Repositorio Institucional de Documentos

1 ÍNDICE 1. RESUMEN...................................................................................................................................2 2. INTRODUCCIÓN........................................................................................................................ 3 2.1. Antecedentes..................................................................................................................... 3 2.2. Objetivos............................................................................................................................ 4 3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA....................................................................................................... 5 3.1. Características de la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA)............................................... 5 3.1.1. Definición de la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA)....................................5 3.1.2. Variantes y Etiología de la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) ................. 6 3.1.3. Patogenia de la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) .................................. 6 3.1.4. Sintomatología de la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) .........................11 3.1.5. Diagnóstico de la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) .............................. 12 3.1.6. Tratamiento de la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA)............................. 13 3.2. Apoptosis..........................................................................................................................15 3.3. Autofagia ..........................................................................................................................18 3.4. Implicación del músculo esquelético en la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA).........23 4. MATERIALES Y MÉTODOS..................................................................................................... 26 4.1. El modelo animal: Ratón SOD1 G93A .................................................................................. 26 4.2. Extracción de muestras biológicas................................................................................. 26 4.3. Preparación de cortes histológicos de tejido muscular y tinción con hematoxilina-eosina..................................................................................... 26 4.4. Medición de la expresión proteica..................................................................................27 4.5. Estadística........................................................................................................................ 29 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................................................... 30 5.1. Activación de la apoptosis mediada por caspasa 3 en estadio sintomático temprano .................................................................................................... 30 5.2. Disminución del proceso de autofagia y bloqueo de la apoptosis mediada por caspasa 3 en el estadio sintomático......................................................... 33 5.3. Activación de la autofagia en los estadios terminales de la enfermedad.....................37 6. CONCLUSIONES ......................................................................................................................41 7. BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................................... 42 8. ANEXOS ...................................................................................................................................51 2 1. RESUMEN La Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) es una enfermedad neurodegenerativa progresiva y fatal, caracterizada por una degeneración de las neuronas motoras y una atrofia muscular y posterior parálisis muscular, que desembocan la muerte del paciente, normalmente por parada respiratoria, entre los 2 y 5 años desde el inicio de los síntomas. Hasta el momento, se ha considerado una enfermedad originada por alteraciones primarias en las motoneuronas, sin embargo, recientes estudios ponen de manifiesto que otros tejidos, como el tejido muscular esquelético, pueden estar implicados en su etiopatogenia. Uno de los rasgos patológicos que se ha descrito en la ELA es una alteración de los mecanismos que regulan la muerte celular, en particular, apoptosis y autofagia. El objetivo fundamental del presente trabajo se basó en el estudio de los niveles de expresión proteicos de marcadores de apoptosis (BAX, BCL-2, CSP3 y PROCSP3) y de autofagia (ATG5, BECLIN1, E2F1 y LC3) en músculo esquelético del modelo murino SOD1 G93A en los tres estadios principales de la enfermedad. Los resultados mostraron una activación significativa de los niveles de expresión de todos los marcadores de apoptosis estudiados en el estadio sintomático temprano. Sin embargo, en el estadio sintomático, no se observaron niveles significativamente elevados de ningún marcador de autofagia ni de apoptosis. Finalmente, en el estadio terminal, todos los marcadores de autofagia mostraron un incremento significativo en sus niveles de expresión. Estos resultados parecen indicar que la apoptosis se encuentra activada en etapas tempranas de la