Regulación de la expresión génica por patrones de actividad neuronal

• Autores: Lukin, Jerónimo
• Año de publicación: 2022
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Refojo, Damián; Marin Burgin, Antonia
• Materia: ACTIVIDAD NEURONAL; GENES DE EXPRESION INMEDIATA TEMPRANA (IEG); EXPRESION DE ARN MENSAJERO; DESARROLLO NEURONAL; NEURONAL ACTIVITY; IMMEDIATE EARLY GENES (IEG); mRNA EXPRESSION; NEURONAL MATURATION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La expresión de genes inducida en respuesta a la actividad neuronal es fundamental para que una neurona pueda desencadenar cambios plásticos frente a diferentes estímulos y dar lugar a procesos de aprendizaje y memoria. Sin embargo, aún se desconocen los mecanismos finos que expliquen cómo una neurona integra y procesa patrones y frecuencias de actividad neuronal y los traduce en programas transcripcionales específicos. Para estudiar este fenómeno, se utilizaron cultivos primarios neuronales que fueron estimulados con protocolos que desencadenan diferentes tipos de actividad neuronal: despolarización con cloruro de potasio (KCl), tratamiento con Bicuculina (BIC) y tratamiento y posterior remoción de la Tetrodotoxina (TTXw). Se obtuvieron muestras de ARN y proteínas en distintos puntos temporales luego de estimular la actividad neuronal para evaluar la expresión génica por secuenciación de ARN y la activación de diferentes cascadas de señalización que podrían regular este proceso. A partir del análisis de secuenciación de ARN se demostró que cada patrón de actividad neuronal genera diferentes perfiles de expresión génica. Se observó que un mismo gen puede inducirse o inhibirse con diferentes dinámicas según el tipo de actividad neuronal y que ciertos grupos de genes que se comportan de manera similar. A su vez, se encontró que diferentes proteínas de señalización como ERK y p38 muestran dinámicas de fosforilación específicas frente a cada tipo de estimulación. También se compararon los perfiles transcripcionales inducidos por actividad en diferentes estados del desarrollo neuronal in vitro y se estableció que la maduración neuronal es determinante en la expresión génica dependiente de actividad neuronal. Este resultado es de particular importancia porque gran parte de los trabajos de este campo de estudio se realizaron en cultivos primarios neuronales primarios de 7 días in vitro (DIV). Los resultados de esta tesis aportan al entendimiento de los mecanismos por los cuales una neurona es capaz de codificar una gran variedad de señales y adaptar su fisiología molecular. En este sentido, el trabajo puede contribuir a comprender los mecanismos de plasticidad sináptica que organizan los procesos de aprendizaje y memoria.
Activity-driven gene expression is necessary to implement synaptic plasticity mechanisms required to encode, store and retrieve long-lasting information. How neurons integrate and process neuronal activity patterns and translate them into specific activity-driven gene transcription programs is still not clear. To address this question, we performed primary neuronal cultures and employed neuronal activation protocols available in the literature that are known to elicit different specific patterns of neuronal responses: potassium chloride (KCl) depolarization, Bicuculline (BIC) and Tetrodotoxin (TTX) withdrawal. We extracted RNA and protein samples at different time points after stimulating neurons and we evaluated gene expression and the activation of different signaling cascades that could regulate this process. From the RNA sequencing analysis, we shown that each neuronal activity pattern generates different gene expression profiles. We observed that the same gene can be induced or inhibited with different dynamics depending on neuronal activity and that there are certain groups of genes that behave similarly. Also, we found that different signaling calcium dependent proteins presented specific phosphorylation dynamics against each type of stimulation. We compared the transcriptional profiles upon stimulation in neuronal cultures at different developmental stages in vitro (7DIV vs 21DIV) and established that neuronal maturation is a determining factor in neuronal activity-dependent gene expression. This result is of particular importance because much of the work in the field was done on 7DIV primary neuronal cultures. This study contributes to the understanding of the mechanisms by which a neuron can encode a great variety of signals and how these stimuli patterns can determine its molecular physiology. In this sense, this work can help to understanding the mechanisms of synaptic plasticity that organize learning and memory processes.
Fil: Lukin, Jerónimo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.