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Acta Pharmacologica Sinica (2013) 34: 600604 2013 CPS and SIMM All rights reserved 1671-4083/13 www.nature.com/aps

Perspective

Induccin teraputica de autofagia para modular la progresin de trastornos neurodegenerativos.

Warren E HOCHFELD, Shirley LEE, David C RUBINSZTEIN*

Department of Medical Genetics, University of Cambridge, Cambridge Institute for Medical Research, University of Cambridge, Cam-bridge, CB2 0XY, United Kingdom

Existe cada vez ms evidencia de que agregados de protenas mal plegadas puedan tener un impacto en la funcin autofgica, sugiriendo que esto pueda ser un mecanismo patolgico secundario en varios trastornos. En este anlisis nos enfocamos en el papel de la autofagia en cuatro grandes trastornos neurodegenerativos: enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Huntington, enfermedad de Parkinson y esclerosis lateral amiotrfica.

Palabras clave: autofagia; enfermedades neurodegenerativas; enfermedad de Alzheimer; enfermedad de Huntington; Enfermedad de Parkinson ; esclerosis lateral amiotrfica; mTOR; rapamicina; IP3; litio

Acta Pharmacologica Sinica (2013) 34: 600604; doi: 10.1038/aps.2012.189; published online 4 Feb 2013

Introduccin a la autofagia.

Macroautofagia (a la que llamaremos autofagia) es iniciada por la formacin de una estructura en forma de copa, de doble membrana (el fagoforo) en el citoplasma. El origen de esta estructura an es investigado, pero actualmente, el retculo endoplsmico, el aparato de Golgi, la mitocondria y la membrana plasmtica son propuestos de ser orgenes potenciales (que puede no ser mutuamente exclusivo)[1-3]. Los bordes del fagoforo se expanden y despus se cierran para encapsular objetos citoplsmicos, como protenas oligomricas, organelos y ribosomas, atrapando de esa manera al objeto dentro de una vescula de doble membrana, llamada autofagosoma. Entonces, los autofagosomas son transportados a lo largo de los microtbulos en direccin al centro organizador de microtbulos, donde maduran por fusin con cuerpos multivesiculares y endosomas temprano y/o tardo antes de fusionarse con los lisosomas. El contenido del autofagosoma es degradado por las hidrolasas lisosmicas y los productos de degradacin son transportados de regreso al citoplasma para su reciclaje. Ha sido bien establecido que la autofagia regula funciones biolgicas importantes, como la supervivencia celular, muerte celular, metabolismo celular, desarrollo, envejecimiento, infeccin e inmunidad. A un nivel celular, el involucramiento de la autofagia en los procesos de muerte celular y la supervivencia celular parece ser complejo. La visualizacin de los autofagosomas en clulas moribundas

* To whom correspondence should be addressed. E-mail dcr1000@cam.ac.uk

Received 2012-11-09 Accepted 2012-12-20

ha llevado a ciertos grupos a concluir que la autofagia puede servir con una forma no apopttica de muerte celular programada [4]. Aunque las clulas pueden manifestar un claro aumento en el nmero deautofagosomas poco antes o durante su muerte, este fenmeno es a veces debido a defectos en la maduracin de autofagosomas y una autofagia disminuida, en lugar de aumentada[5, 6]. La mayora de la evidencia indica que la autofagia es primariamente un mecanismo de supervivencia que uno de muerte, y en el contexto de desrdenes neurodegenerativos, un consenso emergente es que la induccin de autofagia es una respuesta neuroprotectiva y que una autofagia defectuosa promueve la enfermedad.

Malfuncionamiento de autofagia y trastornos neurodegenerativas.

Existe cada vez ms evidencia de que agregados de protenas mal plegadas puedan tener un impacto en la funcin autofgica, sugiriendo que esto pueda ser un mecanismo patolgico secundario en varios trastornos. En este anlisis nos enfocamos en el papel de la autofagia en cuatro grandes trastornos neurodegenerativos: enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Huntington, enfermedad de Parkinson y esclerosis lateral amiotrfica (ELA, ALS en ingls).