enfermedad, mientras que la autofagia comienza a activarse en etapas más tardías. Los niveles de expresión que se registraron para la proteína p62, que está estrechamente relacionada con el sistema de degradación proteíco ubiquitina-proteasoma (UPS), autofagia (macroautofagia) e incluso con la apoptosis, parecen indicar que en el estadio central de la enfermedad, en el que no se observa una activación de ningún marcador de autofagia ni de apoptosis, podría jugar un papel relevante la activación del UPS. Con estos resultados, podemos concluir que tanto la apoptosis como la autofagia participan en la regulación de la muerte celular en el músculo esquelético de animales transgénicos SOD1 G93A modelo para la ELA, siendo necesarios estudios posteriores para determinar si la modulación de estos procesos podría servir como diana terapéutica. 3 2. INTRODUCCIÓN 2.1. A NTECEDENTES . La Esclerosis Lateral Amiotrófica es una enfermedad neurodegenerativa fatal que cursa con la degeneración de las motoneuronas y atrofia muscular. Su evolución es rápida, y los pacientes presentan, en general, una supervivencia de 2 a 5 años desde el inicio de los síntomas. Actualmente existen unos 4.000 pacientes afectados de ELA en España, con una media de edad de 55 años, y con una incidencia de 2 nuevos casos por 100.000 habitantes cada año. En la actualidad, sólo existe un fármaco aprobado para el tratamiento de la ELA con efecto sintomático, el riluzol, pero no ha demostrado ninguna utilidad con relevancia clínica para frenar la progresión de la enfermedad, por lo que hasta la fecha, el tratamiento es básicamente sintomático y paliativo. A pesar de las numerosas hipótesis planteadas para tratar de explicar los mecanismos que desencadenan esta enfermedad, la causa es desconocida, salvo en las formas genéticas. Sin embargo, todo apunta a que se trata de un proceso multifactorial. Desde el descubrimiento de la ELA, el eje principal de los estudios se centraba en la degeneración de las motoneuronas. No obstante, existen estudios que demuestran que existen otros tejidos implicados en la enfermedad y que pueden tener un papel importante en su etiopatogenia. Concretamente, el papel del músculo parece ser importante, planteándose la posibilidad de que su alteración generase una desestabilización de las uniones neuromusculares que conllevara finalmente a la degeneración de las motoneuronas. Si este tejido también estuviese afectado sería de gran importancia en la búsqueda de nuevos tratamientos, ya que el tejido muscular es más accesible que el Sistema Nervioso Central. Dentro de esta línea de investigación que se está llevando a cabo en nuestro laboratorio nos interesó conocer cómo se comportaban distintas formas de muerte celular y degradación de proteínas en el músculo esquelético. Los resultados obtenidos además de ayudar al conocimiento de la patogenia en dicho tejido y al conocimiento de la enfermedad podrán ayudar en un futuro al desarrollo de posibles tratamientos contra la misma. 4 2.2. O BJETIVOS . El objetivo general del presente trabajo consiste en conocer los principales mecanismos que regulan la muerte celular en los modelos animales de ELA a nivel muscular a lo largo de la enfermedad. Para alcanzar este objetivo general, será necesaria la consecución de los siguientes objetivos específicos: 1) Estudiar los marcadores relacionados con el proceso celular de apoptosis en distintos estadios de la enfermedad. 2) Estudiar los marcadores relacionados con el proceso celular de autofagia en distintos estadios de la enfermedad. 3) Estudiar el marcador p62 relacionado tanto con la autofagia como con el sistema ubiquitina-proteasoma (UPS) en distintos estadios de la enfermedad. 5 3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 3.1. C ARACTERÍSTICAS DE LA E SCLEROSIS L ATERAL A MIOTRÓFICA (ELA). 3.1.1 D EFINICIÓN DE LA E SCLEROSIS L ATERAL A MIOTRÓFICA (ELA). La esclerosis lateral amiotrófica es una enfermedad neurodegenerativa, progresiva y letal que afecta a las motoneuronas. También se denomina enfermedad de Lou Gehrig, enfermedad de Charcot o enfermedad de la motoneurona. Se caracteriza por una degeneración progresiva de las neuronas en la corteza motora primaria, tronco encefálico y médula espinal, y por atrofia muscular. La muerte selectiva de las motoneuronas conduce a una parálisis de los músculos voluntarios, que comienza focalmente y se disemina siguiendo un patrón que sugiere que la degeneración se dispersa entre grupos contiguos de motoneuronas. Los pacientes presentan, en general, una supervivencia de dos a cinco años desde el inicio de los síntomas [1]. Fue descrita por primera vez por Charcot en 1865, y se encuentra clasificada dentro del grupo de las denominadas enfermedades raras, ya que afecta aproximadamente al 0,05% de la población. Actualmente existen unos 4.000 pacientes afectados de ELA en España, con una media de edad de 55 años, y la incidencia es de 2 nuevos casos por 100.000 habitantes cada año, siendo la prevalencia de 1/10.000, mayor en hombres que en mujeres, lo que indica que aproximadamente 40.000 españoles vivos desarrollarán la enfermedad a lo largo de su vida. La ELA pertenece al grupo de enfermedades conocidas como enfermedades de la motoneurona (MN). En ella se ven afectadas tanto las motoneuronas superiores (MNS) como las inferiores (MNI), cursando con un endurecimiento de las columnas