Caenorhabditis elegans en el Estudio de las Enfermedades Neurodegenerativas

• TITULO : Caenorhabditis elegans en el Estudio de las Enfermedades Neurodegenerativas
• AUTOR : Alexander A, Marfil V, Li C
• TITULO ORIGINAL : Use of Caenorhabditis Elegans as a Model to Study Alzheimer’s Disease and Other Neurodegenerative Diseases
• CITA : Frontiers in genetics 5(279): 1, Sep 2014
• MICRO : El sistema nervioso de Caenorhabditis elegans es simple y gran parte de las vías y moléculas de señalización son conservadas entre nematodos y mamíferos, por lo que es un modelo adecuado para estudiar la función y los circuitos neuronales asociados con cuadros neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer.

Introducción

La enfermedad de Alzheimer, cuadro degenerativo caracterizado por la pérdida progresiva de la memoria, es la sexta causa de muerte más frecuente en Estados Unidos, y afecta a más de 35 millones de personas a nivel mundial. La mayoría de los casos aparecen esporádicamente en individuos mayores de 60 años, sin un patrón de herencia claro, pero en un 5% de los casos los síntomas se presentan a edades más tempranas y se asocian con mutaciones génicas (formas familiares). En ambos tipos existen dos características neuropatológicas principales: la presencia de placas amiloides extraneuronales (placas seniles) y los ovillos neurofibrilares intraneuronales. Las primeras son agregados de péptido amiloide beta, un producto del corte de la proteína precursora de amiloide (PPA). La hiperfosforilación de la proteína tau asociada con los microtúbulos provoca su polimerización en filamentos de tipo hélice, lo que genera la formación de ovillos neurofibrilares.

Las mutaciones en el gen de la PPA (APP) o las enzimas involucradas en su procesamiento  (como las presenilinas 1 y 2) se correlacionan con la aparición temprana de enfermedad de Alzheimer. Estas mutaciones provocan aumento de los niveles tóxicos del péptido amiloide beta y neurodegeneración, pero recientemente se informó una mutación que reduce la producción de este péptido y confiere neuroprotección. La identificación del papel de la PPA ha sido dificultoso, a pesar de distintos modelos experimentales con mamíferos transgénicos, por lo que modelos con animales diferentes podrían ofrecer enfoques complementarios para aclarar la función de esta proteína, y de la proteína tau.

El objetivo de la presente revisión es discutir el uso del nematodo Caenorhabditis elegans como un modelo para estudiar la enfermedad de Alzheimer, además de otros cuadros neurodegenerativos.

 

Caenorhabditiselegans como modelo para enfermedad de Alzheimer

El nematodo no parasítico C. elegans es un organismo pequeño (de 1 mm de largo), con un ciclo de vida corto (tarda 3 días en madurar desde huevo hasta la adultez, y vive 2 a 3 semanas), cuyo genoma se encuentra completamente secuenciado desde 1998; aproximadamente un 38% de sus genes tienen un homólogo en los seres humanos, incluyendo APP ytau.

La familia de proteínas PPA consta de tres miembros: PPA, APLP1 y APLP2, de los cuales el segundo y el tercero no contienen la secuencia amiloide beta. Esta familia interviene en la viabilidad y el desarrollo cerebral, por lo que la eliminación del gen APP en ratones se asoció con defectos conductuales y cognitivos y la del APLP1 provocó retraso de crecimiento posnatal, mientras que la eliminación del gen APLP2 no provocó alteraciones considerables. Sin embargo, la eliminación simultánea de este último gen y alguno de los dos primeros se asoció con letalidad posnatal; un fragmento de PPA, el soluble alfa, parece ser responsable de la viabilidad asociada con esta proteína.

En los mamíferos, la proteína PPA es procesada por dos vías: una por la que se forma péptido amiloide beta y una no amiloidogénica, en la que una secretasa alfa corta la PPA por dentro de la secuencia de amiloide beta, y libera así el fragmento PPA soluble alfa y el fragmento C83, que luego es cortado por la secretasa gamma. En la vía amiloidogénica, por otra parte, la secretasa beta corta la proteína PPA y libera PPA soluble beta y el fragmento C99, que es cortado por la secretasa gamma, que libera entonces el péptido amiloide beta a la luz y el fragmento intracelular de PPA. En los mamíferos, la secretasa gamma consiste de varios componentes, entre ellos las presenilinas 1 y 2, unidades catalíticas del complejo cuyas mutaciones se asociaron con enfermedad de Alzheimer de aparición temprana.

