Bermary Santos Vera1, Ph.Dc., Francisco Arencibia Albite2, Ph.D. y Carlos A. Jiménez Rivera1*, Ph.D. 1Universidad de Puerto Rico Recinto de Ciencias Médicas Escuela de Medicina, Departamento de Fisiología y Biofísica 2Universidad del Sagrado Corazón Departamento de Ciencias Naturales
Las células excitables, como neuronas y cardiomiocitos, son motivo de este estudio en la neurociencia.
Keywords
Current Ih, HCN channels, addiction, cocaine, intrinsic properties
Palabras Claves
Corriente Ih, Canales HCN, adicción, cocaína, propiedades intrínsecas
Resumen El comportamiento animal, en gran medida, surge del diálogo que acontece entre el sistema nervioso y el mundo exterior. Tal conversación es de naturaleza electroquímica y, por tanto, dependiente del flujo de iones. Es decir, del movimiento de átomos o moléculas que acarrean consigo carga eléctrica. Este tránsito iónico se origina de las diferencias en tensión eléctrica o voltaje que existen entre elcitoplasma neuronal y el fluido cefalorraquídeo que baña la membrana plasmática.
Aunque en este contexto la membrana celular actúa como un material aislante, el tránsito de iones logra disipar cambios súbitos o continuos en voltaje al penetrar la barrera membranal a través de poros proteicos denominados canales iónicos. Es por esto que no es de extrañar el hecho que numerosos estados neuropatológicos estén ligados al mal funcionamiento de canales iónicos. Es propio, por consiguiente, que los científicos se refieren a muchas de estas condiciones como canalopatías.
Recientemente, un canal iónico que ha ganado gran popularidad entre la comunidad neurocientífica es el canal HCN (acrónimo procedente del inglés: Hyperpolarization-activated Cyclic Nucleotide-gated channel). Su fama surge de la amplia evidencia empírica que demuestra que la corriente iónica que lo atraviesa, llamada corriente-H o Ih, es crucial para diversos procesos neurofisiológicos.
Los canales HCN se expresan en neuronas de dopamina mesoencefálicas las cuales son fundamentales para procesos como el control motor, aprendizaje y placer.
Entre las condiciones que se han vinculado al funcionamiento atípico de la corriente-H, y que por ende podrían considerarse canalopatías, se encuentran: la epilepsia, el dolor neuropático, la adicción a etanol y cocaína. Es por esto que probablemente la corriente-H continuará siendo una de las propiedades del sistema nervioso que cautiva la investigación neurocientífica.
Abstract Animal behavior largely arises from the dialogue that occurs between the nervous system and the outside world. Such a conversation is electrochemical in nature and therefore dependent ion flux. That is the movement of atoms or molecules that carry electrical charge with it. This ionic traffic originates from the differences in voltage or voltage between the neuronal cytoplasm and cerebrospinal fluid bathing the plasma membrane.
Although in this context the cell membrane acts as an insulator, the ion transit achieved dissipate sudden changes in voltage or continuous membrane barrier to penetrate through protein pores called ion channels. That is why it is not surprising the fact that many neuropathological states are linked to the malfunction of ion channels. It is proper, therefore, that scientists refer to many of these conditions as channelopathies.
Recently, an ion channel that has gained great popularity among the neuroscience community is the HCN channel (from the English acronym: hyperpolarization -activated Cyclic Nucleotide -gated channel). His fame comes from the ample empirical evidence that the ionic current through it, called stream -H or Ih, is crucial for many neurophysiological processes .
HCN channels expressed in neurons of dopamine midbrain which are fundamental for processes such as motor control, learning and pleasure.
Conditions that have been linked to atypical operating current-H, and therefore could be considered channelopathies are: epilepsy, neuropathic pain, ethanol and cocaine addiction. That is why the current-H probably continue to be one of the properties that neuroscientific research captive nervous system.
Introducción Las corrientes iónicas juegan un papel crucial en la excitabilidad neuronal y por ende, en la neurotransmisión. En 1979, investigadores describieron por primera vez un canal iónico de curiosa particularidad, ya que a diferencia de otras conductancias que se activan con despolarización membranal, este canal se activa durante la hiperpolarización (evento en que el voltaje de la membrana celular es menos positivo que su potencial de reposo) (Brown et al., 1979, Brown and Difrancesco, 1980). El descubrimiento, publicado en la revista Nature se realizó por “accidente” en células del nódulo sinoatrial del corazón. Los investigadores encontraron que esta corriente juega un papel fundamental en la actividad de marcapaso del corazón. Este hallazgo le mereció a esta corriente los nombres de funny current o queer current entre otros (Halliwell and Adams, 1982, DiFrancesco, 2006). Hoy día a esta corriente iónica se le denomina corriente Ih; en inglés hyperpolarization-activated cation current.
