La matriz extracelular: componentes principales en el cerebro


¿Qué es la matriz extracelular?

La matriz extracelular (MEC) es un andamio altamente organizado que ocupa el espacio intercelular. Este andamio proporciona soporte estructural a las células y ayuda a regular su comportamiento. En el cerebro en desarrollo, la MEC puede influir en la diferenciación, migración, proliferación y en general en el mantenimiento de las funciones celulares [1-3]. La función y composición de la MEC varía dependiendo de la etapa de desarrollo y región del cerebro [4].

Componentes principales

A diferencia de otros tejidos, en el cerebro, las proteínas fibrosas como el colágeno o fibronectina constituyen una menor proporción de la MEC. Por el contrario, los componentes principales son los glucosaminoglucanos (GAGs) y los proteoglicanos [1, 3-6]. Los GAGs son cadenas largas no ramificadas compuestas por unidades repetitivas de disacárido, los cuales están unidos covalentemente a una proteína para formar proteoglicanos [7, 8].      

Existen varias familias de proteoglicanos dependiendo de la composición de sus GAGs. El más común en el sistema nervioso central (SNC) son los proteoglicanos sulfato de condroitina (condroitín-sulfato) y el sulfato de heparina (heparán sulfato). Ambos se pueden encontrar en la MEC como proteínas secretadas o unidas a la membrana celular [1, 7, 9].

El ácido hialurónico (AH) es el GAG más abundante y el único que no está unido a una proteína. AH se une a moléculas en la superficie de la membrana celular y promueve la activación de vías de señalización, de esta forma puede regular la proliferación y diferenciación de las células troncales neurales [3, 9-11].

Los hialectanos o lecticanos son una familia de condroitín-sulfato proteoglicanos (CSPGs) y representan la familia de proteoglicanos más abundante en el cerebro. Los CSPGs mayoritariamente se unen a AH. Se han identificado cuatro lecticanos altamente homólogos en mamíferos, agrecano, versicano, brevicano y neurocano [1, 6, 12].

Ácido hialurónico = líneas azules largas
Condrotín sulfato = líneas onduladas verdes
Heparán sulfato = líneas onduladas rojas
Ilustración modificada de Maeda 2015.

Otros componentes

Otros componentes adicionales de la MEC en el cerebro en desarrollo son las proteínas de enlace y las tenascinas. Ambas constituyen moléculas de enlace esenciales para AH, proteoglicanos y para ligandos en la superficie de membrana [6]. Aunque las proteínas fibrosas no son abundantes en el cerebro, colágenos y glicoproteínas adhesivas como la fibronectina y las lamininas se pueden encontrar mayoritariamente en la lámina basal que rodea los vasos sanguíneos cerebrales [13]. 

Redes perineuronales

La MEC forma micro dominios condensados específicos llamados redes perineuronales (RP). Estas redes forman una estructura alrededor de los cuerpos de las neuronas y sus dendritas proximales [9, 14]. Las RP se empiezan a formar durante el desarrollo embrionario tardío y continúan desarrollándose en el cerebro adulto. Se encuentran mayoritariamente en el hipocampo, la corteza cerebral, el cerebelo y el tálamo [15]. En el cerebro adulto, las RP tienen un papel central en la plasticidad sináptica por que inhiben el crecimiento axonal y promueven la eficacia sináptica. Las RP también influyen en la neuroprotección y modulación de neurotransmisión [9, 14].

¿Por qué se estudia la MEC?

Durante el desarrollo del SNC en mamíferos, la MEC cambia extensamente su composición. La MEC embrionaria ayuda a mantener la generación, maduración, y diferenciación de células neuronales y gliales, mientras que la MEC adulta inhibe la regeneración y el crecimiento axonal [16].

El estudio de la MEC, es esencial para entender cómo el medio ambiente celular influye en el desarrollo de las células troncales neurales y en general en el desarrollo y correcto funcionamiento del SNC.

Citlali Helenes González


Imagen modificada de:
Gordon Johnson de Pixabay  y de https://www.stockvault.net/photo/281189/abstract-technology-background-networks-faded-looks#

Referencias:

  1. Novak, U. and A.H. Kaye, Extracellular matrix and the brain: components and function. Journal of clinical neuroscience, 2000. 7(4): p. 280-290.
  2. Barros, C.S., S.J. Franco, and U. Müller, Extracellular Matrix: Functions in the Nervous System. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2011. 3(1).
  3. Oohashi, T., et al., The hyaluronan and proteoglycan link proteins: organizers of the brain extracellular matrix and key molecules for neuronal function and plasticity. Experimental neurology, 2015. 274: p. 134-144.
  4. Bandtlow, C.E. and D.R. Zimmermann, Proteoglycans in the developing brain: new conceptual insights for old proteins. Physiological reviews, 2000. 80(4): p. 1267-1290.
  5. Ruoslahti, E., Brain extracellular matrix. Glycobiology, 1996. 6(5): p. 489-492.
  6. Zimmermann, D.R. and M.T. Dours-Zimmermann, Extracellular matrix of the central nervous system: from neglect to challenge. Histochem Cell Biol, 2008. 130(4): p. 635-53.
  7. Rowlands, D., K. Sugahara, and J. Kwok, Glycosaminoglycans and glycomimetics in the central nervous system. Molecules, 2015. 20(3): p. 3527-3548.
  8. Schwartz, N.B. and M.S. Domowicz, Proteoglycans in brain development and pathogenesis. FEBS letters, 2018.
  9. Benarroch, E.E., Extracellular matrix in the CNS: dynamic structure and clinical correlations. Neurology, 2015. 85(16): p. 1417-1427.
  10. Preston, M. and L.S. Sherman, Neural stem cell niches: critical roles for the hyaluronan-based extracellular matrix in neural stem cell proliferation and differentiation. Frontiers in bioscience (Scholar edition), 2012. 3: p. 1165.
  11. Wade, A., A. McKinney, and J.J. Phillips, Matrix regulators in neural stem cell functions. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects, 2014. 1840(8): p. 2520-2525.
  12. Yamaguchi, Y., Lecticans: organizers of the brain extracellular matrix. Cellular and Molecular Life Sciences CMLS, 2000. 57(2): p. 276-289.
  13. Lau, L.W., et al., Pathophysiology of the brain extracellular matrix: a new target for remyelination. Nature Reviews Neuroscience, 2013. 14: p. 722.
  14. Wang, D. and J. Fawcett, The perineuronal net and the control of CNS plasticity. Cell and tissue research, 2012. 349(1): p. 147-160.
  15. Song, I. and A. Dityatev, Crosstalk between glia, extracellular matrix and neurons. Brain Research Bulletin, 2018. 136: p. 101-108.
  16. Gundelfinger, E.D., et al., Converting juvenile into adult plasticity: a role for the brain’s extracellular matrix. European Journal of Neuroscience, 2010. 31(12): p. 2156-2165.
  17. Maeda, N., Proteoglycans and neuronal migration in the cerebral cortex during development and disease. Frontiers in neuroscience, 2015. 9: p. 98.

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