Study of the role and therapeutic potential of the unfolded protein response in amyotrophic lateral sclerosis

Resumen

La acumulación y agregación de proteínas malplegadas es un rasgo histopatológico común a las principales enfermedades neurodegenerativas. El Retículo Endoplásmático (RE) es el orgánulo donde se pliegan la mayoría de las proteínas de membrana o que van a ser secretadas. Diferentes causas, como mutaciones en proteínas, pueden inducir anomalías en su plegamiento y conducir a su acumulación. Esta situación causa lo que se denomina estrés de RE y, si no se corrige, es tóxica para la neurona. Como mecanismo compensatorio para resolver el estrés de RE se activan un conjunto de vías de señalización conocidas como Unfolded Protein Response (UPR) que, una vez activada inicia programas específicos de expresión génica para reestablecer la proteostasis neuronal. Sin embargo, cuando el estrés es muy agudo o crónico en el tiempo la UPR puede inducir la muerte neuronal por apoptosis. Esta capacidad definitoria en el destino neuronal de la UPR se ha propuesto que tiene un papel clave en el proceso patológico de la esclerosis lateral amiotrófica (ELA). Sin embargo, la modulación de la UPR como diana terapéutica en la ELA mediante diferentes aproximaciones, tanto genéticas como farmacológicas, ha generado datos opuestos que no revelan con claridad cuál es el papel de la activación de la UPR en el contexto neurodegenerativo de la ELA. Para establecer, de una manera concisa, la relación entre la activación de la UPR y la muerte neuronal en la ELA, hemos desarrollado un modelo de muerte neuronal basado en la expresión de un alelo patológico (la versión mutante de la proteína superóxido dismutasa 1 (SOD1). La mutación SOD1G93A induce la activación de la UPR. Utilizando una metodología de microscopia automatizada hemos monitorizado mediante supervivencia longitudinal la toxicidad de SOD1G93A y, simultáneamente, la activación de la UPR en esas mismas neuronas mediante reporteros fluorescentes. El seguimiento individual longitudinal de neuronas nos permite estimar cuantitativamente el riesgo de muerte neuronal en diferentes condiciones experimentales así como evaluar sí factores como la activación de la UPR constituyen un factor predictor de supervivencia o muerte neuronal. Utilizando modelos de regresión de Cox hemos establecido la relación temporal y causal entre la UPR y la muerte neuronal dependiente de SOD1G93A. Una vez establecida esta relación, hemos utilizado un enfoque farmacológico de modulación de dos vías específicas de la UPR que poseen un papel fundamental determinando si la neurona muere o sobrevive; las vías de PERK (PKR-like ER kinase) y de IRE1 (inositol-requiring enzyme 1α). La inhibición de la vía de PERK con ISRIB (inhibidor que actúa downstream de esta quinasa) produjo un descenso significativo del riesgo de muerte neuronal en aquellas neuronas que expresaban el alelo patológico SOD1G93A. Por el contrario, el inhibidor directo del dominio quinasa de PERK, GSK2606414, no afectó a la supervivencia de estas neuronas. A partir de este resultado paradójico realizamos una caracterización bioquímica de las propiedades inhibitorias de ambos compuestos en condiciones de estrés de RE, lo que reveló que el tratamiento con ISRIB en neuronas (y no en las células de la glia) presenta efectos diferentes a los previamente descritos. ISRIB en neuronas es capaz de recuperar la inhibición de la traducción producida por el estrés de RE pero, contrariamente a lo esperado, permite la expresión de ATF4 (activationg transcription factor 4). Sorprendentemente, y de manera adicional, la modulación de la vía de PERK ejercida por ISRIB produce un descenso significativo de la señalización de la vía de IRE1 en aquellas neuronas que expresan la mutación SOD1G93A, lo que podría sugerir que los niveles de estrés de RE se reducen con el tratamiento de ISRIB. Estos datos indican que la modulación traduccional ejercida por ISRIB puede ser una diana terapéutica para la ELA.