La composición iónica interna de las neuronas es un factor determinante crucial para el funcionamiento cerebral. Existe una creciente evidencia de que una homeostasis aberrante de la concentración intracelular de Cl⁻ ([Cl⁻]ᵢ), sumada a la de Na⁺ y Ca²⁺, provoca deterioros significativos en la excitabilidad neuronal y la neurotransmisión, dando lugar a diversas condiciones neurológicas. Específicamente, comprender los mecanismos que subyacen a la regulación de [Cl⁻]ᵢ es vital para descifrar la variabilidad en la señalización GABAérgica y glicinérgica de las neuronas, tanto en la salud como en la enfermedad.
El nivel homeostático de [Cl⁻]ᵢ está determinado por varios mecanismos reguladores, incluyendo aquellos mediados por canales y transportadores de Cl⁻ en la membrana plasmática. Este artículo se centra en los avances recientes en la identificación, regulación y caracterización de los canales y transportadores de Cl⁻ que modulan la excitabilidad neuronal y el volumen celular. Poniendo especial énfasis en las neuronas del sistema olivocerebeloso, estableceremos que los canales y transportadores de Cl⁻ desempeñan un papel indispensable en la determinación de su [Cl⁻]ᵢ y, por ende, en su función en la coordinación sensoriomotora.
La Regulación del Cloruro en las Células Cerebrales
El cloruro (Cl⁻) es el anión transportable más abundante en todas las células del cuerpo y desempeña funciones biológicas fundamentales en todos los tejidos. La concentración intracelular de cloruro ([Cl⁻]ᵢ) es regulada y mantenida por un delicado equilibrio funcional entre las operaciones de los canales de Cl⁻ de la membrana plasmática y las de los transportadores, así como las de los aniones impermeantes locales. En el sistema nervioso central, los canales y transportadores de Cl⁻ desempeñan roles clave en el crecimiento y desarrollo neuronal, la captación de neurotransmisores, la modulación del pH intracelular, la regulación del volumen celular y, quizás lo más importante, en establecer [Cl⁻]ᵢ por encima o por debajo de su potencial de equilibrio.
Además, [Cl⁻]ᵢ juega un papel crucial en la moderación de la excitabilidad neuronal al determinar las respuestas postsinápticas a los neurotransmisores GABA y glicina. Uno de los roles más estudiados de [Cl⁻]ᵢ en las neuronas es su función moduladora en las respuestas postsinápticas evocadas por la activación de canales de Cl⁻ activados por ligando, como los receptores GABAA (GABAARs).
El Cloruro y la Polaridad de la Señalización GABAérgica
La dirección del flujo de Cl⁻ depende de la diferencia entre el potencial de inversión del Cl⁻ (ECl) y el potencial de membrana en reposo (RMP). Si ECl es negativo en comparación con el RMP de la neurona, el Cl⁻ fluye hacia el interior de la neurona. Los GABAARs en este tipo de células median corrientes de Cl⁻ hacia adentro (hiperpolarizantes), lo que a su vez conduce a la inhibición de la actividad neuronal postsináptica. Por el contrario, si ECl se vuelve más positivo en comparación con el RMP, el flujo de Cl⁻ hacia afuera (despolarizante) a través de los GABAARs conduce a la excitación de la neurona postsináptica. Por lo tanto, las actividades de los canales y transportadores de Cl⁻ que regulan [Cl⁻]ᵢ son críticas para determinar la polaridad del impacto de los GABAARs en el potencial de membrana neuronal.
Mutaciones o deleciones de canales y transportadores de Cl⁻ en el cerebro se han relacionado con trastornos genéticos, como formas particulares de convulsiones neonatales y epilepsia, ataxia, hiperekplexia (enfermedad del sobresalto) y trastornos del espectro autista. Además, la homeostasis deficiente del Cl⁻ se ha asociado con patología cerebral después de lesiones agudas, como encefalopatía hipóxico-isquémica, edema cerebral y convulsiones postraumáticas. Por lo tanto, apuntar a los canales/transportadores de Cl⁻ se ha investigado como una herramienta terapéutica para reequilibrar el [Cl⁻]ᵢ neuronal y rescatar los síntomas neurológicos consecuentes.
Un ejemplo de tal intervención basada en el Cl⁻ es la atenuación de la elevación de [Cl⁻]ᵢ después de una lesión cerebral traumática (LCT), para prevenir un mayor edema neuronal, señalización GABA excitatoria y susceptibilidad a convulsiones. El desarrollo de fármacos que se dirijan específicamente a canales o transportadores de Cl⁻ puede, por lo tanto, no solo mejorar los procesos patológicos a corto plazo inducidos por la LCT, sino también las consecuencias conductuales a largo plazo.