Enfermedad de Huntington.

La enfermedad de Huntington es un trastorno autosmico dominante causada por la expansin de repetidos de poliglutamina en el extremo N-terminal del gen de la huntingtina. La protena mutante tiende a formar agregados y

varias inclusiones extra nucleares en los casos de aparicin tpica en los adultos. (En la ms rara aparicin juvenil, inclusiones pueden formarse en el ncleo). Las primeras pistas acerca de la habilidad de la autofagia para influenciar la acumulacin y toxicidad de protenas citoplsmicas que tienden a formar agregados asociadas con neurodegeneracin fueron hechas en modelos basados en clulas de la enfermedad de Huntington, que mostr que la inhibicin qumica de la autofagia disminua la liquidacin de estas protenas y aumentaba su toxicidad, mientras que la inducin de tal aumentaba la degradacin de estas protenas y daba proteccin. Interesantemente, la protena mutada tiene una alta dependencia en la autofagia para su liquidacin, mientras el recambio de protenas de tipo silvestre es difcilmente afectado por la autofagia. Este fenmeno puede deberse al hecho que las formas oligomricas de la protena mutante no son accesibles al proteosoma, y por eso necesitan ser degradadas por va autofgica. Por otra parte, las protenas de tipo silvestre son eliminadas con gran efectividad y rpidamente por la va de ubiquitina-proteosoma.

Enfermedad de Alzheimer.

El anlisis postmortem de cerebros con Alzheimer revele estructuras anormales que consiste de placas amiloide y de redes de neurofibrilla compuestas de agregados hiperfosforilados de la protena tau en el interior de la clula. Varios defectos genticos han sido identificados como causante de raras formas familiares de Alzheimer, como mutaciones en la protena precursora de amiloide (APP) y presenilina (PSEN) 1[9, 10]. Dentro de las neuronas, autofagosomas y endosomas parecen ser formados en procesos y transportados hacia los lisosomas ubicados en la regin perinuclear del cuerpo celular. Una caracterstica prominente del Alzheimer es la acumulacin de autofagosomas, muchos conteniendo pptido amiloide. Ha sido propuesto que defectos en el transporte retrgrado, y su consecuente afectacin el transporte vesicular en neuronas con distrofia, especialmente en aquellas con redes de neurofibrilla puede contribuir a un transporte defectuoso de autofagosomas a lisosomas. An no se sabe cuando ocurre este proceso en el curso del trastorno.

Enfermedad de Parkinson.

La enfermedad de Parkinson es caracterizada por una degeneracin selectiva en la sustancia negra y la presencia de inclusiones citoplsmicas compuestas de agregados de -sinuclena, conocidos como cuerpos de Lewy. Sobreexpresin de la -sinuclena de tipo silvestre es suficiente para causar la enfermedad de Parkinson humana, ya que esto ocurre en familias que tienen duplicaciones de este locus[12, 13]. Exceso de -sinuclena afecta la autofagia en clulas de mamferos y ratones transgnicos. Inversamente, una reduccin en los niveles de -sinuclena aumenta la autofagia en clulas y en ratones [14 ,15]. Experimentos con inhibidores y activadores de autofagia confirman que la -sinuclena de tipo silvestre es degradada por esta va [16, 17] y que en una -sinuclena de un ratn transgnico, la introduccin de un lentivirus codificante de Beclin-1 que induce autofagia aminora la patologa sinptica y dendrtica adems que disminuye la acumulacin de -sinuclena en el sistema lmbico [18].