Caenorhabditis elegans cuenta con un único gen relacionado con la PPA, apl-1, con dominios extracelulares que son 46% a 49% similares al gen APP de los seres humanos, y secuencia del citosol 71% similar a la de los seres humanos. No se identifica secuencia amiloide beta dentro de apl-1, y se cree que el producto de este gen es procesado por las secretasas alfa y gamma. El equivalente a las presenilinas en C. elegans son las proteínas SEL-12, y, al igual que en los seres humanos, se relacionan con la vía Notch. La falta de actividad de apl-1 se asoció con letalidad de penetrancia completa en distintas etapas del desarrollo de la larva, pero estos organismos son viables (aunque presentan retraso del desarrollo, menor tamaño y alteraciones reproductivas) cuando se conserva el dominio extracelular. El aumento de los niveles de PPA (como se observa en personas con síndrome de Down, que tienen tres copias del gen, situado en el cromosoma 21) se asoció con alta incidencia de enfermedad de Alzheimer y discapacidad intelectual.

La actividad del dominio extracelular de apl-1 sobre el desarrollo, el tamaño del cuerpo y la reproducción depende del factor de transcripción DAF-16/FOXO, regulado por la vía de la insulina. Este factor de transcripción también parece ser responsable del efecto de quimiotaxis que algunos químicos ejercen sobre C. elegans. La expresión de apl-1 en todas las neuronas se asoció con defectos del aprendizaje, del mismo modo que en animales el exceso de PPA produce defectos cognitivos, en forma independiente de la cantidad de agregado de amiloide beta, posiblemente por la concentración de la fracción soluble de PPA. En forma similar a los mamíferos, apl-1 es transportado en los axones en vesículas movilizadas por quinesinas, y en caso de que estas sufran mutaciones se observa falta de acumulación de apl-1 (por degradación proteica), sin afectar los niveles de transcriptos.

Si bien C. elegans no produce amiloide beta, puede expresar las formas 3 a 42 de esta proteína humana en el tejido muscular, lo que se asoció con parálisis dependiente de la edad que se atenuó mediante la reducción de la señalización por la vía de la insulina, efecto que a su vez fue reducible mediante la inhibición de DAF-16/FOXO. La mayor expresión de algunos tipos de hsp (proteínas de shock térmico) fue protectora sobre la parálisis, posiblemente por eliminar los agregados de amiloide beta. Otro gen que parece ser neuroprotector tanto en seres humanos como en C. elegans es REST, que suprime los defectos de las presenilinas o de SEL-12, respectivamente. La interacción de PPA con la proteína 1 relacionada con el receptor de lipoproteínas de baja densidad (LPR1) favorece el procesamiento de la primera proteína hacia la vía amiloidogénica, mientras que el uso de antagonistas de la segunda se asoció con reducción de la formación de amiloide beta. En C. elegans, organismo que no es capaz de sintetizar colesterol, la inactivación de LRP1 se asoció con letalidad en el estado de larva, posiblemente porque esta proteína colabora con la captación de colesterol del ambiente.

 

Caenorhabditiselegans como modelo para otras enfermedades neurodegenerativas

La demencia frontotemporal constituye un grupo de enfermedades neurodegenerativas caracterizadas por degeneración grave de los lóbulos frontotemporales, en ocasiones difícil de distinguir de la enfermedad de Alzheimer, si bien la primera suele aparecer más tempranamente y tiene con más frecuencia un componente genético. Dos mutaciones se asociaron con tipos específicos de esta enfermedad: la alteración en tau ligada al cromosoma 17 (FTD-17) y la provocada por proteinopatía TDP43 (FTD-TDP43, 50% de los casos con esta enfermedad). Los individuos con FTD-17 presentan cambios conductuales y síntomas similares a los de la enfermedad de Parkinson, y este cuadro se asocia con mutaciones de la proteína tau en MAPT. Alteraciones similares en C. elegans provocan un fenotipo sin coordinación, que empeora progresivamente con el tiempo, y acumulación de proteína tau insoluble, con neurodegeneración y pérdida de la respuesta al tacto. Esta vía parece estar mediada por SUT1 y SUT2 (o su homólogo MSUT en los seres humanos); si el segundo se regula por disminución provoca reducción del agregado de proteína tau. Una línea transgénica con exceso de agregación de proteína tau se asoció con movimientos sin coordinación y defectos axonales y de las estructuras presinápticas, pero los defectos en la locomoción pudieron ser suprimidos parcialmente por un compuesto de las aminotioenopiridazinas. No existen muchos casos informados de FTD-TDP43 por mutaciones puntuales, pero en un modelo con C. elegans alteraciones en genes equivalentes se asociaron con neurotoxicidad y agregación de proteínas, con fenotipo similar al de la esclerosis lateral amiotrófica (ELA). La expansión de repeticiones de un hexanucleótido en el gen C9orf72 se asoció con ELA y demencia frontotemporal, y en C. elegans esta alteración provocó defectos en la movilidad dependientes de la edad, con parálisis y degradación de motoneuronas del sistema gabaérgico.

