Alpha-synuclein dependent mechanisms of neurodegeneration

Resumen

Alfa sinucleína (aSin) es una proteína que juega un papel fundamental en una serie de enfermedades neurodegenerativas denominadas sinucleinopatías, entre las que destaca la Enfermedad de Parkinson. Sin embargo, no se conocen con exactitud los mecanismos por los cuales esta proteína induce la muerte neuronal selectiva presente en las sinucleinopatías. Se cree que una serie de factores como un aumento anómalo en los niveles de expresión de esta proteína, o un defecto en mecanismos celulares tales como la degradación proteica, el funcionamiento mitocondrial, la respuesta al malplegamiento de proteínas o al estrés oxidativo podrían estar induciendo un daño celular que acabaría con la muerte de determinadas poblaciones neuronales especialmente vulnerables a este tipo de daños. Mutaciones puntuales y modificaciones post-traduccionales de aSin también podrían estar afectando a la toxicidad de esta proteína. Además, trabajos recientes demuestran que aSin es capaz de transmitirse entre neuronas siguiendo un patrón compatible con el modo en el que se cree que podría propagarse la enfermedad, despertando el debate acerca de la contribución de mecanismos autónomos y no autónomos en la toxicidad de aSin. Por tanto, nos planteamos estudiar los mecanismos por los cuales aSin ejerce su toxicidad. Para ello, desarrollamos un modelo neuronal basado en el seguimiento longitudinal mediante un sistema de microscopía automatizada de neuronas primarias corticales vivas que expresan distintas versiones de aSyn potencialmente relacionadas con la patología fusionadas a proteínas fluorescentes. Mediante análisis de supervivencia longitudinal describimos que la mayoría de mutaciones patológicas afectan negativamente a la supervivencia neuronal, siendo la mutante E46K la más tóxica. Decidimos por tanto tratar de explicar la causa de la toxicidad de la mutante E46K de aSin. Experimentos de pulso y caza con la proteína fotoconvertible Dendra2, que permiten establecer la vida media proteica en neuronas vivas, indican que la mutación E46K no afecta a la degradación proteica de aSin. Puesto que no detectamos ni visualmente ni por métodos bioquímicos que la mutación E46K aumente la agregación de aSin atribuimos la toxicidad de la mutante a especies solubles de aSin. Decidimos estudiar también el papel de modificaciones post-traduccionales en la toxicidad dependiente de aSin. Observamos una alta fosforilación de la serina 129, modificación considerada una marca patológica, en la mutante E46K de aSin y mediada por la quinasa PLK2. Sin embargo, la inhibición de esta fosforilación no mejora la supervivencia neuronal, sugiriendo que esta modificación es un epifenómeno y no la causa de toxicidad. También estudiamos el grado de fosforilación de la serina 129 de aSin en cerebros humanos de pacientes con sinucleinopatías. Por otra parte, la inhibición de la acetilación N-terminal de aSin parece acelerar la degradación de aSin y mejorar la supervivencia neuronal, por lo que esta modificación podría tener un papel relevante en la estabilidad y toxicidad de aSin. Por último, desarrollamos un modelo experimental con el que estudiar la contribución de mecanismos autónomos y no autónomos en la muerte neuronal en neuronas en cultivo y concluimos que la muerte neuronal asociada a la mutación E46K de aSin ocurre preferentemente mediante mecanismos autónomos, aunque puede existir un pequeño componente no autónomo ligado al número de neuronas tóxicas alrededor de una neurona sana en un radio determinado. Íñigo-Marco, I., Valencia, M., Larrea, L., Bugallo, R., Martínez-Goikoetxea, M., Zuriguel, I., & Arrasate, M. (2017). E46K α-synuclein pathological mutation causes cell-autonomous toxicity without altering protein turnover or aggregation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114(39), E8274–E8283. https://doi.org/10.1073/pnas.1703420114