Tipos de Canales y Transportadores de Cloruro en Neuronas
Los canales y transportadores de cloruro pueden activarse en respuesta a cambios en el potencial de membrana (como los canales ClC), señalización de Ca²⁺ intracelular (como los canales anoctamina) y cambios en el pH intracelular (SLC4 y SLC26). Además, el Cl⁻ es transportado a través de la membrana por cotransportadores catión-cloruro (CCCs), como el cotransportador Na⁺-K⁺-Cl⁻ (NKCC1) y los cotransportadores K⁺-Cl⁻ (KCCs). Investigar el impacto de un conjunto tan rico de canales/transportadores iónicos ampliamente expresados en el funcionamiento neuronal es una cuestión compleja, no solo por la heterogeneidad de las poblaciones neuronales, sino también por las diversas interacciones funcionales de los canales/transportadores de Cl⁻ entre sí y con otros transportadores iónicos.
Canales de Cloruro Dependientes de Voltaje (Familia ClC)
Las isoformas ClC exhiben patrones de expresión celular únicos. Algunos miembros (ClC-1 y ClC-2) se detectan principalmente en la membrana plasmática, mientras que otros (ClC-3 a ClC-7) se distribuyen predominantemente en orgánulos y vesículas intracelulares. Los ClC unidos a la membrana plasmática operan en modo canal de Cl⁻ y desempeñan un papel en la estabilización del potencial de membrana y/o la concentración de Cl⁻ a través de la membrana. Los ClC de orgánulos intracelulares funcionan como intercambiadores electrogénicos de Cl⁻/H⁺ y facilitan la acidificación endosomal y vesicular.
Muchos ClC no se han estudiado en gran detalle por su función en el cerebro, sino más bien en otros órganos, incluyendo el riñón, donde sus disfunciones o deleciones se han relacionado con diversas enfermedades en humanos. A continuación, nos centramos en los roles de ClC-1, ClC-2 y ClC-3 en el sistema olivocerebeloso y otras áreas cerebrales.
| ClC | Expresión | Función Principal | Enfermedad Humana Asociada | Fenotipo Ratón KO |
|---|---|---|---|---|
| ClC-1 | Músculo esquelético, cardíaco, cerebro? | Estabilización potencial membrana muscular, excitabilidad neuronal | Miotonía congénita, epilepsia? | Miotonía, excitabilidad neuronal alterada |
| ClC-2 | Amplia (cerebro, corazón, riñón,...) | Transporte transepitelial, volumen celular, excitabilidad neuronal | Enfermedad cardiovascular, epilepsia? | Leucoencefalopatía, degeneración retina/testículo, excitabilidad neuronal alterada |
| ClC-3 | Amplia (cerebro, corazón, riñón,...) | Acidificación vesicular y endosomal | ? | Degeneración neuronal hipocampal/retina |
| ClC-5 | Riñón, intestino | Acidificación endosomal | Enfermedad de Dent | Defectos reabsorción renal |
| ClC-6 | Cerebro | Acidificación endosomal | ? | Enfermedad de almacenamiento lisosomal |
| ClC-7 | Amplia (cerebro, hueso, riñón,...) | Regulación Cl⁻ lisosomal, acidificación osteoclastos | Osteopetrosis, NCL, degeneración retina | Enfermedad almacenamiento lisosomal, osteopetrosis |
| ClC-Kb | Riñón, oído interno | Transporte transepitelial, reabsorción salina | Síndrome de Bartter tipo III | Pérdida de sal, sordera |
ClC-1, conocido por su alta conductancia de Cl⁻ y expresión en músculos, también se ha identificado en tejido neuronal, incluyendo células de Purkinje (PCs) cerebelosas. La presencia de alelos polimórficos en el gen CLCN-1 en pacientes con epilepsia idiopática subraya su papel en enfermedades neurológicas. Se ha sugerido que la sobreexpresión de ClC-1 en PCs inhibitorias podría hiperpolarizar su RMP y reducir su excitabilidad, influyendo potencialmente en la epileptogénesis.
ClC-2 está ampliamente expresado en el cerebro, incluyendo neuronas hipocampales y PCs. En el sistema olivocerebeloso, ratones KO para ClC-2 muestran vacuolización esponjiforme progresiva. Aunque no se ha estudiado específicamente en neuronas cerebelosas, en neuronas hipocampales puede extrudir Cl⁻ bajo altas [Cl⁻]ᵢ y afectar la resistencia de membrana, el umbral del potencial de acción y la excitabilidad. Sin embargo, los ratones KO no muestran menor susceptibilidad a convulsiones, posiblemente debido a mecanismos compensatorios.