laterales de la médula espinal (de ahí el nombre de “esclerosis lateral”) y con atrofia muscular acompañada de debilidad y fasciculaciones (“amiotrófica”). En condiciones normales, las motoneuronas superiores (MNS) que se encuentran en el córtex motor del lóbulo frontal, envían sus axones al tronco del encéfalo (neuronas corticobulbares) así como a la médula espinal (neuronas corticoespinales), influyendo en el patrón de actividad de las motoneuronas inferiores (MNI), que se localizan en el tronco del encéfalo y la médula espinal, e inervan el músculo estriado. Es este sistema el que se ve alterado en la Esclerosis Lateral Amiotrófica. El cuadro producido por la alteración de las MNS incluye hiperreflexia, respuesta plantar extensora y aumento del tono muscular. Las MNI se localizan en el tronco del encéfalo y la medula espinal e inervan el músculo estriado. Entre los signos de perturbación de las MNI se encuentran la debilidad, debilitamiento muscular, hiporreflexia, espasmos musculares y fasciculaciones. Esta enfermedad se caracteriza también por la ausencia de síntomas sensoriales y porque los músculos que controlan el movimiento de los ojos, así como los esfínteres urinarios, no se ven afectados [2, 3]. 6 La ELA es una enfermedad de origen desconocido, salvo las formas genéticas; se han dado numerosas hipótesis para tratar de explicar los mecanismos que desencadenan esta enfermedad, sin embargo todo apunta a que la causa no sea única, sino multifactorial. Al no conocerse las causas por las que se produce la enfermedad, resulta muy difícil encontrar un tratamiento efectivo. Actualmente, existe un único fármaco aprobado para el tratamiento de la ELA con efecto sintomático, el riluzol, pero no ha demostrado ninguna utilidad con relevancia clínica para frenar la progresión del proceso degenerativo. 3.1.2 V ARIANTES Y ETIOLOGÍA DE LA E SCLEROSIS L ATERAL A MIOTRÓFICA (ELA). La esclerosis lateral amiotrófica se puede dividir en dos variantes, atendiendo a su etiología: ELA familiar y ELA esporádico. La ELA familiar supone tan sólo entre el 5% y el 10% de los casos de ELA [4]. La herencia de la enfermedad es autosómica dominante, aunque se han detectado algunos casos de herencia recesiva. La edad media de aparición de la ELA familiar es de unos 54 años y la supervivencia de los pacientes suele ser menor que en el caso de la ELA esporádica [5, 6]. Sus causas son genéticas, y se asocia con alteraciones de distintos genes, entre los que destaca el gen de la enzima antioxidante Cu/Zn superóxido dismutasa 1 (SOD1) [7]. El 20% de los casos se asocia a mutaciones de este gen [8], de las que se han identificado más de 125 a lo largo de los 5 exones del mismo. 114 de las mutaciones causan enfermedad, siendo las más conocidas la mutación G93A (cambio de guanina por alanina en la posición 93) y G85R (cambio de guanina por arginina en la posición 85) [9]. La ELA esporádica supone la mayoría de los casos (entre el 90 y el 95%), en los que no existe una historia familiar de ELA previa. La edad media de aparición es de 64 años [10], y sólo el 5% de los casos presentan un inicio de la patología antes de los 30 años [11]. Existen diversas teorías que intentan explicar la causa de esta enfermedad, entre las que se incluyen causas ambientales, como presencia de metales pesados, fertilizantes, insecticidas, herbicidas, así como factores físicos y dietéticos [12]. Algunos autores apuntan a la posibilidad de que existan causas infecciosas [13], e incluso que se relacione con fenómenos de autoinmunidad [14], o con procesos tumorales, aunque no se ha demostrado una relación directa entre ambos [15]. Según todo lo anterior, la etiología de la ELA esporádica permanece desconocida salvo en los casos genéticos en los que se ha demostrado la herencia, aunque parece que su causa podría ser multifactorial. 3.1.3. P ATOGENIA DE LA E SCLEROSIS L ATERAL A MIOTRÓFICA (ELA). Los rasgos patológicos característicos en la ELA son la degeneración y la pérdida selectiva de motoneuronas. Sin embargo, hasta la fecha no se han descubierto los mecanismos moleculares precisos que provocan la muerte de dichas células. La falta 7 de un tratamiento eficaz para esta enfermedad condiciona un gran esfuerzo en el conocimiento del proceso patogénico que desemboca en la muerte de la motoneurona. El estudio de la patogenia de la enfermedad ha avanzado en gran medida debido a la existencia de los modelos animales, cuyo desarrollo fue posible gracias a la asociación de las mutaciones de la enzima SOD1 con la ELA familiar [16]. Por tanto, la mayoría de los mecanismos patogénicos que se describirán a continuación derivan de las observaciones de la forma familiar de ELA. A pesar de que no existen tantos datos sobre la patogenia de la ELA esporádica y, debido a que los perfiles clínico y patológico de ambos tipos de ELA son similares, se podría extrapolar que los conocimientos obtenidos a partir de estudios sobre las mutaciones de genes causantes de la ELA familiar, podrían ser aplicados a la ELA esporádica. Existen numerosas teorías propuestas para intentar explicar la patogenia de la ELA [1, 17]. Algunas de las causas más probables se abordarán de forma breve a continuación, mientras que los procesos de muerte celular abordados en el trabajo de laboratorio se explicarán de forma más exhaustiva en posteriores apartados.  