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Esclerosis lateral amiotrfica (ELA/ALS)

La ELA es un trastorno neurodegenerativo que tiene un inicio en la adultez e involucra una muerte selectiva de neuronas motoras en el cerebro y la mdula espinal [19]. Dao mitocondrial e inclusiones de protenas anormales, como los cuerpos de Lewy [20], inclusiones de Skein [21], e inclusiones de Bunina [22], son rasgos patolgicos caractersticos de la ELA. Esta enfermedad puede ser causada por mutaciones en diferentes genes. Mutaciones en DCTN1, que codifica para p150, una subunidad de dinactina han sido implicadas con ELA familiar [23]. Ya el aparato de la dinena es requerido para el transporte de autofagosomas a los lisosomas, esto puede explicar la acumulacin de protenas con tendencia a formar agregados en esta forma del trastorno [24, 25].

La mutacin en un ESCRT (endosomal sorting complexes required for transport, complejos de clasificacin endosomal requeridos para transporte) tambin causa ELA. Clulas escasas en ESCRT tienen inhibida la degradacin autofgica, debido a la afectacin en la fusin de autofagosomas y lisosomas, causando la acumulacin de agregados marcados con ubiquitina [26]. Esto puede explicar una parte de la patologa en paciente con ELA; que tienen una mutacin en este complejo. Otra protena mutada es la VCP (valosin-containing protein, protena contenedora de valosina), que tambin parece regular la degradacin de autofagosomas [27]. Modelos mutantes de VCP acumulan autofagosomas que fallan en maduran a autolisosomas [28].

Es probable que una disminucin en el flujo autofgico contribuir a la progresin de este trastorno por la aumentacin de la acumulacin de protenas que forman agregados, mitocondrias disfuncionales y aumentando la susceptibilidad a la muerte celular.

Implicaciones teraputicas para la sobreregulacin de la autofagia.

Como muchos trastornos son causados por protenas que tienden a formar agregados asociadas con una mutacin con ganancias de funcin, una estrategia teraputica viable puede estar en reducir la acumulacin de protena txica en el citoplasma. Ciertamente, promover la eliminacin de protenas que tienden a formar agregados por una induccin farmacolgica de la autofagia ha probado ser un mecanimso til para proteger en contra de los efectos txicos de estas protenas en un rango de modelos de clulas y animales [7, 29, 30].

Enfocando la va dependiente de mTOR .

Induccin qumica de la autofagia protege las clulas contra los efectos txicos de protenas que tienden a formar agregados, asociadas con neurodegeneracin al promover su eliminacin [7] y tambin al reducir la susceptibilidad de activacin de la caspasa y apoptosis [31]. El primer medicamento conocido usado en humanos que fue identificado como inductor de la autofagia fue la rapamicina, que ya estaba siendo utilizado clnicamente en otras indicaciones. En clulas de mamferos, rapamicina inhibe la actividad de cinasas del mTOR formando un complejo con la inmunofilina FK506 protena de unin de 12 kDa (FKBP12) que se une e inactiva al mTOR llevando a la sobreregulacin de la autofagia [29, 32, 33]. El tratamiento con rapamicina aumenta la degradacin de fragmentos mutantes de huntingtina, reduce la formacin de agregados y protege contra toxicidad en la clula, Drosophila y modelos en ratones de la enfermedad de Huntington [29, 31, 34]. En modelos de clula, rapamicina promueve la eliminacin de otras protenas citoplsmicas con tendencia a formar agregados, asociadas a enfermedad, incluidas ciertas protenas mutadas asociadas con ataxias espinocerebelosas, formas mutantes de -sinuclena implicadas en Parkinson y tau mutante responsable de demencia fronto-temporal [29, 35, 36]. Es probable que la autofagia regula la degradacin de especies solubles en SDS de estas protenas y que la formacin de agregados grandes visibles en el microscopio ptico es influenciada por la autofagia degradando los ms pequeos precursores de agregado. En modelos de Drosophila de estos trastornos, los beneficios de la rapamicina parecen ser dependientes de la propia autofagia, ya que el medicamento no tuvo efecto en la toxicidad proteinopatolgica en moscas expresando estas protenas mutantes cuando la actividad de diferentes genes de autofagia estaba reducida [29, 37, 38]. Consistente con los datos obtenidos de la Drosophila, el anlogo de la rapamicina reduce los niveles, tanto de la huntigtina mutante y de ataxina-3, adems de aminorar la toxicidad en modelos de ratones con Huntington y ataxia espinocerebelosa tipo 3, respectivamente [39, 40].

