazo, de comportamiento de cortejo y del ritmo circadiano (89, 90, 91).

Las uniones neuromusculares de D. melanogaster son sinapsis glutamatérgicas de neuronas motoras con membranas musculares que han servido para evidenciar fenómenos como la plasticidad neuronal y la transmisión sináptica, y donde la ausencia de FMRP produce un número excesivo de ramificaciones, botones sinápticos y una falta de focalización axonal (92). Igualmente, en el cuerpo de la seta (un gran circuito de neuronas que controlan el aprendizaje y la memoria olfatoria en la mosca) se ha descrito que las mutaciones que llevan a la eliminación de la FMRP cambian el remodelamiento y la morfología en las dendritas y los axones de las neuronas que lo componen. Más aún, en los individuos KO de dfmr1 se han documentado alteraciones en la relación de aversión y atracción de olores que se vinculan con modificaciones en las neuronas del glomérulo olfatorio. En el glomérulo se produce menos inhibición gabaérgica en las interneuronas que lo conectan a otros lóbulos del cerebro de la mosca (93).

La ventana restrictiva del desarrollo en este organismo comienza desde el final de la etapa de larva y abarca la etapa de pupa, la eclosión y la etapa de adulto-joven, que suman aproximadamente dos semanas (38). En esta ventana restrictiva se refinan los circuitos sensoriales que dan cuenta del proceso de aprendizaje y de plasticidad en el cerebro de la mosca y, por lo tanto, pueden dar bases robustas para entender molecularmente estos procesos en el cerebro humano (9).

En D. melanogaster se han descubierto proteínas importantes para comprender las bases moleculares del SFX. Recientemente, en este modelo se postuló que la proteína Wnd-DLK (Wallenda/cremallera doble de leucina cinasa), la cual es ortóloga de la MAPK3 (MAP cinasa 3, una proteína cuya vía se activa agudamente como respuesta a daños neuronales y crónicamente en enfermedades neurodegenerativas), es un factor importante para los perjuicios causados en el SFX. En el estudio de Russo y DiAntonio (94) se determinó que la dFMRP se une a Wnd y regula su traducción, limitando su expresión proteica. Por otro lado, en el mutante para dFRM1 null se encontró que las concentraciones de Wnd están anormalmente elevadas, produciendo en las moscas adultas una morfología irregular del cerebro, déficits en los comportamientos motores, de aprendizaje, de memoria y de sueño, al igual que los que se han encontrado en ratones knockout para este gen. Adicionalmente, se han encontrado defectos en las uniones neuromusculares en larvas mutadas en dFRM1. Al aplicarle inhibidores orales de mamíferos para WnD/DLK a este organismo modelo invertebrado, se ha vuelto a recuperar el normotipo en la morfología y transmisión sináptica y en el comportamiento de las moscas y larvas, postulando a la inhibición de la vía MAP cinasas-WnD/DLK como una posible estrategia terapéutica contra los efectos del SFX (94).

El genoma de D. melanogastertambién codifica para cuatro tipos de Nlg. Estas, sin embargo, se ubican de forma diferente a los humanos y a los murinos. En D. melanogaster las Nlg 1 y 3 (DNlg1 y 3) se encuentran preferentemente en uniones neuromusculares (95,96); mientras que la DNlg2 se ubica tanto en uniones neuromusculares como en el sistema nervioso central (de manera abundante en el cuerpo de la seta y en el complejo central), y la DNlg4 se postula que se ubica en las grandes neuronas del reloj ventral de las moscas (97,98).

Se ha encontrado que en la Drosophila, las DNlg1, 2 y 3 actúan tanto en terminales pre- como postsinápticas, de una manera preferentemente excitatoria. En cambio, la DNlg4 se ha relacionado con sinapsis gabaérgicas (98). De esta manera, se puede decir que estos cuatro genes de Drosophila no tienen una similaridad funcional exacta con la de los cuatro genes de Nlg mamíferas. No obstante, en su función más general (la de unir y especializar las sinapsis) sí se encuentra una correspondencia con su papel en mamíferos (93).

Consecuentemente con lo anterior, se ha documentado en la Drosophila melanogaster que las mutaciones en DNlg2 reducen tanto el árbol axonal como los botones sinápticos y alteran las cantidades de transmisores liberados en las uniones neuromusculares (96,99). También se ha encontrado que las mutaciones en DNlg1 y 3 llevan a una reducción de la maduración sináptica y de los botones sinápticos en las uniones neuromusculares, así como a problemas en la diferenciación sináptica (11,97,98). Adicionalmente, se ha comprobado que la ausencia de DNlg2 y 4 altera las interacciones sociales de las moscas (98).

Conclusiones

Las proteínas FMRP y las Nlg han sido ampliamente estudiadas en contextos aislados con referencia a su participación en los procesos propios del desarrollo del sistema nervioso, y así se ha demostrado su rol activo durante aquellos fenómenos plásticos dependientes de actividad sensorial, durante los periodos críticos posnatales. Se conocen aspectos de su estructura molecular, de la regulación de su expresión, de la distribución en los tejidos y de su participación en cascadas específicas de señalización e interacciones previamente descritas en el texto, y aun así es importante ampliar su panorama general. Por ejemplo, los estudios que permiten entender la interacción de estas proteínas entre ellas son más limitados, a pesar de que a ambos tipos proteicos se les relaciona con los procesos de plasticidad durante periodos críticos y también con alteraciones en patologías del desarrollo como SFX y TEA. Por esto, a pesar de que parecen participar en cascadas similares (como describimos en el texto), y aunque hay algunos datos sobre la relevancia funcional de sus posibles interacciones moleculares o dinámicas funcionales dependientes, la relación entre estas dos clases de proteínas debe explorarse a profundidad y todavía es un campo abierto.

Al contar con homólogos de estas proteínas, al ser Drosophila melanogaster un organismo pequeño, y al ser fácil de manipular y cruzar genéticamente, con una tasa reproductiva alta, es un organismo ideal para iniciar este tipo de estudios en laboratorios en países en vías de desarrollo, sin el temor de no poder traducir los hallazgos a mamíferos. En este organismo se pueden resolver futuras preguntas como: ¿puede un protocolo experimental de estímulos sensoriales ayudar a alterar o modificar la relación FMRP-Nlg en el cerebro de un organismo en su etapa posnatal? ¿Puede el ARN de interferencia modificar la unión de la FMRP a la Nlg dependiendo de la LTD o la LTP? ¿Puede la FMRP llegar a modular no solo la traducción de las Nlg, sino también su transcripción, como una regulación epigenética? Preguntas como estas revelan lo mucho que falta por ser estudiado; pero lo cierto es que Drosophila melanogaster es un excelente modelo para empezar a resolver dichos interrogantes.

Conflicto de intereses

Declaramos que no existe un conflicto de interés para ninguno de los autores en esta revisión de tema.

Agradecimientos

Nuestras fuentes de financiación fueron: un premio internacional que apoya ideas para colaboraciones nuevas llamado The Women in World Neurosciences (WWN) Collaborative Research Network Program (CRNP) Award 2014, financiado por IBRO/SfN, y las convocatorias internas de investigación de las Universidades Icesi y la Pontificia Universidad Javeriana de Cali.

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Notas

Notas de autor

^a Autora de correspondencia: elisaviverosaraque@outlook.com