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Pela primeira vez, cientistas do Hospital for Sick Children (SickKids) usaram tecnologia de imagem avançada no SickKids Nanoscale Biomedical Imaging Facility para revelar a estrutura atômica de uma enzima que os neurônios usam para se comunicar.
Toda a atividade cerebral – desde a memória e a emoção até à aprendizagem e ao controlo motor – é possível através da comunicação através das sinapses, as ligações entre os neurónios. Quando esta comunicação não é bem sucedida, podem ocorrer várias condições, como a epilepsia. Um neurônio é um tipo de célula especializada na comunicação com outras células, enviando sinais químicos, chamados neurotransmissores, para as sinapses. No cérebro, existem 100 trilhões de sinapses entre neurônios.
A forma como os neurônios se comunicam tem sido estudada há décadas, mas uma pesquisa publicada hoje em Ciência apresenta modelos derivados de centenas de milhares de imagens de alta resolução que revelam a função sináptica com nova clareza.
Liderada pelo Dr. John Rubinstein, Cientista Sênior do programa de Medicina Molecular, e pela Dra. pode ser capaz de informar novos alvos terapêuticos que ajudem a melhorar o cuidado de crianças com epilepsia e outras condições neurológicas.
Na publicação destas descobertas, Rubinstein partilha como a sua equipa capturou as imagens e o que as suas descobertas podem significar para os pacientes no futuro.
O que sua pesquisa descobriu sobre a forma como os neurônios se comunicam?
Ao se comunicar, os neurônios liberam neurotransmissores em uma sinapse para serem entregues a um neurônio receptor. Esses neurotransmissores são liberados de pequenos pacotes chamados vesículas sinápticas. Assim que uma mensagem é recebida, os neurotransmissores devem ser reabsorvidos e reembalados em novas vesículas sinápticas para limpar a sinapse e abrir espaço para o próximo sinal.
Para facilitar esse processo, uma enzima chamada ATPase do tipo vesicular (V-ATPase) atua como uma bomba para conduzir os neurotransmissores para as vesículas sinápticas. A V-ATPase também regula a liberação de neurotransmissores das vesículas.
Em nossa pesquisa, aprendemos que a forma como a V-ATPase controla o processo de liberação de neurotransmissores das vesículas sinápticas é desintegrando-se espontaneamente após as vesículas serem carregadas. Descobrimos que quando enchemos as vesículas sinápticas com neurotransmissores, as V-ATPases se dividem em duas partes, o que permite então a liberação dos neurotransmissores.
Como você capturou imagens desse processo?
Usando novos métodos bioquímicos e novos métodos de imagem apoiados pelo SickKids Nanoscale Biomedical Imaging Facility, conseguimos isolar vesículas sinápticas e obter imagens delas. A partir daí, desenvolvemos novas abordagens computacionais para analisar as imagens e mostrar a V-ATPase nas vesículas em alta resolução – algo que nunca foi feito antes.
Criamos modelos 3D da V-ATPase com base em imagens capturadas usando microscopia eletrônica criogênica (cryo-EM), um método que capta imagens de amostras a -196 C. Nossa equipe viu que a V-ATPase interage com vários componentes da vesícula sináptica, que contém muitas proteínas e lipídios que estão envolvidos na liberação de neurotransmissores.
O mais surpreendente é que aprendemos que a V-ATPase interage com uma proteína chamada sinaptofisina. Em peso, a sinaptofisina é a proteína da vesícula sináptica mais abundante. Até agora, a sua função nos neurônios não era compreendida. O que descobrimos mostra que a sinaptofisina pode estar ajudando a recrutar a V-ATPase para as vesículas sinápticas quando elas se formam inicialmente.
Quais são os próximos passos desta pesquisa?
Agora que descobrimos que a V-ATPase interage com a sinaptofisina nas vesículas sinápticas, estamos trabalhando com o Dr. Lu-Yang Wang, cientista sênior do programa de Neurociências e Saúde Mental, para compreender o papel dessa interação no cérebro. Também queremos entender como o carregamento das vesículas leva à desintegração da V-ATPase e como esse processo controla a liberação de neurotransmissores dos neurônios.
No futuro, este processo poderá ser um alvo terapêutico para muitas condições de saúde, incluindo alguns tipos de epilepsia.
Esta pesquisa foi financiada pelos Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde (CIHR), pela Universidade de Toronto e pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia (NSERC). A infraestrutura do Centro de Imagens Biomédicas em Nanoescala foi apoiada pela Fundação Canadense para a Inovação e pelo Fundo de Pesquisa de Ontário.
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