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Figura 1. Una representacin esquemtica de autofagia, mostrando las etapas afectadas en trastornos neurodegenerativos selectos. En condiciones de inanicin, o deprivacin de factor de crecimiento, la autofagia es estimulada por el blanco de la rapamicina en mamferos (inhibicin de mTOR). La autofagia comienza con la formacin de una estructura de doble membrana en forma de copa, llamada fagoforo. Esto es seguido por una elongacin de la membrana y fusin para formar un autofagosoma completo, encapsulando protenas mutantes y/o que tienden a formar agregados como un exceso de alfa-sinuclena del citoplasma. Autofagosomas son entonces, transportados a lo largo de microtbulos por dneinas motoras hacia los lisosomas, donde ocurre la fusin autofagosoma-lisosoma, generando un autofagolisosoma. Exceso de alfa-sinuclena interrumpe la iniciacin autofgica en el Parkinson (PD). En la esclerosis lateral amiotrfica (ALS/ELA), mutaciones en el complejo de dinena/dinactina inhibe el transporte de autofagosomas a los lisosomas. Fusin ineficiente de autofagosomas y lisosomas y defectos en la acidificacin de lisosomas contribuye a la patognesis en algunas formas de la enfermedad de Alzheimer (AD).

Enfocando a la va independiente de mTOR.

La desventaja de enfocarse en el TOR es que disminuye el control de varios procesos celular, incluidos, la represin de biognesis de ribosomas y traduccin de protenas [29, 41]. Estos procesos probablemente contribuyan a las complicaciones vistas con su uso a largo plazo. En consecuencia, ha habido una serie de estudios para identificar nuevos compuestos para la sobreregulacin de autofagia con el subsecuente descubrimiento de vas independiente de rapamicina [42].

Por ejemplo, el litio, un medicamento usado para estabilizar el humor usado por tratamiento a largo plazo de desrdenes afectivos facilita la degradacin de huntingtina mutante en clulas con Huntingtion y en modelos de Drosopgila al reducir niveles IP3 y reduciendo las protenas asociadas a mutacin, agregacin y toxicidad [43]. Consistente con el papel de IP3 en autofagia, inhibicin farmacolgica de la IP3R por xesto-spongina B tambin induce autofagia [44]. Adicionalmente, valproato sdico y carbamazepina, que inhiben sntesis de inositol y de esa manera reducen los niveles de IP3, tambin reducen la agregacin de huntingtina mutante y su toxicidad en modelos de clulas con Huntington y protegen contra neurodegeneracin en modelos de Drosophila con Huntington [43, 45, 46]. Rilmenidina, un antagnico de los receptores 1 de imidazolina aumenta la eliminacin de huntingtina mutante y reduce toxicidad en modelos de ratones con Huntington [30].

Ya que este medicamento es un agente hipertensivo, centralmente activos con efectos secundarios mnimos, actualmente se est probando en pacientes con Huntington.

Perspectivas futuras.

Para muchos trastornos, la sobreregulacin de autofagia es un objetivo teraputico prometedor. Combinando el concimiento de los mecanismos potenciales del compromiso de autofagia en proteinopatas neurodegenerativas con el conocimiento de un rango de vas sealizadoras y medicamentos disponibles para controlar la autofagia puede aumentar el desarrollo de terapias ptimas.

Acknowledgements

La DCR is financiada por una Wellcome Trust Principal Fellowship, a Wellcome Trust/MRC Strategic Grant on Alzheimers dis-ease, the Tau Consortium, y the Biomedical Research Unit in Dementia at Addenbrookes Hospital. Estamos agradecidos con la HMs Government of Brunei Darussalam (SHFL), The Oppen-heimer Memorial Trust, The Cambridge Commonwealth Trust and The Higher Education Funding Council for England (WEH).

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