Toxicidad inducida por la proteína SOD1 mutada. La función mejor conocida de la SOD1, una enzima homodimérica expresada ubicuamente y compuesta por 153 aminoácidos, consiste en convertir el anión superóxido, un subproducto tóxico derivado de la fosforilación oxidativa de la mitocondrias, en agua o peróxido de hidrógeno. Las distintas mutaciones del gen SOD1 que provocan ELA familiar afectan tanto a la estructura primaria (cambio de la secuencia aminoacídica) como terciaria de la proteína (problemas de plegamiento proteico o plegamiento anómalo). Se conocen más de 100 mutaciones, y todas menos una (SOD1 D90A , en la que existe una sustitución de aspartato por alanina), causan ELA con herencia autosómica dominante [18, 19]. Existen dos grandes teorías sobre la función patológica de la SOD1 mutada. Por un lado, la proteína mutada perturba el metabolismo del oxígeno, induciendo estrés oxidativo, y por otro, el problema primario es la inestabilidad conformacional y el plegamiento anormal del péptido inducido por la mutación, produciéndose agregados proteicos. En cualquier caso, la alteración de las propiedades biofísicas de la proteína SOD1 induce diversos fenómenos patogénicos en la motoneurona, como por ejemplo, alteraciones del metabolismo DNA/RNA, del transporte axonal, de la función del retículo endoplásmico (RE), del aparato de Golgi, de los proteasomas y de las mitocondrias, en las cuales tiene lugar una disminución de la producción de ATP, aumentando la liberación del calcio libre. Como consecuencia de todo ello, se induce estrés en el RE y se activan las cascadas apoptóticas. El proceso patológico influye también en la activación y disfunción de los astrocitos y la microglía. La captación de glutamato por parte de los astrocitos se encuentra reducida, contribuyendo a un exceso de glutamato extracelular y a la excitotoxicidad. La microglía segrega citoquinas (TNF-α), que podrían ser tóxicas y 8 causar daño celular. Por tanto, el proceso de muerte de las motoneuronas refleja una compleja interacción entre fenómenos intrínsecos (autónomos) y extrínsecos (no autónomos celulares) [1] (Figura 1). Figura 1. Representación del daño provocado por la toxicidad de SOD1 mutada sobre múltiples funciones celulares. (CytC, citocromo c; EAAT2, transportador de aminoácidos excitatorios 2) [1]. Actualmente, todavía se desconoce el mecanismo por el cual la proteína SOD1 mutada causa la degeneración de las neuronas motoras. Sin embargo, lo que sí parece estar claro es que la toxicidad mediada por SOD1 no se debe a una pérdida de la función de la enzima, sino a la ganancia de una o más propiedades tóxicas, que son independientes de los niveles de actividad de la enzima [20, 21] y que resultan tóxicas para la célula.  Excitotoxicidad del glutamato. El glutamato es el principal neurotransmisor excitatorio del sistema nervioso central (SNC) de los mamíferos, siendo el responsable de una tercera parte de la actividad sináptica excitatoria [22]. Durante la neurotransmisión fisiológica, el glutamato es 15 Otro enfoque consistiría en el transporte autólogo de células madre que sustituyeran a las motoneuronas afectadas, pero hasta la fecha, no ha habido resultados satisfactorios en estudios con pacientes humanos [50, 51]. Por último, destacar la importancia que están cobrando actualmente las células madre pluripotenciales inducidas (iPS, induced Pluripotent Stem Cells), que se obtienen a partir de la transformación de otras células del organismo (por ejemplo, fibroblastos cutáneos) en células madre inducidas, muy semejantes a las células madre utilizadas hasta la fecha, para posteriormente convertirlas en el tipo celular deseado, en este caso, motoneuronas [52]. Su uso podría permitir la producción de células propias del paciente concreto y el tratamiento, no sólo de la esclerosis lateral amiotrófica, sino de muchas enfermedades neurodegenerativas y de otros tipos. 3.2. A POPTOSIS . La apoptosis es un proceso de muerte celular programada que en condiciones fisiológicas conlleva a la eliminación eficiente y ordenada de células dañadas o innecesarias [53]. Se produce de manera fisiológica durante el desarrollo y conforme avanza la edad, así como en la en el mecanismo homeostático para mantener fijo el número de células en los tejidos. Además, también puede activarse como un mecanismo de defensa, como en las reacciones inmunitarios o cuando las células han sido dañadas por patologías o agentes tóxicos [54]. La apoptosis posee unas piezas centrales de su mecanismo que son las caspasas. Las caspasas (cisteín proteasas con especificidad por el aspartato) son una familia de proteínas intracelulares implicadas en la iniciación y ejecución de la apoptosis. Se sintetizan como pro-enzimas y son activadas mediante cortes específicos por residuos aspartato. Tras la activación, las caspasas cortan otras moléculas diana intracelulares, incluyendo otras caspasas, resultando en una cascada de muerte celular amplificada [55]. Las caspasas de dividen en tres grupos principales: las caspasas iniciadoras (caspasa 2, 8, 9 y 10), las efectoras (caspasa 3, 6 y 7) y las inflamatorias (caspasa 1, 4 y 5). Las caspasas iniciadoras, como su propio nombre indica, comienzan la cascada apoptótica, mientras que las efectoras ejecutan la apoptosis como tal, alcanzando en ese momento la célula el denominado “punto sin retorno”, es decir, la célula está destinada a morir por este