A protective factor for the ageing brain. Nature

Transcripción

1 A protective factor for the ageing brain. Nature Tsai, L.-H. & Madabhushi, R. Beatriz García Santa Cruz Existen mecanismos que contribuyen a la neuroprotección durante los procesos de envejecimiento. En concreto de trata de REST, una proteína represora. La pérdida de REST en el núcleo se asocia con un aumento sustancial en la expresión de genes implicados en la apoptosis y la patología de Alzheimer en tanto la más leve (enfermedad de Alzheimer 1, AD1) como formas más graves (AD2). Su caracterización ha contribuido tanto a la creación de nuevo conocimiento, como a la apertura de un nuevo campo en el tratamiento.

2 INTRODUCCIÓN: La Enfermedad del Alzheimer es la principal causa de demencia a nivel mundial, representando entre un 60-70% de los casos según la OMS. Los destructivos efectos que provoca para la calidad de vida de los pacientes, así como el alto coste de la enfermedad que supone, en el caso de España con pacientes los cuales llevan asociados unos euros por año y paciente según datos de CEAFA, ponen de manifiesto la necesidad de encontrar tanto metodologías diagnósticas eficientes como terapias efectivas de esta enfermedad, la cual en la actualidad es de origen desconocido y con ausencia de terapias efectivas. En EE.UU y se calcula que la sufren entorno al 13 % de la población mayor de 65 años y el 33 % de los mayores de 83 años. El progresivo envejecimiento de la población, ha hecho que la preservación de la función cognitiva sea uno de los principales desafíos del siglo XXI. Una pregunta clave para plantear este abordaje es porque mientras unos individuos poseen una degeneración neuronal con el paso del tiempo, otros mantienen sus capacidades cognitivas. Esta enfermedad se caracteriza por presentar dificultades para el aprendizaje y la memoria, que posteriormente evolucionan en múltiples déficits cognitivos. A nivel neuropatológico se caracteriza por la presencia de agregados extra-celulares del péptido β-amieloide (Aβ) y ovillos neurofibrilares (formador por proteína tau). Aunque también se han encontrado pacientes con este cuadro clínico pero con ausencia de patología. El grupo de investigación, liderado por el Dr. Tao Lu, de la escuela de medicina de la universidad de Harvard, ha descrito la proteína Repressor Element 1 Silencing Transcription Factor, (REST), y su participación como elemento clave para el estudio de esta patología. Estudios anteriores concluyeron que la pérdida de neuronas es una característica intrínseca del proceso de envejecimiento, pero que este se produce con unas características más acentuadas en ciertas áreas cerebrales y con una menor incidencia en el neocórtex y en hipocampo. Sin embargo en aquellos sujetos que presentan un cuadro relacionado con demencia, siendo la más frecuente de estas la enfermedad de Alzheimer, esta zonas no presentaban esa conservación, debido a que carecen de los mecanismos de neuroprotección que si presentan los individuos sanos. Trabajos anteriores ya habían determinado que existían variaciones en la expresión génica diferencial en los procesos de envejecimiento. En concreto relacionados con el cerebro se conoce a medida que envejecemos se produce una disminución de la expresión en los genes neuronales implicados en la trascripción sináptica, como son la señalización de la uniones neuronales, la señalización mediada por calcio y el funcionamiento de los neuronas inhibitorias. Y que se ve aumentada la expresión de los genes implicados en respuesta al estrés, daño del DNA, respuestas inmunes y células apoptóticas. Sin embargo los enfermos de Alzheimer presentan también un bloqueo en la expresión de los genes asociados con la plasticidad neuronal, que permiten cambios en las vías neuronales y la formación de nuevas sinapsis.

3 RESULTADOS: REST es un represor que actúa sobre los genes neuronales durante etapas claves como son el desarrollo embrionario y la vejez sufriendo un downregulated desde la etapa postnatal, hasta el final de la vida adulta. Puesto que el Alzheimer es una enfermedad que se manifiesta en las etapas finales de la vida de los individuos, nos centraremos en el mecanismo de REST durante el proceso de envejecimiento humano. Donde esta proteína se encarga de regular genes relacionados con apoptosis, la resistencia al estés y la patología de la enfermedad del Alzheimer, y que por todos los procedimientos que se describen a continuación poseen una características como personaje principal es la preservación cognitiva durante el envejecimiento. AUMENTO DE LA EXPRESIÓN DE REST DURANTE EL ENVEJECIMIENTO, Y LA AUSENCIA DE EXPRESIÓN EN ENFERMOS DE ALZHEIMER. Para ello se midieron los niveles de REST, en extractos de la corteza cerebral dos grupos, adultos jóvenes (20-35 años); y en ancianos (73 a 106 años) que no presentaban la enfermedad de Alzheimer. Se observó que existía una correlación positiva entre el envejecimiento y la expresión tanto del m RNA como de la proteína. En cuanto a la ubicación de REST se observó que existían niveles mucho más bajos en las células microgliales y astrocitos. FIGURA 1: Muestra la expresión de REST, estudiando población joven, población anciana y enfermemos de Alzheimer, se observa que los mayores picos de expresión son en ancianos sanos. Una vez se determinó que se producía el incremento de la expresión en el envejecimiento, se examinó la expresión de REST en dos grupos, las personas con un deterioro cognitivo leve y en enfermos de Alzheimer. REST se encontraba prácticamente ausente en el núcleo de las neuronas corticales y del hipocampo en aquellas personas con Alzheimer, y ausente en el caso de las otras neuronas.