ClC-3, un intercambiador Cl⁻/H⁺, se expresa ampliamente en el cerebro, con altos niveles en hipocampo y cerebelo (en PCs). Predomina en compartimentos endosomales y vesículas sinápticas, contribuyendo a la acidificación. Estudios recientes sugieren también su expresión en la membrana plasmática de neuronas postsinápticas hipocampales, relacionado con receptores NMDA y plasticidad. Ratones KO para ClC-3 muestran degeneración postnatal de retina e hipocampo.
Canales de Cloruro Activados por Calcio (Anoctaminas)
La concentración de Ca²⁺ intracelular ([Ca²⁺]ᵢ) es vital para la transducción de señales, liberación de neurotransmisores y excitabilidad celular. El aumento de [Ca²⁺]ᵢ activa canales iónicos dependientes de Ca²⁺, incluyendo los canales de Cl⁻ activados por Ca²⁺ (ClCa). La familia TMEM16 (anoctaminas) es una de las principales familias de ClCa, con 10 miembros (Ano1-10). Además de su actividad de canal iónico, las anoctaminas están implicadas en diversas tareas fisiológicas como el 'phospholipid scrambling' o la regulación de canales de K⁺ específicos. Su disfunción se asocia a cáncer, distrofia muscular, síndrome de Scott y ataxia cerebelosa autosómica recesiva.
La apertura de anoctaminas conduce a eflujo o influjo de Cl⁻ dependiendo del gradiente. En neuronas olfativas o DRG con alta [Cl⁻]ᵢ, el eflujo amplifica la señal sensorial despolarizando la célula. En neuronas hipocampales o IO con baja [Cl⁻]ᵢ, causan hiperpolarización mediando influjo. Ano1, Ano2 y Ano6 han demostrado compuerta de Cl⁻ dependiente de Ca²⁺, con afinidades variables. Interactúan con complejos de calmodulina dependientes de Ca²⁺.
| Anoctamina (TMEM16) | Expresión | Función Principal | Enfermedad Humana Asociada | Fenotipo Ratón KO |
|---|---|---|---|---|
| Ano1 (TMEM16A) | Tejido epitelial, músculo liso, neuronas DRG, etc. | Canal ClCa, secreción fluidos, contracción muscular, dolor | Cáncer, fibrosis quística, asma | Presión arterial baja |
| Ano2 (TMEM16B) | Cerebro (hipocampo, tálamo, bulbo olfatorio, IO, PCs), retina, músculo | Canal ClCa, excitabilidad neuronal, transducción sensorial | ? | Comportamiento motor alterado, respuesta eléctrica a olores reducida |
| Ano3 (TMEM16C) | Cerebro (DRG), vasos sanguíneos, pulmón | Phospholipid scrambling, regulador canal KNa | Distonía craniocervical, temblor, asma | Señalización Ca²⁺ ER alterada |
| Ano5 (TMEM16E) | Músculo, hueso, esperma | Phospholipid scrambling | Distrofia muscular, displasia gnathodiaphyseal | - |
| Ano6 (TMEM16F) | Vasos sanguíneos, endosomas, cerebro? | Phospholipid scrambling, coagulación, canal SCAN Ca, canal ClCa | Síndrome de Scott | Enfermedad almacenamiento lisosomal |
| Ano9 (TMEM16J) | Células epiteliales | Phospholipid scrambling | Carcinoma colorrectal | - |
| Ano10 (TMEM16K) | Células epiteliales, cerebelo? | Proteína intracelular, señalización Ca²⁺, apoptosis | Ataxia cerebelosa autosómica recesiva | - |
En neuronas hipocampales, Ano2 afecta la generación de potenciales de acción. En neuronas talámicas, Ano2 contribuye a la adaptación de la frecuencia de disparo, modulando la sensibilidad a las entradas sensoriales. En contraste, en células de la oliva inferior (IO), la deleción funcional de Ano2 resultó en una disminución de la excitabilidad. El papel de Ano2 en las células IO parece ser principalmente una corriente repolarizante de las corrientes de Ca²⁺ dependientes de voltaje, determinando la duración del potencial de acción posterior (ADP).
Estudios en PCs sugieren que los canales ClCa están involucrados en la depresión de la inhibición inducida por despolarización, reduciendo la transmisión GABAérgica al aumentar [Cl⁻]ᵢ postsináptico. Dado que la IO es parte del circuito olivocerebeloso, crítico para la coordinación y el aprendizaje motor, se hipotetizó que una IO menos excitable por falta de Ano2 afectaría el aprendizaje motor. Sin embargo, estudios recientes sugieren que la disfunción motora en ratones KO de Ano2 podría deberse principalmente a la depresión de la inhibición en PCs.