proceso. Además de estos grupos de caspasas, existen otras como la caspasa 11, la 12, la 13 y la 14, con diferentes funciones [53, 54]. Hasta la fecha, se conocen dos vías principales de apoptosis: la vía extrínseca o de los receptores de muerte (death receptors, DR) y la vía intrínseca o mitocondrial. Sin embargo, ambas vías están interconectadas, y moléculas implicadas en una de ellas puede influir en la regulación de la otra [56]. Existe una vía apoptótica adicional en la que está implicada la toxicidad mediada por células T y el complejo perforinagranzima. Este mecanismo es utilizado por los linfocitos T para eliminar células 16 diana mediante la perforación con este complejo de sus membranas plasmáticas [57]. La vía extrínseca implica la iniciación de la apoptosis mediante receptores de muerte (death receptors, DR) en la membrana plasmática. Estos DR son miembros de la superfamilia de receptores del factor de necrosis tumoral o TNF [58]. A través de la unión de un ligando específico a los DR, se desemboca una cascada bioquímica que resulta en la activación de la procaspasa 8 a caspasa 8 activada, la cual en última instancia activa la procaspasa 3 a caspasa 3 activada. Finalmente, la caspasa 3 activada ejecuta la apoptosis celular [54]. La vía intrínseca implica la iniciación de la apoptosis como resultado de una alteración de la homeostasis intracelular y es independiente de estímulos mediados por receptores, a diferencia de la vía extrínseca. En este proceso, las mitocondrias presentan una función crucial para su ejecución. Los estímulos que inicien la apoptosis por esta vía pueden ser de dos tipos, negativos y positivos. Los negativos implican la ausencia de ciertos factores de crecimiento, hormonas o citoquinas, lo que conlleva el desbloqueo de la apoptosis y su consecuente activación. Los estímulos negativos, por su parte, consistirían en exposición a radiación, toxinas, hipoxia, hipertermia, infecciones virales y radicales libres, que con su presencia estimulan la apoptosis celular [54]. Todos estos estímulos apoptóticos provocan cambios en la membrana mitocondrial, dando lugar a un incremento de su permeabilidad, y liberación de moléculas presentes en el espacio intermembrana al citosol celular. Entre estas proteínas se encuentra el citocromo c, SMAC/DIABLO y la serina proteasa HtrA2/Omi [54, 59]. Estas proteínas activan la vía apoptótica mitocondrial dependiente de caspasas. El citocromo c se une a Apaf-1 y lo activa, y hace lo mismo con procaspasa 9. Este complejo se denomina “apoptosoma” [60]. Así, la procaspasa 9 se activa a caspasa 9 y esta activa caspasa 3, desencadenando así la apoptosis [54]. El control y la regulación de este proceso de apoptosis lo llevan a cabo miembros de la familia de proteínas Bcl-2 [61]. Estas proteínas controlan la permeabilidad de la membrana mitocondrial y pueden ser anti-apoptóticas o pro-apoptóticas. Algunas de las proteínas anti-apoptóticas son Bcl-2, Bcl-X, Bcl-XL, Bcl-XS, Bcl-w y BAG, mientras que en el grupo de las pro-apoptóticas se incluye Bax, Bcl-10, Bak, Bid, Bad, Bim, Bik yBlk, entre otras. Estas proteínas tienen la función especial de determinar si la célula llega a sufrir apoptosis o aborta el proceso y sobrevive. Parece ser que el principal mecanismo de acción de la familia Bcl-2 consiste en la regulación de la liberación del citocromo c de la mitocondria, mediante la alteración de la permeabilidad de la membrana mitocondrial [53, 54]. Por lo tanto, las proteínas antiapoptóticas actuarían impidiendo su liberación, mientras que las pro-apoptóticas harían lo contrario. Una vez revisado el mecanismo general de las dos principales vías de apoptosis, conviene señalar que aunque los mecanismos de iniciación de ambas vías son distintos, ambos desembocan en una misma fase efectora (consistente en la activación de caspasa 3) y la consecuente apoptosis de la célula. Es decir, las dos 17 vías están interrelacionadas entre sí, e incluso moléculas de una pueden afectar las de la otra [54] (Figura 4). Figura 4. Representación esquemática de las tres vías apoptóticas. Cada vía posee su propia caspasa iniciadora (caspasa 8 para la vía extrínseca; caspasa 9 para la vía intrínseca; y caspasa 10 para la vía perforina/granzima), pero todas confluyen en la caspasa 3 efectora [54]. Diversas investigaciones sugieren que puede existir una relación entre apoptosis y ELA. Estudios en motoneuronas in vitro revelan que las mutaciones de la SOD1 inducen apoptosis [62]. En particular, la activación temprana de caspasas mediada por SOD1 mutada podría iniciar un proceso lento y progresivo de muerte celular que destruiría finalmente las motoneuronas y células adyacentes. La proteína SOD1 mutada también parece alterar la función mitocondrial, ya que se han encontrado alteraciones mitocondriales en pacientes de ELA, e incluso la propia SOD1 en las mitocondrias de animales modelo, no sólo en el citoplasma [63]. Además de esto, Reyes y cols. Demostraron en un trabajo reciente que el bloqueo de la vía mitocondrial en un animal modelo de la enfermedad conllevaba un aumento de la supervivencia de los mismos, y prevenía la apoptosis de las motoneuronas, la alteración del transporte axonal, la pérdida de peso y la parálisis. Este estudio mostró pues que, al menos la vía mitocondrial, está implicada de alguna forma en la muerte de las motoneuronas en ELA [64]. Por otro lado, se ha observado que en la región lumbar de la médula espinal de ratones SOD1 G93A asintomáticos, la expresión proteica de Bcl2 y Bcl-xL (antiapoptóticos), así como la expresión de Bad y Bax (pro-apoptóticos) era similar a los ratones wildtype. Sin embargo, en SOD1 G93A sintomáticos la expresión de Bcl2 y BclxL se redujo, mientras que la de Bad y Bax aumentó [65]. 