4 Estos resultados se determinaron a partir de análisis por métodos inmunocitoquímicos cuantitativos en 77 casos de Alzheimer y 72 controles negativos para esta enfermedad, y de la misma edad, ya que de esta forma permitía quitar esta variable que previamente se había determinado que poseía importancia. En el caso de personas con un deterioro cognitivo leve se observó que en 23 de los 24 casos los niveles de expresión de REST se encontraban disminuidos, respecto a la media de edad de individuos sanos. Por medio de una encuesta de regiones cerebrales de demostró que existía una reducción significativa de los niveles de REST en las regiones que se encuentran especialmente afectadas en enfermos de Alzheimer como son las neuronas corticales prefrontales y las neuronas de la CA1, CA3 y CA4 (subcampos del hipocampo), sin embargo en aquellas regiones que no se encuentran afectadas, o se encuentran en un menor grado, en esta patología como son neuronas de circunvolución dentada y el cerebelo no se observó un reducción significativa de REST en los enfermos frente a los control. Los métodos empleados fueron Western Blot de muestras de materia gris cortical prefrontal, así como núcleos corticales aislada (cuyos resultados se muestran en la figura 1); Por otra parte,el análisis de chip- PCR de núcleos neuronales mostró una reducción significativa o sitio de unión ausente REST - RE1 en relación con los controles normales de envejecimiento (figura 2). FIGURA 2: Muestra los resultados obtenidos por el análisis de chip- PCR de núcleos neuronales, se observa, por un lado la reducción de la expresión en los grupos, jóvenes y ancianos enfermos, y por otra nos permite determinar en qué zonas esta disminución de la expresión es más acentuada. (AD hace referencia a Alzheimer disaster, siento el 1 el levé y en 2 el grave.)

5 Todo este determina que REST se induce de forma natural durante el envejecimiento, pero que su expresión se encuentra notablemente reducida en enfermos especialmente en aquellas zonas en las que son más vulnerables. EL PAPEL DE REST EN LA REPRESIÓN DE GENES RELACIONADOS CON LA MUERTE CELULAR Y EL DETERIORO COGINTIVO. Con el fin de comprender el papel de REST en la neuroprotección del cerebro se estudio con qué tipo de genes interaccionaba para ello se realizó inmunoprecipitación de la cromatina. Los resultados más destacados fueron que el proceso de inhibición se produce de forma gradual y que comienza en la tercera década hasta la décima década de vida. En cuando a los genes en los que se produce el proceso son especialmente significativos los datos para las vías de muerte celular y los genes asociados a demencia. (Figura 3). A saber, asociados con la muerte celular se encuentran la p38 MAP quinasa (MAPK11), FAS, FADD, TRADD, BAX, BID, DAX, PUMA (también conocido como BBC3), el ANT1 encargado de la formación del poro de transición el al permeabilidad mitocontrial (también conocido como SLC25A4) y citocromo C. En cuanto a los que se encuentran relacionados con la demencia tenemos los genes que codifican para codifican para la gamma secretasa miembros del complejo de la presenilina 2 y presenilina 2 potenciador, ( Aß ) generación de amiloide β - proteína, y CDK5R1 (también conocido como p35 ), CDK5R2 (también conocido como p39 ), p38 MAP quinasa (también conocido como MAPK11, 12 y 14 ) y zeta (también conocido como YWHAZ ) implicado en tau (también conocido como MAPT ) Figura 3: Se muestran los resultados de células sometidas a distintos medios, como son el peróxido de hidrógeno que actúan como agente productor de estrés oxidativo, o el Aß42, un agente tóxico que se encuentran presente en cuadros con Alzheimer, frente a