Canales y Transportadores de Cloruro Sensibles al pH
La regulación ácido-base es crucial para la supervivencia y función celular. Los mecanismos de transporte transmembrana para la regulación del pH incluyen intercambiadores Cl⁻/HCO₃⁻, intercambiadores Na⁺/H⁺ y cotransportadores Na⁺/HCO₃⁻. Estos transportadores se expresan en neuronas y glía y se localizan en la membrana plasmática y orgánulos intracelulares. Los cambios en el pH intracelular se asocian a cambios en la excitabilidad neuronal.
Destacamos la expresión, localización y significado funcional de los intercambiadores Cl⁻/HCO₃⁻ de las familias SLC4 y SLC26, que regulan tanto el pH intracelular como [Cl⁻]ᵢ.
Familia SLC4
La familia SLC4 de intercambiadores Cl⁻/HCO₃⁻ está ampliamente expresada. Contiene 10 miembros, algunos mediando intercambio Cl⁻/HCO₃⁻ independiente de Na⁺ (AE1-AE3) y otros facilitando intercambio Cl⁻/HCO₃⁻ dependiente de Na⁺ (NCBE y NDCBE). Los AE median la extrusión de HCO₃⁻ mientras transportan Cl⁻ hacia adentro. NCBE y NDCBE transportan HCO₃⁻ hacia adentro y Cl⁻ hacia afuera.
| SLC4 | Expresión | Función Principal | Enfermedad Humana Asociada | Fenotipo Ratón KO |
|---|---|---|---|---|
| SLC4A1 (AE1) | Eritrocitos, riñón, corazón, colon | Intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻ | Anemia hemolítica, acidosis tubular renal distal | - |
| SLC4A2 (AE2) | Mayoría células epiteliales | Intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻ | Osteopetrosis | - |
| SLC4A3 (AE3) | Cerebro, riñón, GI, músculo liso, corazón | Intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻ | Epilepsia, ceguera | Umbral convulsivo más bajo |
| SLC4A8 (NDCBE) | Cerebro, riñón, testículos, ovario | Intercambiador Na⁺–dependiente Cl⁻/HCO₃⁻ | ? | - |
| SLC4A10 (NCBE) | Cerebro | Regulación pH (extrusión de ácido) | ? | Umbral convulsivo más alto, reducción volumen ventrículos |
AE3 es un intercambiador de aniones expresado en diversas células, incluyendo neuronas en hipocampo, corteza cerebral, cerebelo y tronco encefálico. Es un acumulador principal de Cl⁻ al mediar el intercambio electroneutro de un Cl⁻ por un HCO₃⁻. Los ratones KO para AE3 muestran un umbral convulsivo más bajo y mayor mortalidad tras exposición a agentes proconvulsivos. Se hipotetiza que esto se debe a un aumento de [HCO₃⁻]ᵢ en neuronas hipocampales, afectando la inhibición GABAérgica.
NCBE funciona como un intercambiador Na⁺-dependiente Cl⁻/HCO₃⁻. Se expresa en el cerebelo, densamente en PCs. Puede mediar el transporte hacia adentro de Na⁺ y HCO₃⁻ a cambio de Cl⁻ intracelular. Ratones KO para NCBE muestran un aumento significativo en el umbral convulsivo, apoyando el impacto de la acidosis intracelular prolongada. También mostraron reducción en el volumen de los ventrículos cerebrales. NCBE podría ser un nuevo objetivo para el tratamiento de la epilepsia.
Familia SLC26
La familia SLC26 de intercambiadores de aniones tiene 10 miembros. Cada isoforma tiene diferentes modos de transporte iónico e incluso forma canales de Cl⁻. Mutaciones en genes SLC26 causan enfermedades recesivas como condrodisplasias (A2), diarrea por cloruro (A3) y sordera (A4, síndrome de Pendred).