18 Al ser tan superponibles los cuadros de ELA familiar y esporádica, parece lógico pensar que la apoptosis podría ser la vía final común de la muerte de las motoneuronas. Hasta el momento, esta hipótesis de muerte por apoptosis es la más aceptada, aunque existen otras teorías alternativas propuestas para explicar la degeneración de las motoneuronas. 3.3. A UTOFAGIA . La autofagia consiste en una serie de procesos catabólicos en los que distintos materiales citoplasmáticos (proteínas, orgánulos, etc) son secuestrados en autofagosomas y degradados mediante la fusión con lisosomas y su digestión por las hidrolasas que contienen. Generalmente, la palabra autofagia se refiere a la macroautofagia (ya que es cuantitativamente el mecanismo más importante), aunque hay dos tipos más de autofagia, que son la autofagia mediada por chaperonas y la microautofagia [66]. La autofagia es un proceso altamente conservado desde las levaduras hasta los humanos, y está implicada en la degradación de proteínas de vida media larga y orgánulos dañados [67]. A nivel basal, juega un importante rol en la homeostasis celular, a través de la degradación de proteínas, agregados de proteínas y orgánulos, participando de forma fisiológica en el crecimiento celular, en el desarrollo y en la homeostasis celular, y ayudando a mantener un equilibrio entre la síntesis, degradación y reciclaje de los productos celulares. El proceso ocurre en condiciones basales en los mamíferos, y puede verse activada más intensamente por estímulos estresantes como la privación de nutrientes, diversas patologías, o el tratamiento con algunos agentes farmacológicos como la rapamicina [66]. Por ello, una disfunción de la autofagia parece estar implicada en la patogenia de varias enfermedades, como el cáncer, enfermedades infecciosas y enfermedades neurodegenerativas [66, 68]. También es importante mencionar el papel complementario del sistema proteasoma-ubiquitina (UPS), que junto con la autofagia son las dos mayores rutas de degradación de proteínas intracelulares en el interior de las células. El UPS es un complejo proteolítico que une sustratos ubiquitinados y degradados [69]. El papel de este mecanismo es reseñable, ya que está interrelacionado con la autofagia, y parece ser que ante un acúmulo de proteínas alteradas, actúa en primera instancia para eliminarlas aunque en conjunción con la autofagia. En cambio, cuando se ve saturado, es la autofagia la que toma el papel principal de degradación proteica [66, 70]. Además de esto, existe una proteína, p62, que relaciona estos dos mecanismos de degradación en cierta manera. p62 es una proteína “scaffold” o de anclaje, que sirve como “esqueleto” al que se unen otras proteínas para ejercer su función. Además de esto, se ha observado que actúa como agente secuestrador de proteínas alteradas en los denominados “cuerpos de p62” [71] y que ejerce un papel de transportador de estas proteínas alteradas tanto al autofagosoma como al UPS, tras lo cual es degradada junto con las proteínas alteradas [66]. 19 Las proteínas pueden estar alteradas por mutaciones, modificaciones posttranscripcionales o por agresiones intracelulares o extracelulares (por ejemplo estrés oxidativo), que a menudo inducen cambios en su conformación. La proteína alterada es normalmente reconocida por chaperonas moleculares, las cuales son proteínas que permiten reparar y replegar correctamente la proteína. Si la chaperona no tiene éxito en su actividad de reparación, la proteína alterada es enviada normalmente al sistema UPS o es sometida a la autofagia mediada por chaperonas. Sin embargo, si la actividad de estos sistemas está impedida, o la proteína ha sido ya organizada en estructuras de complejos insolubles, la macroautofagia (autofagia) es el único sistema capaz de eliminar estos complejos tóxicos. En aquellas condiciones que ni la autofagia puede eliminar estas proteínas alteradas, los agregados atrapan otras proteínas, que todavía son funcionales. Si estos agregados se forman en las neuronas, se produce una degeneración neuronal [69]. La autofagia tiene lugar a través de una secuencia de etapas, empezando con la nucleación de vesículas autofágicas en respuesta a señales de estrés, seguido por la elongación y cierre de la doble membrana del autofagosoma para envolver constituyentes citoplasmáticos, posteriormente el acoplamiento y fusión del autofagosoma con lisosomas para formar autolisosomas, y finalmente la degradación del material citoplasmático en el interior de los autolisosomas [72] (Figura 5). Figura 5. Esquema general del mecanismo de autofagia [73]. 