Analysis of the molecular mechanisms of BDNF mRNA localization and traslation in neurons

La regolazione dell'espressione genica rappresenta uno fenomeno fondamentale per garantire la sopravvivenza e la corretta funzione cellulare. In strutture complesse ed altamente specializzate come il sistema nervoso, la grande varietà  morfologica e funzionale, la rapidità  di interscambio di comunicazioni e di adattamento richiede un'altrettanto fine regolazione spazio-temporale dell'espressione genica. I livelli di regolazione sono molteplici e includono lo splicing alternativo, la regolazione del turnover degli mRNA, modifiche post-traduzionali ed il controllo traduzionale. La segregazione dei trascritti in diversi compartimenti subcellulari rappresenta un ulteriore meccanismo che permette di concentrare le proteine in specifici domini cellulari mediante traduzione localizzata. A partire dagli anni '80 sono stati scoperti numerosi mRNA a livello dendritico, tra cui i trascritti codificanti Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF) ed il suo recettore TrkB (Tongiorgi et al., 1997). L'mRNA per BDNF si localizza nei dendriti in risposta all†˜attività  elettrica e al BDNF in vitro e in seguito a crisi epilettogeniche indotte in vivo (Tongiorgi et al., 1997, 2004; Righi et al., 2000). La segregazione degli mRNA nei neuriti presuppone la potenziale traduzione in loco a seguito di specifici stimoli. A tal supporto vi ਠla dimostrazione della presenza di fattori coinvolti nella sintesi proteica (poliribosmi, tRNA, eIFs, eEFs, marker del reticolo endoplasmatico e del golgi) alla base delle spine dendritiche (Steward and Levi,1982; Tiedge and Brosius, 1996). Le dinamiche del trasporto coinvolgono elementi in trans, le RNA binding proteins, , ed elementi in cis, riconosciuti dalle proteine di trasporto. Questi ultimi sono solitamente confinati nella regione 3'UTR (Bashirullah et al., 1998), in misura inferiore all'interno della regione codificante (CDS) (Mohr, 1999; Chiaruttini et al., 2009) e dei 5'UTR (Muslimov et al., 1997). Tra le pi๠comuni RBPs annoveriamo CPEB, ZBP, hnRNP, Staufen, FMRP, Translin e le proteine ELAV. Ricordiamo come molte di queste proteine di trasporto degli mRNA siano in realtà  repressori della traduzione, al fine di prevenirne l'espressione ectopica durante il trasporto. Le RBPs che si legano all'mRNA di BDNF non sono ancora note, tuttavia nel corso di questo studio, mediante ibridazioni in situ non radioattiva su colture ippocampali/sezioni di cervello di topo ਠstata scoperta un serie di elementi in cis che regolano la localizzazione del trascritto. Alla luce dei risultati ottenuti, emerge un complesso quadro di regolazione post-trascrizionale e traduzionale di BDNF. L'RNA endogeno si localizza nel compartimento dendritico distale in seguito ad attività  elettrica ed applicazione di BDNF od NT-3. I segnali di trasporto sensibili sono molteplici e distribuiti in diverse regioni dell'mRNA: un segnale costitutivo a carico della CDS(riconosciuto da translin), due segnali inducibili a livello del 3'UTR short (KCL ed NT-3, riconosciuti da CPEB1 e 2, ELAV2 e 4) ed altrettanti a livello 3'UTR long (KCl e BDNF, target di ELAV e CPEB), in aggiunta ad un segnale di ritenzione all'interno della stessa regione (osservato anche in topi KO per FXR2 ed FMRP). La modulazione del trasporto del 3'UTR long ਠdi gran lunga pi๠finemente regolata rispetto alla variante short, e ricorda il comportamento del 3'UTR della CaMKII? (Mori et al., 2000), anch'esso coinvolto nella plasticità  e potenziamento sinaptici. Dal punto di vista traduzionale, la distinzione tra 3'UTR short e long ਠnetta: per quanto riguarda il primo, il meccanismo ਠpiuttosto lineare e viene attivato dalla cascata del glutammato/Aurora chinasi/CPEB, mentre per il secondo, scarsamente traducibile, sembra sia necessaria la compresenza di pi๠stimoli per attivarne la corretta traduzione, suggerendo come il 3'UTR long possa rappresentare un †œcoincidence detector†œ che viene attivato solo in particolari contesti, a traccia di una complessa attività  sinaptica. Dagli studi condotti siamo stati in grado di costruire un modello che possa spiegare come un trascritto cosଠcomplesso possa rispondere a diversi stimoli. La CDS contiene un segnale di trasporto costitutivo mediato da translin, che in condizioni basali viene soppresso da un elemento inibitorio all'interno del 3'UTR long. In seguito ad attivazione viene meno la repressione in modo da favorire il trasporto del trascritto mediato dai due segnali di targeting (CDS e 3'long). Per quanto riguarda i trascritti contenenti la variante short, invece, sembra non vi siano segnali di ritenzione, bensଠelementi di trasporto che vengono attivati in seguito ad uno specifico stimolo extracellulare (KCL od NT3).