| SLC26 | Expresión | Función Principal | Enfermedad Humana Asociada | Fenotipo Ratón KO |
|---|---|---|---|---|
| SLC26A1 (SAT1) | Riñón, GI, hígado, pulmón | Intercambiador SO₄²⁻/Ox²⁻, SO₄²⁻/HCO₃⁻ | Urolitiasis por oxalato, nefrocalcinosis | - |
| SLC26A2 (DTDST) | Riñón, GI, condrocitos | Transportador Cl⁻/SO₄²⁻, intercambiador SO₄²⁻/Ox²⁻ | Displasia diastrófica | Displasia diastrófica |
| SLC26A3 (DRA) | GI, epidídimo, enterocitos | Intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻ | Diarrea por cloruro congénita | Diarrea por cloruro congénita |
| SLC26A4 (pendrin) | Riñón, oído interno, tiroides, pulmón | Intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻ | Síndrome de Pendred | Sordera, acueducto vestibular agrandado |
| SLC26A5 (prestin) | Células ciliadas cocleares | Intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻ | Sordera | Sordera |
| SLC26A6 (PAT1) | GI, riñón, cardiomiocitos | Intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻, Cl⁻/Ox²⁻, Cl⁻/formato | ? | - |
| SLC26A7 | Cerebro, riñón, GI, pulmón | Intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻, canal Cl⁻ | ? | Deterioro locomotor, hipoclorhidria gástrica |
| SLC26A8 | Células germinales masculinas, riñón | Intercambiador Cl⁻/Ox²⁻, Cl⁻/SO₄²⁻ | ? | Infertilidad masculina |
| SLC26A9 | Estómago, pulmón, riñón | Intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻, canal Cl⁻, cotransportador Na⁺/Cl⁻ | ? | Hipertensión |
| SLC26A11 (KBAT) | Cerebro, riñón, GI | Canal Cl⁻, intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻, control volumen, regulación pH | ? | Deterioro locomotor |
SLC26A7 funciona como un canal de Cl⁻ regulado por pH intracelular y puede operar como intercambiador Cl⁻/HCO₃⁻. Se expresa en varias regiones cerebrales, con el mayor nivel en PCs cerebelosas. Ratones KO para SLC26A7 muestran actividad locomotora alterada, sugiriendo que su falta podría alterar [Cl⁻]ᵢ o pH intracelular.
SLC26A11, conocido como KBAT (transportador de aniones riñón-cerebro), opera como canal de Cl⁻ e intercambiador. Se expresa prominentemente en PCs. Estudios en células HEK293 mostraron que KBAT puede funcionar como canal de Cl⁻ e interactúa funcionalmente con H⁺-ATPasa, ayudando en la recuperación de acidosis intracelular. En neuronas hipocampales y corticales, KBAT está directamente involucrado en la muerte celular después de edema citotóxico, una característica de la LCT. La inhibición de KBAT previene el influjo de Cl⁻ y la muerte celular. En el cerebelo, la deleción selectiva de KBAT en PCs causa una reducción significativa en [Cl⁻]ᵢ y deficits motores. KBAT podría ser un nuevo objetivo terapéutico para condiciones como la LCT.
Cotransportadores Catión-Cloruro (Familia SLC12)
La familia SLC12 (CCC) contiene 9 miembros que transportan Cl⁻ junto con Na⁺ y/o K⁺ de manera electroneutra. En neuronas, se han estudiado principalmente SLC12A2 (NKCC1) y SLC12A5 (KCC2) por su papel en la regulación de la inhibición a través de la actividad de GABAAR. Estudios tempranos reportaron patrones de expresión diferenciales durante el desarrollo, con mayor NKCC1 en cerebro inmaduro y KCC2 aumentado en cerebro adulto, explicando diferencias en [Cl⁻]ᵢ y señalización GABAérgica. Sin embargo, hallazgos recientes sugieren que NKCC1 y KCC2 no siempre explican los niveles de [Cl⁻]ᵢ, ya que su actividad es controlada por modificaciones post-traduccionales como la fosforilación.
Las isoformas SLC12 en el cerebro también participan en la regulación del volumen celular. El transporte de Cl⁻ y cationes a través de algunos CCCs se acompaña de movimiento de agua, lo que puede llevar a edema o retracción neuronal. Mutaciones en genes CCC resultan en patologías cerebrales como convulsiones, edema cerebral, déficits del desarrollo neurológico y dolor neuropático. Inhibidores farmacológicos como la bumetanida (que a bajas concentraciones inhibe específicamente NKCC1) y la furosemida, inhiben los CCCs y ejercen efectos antiepilépticos.