La enfermedad de Parkinson es un cuadro neurodegenerativo que afecta el control de los movimientos corporales, como resultado de la muerte de las neuronas dopaminérgicas debido a la acumulación de sinucleína alfa en los cuerpos de Lewy. Si bien la mayoría de los casos son de causa desconocida, del 5% al 10% son cuadros familiares, por mutaciones en la sinucleína alfa (que predisponen a la formación de oligómeros y fibrillas) o los genes de la parkina, LRRK2, PINK1 o ATP13A2. Caenorhabditis elegans no produce sinucleína alfa, y su expresión se asoció con defectos en la locomoción y degeneración de neuronas dopaminérgicas, efecto que se redujo al modular por inhibición la actividad de una nucleasa mitocondrial asociada con la apoptosis.

Las alteraciones en un gen de C. elegans similar a la parkina, PDR1, se asociaron con alteración de la solubilidad y propensión a la agregación, con alteración de la homeostasis proteica. Las mutaciones en LRRK2 son la causa más frecuente de enfermedad de Parkinson de aparición tardía, posiblemente por reducir el grado de degradación de sinucleína alfa, y en gusanos transgénicos su alteración se asoció con neurodegeneración dopaminérgica, que fue evitable mediante el tratamiento con inhibidores de la quinasa. La exposición de C. elegans a la neurotoxina 6-OHDA produjo degeneración específica de neuronas dopaminérgicas, pero mutaciones en el transportador de dopamina dat-1, además de fármacos como la bromocriptina, el quinpirol y el paracetamol, redujeron la sensibilidad a este tóxico.

La ELA se caracteriza por la muerte de neuronas motoras en el cerebro y la médula espinal, con parálisis progresiva del cuerpo; aproximadamente 10% de los casos son familiares, asociados con mutaciones en varios genes, especialmente SOD1. La alteración de esta enzima en C. elegans se asoció con degeneración de motoneuronas y parálisis, pero el efecto sobre la locomoción fue reducido cuando se inhibió la señalización por insulina, posiblemente por haber evitado la acumulación de proteínas tóxicas no solubles. La exposición de este organismo a selenito sódico indujo neurodegeneración y parálisis, con menor sensibilidad cuando se redujo la vía de señalización de la insulina.

La enfermedad de Huntington es un cuadro progresivo de neurodegeneración que se hereda en forma autosómica dominante, por mutaciones en el gen IT15 que codifica la huntingtina, proteína de función desconocida. La expansión de más de 34 repeticiones de una secuencia de este gen provoca agregados de la proteína, lo que afecta el retículo endoplasmático y se asocia con los síntomas de la enfermedad: movimientos involuntarios, deterioro cognitivo y pérdida de neuronas en el núcleo estriado y capas profundas de la corteza frontal. La expresión de huntingtina en C. elegans se asoció con degeneración neuronal dependiente del tiempo, pero el proceso pudo ser evitado al modificar la apoptosis y las desacetilasas de histonas. Por otra parte, el efecto de la autofagia y la activación de genes blanco de CREB fue neuroprotector.

 

Conclusiones

El sistema nervioso de C. elegans es simple y gran parte de las vías y moléculas de señalización son conservadas entre nematodos y mamíferos, por lo que, si bien presenta varias limitaciones, es un modelo adecuado para estudiar la función y los circuitos neuronales asociados con patologías neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer.

Especialidad: Bibliografía - Neurología