20 La primera fase de la autofagia es la nucleación o ensamblaje de los autofagolisosomas, que depende críticamente de BECLIN1 y otras proteínas que interaccionan con esta última, como VPS34, ATG14, VPS15, UVRAG, AMBRA-1 y BIF-1. La fuente de la que provienen las membranas de los fagóforos que formarán los autofagosomas no está clara. Se cree que podrían provenir del retículo endoplásmisco, aunque también hay autores que piensan que su origen podrían ser las mitocondrias o la propia membrana plasmástica [66]. Se ha visto que la expresión de BECLIN1 disminuye en regiones cerebrales de pacientes afectados de Alzheimer y que una delección de BECLIN1 en ratones provoca una disminución de la autofagia neuronal, originándose neurodegeneración y disrupción de los lisosomas [74] (Figura 6). Figura 6. Esquema de las principales proteínas implicadas en cada paso del proceso de autofagia (Modificada de [72]). 21 Las siguientes fases son la elongación y el cierre de los autofagosomas, para las que se necesita el aporte de membrana de otros orgánulos. Parece ser que la proteína ATG9 es la encargada de realizar la tarea de recopilar membrana y llevarla hasta los autofagosomas en formación [75]. Tanto la elongación como el cierre de las vesículas están mediados por dos sistemas de conjugación. En el primer proceso de conjugación participa activamente ATG5, el cual es conjugado con ATG12 en una reacción que requiere la presencia de ATG7 y ATG10. El conjugado [ATG12-ATG5] interactúa no covalentemente con ATG16L, formando un complejo de 800kDa que es necesario para la formación del autofagosoma, pero que se disocia posteriormente de los autofagosomas completamente formados [66]. ATG5 es un componente básico de la maquinaria autofágica. Estudios recientes con un ratón knockout para Atg5, han demostrado que al suprimirse este gen, la autofagia queda inhibida, por lo que se trata de un gen esencial para este proceso [76]. La segunda reacción de conjugación implica a la proteína LC3 con el lípido fosfatidiletanolamina (PE). ATG4 lleva a cabo la ruptura de LC3 (que es el precursor de la forma activa) por su C-terminal para formar LC3-I, que es la forma citosólica, la cual es conjugada con PE a través de la acción de ATG7 y ATG3 para generar LC3-II. LC3-II se une específicamente a la membrana del autofagosoma en formación y permanece en ella tras la formación de los mismos y hasta su unión con los lisosomas, razón por la que es el marcador más ampliamente estudiado de autofagia, ya que además es la única proteína conocida que específicamente está asociada con los autofagosomas y no con otras estructuras vesiculares [66]. Los niveles de expresión de LC3-II pueden ser usados para estimar la abundancia de autofagosomas antes de que sean degradados [67]. LC3-II está unido a ambas caras de la membrana del autofagosoma, y queda unido incluso después de la fusión con los lisosomas. Posteriormente, la proteína LC3-II que se encuentra en la cara citosólica del autofagosoma puede ser reciclada a LC3-I por ATG4, mientras que LC3II de la cara interna es degradada [66] (Figura 7). Por último, en la fase de fusión los autofagosomas viajan a lo largo de los microtúbulos, con predisposición por el centro organizador de microtúbulos (del inglés microtubule organising center, MTOC), donde hay abundante cantidad de lisosomas. Este desplazamiento se lleva a cabo mediante un transporte dependiente de las dineinas. Los autofagosomas se fusionan con los lisosomas, formándose los autolisosomas [66], donde se llevará a cabo la degradación de su contenido por la acción de hidrolasas lisosomales, liberándose aminoácidos y ácidos grasos que pueden ser metabolizados o reciclados [68, 72]. 22 Figura 7. Esquema de las dos reacciones de conjugación mediante las cuales que se lleva a cabo la fase de elongación y cierre de los autofagosomas [66]. La autofagia en algunas células puede servir como ruta de supervivencia, degradando el exceso de agregados proteicos que se formen debido a un proceso anormal que se esté produciendo, es decir, puede tener un efecto neuroprotector o, por otro lado, un proceso de autofagia desregulado puede conducir a la muerte celular y provocar un proceso neurodegenerativo [67] (Figura 8). La apoptosis y la autofagia son procesos que se encuentran estrechamente interconectados, de tal forma que pueden ser activadas cualquiera de las dos rutas, las cuales comparten varios genes. Se desconoce si pueden producirse a la vez los dos procesos o por el contrario, cuando tiene lugar una ruta la otra queda inhibida [77]. Uno de los genes que participa tanto en la autofagia como en la apoptosis es E2F1, el cual pertenece a la familia de los factores de trascripción E2F y juega un papel crucial en el control del ciclo celular. Se ha demostrado que E2F1 activa la autofagia mediante la sobreexpresión directa de genes de autofagia, LC3, ATG1 y DRAM, e indirecta de ATG5. Por otro lado, E2F1 desencadena apoptosis mediante la sobreexpresión de p53 a través de p19ARF, un gen diana de E2F1. De esta forma E2F1 constituye un enlace molecular entre los genes necesarios para apoptosis y los genes implicados en autofagia ya que regula tanto autofagia como apoptosis [77]. 23 Figura 8. Esquema ilustrativo del papel de la autofagia en la célula. Una desregulación de la autofagia puede llevar a la neurodegeneración, mientras que la degradación de los agregados de proteínas mutadas mediante la autofagia parece ser indispensable para la neuroprotección de la célula [67]. Recientemente se ha relacionado el proceso de la autofagia con la neurodegeneración presente en ELA. Estudios recientes apuntan a que el proceso de autofagia tenga un posible efecto beneficioso y que la neurodegeneración se deba a una supresión del proceso basal de autofagia [68, 73, 76, 78, 79]. Por otro lado, otros estudios revelan que el fenómeno de la autofagia en médula espinal está incrementado en ratones transgénicos SOD1 G93A en comparación con los ratones wiltype [80, 81], por lo que todavía son necesarios más estudios para explicar el papel de la autofagia en esta enfermedad. 