| SLC12 (CCC) | Expresión | Función Principal | Enfermedad Humana Asociada | Fenotipo Ratón KO |
|---|---|---|---|---|
| SLC12A1 (NKCC2) | Riñón, GI, células β pancreáticas, HNS | Cotransportador Na⁺/K⁺/Cl⁻, reabsorción salina | Síndrome de Bartter tipo I | Hipotensión severa, hipokalemia, etc. |
| SLC12A2 (NKCC1) | Amplia | Cotransportador Na⁺/K⁺/Cl⁻, regulación [Cl⁻]ᵢ y volumen celular, regulación EGABA | Deshidratación, vómitos, cardiomiopatía, esquizofrenia? | Percepción sensorial alterada, sordera, infertilidad, hipotensión |
| SLC12A3 (NCC) | Riñón, PBMC, colon, bazo, placenta, etc. | Cotransportador Na⁺/Cl⁻, reabsorción salina | Síndrome de Gitelman | Hipotensión, hipokalemia, etc. |
| SLC12A4 (KCC1) | Amplia | Cotransportador K⁺/Cl⁻, regulación volumen celular | ? | Sin fenotipo reportado |
| SLC12A5 (KCC2) | Cerebro, células β pancreáticas, células cromafines, cáncer | Cotransportador K⁺/Cl⁻, regulación [Cl⁻]ᵢ, excitabilidad neuronal, volumen celular | Epilepsia, invasión tumoral | KO completo: muerte; KO condicional: [Cl⁻]ᵢ aumentada, EGABA positivo, hiperexcitabilidad, déficits motores/aprendizaje |
| SLC12A6 (KCC3) | Amplia | Cotransportador K⁺/Cl⁻, regulación volumen celular | Síndrome de Andermann (ACCPN), epilepsia? | Hipertensión, neurodegeneración, umbral convulsivo reducido, sordera |
NKCC1, un cotransportador electroneutro Na⁺-K⁺-2Cl⁻, es un acumulador principal de Cl⁻ en neuronas. Ratones KO para NKCC1 muestran fenotipos severos como sordera e infertilidad. Se expresa fuertemente en células cerebrales, incluyendo neuronas y glía cerebelosas. Su expresión disminuye en la mayoría de las neuronas cerebelosas excepto en las células granulares (GrCs), donde permanece robusta en la edad adulta, sugiriendo mayores [Cl⁻]ᵢ en GrCs maduras.
KCC2 juega un papel crucial en la regulación del volumen celular y la excitabilidad neuronal. Bajo condiciones fisiológicas normales, el balance electroquímico dicta el eflujo de K⁺, lo que apoya el intercambio de K⁺ por Cl⁻ por KCC2, llevando a la reducción de [Cl⁻]ᵢ. Se expresa en PCs, GrCs, MLIs y núcleos cerebelosos (CN). Grabaciones en PCs de ratones KO específicos de PC para KCC2 revelaron que KCC2 es el principal extrusor de Cl⁻ de las PCs. El aumento significativo en [Cl⁻]ᵢ en PCs y GrCs KO casi eliminó la hiperpolarización inducida por GABA en PCs y causó mayor excitabilidad en GrCs. La deleción de KCC2 en PCs resultó en déficits en el rendimiento motor basal y el aprendizaje motor.
KCC3 es un cotransportador K⁺-Cl⁻ extendido, con expresión significativa en cerebro y médula espinal, incluyendo PCs cerebelosas. Ratones KO convencionales para KCC3 mostraron [Cl⁻]ᵢ aumentada en PCs y severas anormalidades motoras, además de hipertensión, neurodegeneración progresiva y sordera. Sin embargo, estudios posteriores en mutantes KCC3-KO específicos de PC no detectaron diferencias a nivel celular o conductual, sugiriendo que KCC3 funciona principalmente como regulador de volumen en neuronas maduras.
Canales de Cloruro Activados por Ligando
La inhibición hiperpolarizante fue descubierta en 1951. Desde entonces, se han investigado los mecanismos subyacentes a la regulación de [Cl⁻]ᵢ y la inhibición neuronal en varias partes del cerebro.
Receptores GABAA
El ácido gamma-aminobutírico (GABA) es el principal neurotransmisor inhibitorio en el cerebro. Los receptores GABAA (GABAARs) son canales aniónicos activados por GABA, permeables a Cl⁻ y HCO₃⁻, que median una corriente postsináptica rápida. Aunque son permeables a HCO₃⁻, la mayor permeabilidad al Cl⁻ y la mayor concentración extracelular de Cl⁻ hacen que [Cl⁻]ᵢ sea el principal determinante de la dirección de la corriente. La permeabilidad a HCO₃⁻ desplaza EGABA a valores más positivos que ECl.
Los GABAARs son proteínas pentaméricas con diversas subunidades (α, β, γ, ρ, ε, δ, θ, π). La composición de subunidades cambia durante el desarrollo y determina la cinética y propiedades farmacológicas. En el cerebelo adulto, las PCs expresan α1, β2/β3 y γ2, mediando sIPSCs rápidos. Las GrCs expresan α6, mostrando sIPSCs rápidos y lentos. La localización (sináptica vs. extrasináptica) también depende de las subunidades (γ2 sináptica, δ extrasináptica).
