Citação: Chang YH, Dubnau J (2025) O desenvolvimento neural é retro: GAGS como moduladores essenciais da formação de sinapse. PLOS BIOL 23 (2): E3003032. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003032
Publicado: 19 de fevereiro de 2025
Direitos autorais: © 2025 Chang, Dubnau. Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos do Licença de atribuição do Inventive Commonsque permite o uso, a distribuição e a reprodução irrestritos em qualquer meio, desde que o autor e a fonte originais sejam creditados.
Financiamento: Este estudo foi apoiado pelo Instituto Nacional de Envelhecimento NIA 1RF1AG076493 e NIA 1R01AG078788 para JD e Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e AVC Ninds NS131628 a JD. Os financiadores não tiveram papel no desenho do estudo, coleta e análise de dados, decisão de publicar ou preparação do manuscrito.
Interesses concorrentes: Os autores declararam que não existem interesses concorrentes.
A junção neuromuscular larval (NMJ) é um modelo poderoso para investigar fundamentos conservados da formação de sinapse e transmissão sináptica, bem como mecanismos de plasticidade funcional e estrutural que mantêm a homeostase à medida que o tamanho do NMJ aumenta durante o desenvolvimento. Nesta edição de PLoS BiologyM’Angale e colegas descrevem um papel surpreendente e novo para elementos retrotranspositáveis (RTEs) no desenvolvimento sináptico e plasticidade no Larval NMJ (1). Suas descobertas identificam um empurrão e puxar mecanicista no qual a copia RTE e a proteína arco derivada da RTE agem antagonisticamente para equilibrar a taxa de formação sináptica de bouton.
Os RTEs são um subtipo de elemento transponível que se duplicate através de um intermediário de RNA. Os RTEs codificam uma transcriptase reversa, que sintetiza o cDNA do RNA codificado RTE, bem como as máquinas de proteínas para reinsira as cópias de cDNA em locais de cromossomos de novo. O subtipo de repetição de longo terminal (LTR) dos RTEs são ancestrais evolutivos de retrovírus (2Assim,3) e compartilhe muitas das características da replicação retroviral, incluindo o fato de que eles codificam uma proteína GAG que monta um capsídeo do tipo viral, ligado ao seu próprio RNA.
Sequências derivadas de RTEs compõem uma vasta fração dos genomas da maioria das plantas e animais. Como a expressão de RTEs tem o potencial de causar mutações, instabilidade genômica e ativação da sinalização inflamatória, os organismos investiram pesadamente em mecanismos para suprimir sua expressão. Há evidências acumuladas de que, quando esses sistemas de silenciamento falham, os RTEs contribuem para doenças como câncer e neurodegeneração, bem como para o processo regular de envelhecimento (4Assim,5). A maioria das cópias genômicas dos RTEs degeneradas ao longo do tempo e não é mais capaz de retrotransposição, mas muitas das proteínas RTE e regiões reguladoras foram exaptadas para desempenhar papéis celulares críticos (6). Um exemplo disso é a atividade regulada pela proteína associada ao citoesqueleto (ARC), um gene inicial imediato bem conhecido que desempenha papéis fundamentais na plasticidade sináptica (7). Foi demonstrado anteriormente que os genes arcos de Drosophila e os tetrápodes são derivados de genes de GAG exaptados de uma família Ty3/cigana de LTR-rtes antiga e não funcional. É importante ressaltar que este parece ser um exemplo de evolução convergente: os genes do arco de mosca e tetrápod foram exaptados independentemente dos antigos GAGs codificados pela RTE. Isso sugere que em ambos os casos, as propriedades evolutivamente antigas da GAG foram cooptas de forma independente em linhagens de animais distantes (8Assim,9).
A formação de capsídeos ligados ao RNA é uma propriedade elementary da GAG codificada RTE, que no caso do ARC parece fornecer um meio de transferência intercelular (através da sinapse) de RNA. De fato, os genes de arco de mosca e mamíferos retêm as características estruturais e funcionais da RTE e da GAG codificada retroviral, incluindo a capacidade de formar capsídeos do tipo vírus, ligados ao mRNA codificado por arco. No mouse e na mosca, o mRNA ligado ao arco é liberado em vesículas extracelulares (VEs) que cruzam a sinapse. Após a transferência através da sinapse, o mRNA do arco sofre tradução regulada por atividade (8Assim,9). Em moscas, o ARC também demonstrou promover a plasticidade estrutural da NMJ, que converge com achados anteriores sobre arco na plasticidade sináptica dos mamíferos (9). A descoberta de que o PNMA2, outro gene derivado do Ty3 Gag, também foi cootado para comunicação intercelular (10), e que o direcionamento da membrana da mordaça do BIK-2 de peixe-zebra é necessário para a migração de células da crista neural (11), acrescenta credibilidade à ideia de piadas codificadas por RTE foram repetidamente adaptadas para comunicação intercelular. Nesta edição de PLoS BiologyM’Angale e colegas relatam a surpreendente descoberta de que Copiamordaçauma das proteínas codificadas pela copia LTR-RTE totalmente ativa, desempenha um papel essencial na plasticidade estrutural da NMJ.