6 células embrionarias con distintas capacidades para la expresión de REST. Estos datos apoyan en papel de REST como agente protector. Se determinaron que los genes diana de REST en el cerebro son los relacionados con la neurotransmisión, los que poseen característisticas pro-apoptóticas y las que se relacionan con el Alzheimer. En cuanto al mecanismo molecular por el que se produce, destaca la modificación de las histonas asociadas con H2K9ac, esto se encuentra inhibido cuando REST funciona, pero no es así cuando no lo hace, es decir en pacientes con Alzheimer. Como era de esperar este efecto es más leve en AD1, que en AD 2. (Recordar que AD1, hace referencia a demencia levé, frente a AD2 el cual se asocia con demencia grave como son las etapas avanzadas del Alzheimer. Una de las características más distintivas del presente estudio es no solo la importancia del descubrimiento sino la diversidad de técnicas empleadas para hacer este. Se han observado en ratones modelo deficientes en REST, que no poseen muestra de la pérdida de neuronas, ni de capacidad cognitiva durante el primer mes, pero que si presentan muestras de deterioro cognitivo en el octavo mes. Este resultado concuerda con todo lo visto anteriormente ya que en los primeros meses, cuando los animales son jóvenes no les afecta la pérdida del factor neuroprotector, pero a medida que envejecen estos, si que aparecen los síntomas asociados a el deterioro cuando la ausencia de este factor protector se hace patente. También se han realizado experimentos en Caenorhabditis elegans, en modelos deficientes en SPR1, SPR3 y SPR4, los que se consideran precursores del gen REST. Mostraron una mayor sensibilidad al estrés oxidativo y una esperanza de vida más corta. Esto pone de manifiesto que REST posee un papel protector en varios escenarios. MODELO DE ACCIÓN DE REST: SU PAPEL COMO NEUROPROTECTOR. Continuamos con la cuestión central del trabajo, que la pedida de REST en el trastorno de Alzheimer contribuye al deterioro cognitivo. Para ello se emplearon medidas de la función cognitiva utilizando distintas metodología neuropsiquiatrías. Los resultados fueron concluyentes y se encontró que existían una correlación positiva, tanto teniendo en cuenta una medida global de la cognición, como en estudiando las medidas por separado; memoria episódica, semántica y trabajo. Los resultados más robustos son los que correlacionaban la memoria episódica, la cual se encuentra profundamente afectada en los pacientes de Alzheimer. Es decir a mayores puntuaciones, más altos eran los niveles de REST, permitiendo por lo tanto asociar bajos niveles de esta proteína con la predictibilidad de sufrir esta neuropatología. (Figura 5).

7 Figura 4: Donde se observa que existe una relación positiva entre los niveles de REST y la edad, y frente a los sanas o pacientes con neurodegeneración. El cerebro humano se encuentra sometido a una serie agentes perjudiciales para este, es lo que se conoce como estímulos neurotóxicos, como son el estrés oxidativo o los betaamiloides. Los cuales pueden desencadenar procesos que pongan en riesgo la neurona de forma individual, influyendo en la desestabilización del colectivo nervioso y provocando cuadros de desorientación y demencia. Ante la llegada de estos estímulos se desencadenan una casada de señalización de Wnt dependientes en concreto, Wnt-3a y Wnt7a. Aunque esta vías solo son algunos de los métodos por el que REST, se induce se conocen la existencia de vías alternativas pero no cuales son estás. Mientras que ante los estímulos neurotóxicos en sujetos a partir de los 30 años, y sin Alzheimer, se induce REST inhibiendo los procesos que hemos descrito anteriormente. La ausencia de esta neuroprotección desemboca en la enfermedad de Alzheimer y otras demencias. Figura 5: Esquema explicativo del las rutas de actuación de REST.

8 CONCLUSIONES Se ha demostrado el sorprendente papel de REST como represor transcripcional en poblaciones específicas del cerebro humano, y su papel en la represión epigenética en los procesos de envejecimiento y deterioro cognitivo. A parte del papel de neuroproteción de los procesos que hemos visto a lo largo del trabajo, también aumenta la expresión de factores de transcripción en el estrés oxidativo, como la enzima antioxidante catalasa SOD1. Aparte de en el Alzheimer se sugiere que puede tener relación con otros procesos neurodegenerativos como son la enfermedad de Parkinson. Otros trabajos de los autores describen que han propuesto posibles líneas de actuación, como es la sobreexpresión de REST empleando las rutas Wnt. Sin embargo en los modelos animales en los cuales se ha probado esto han desarrollado cáncer. Posibles estrategias para un futuro son la búsqueda de vías alternativas para la expresión de Wnt, o el empleo de un mecanismo que evite la salida de REST del núcleo. Por último añadir que a nivel personal considero que debido a la importancia mencionada de esta enfermedad y de los problemas asociados a la degeneración la investigación en este campo me parece clave. Además como estudiante este trabajo me ha permitido conocer como a partir de una deducción lógica y con los experimentos correctos y mucho trabajo se pueden obtener hallazgos tan sorprendentes como este.