En el sistema olivocerebeloso, todos los tipos celulares expresan GABAARs, mediando inhibición fásica y tónica. La señalización GABAérgica es crucial en las conexiones MLI-PC y CN-IO. Los GABAARs están implicados en diversos trastornos cerebrales como epilepsia, trastornos del movimiento, autismo, etc. La eliminación de la subunidad γ2 en PCs (PC-γ2 KO) altera el patrón temporal de disparo de las PCs y causa déficits severos en el aprendizaje motor, subrayando el papel crucial de la inhibición mediada por la sinapsis MLI-PC. En la IO, los GABAARs modulan la fuerza de la respuesta inhibitoria de los CN y regulan el acoplamiento neuronal, afectando las oscilaciones locales y, a través de las fibras trepadoras, la actividad de PCs y CN.
Receptores de Glicina (GlyRs)
Los receptores de glicina (GlyRs) funcionan como canales de Cl⁻ activados por ligando. Similar a los GABAARs, median respuestas excitatorias o inhibitorias dependiendo del potencial de membrana y ECl. Se encuentran en todo el SNC, con densidades notables en médula espinal, cerebelo, hipocampo, etc. Los GlyRs también cambian su composición de subunidades durante el desarrollo (α2 en etapas tempranas, 2α1/3β en adultos).
En el cerebelo, se etiquetan en las dendritas de las células de Golgi y en las neuronas principales de los núcleos cerebelosos (CN), donde reciben entrada inhibitoria de interneuronas locales de CN. En los CN, los GlyRs median corrientes de Cl⁻ y participan en la inhibición de las neuronas principales, al igual que la entrada GABAérgica de las PCs. Mutaciones en GlyRs causan hiperekplexia o enfermedad del sobresalto. En el cerebelo en desarrollo, los GlyRs parecen expresarse transitoriamente y desempeñar papeles importantes en la maduración y organización de los circuitos.
Transportador de Aminoácidos Excitatorios 4 (EAAT4)
Los transportadores de aminoácidos excitatorios (EAATs) son cruciales para terminar la transmisión glutamatérgica mediante la captación de glutamato. Además, pueden funcionar como canales de Cl⁻ activados por glutamato y dependientes de Na⁺. EAAT4 se expresa altamente en el cerebelo con una distribución zonal parasagital desigual, muy similar a la de Zebrin II.
EAAT4 es un transportador postsináptico con expresión predominante en las espinas de las PCs donde reciben entradas de fibras paralelas y trepadoras. También se ha reportado su expresión extrasináptica. Estudios electrofisiológicos sugieren que, después de la liberación de glutamato y disparo de alta frecuencia, EAAT4 aumenta su transporte de Cl⁻, lo que podría servir como una fuerza adicional para limitar el disparo excesivo de las PCs. Dada la preponderancia de EAAT4 en las zonas Zebrin-positivas, esto encaja con las hipótesis sobre los roles de las formas zonales de potenciación y depresión a largo plazo.
El Sistema Olivocerebeloso: Un Modelo para el Estudio del Cloruro
El sistema olivocerebeloso (corteza cerebelosa, núcleos cerebelosos y oliva inferior) es un sistema interconectado donde gran parte de las interacciones neuronales dependen de la señalización GABAérgica. La salida de la corteza es exclusiva de las PCs GABAérgicas, que inhiben neuronas en los CN. Algunas neuronas de los CN son GABAérgicas y proyectan de vuelta a la oliva inferior y corteza. La inhibición en la corteza también proviene de interneuronas de la capa molecular (MLIs) que sinaptan en PCs.
La señalización GABAérgica aberrante en cualquiera de estas sinapsis provoca anormalidades en la adquisición, corrección y temporización de movimientos. La disfunción de las PCs se ha relacionado con rasgos autistas. La entrada MLI-PC determina la regularidad y frecuencia del disparo de PCs y depende de [Cl⁻]ᵢ de PCs. La malfunción o deleción de la entrada inhibitoria de MLIs a PCs altera los patrones de disparo temporal de PCs y causa fenotipos conductuales.
De manera similar, en las neuronas olivarias, [Cl⁻]ᵢ modula su excitabilidad y, por ende, la excitación de PCs, CNs y MLIs mediada por sus fibras trepadoras. La excitabilidad alterada en la IO evoca cambios a largo plazo en la actividad de las neuronas cerebelosas. El impacto de [Cl⁻]ᵢ en la señalización GABAérgica en el circuito olivocerebeloso es notable también por su papel en el control del acoplamiento eléctrico entre neuronas olivarias. La activación de la entrada GABAérgica de los CN a la IO reduce el acoplamiento, mientras que su bloqueo lo aumenta.
