In ogni istante, nel nostro cervello, miliardi di neuroni dialogano tra loro e si scambiano informazioni con precisione e velocità straordinarie. Alla base di questa comunicazione c’è la capacità delle cellule nervose di trasformare un segnale elettrico (l’impulso nervoso) in uno chimico (l’ingresso nella cellula di ioni calcio), che a sua volta avvia il rilascio di neurotrasmettitori nelle terminazioni nervose, permettendo così la propagazione del segnale. Il calcio entra grazie a specifici canali di membrana: uno di questi, chiamato CaV2.1, ha un ruolo centrale nelle terminazioni nervose presinaptiche e su di esso si è concentrato lo studio di un gruppo di ricercatori, recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Communications.

Come funzionano i canali CaV2.1? Come viene regolata la loro apertura e chiusura? Possono avere un ruolo anche nella plasticità sinaptica?

Gli scienziati hanno cercato di rispondere a queste domande: analizzando il comportamento di questi canali nel dettaglio, hanno scoperto che non funzionano semplicemente come degli interruttori (nello stato acceso, permettendo l’ingresso degli ioni calcio; nello stato chiuso bloccandolo), ma che assumono diverse conformazioni strutturali, che consentono loro di rispondere alle variazioni elettriche della membrana in modo molto sofisticato. Nel titolo dello studio si parla, infatti, di una vera e propria “conformational palette”.

Era già noto che il canale CaV2.1 fosse composto da 4 sensori di voltaggio (o VSD, voltage sensor domains), ovvero 4 regioni sensibili in modo diverso alle variazioni del potenziale elettrico. Tuttavia, non era chiaro come queste regioni lavorassero insieme per controllare il funzionamento e l’apertura o la chiusura del canale. Ed è proprio su questo aspetto che i ricercatori hanno concentrato il loro sforzo sperimentale.

Al centro dello studio ci sono tecnologie tipiche della fisiologia cellulare, come ad esempio la tecnica della voltage-clamp fluorometry (VCF), che permette di applicare correnti elettriche sulla membrana delle cellule e di seguirne le risposte, e l’utilizzo degli oociti di Xenopus levis, che grazie alle loro ampie dimensioni e alla facilità di manipolazione sono spesso impiegati come modello di studio negli studi di fisiologia cellulare.

I ricercatori hanno prodotto degli oociti geneticamente modificati in modo che presentassero sulle proprie membrane cellulari dei canali CaV2.1, trasformati in modo da avere – in punti specifici della proteina – delle molecole fluorescenti. Hanno così registrato le variazioni di fluorescenza al cambiamento del voltaggio della membrana per seguire in tempo reale come ciascun dominio reagisce agli stimoli elettrici. Hanno anche usato dei modelli cinetici per descrivere il comportamento dei domini VSD, studiando l’effetto di diverse subunità (come β2a e β3), che modulano la velocità di attivazione e inattivazione del canale.

Gli scienziati hanno scoperto che i 4 domini VSD non si comportano tutti allo stesso modo. Ad esempio, VSD-I è il principale responsabile dell’apertura del canale e risponde al voltaggio in due modalità diverse: “attiva”, che apre il canale, e “convertita” che lo rende inattivo. Questa modalità rappresenta una specie di memoria molecolare: se lo stimolo perdura nel tempo, alcuni canali si chiudono ed entrano in uno stato inattivo, come se conservassero memoria del fatto di essere stati iperstimolati. VSD-II, in modo del tutto inatteso, non risponde al voltaggio (almeno a quelli applicati in questo studio). VSD-III e VSD-IV reagiscono invece a voltaggi più bassi, vicini a quelli di riposo. Non solo, anche le subunità β partecipano alla regolazione dell’apertura del canale β3 che accelera l’inattivazione del canale, mentre β2 la rallenta, rendendo il canale più disponibile. 

Questo studio dimostra che l’ingresso di ioni calcio attraverso il canale CaV2.1 è finemente regolato dal punto di vista strutturale e questo si riflette direttamente sulla comunicazione tra i neuroni. Non solo, le ricerche hanno evidenziato che VSD-I è “lento” a passare dallo stato inattivo a quello attivo: per effettuare questa conversione ha bisogno di un tempo nell’ordine dei secondi, considerevolmente più lungo di quelli con cui si propaga un impulso nervoso (nell’ordine di millisecondi). Questo suggerisce che i canali CaV2.1 possano avere memoria dell’attività elettrica passata, influenzando il rilascio di ioni calcio e, dunque, le risposte future dei neuroni alle sinapsi. 

Questa scoperta evidenzia come un singolo canale ionico possa esistere in tanti stati conformazionali diversi, ognuno con specifici effetti sull’attività sinaptica e ci fa comprendere come i canali, finora intesi semplicemente come dei varchi di accesso agli ioni, in realtà possano funzionare come moduli regolabili, capaci di integrare segnali, adattarsi al contesto e influenzare la comunicazione tra neuroni. Il canale CaV2.1 rappresenta un esempio di come la complessità biologica non derivi necessariamente dall’aggiunta di nuovi elementi, ma dalla capacità dei sistemi esistenti di modulare il proprio comportamento.