“Entre las condiciones que se han vinculado al funcionamiento atípico de la corriente-H, y que por ende podrían considerarse canalopatías, se encuentran: la epilepsia, el dolor neuropático, la adicción a etanol y cocaína”
Presente en células excitables, como neuronas y cardiomiocitos, la corriente Ih ha sido motivo de estudio desde entonces y en los últimos años ha tomado gran importancia en el campo de la neurociencia. Tanto a nivel de ciencia básica como a nivel clínico, el estudio de esta corriente promete proveer conocimiento esencial para el desarrollo de tratamientos a diferentes enfermedades del sistema nervioso. El presente artículo resume parte de las funciones fisiológicas de esta corriente, su descripción molecular y destaca las posibles implicaciones de la Ih en diversas patologías.
Funcionalidad de la corriente iónica Ih Desde su descubrimiento en neuronas en la década del 80, la corriente Ih se ha estudiado como un modulador de la excitabilidad neuronal (DiFrancesco, 1981, Halliwell and Adams, 1982). La Ih es una corriente catiónica mixta la cual conduce tanto sodio como potasio (Maccaferri et al., 1993). Interesantemente, en contraste con otras conductancias celulares, esta corriente es activada por la hiperpolarización de la membrana celular. La apertura del canal iónico que la genera permite una corriente positiva entrante, por lo que la Ih es una corriente despolarizante (Doan and Kunze, 1999). Temprano en la década del 90 se descubrió que la Ih está implicada en el control y la modulación de la actividad rítmica de los circuitos neurales (Leresche et al., 1990, McCormick and Pape, 1990). Posteriormente, numerosas publicaciones han postulado el rol de esta corriente en la determinación del potencial de reposo (Lamas, 1998, Doan and Kunze, 1999, Nolan et al., 2007), en el control de la frecuencia de disparos de potenciales de acción (Neuhoff et al., 2002, Okamoto et al., 2006) y en la transmisión sináptica e integración dendrítica (Magee, 1999, Beaumont and Zucker, 2000, George et al., 2009).
Biología molecular del canal HCN Los canales HCN (hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channels) son las proteínas membranales responsables de conducir la corriente Ih. Estos canales están expresados en todo el sistema nervioso (Santoro et al., 2000, Notomi and Shigemoto, 2004). Se ha descubierto que la arquitectura molecular de estos canales influye grandemente en las propiedades biofísicas de la corriente.
Los canales HCN son tetrámeros compuestos por cuatro subunidades (Figura 1). HCN1-4son isoformas del gen HCN (Santoro et al., 2000). Un solo canal HCN puede estar compuesto de cuatro monómeros que expresen una sola isoforma (homómeros) o que expresen dos o más isoformas a la vez (heterómeros). Cada monómero posee seis dominios transmembranales, un sensor de carga y un dominio intracelular que enlaza nucleótidos cíclicos (CNBD), poseyendo mayor afinidad por AMP cíclico (cAMP) (Wainger et al., 2001, Kusch et al., 2012).
Los canales HCN pueden ensamblarse como tetrámeros (compuestos de una isoforma) o dos o más isoformas. La composición de la subunidad del canal influye en la cinética, dependencia de voltaje de la activación de la Ih y modulación por cascadas de segundos mensajeros que implican cAMP (Wainger et al., 2001, Kusch et al., 2010). En los canales HCN, la unión directa de cAMP al dominio citoplasmático permite que los canales abran de manera más rápida y completa (Wainger et al., 2001). Por ejemplo, los canales compuestos por la subunidad HCN1 tienen una cinética de activación más rápida en comparación con las otras isoformas.
Además, los canales compuestos por las isoformas HCN2 y/o HCN4 muestran gran sensibilidad a cAMP en comparación con HCN1 y HCN3 (Santoro et al., 2000, Wainger et al., 2001, Kusch et al., 2010). La afinidad por cAMP es de importancia considerando que muchos neurotransmisores trabajan y modulan la actividad neuronal mediante cascadas de segundos mensajeros. En el caso de los canales HCN, un alza en los niveles de cAMP intracelulares implicaun cambio positivo en la dependencia de voltaje para la apertura del canal. Es decir, la corriente estará más activa a potenciales más positivos en presencia de cAMP. Por lo tanto la composición de la subunidad de estos canales juega un papel importante en las propiedades biofísicas de la corriente Ih.
Implicaciones fisiológicas y patofisiología Alteraciones en expresión o en el tipo de subunidades que componen el canal HCN pueden dar lugar a algunas condiciones patológicas. Por ejemplo, existe evidencia de que cambios en expresión, composición o mal funcionamiento (canalopatías) de estos canales pueden conducir a enfermedades, como la epilepsia (Dyhrfjeld-Johnsen et al., 2009, Cain et al., 2015) y dolor neuropático (Papp et al., 2010, Emery et al., 2011), entre otras.