Así, varios componentes celulares del sistema olivocerebeloso parecen altamente sensibles a las disrupciones de [Cl⁻]ᵢ causadas por mutaciones en los transportadores y canales de Cl⁻ de la membrana plasmática.
Implicaciones Clínicas y Futuras Perspectivas
Si bien los roles de los canales y transportadores de Cl⁻ están establecidos y probados como vitales en varios órganos, su impacto en la actividad neuronal requiere más investigación. Las neuronas expresan un rico conjunto de canales y transportadores de Cl⁻, activados por diferentes vías de señalización. Los roles y regulaciones de muchos de estos en el cerebro aún no se han dilucidado.
Como hemos discutido, las proteínas transportadoras de Cl⁻ muestran patrones de expresión distintos en el cerebro y se activan a través de diferentes vías para establecer y mantener [Cl⁻]ᵢ. Investigar cómo funcionan e interactúan ayudará a desarrollar nuevas estrategias para el tratamiento de condiciones neurológicas vinculadas a la homeostasis aberrante del Cl⁻.
Los avances recientes en indicadores fluorescentes de Cl⁻ han ayudado a comprender la variabilidad en [Cl⁻]ᵢ y la señalización GABAérgica. Utilizando estos indicadores, el impacto de las proteínas transportadoras de Cl⁻ y otros mecanismos reguladores puede visualizarse simultáneamente. Sin embargo, la interpretación de las modificaciones fisiológicas y fisiopatológicas en [Cl⁻]ᵢ no es fácil, ya que la dinámica del Cl⁻ intracelular está estrechamente entrelazada con múltiples mecanismos celulares, como modificaciones del pH y regulación del potencial de membrana.
Por lo tanto, la dinámica del Cl⁻ debe investigarse combinando mediciones de Cl⁻ con imágenes de pH y grabaciones electrofisiológicas. Además, la importancia de las deleciones o mutaciones de transportadores y canales de Cl⁻ debe analizarse teniendo en cuenta las compensaciones del desarrollo. Los avances en técnicas de secuenciación genética, como el análisis de secuenciación de ARN, permiten investigar el impacto de las compensaciones genéticas.
En conjunto, estos enfoques arrojarán luz sobre las complejas interacciones de varios canales y transportadores iónicos y sus regulaciones durante el desarrollo y la edad adulta. El sistema olivocerebeloso, implicado en trastornos del movimiento y posiblemente en enfermedades como la epilepsia, sirve como un modelo valioso para desentrañar estas complejidades.
Preguntas Frecuentes sobre el Cloruro en Neuronas
- ¿Por qué es tan importante el cloruro en el funcionamiento de las neuronas?
- El cloruro es crucial para mantener la homeostasis iónica y determinar la excitabilidad neuronal, especialmente al influir en la respuesta a neurotransmisores inhibitorios como GABA y glicina. Su concentración intracelular dicta si la activación de ciertos receptores resultará en hiperpolarización (inhibición) o despolarización (excitación).
- ¿Cómo regulan las neuronas su concentración interna de cloruro?
- Las neuronas regulan su [Cl⁻]ᵢ mediante un equilibrio dinámico entre canales de Cl⁻ y transportadores de Cl⁻. Estos incluyen canales dependientes de voltaje, canales activados por calcio, transportadores sensibles al pH y cotransportadores catión-cloruro como NKCC1 y KCC2.
- ¿El cloruro siempre causa inhibición en las neuronas?
- No, aunque clásicamente se asocia con la inhibición (hiperpolarización) a través de receptores GABAA y de glicina, el efecto del cloruro depende de su gradiente electroquímico. Si la concentración intracelular de Cl⁻ es alta, su eflujo a través de estos canales puede causar despolarización y, en algunos casos, excitación.
- ¿Qué relación tiene la desregulación del cloruro con las enfermedades neurológicas?
- La homeostasis aberrante del cloruro está implicada en varias condiciones neurológicas, como epilepsia, ataxia, trastornos del espectro autista y las secuelas de lesiones cerebrales traumáticas. Mutaciones o disfunciones en los canales y transportadores de cloruro pueden alterar la señalización neuronal y contribuir a la patología.
- ¿Qué papel juegan los transportadores como NKCC1 y KCC2 en la regulación del cloruro?
- NKCC1 transporta activamente Cl⁻ hacia adentro de la célula, mientras que KCC2 lo transporta hacia afuera. El equilibrio entre la actividad de estos dos cotransportadores, y su regulación (por ejemplo, por fosforilación), es fundamental para establecer y mantener el gradiente de Cl⁻ apropiado para la función neuronal normal, especialmente durante el desarrollo.
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