COPIAmordaça é essencial para a replicação da copia, e os autores descobriram que a copia purificadamordaça pode se montar para formar capsídeos semelhantes a vírus. Utilizando microscopia crio-eletrônica (Cryo-EM), eles demonstram que a região de nucleocapsídeo (NC), que interage com o RNA, está localizada profundamente dentro do inside do capsídeo da copia. Os domínios N e C-terminais da região GAG-CA formam o escudo externo do capsídeo, mostrando similaridade estrutural com os capsídeos dos retrovírus. Os autores demonstram que a presença de RNA é essential para a montagem do capsídeo de copia, consistente com seu papel funcional conhecido na retrotransposição de copia. Como arco, copiamordaça também é expresso em abundância no sistema nervoso central larval e nos músculos da parede corporal. No NMJ, Copiamordaça é detectado nos neurônios pré -sinápticos e nas células musculares pós -sinápticas. Para investigar a fonte de copiamordaçaos autores derrubam cópia em células pré ou pós-sinápticas, combinadas com imunocoloração para avaliar os níveis de copiamordaça presente no NMJ. Essas experiências revelam que pelo menos algumas das cópias pós -sinápticasmordaça deriva do mRNA de copia que é expresso em neurônios pré -sinápticos, indicando transferência através da sinapse. O laboratório Thomson relatou anteriormente que o RNA de copia é carregado em VEs derivados de Drosophila Células S2 (8). Eles agora são capazes de detectar transcrições de cópia associadas à copiamordaça Capsídeos em VEs extraídos de SNC larval e músculo da parede corporal também. Juntos, as descobertas são consistentes com a interpretação de que, como no arco, copiamordaça O RNA da Copia Certain pode ser transferido pela Sinapse NMJ by way of VEs, levando à tradução da carga de RNA pós -sinástica. Investigação dos papéis funcionais do ARC e Copiamordaça indica que eles modulam antagonisticamente o número de boutons sinápticos (Fig 1).
Fig 1. Interações Copia e Arc no NMJ.
Nos neurônios pré -sinápticos, copia e arco rnas antagonizam a expressão um do outro no nível da transcrição. A cópia pré-sináptica e os RNAs de arco são encapsulados por suas próprias proteínas GAG codificadas por RNA para formar capsídeos semelhantes a vírus, que são posteriormente liberados pelos neurônios pré-sinápticos nos EVs para atravessar o NMJ. Os capsídeos de copia e arco nos VEs são então engolidos pelas células pós-sinápticas, onde os capsídeos semelhantes a vírus são desmontados para liberar as proteínas RNAs e GAG incorporadas. O equilíbrio da copia liberada e das proteínas RNA e GAG afeta a taxa de formação de sinapse.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003032.g001
O grupo Thomson demonstrou anteriormente que o nocaute do gene Fly Arc1 leva a uma diminuição no número de Bouton (8). Aqui, eles descobriram que a copia knockdown resulta no efeito oposto, um aumento no número de boutons sinápticos formados. O knockdown de copia também é suficiente para sensibilizar o NMJ à atividade neural, para que uma maior plasticidade estrutural seja vista de menos estimulação. O knockdown de copia também é suficiente para melhorar a perda de boutons vistos em animais mutantes ARC1, indicando que os efeitos da cópia na plasticidade se manifestam na ausência de proteína do arco. Esses achados indicam que o ARC1 e a COPIA fornecem um freio e um acelerador na formação de sinapse, respectivamente. E, no entanto, diferentemente do freio e do acelerador de um carro, os efeitos opostos dessas 2 proteínas GAG não são totalmente independentes. Em vez disso, eles são mutuamente antagônicos porque o knockdown de copia leva ao aumento dos níveis de ARC1 e a derrubada do ARC1 causa aumento da expressão de copia. Experimentos de imunoprecipitação de capsídeo demonstram que, embora o RNA da copia seja detectado apenas nos capsídeos de copia, o RNA do ARC pode ser carregado em capsídeos de copia ou arco, sugerindo uma interação mais complexa cujos impactos ainda não foram elucidados.
A descoberta de um papel essencial no desenvolvimento neural para a mordaça de copia levanta questões óbvias sobre como os requisitos funcionais para a copiamordaça No NMJ, são equilibrados contra o potencial genotóxico de expressar um LTR-retrotransposon ativo e funcional. À medida que surgem mais casos de mutualismo entre os RTEs ativos e o hospedeiro, essa pergunta precisará ser investigada. Mas os exemplos repetidos em que as proteínas GAG dos retrotransposons LTR foram adaptadas para uso no tráfico intercelular de RNAs são inesperadas por outro motivo (1Assim,8–10). Análises filogenéticas das sequências de transcriptase reversa indicam que todos os retrovírus descendem de LTR-RTEs de mamíferos (2Assim,3). O surgimento de retrovírus dos LTR-RTEs envolve uma mudança de um ciclo de replicação estritamente intracelular do RTE, no qual o direcionamento do conjunto do capsídeo é voltado para a entrada nuclear, para um ciclo de replicação intercelular obrigatória de um vírus. O surgimento de retrovírus de seus primos ancestrais de LTR-RTE exigiu uma mudança no direcionamento da GAG para montar uma partícula de vírus na membrana plasmática para liberação. Talvez a adaptação repetida da GAG RTE para o tráfico intercelular aponte para um caminho evolutivo compartilhado com o surgimento de retrovírus. O anfitrião cooptou uma propriedade viral da mordaça? Ou os retrovírus cooptaram uma propriedade dos genes da mordaça do anfitrião?