Recientemente, ha crecido el interés del posible rol de la corriente Ih y los canales HCN en la patofisiología de la adicción a drogas. El sistema de recompensa del cerebro, conocido como sistema mesocorticolímbico, expresa todas las subunidades del canal HCN, especialmente HCN2 (Notomi and Shigemoto, 2004). En este circuito, las neuronas dopaminérgicas –ampliamente implicadas en procesos adictivos– poseen gran cantidad de corriente Ih (Vanderschuren and Kalivas, 2000, Robinson and Berridge, 1993).
En el año 2006 varios investigadores describieron los efectos de etanol en neuronas dopaminérgicas y el posible rol de la corriente Ih en dichos efectos (Lupica and Brodie, 2006, Okamoto et al., 2006). Sin embargo, aún no está claro el rol de la corriente en la adicción al alcohol. El resumen publicado por Hong-yuan Chu es de los pocos que describe la importancia de la corriente Ih en el circuito dopaminérgico y deja la pregunta abierta, hasta ese entonces, del posible rol de esta corriente y los canales HCN en modelos animales de adicción(Chu and Zhen, 2010).
“El canal HCNha ganado gran popularidad(acrónimo procedente del inglés: Hyperpolarization-activated Cyclic Nucleotidegated channel) ya que la evidencia empírica demuestra que la corriente iónica que lo atraviesa, H o Ih, es crucial para diversos procesos neurofisiológicos”
Aportaciones recientes En el 2012, nuestro laboratorio publicó el primer artículo científico que relaciona la corriente Ih con un modelo de adicción a cocaína (Arencibia-Albite et al., 2012). En dicho artículo, hallamos que luego de siete días de administración crónica de cocaína, utilizando el paradigma de sensitización a cocaína en ratas, las neuronas dopaminérgicas del área del tegmento ventral (VTA) poseían una corriente Ih disminuida. Cabe señalar que el VTA es sumamente importante para la iniciación del proceso adictivo (Vanderschuren and Kalivas, 2000, Ranaldi, 2014). Posterior a este hallazgo, nos dimos a la tarea de identificar cambios en la expresión proteica de la subunidad HCN2 en áreas del sistema mesocorticolímbico, luego del mismo protocolo de sensitización a cocaína. Demostramos que la expresión de la subunidad HCN2 está aumentada en todas las áreas (Santos-Vera et al., 2013). Sin embargo, en estudios posteriores hemos encontrado que el tráfico de estos canales a la membrana plasmática esta alterado, especialmente en el VTA donde hay una disminución significativa en la expresión de estas subunidades en la superficie celular.
Actualmente, nuestro laboratorio se encuentra trabajando en experimentos destinados a identificar el rol fisiológico de estos canales dentro de este paradigma de sensitización a cocaína, el cual emula ciertos aspectos importantes de la adicción a cocaína (Robinson and Berridge, 1993). Estudios recientes demuestran que la corriente Ih es un modulador de la excitabilidad intrínseca neuronal (Neuhoff et al., 2002, Borgkvist et al., 2011). Una revisión reciente publicada en Nature Reviews titulada: Intrinsic plasticity: an emerging player in addiction (Kourrich et al., 2015) aborda de manera significativa la importancia de investigar cómo las propiedades intrínsecas de la neurona pueden contribuir al fenotipo de adicción. Por lo tanto, para nosotros es importante seguir investigando la participación de la corriente Ih y los canales HCN en adicción ya que ambos son parte esencial de la actividad intrínseca neuronal.
El objetivo principal de nuestra investigación es tratar de esclarecer los posibles mecanismos del rol de la corriente Ih y los canales HCN en el desarrollo de la adicción a cocaína y de esta manera aportar al conocimiento de las neuroadaptaciones que ocurren durante esta patología con vías a una posible intervención terapéutica.
Agradecimientos Los autores desean agradecer tanto alDecanato Asociado de Ciencias Biomédicas de la Escuela de Medicina, como al programa Research Initiative for Scientific Enhancement (RISE) Grant #5R25GM061838-15 del Recinto de Ciencias Médicas de la Universidad de Puerto Rico, por el apoyo económico y académico en la investigaciones lideradas por Bermary Santos-Vera. También queremos agradecer al National Institue of General Medical Sciences (NIGMS) por la otorgación del Grant NIHGM (2SC1GM084854-05A1) que sustenta la investigación del Dr. Carlos A. Jiménez-Rivera y la labor post-doctoral del Dr. Fransisco Arencibia-Albite.
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