3.4. I MPLICACIÓN DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO EN E SCLEROSIS L ATERAL A MIOTRÓFICA (ELA). La Esclerosis Lateral Amiotrófica se describe como una enfermedad neurodegenerativa caracterizada por la pérdida selectiva de las motoneuronas de la médula espinal, tronco del encéfalo y corteza motora [1], por lo tanto, se acepta la creencia general de que la debilidad y muerte en el ratón transgénico SOD1 G93A y en pacientes, ocurre como consecuencia directa de la muerte de las motoneuronas. Sin embargo, existen estudios que describen la pérdida de unidades motoras a día 40 [82] y la alteración de las sinapsis neuromusculares a día 50 de edad [83], mientras que la pérdida de motoneuronas no se hace patente hasta los días 80 ó 90 de edad [84]. Fisher y cols. demostraron en 2004 que la progresión de las alteraciones en la ELA era desde la parte distal del cuerpo hacia la proximal, lo que se conoce como “dyingback” [85]. Además, la expresión de la SOD1 mutada exclusivamente en motoneuronas, no produjo un fenotipo de ELA [86] y terapias que han conseguido 24 evitar por completo la apoptosis de las motoneuronas eliminando genéticamente el gen Bax, apenas han retrasado la denervación muscular y la muerte del animal [87]. Si, como demuestran estos estudios, la muerte de las motoneuronas no es la alteración más precoz en ELA y ésta se produce comenzando por la desestabilización de las uniones neuromusculares, es lógico pensar que el músculo esté implicado en esta desestabilización. De esta forma, cada vez existen más trabajos que aportan información acerca de alteraciones musculares que pueden desencadenar la pérdida de las uniones neuromusculares y la degeneración, primero de axones y posteriormente del cuerpo neuronal. En 2006, Jokic y colaboradores realizaron un estudio en el que analizaron los niveles de Nogo-A, un inhibidor de la regeneración axonal, a nivel muscular, y observaron un incremento progresivo de su expresión desde edades presintomáticas en modelos animales SOD1 G93A [88]. Además, la eliminación genética de la expresión de Nogo-A redujo los marcadores de denervación muscular y produjo un aumento en la supervivencia de los animales. Estos autores, en el mismo trabajo, demostraron que el efecto de la eliminación de Nogo-A se produce a nivel de las uniones neuromusculares, inhibiendo la patología axonal retrógrada. Dupuis y cols. demostraron en 2004 que existe un hipermetabolismo en el músculo de estos animales modelo de ELA lo que genera un déficit crónico de energía incluso antes de la atrofia muscular y la denervación; y plantearon la posibilidad de que este déficit fuera de la causa de la alteración de las uniones neuromusculares. Siguiendo estas premisas, en 2009 estos mismos autores realizaron un ensayo con ratones enfermos de ELA a los que se administraba una dieta enriquecida en ácidos grasos saturados, y que era capaz de corregir este déficit de energía, observando importantes incrementos en el tiempo de vida y amplias mejoras en la denervación muscular [89]. El ejercicio físico ha sido también planteado como un tratamiento paliativo en la enfermedad. A pesar de esto, los resultados de los estudios son controvertidos. Además, existe un significativo grupo de pacientes enfermos de ELA que durante sus vidas estuvieron sometidos a un intenso ejercicio físico, como ciertos deportistas profesionales tales como Lou Gehrig, jugador de baseball, el boxeador Ezzard Charles, o el jugador de futbol profesional Glenn Montgomery. A raíz de estos datos surgieron algunos estudios que apuntaban al ejercicio físico intenso y un índice de masa corporal por debajo de 25 como factores de riesgo de padecer la enfermedad [90]. Estos resultados se atribuyeron sobre todo al incremento de la producción de especies reactivas del oxígeno (ROS), que dañarían las moléculas [91]. Por otra parte, el ejercicio físico moderado, ha estado siempre asociado al incremento de la calidad de la vida y se ha demostrado que tiene efectos neuroprotectores, como alivio del déficit motor, incremento de la formación neuronal y mejora de las alteraciones neurológicas en distintos procesos neurodegenerativos [92, 93], lo que podría estar relacionado con un incremento del factor neuroprotector IGF-1 (insulin-likegrowth factor 1) [94]. Debido a esta disparidad en los resultados del efecto del ejercicio en la enfermedad, se han llevado a cabo diversos estudios en modelos animales y en pacientes, monitorizando tanto factores asociados a la integridad muscular, como el tiempo de 31 tanto del ratio BAX/BCL-2 y, especialmente, de CSP3 activada, que es la caspasa efectora que desencadena la apoptosis celular [53, 54]. La falta de significación es debida a que de los 5 animales wildtype estudiados, sólo en uno detectamos un pequeño incremento de esta proteína. Por tanto, la mayoría de los animales wildtype no tienen expresión de caspasa 3 activada a la edad de dos meses, a diferencia de los animales enfermos. A) B) 2 MESES 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 BAX/BCL-2 CSP3 PROCSP3 Expresión relativa con respecto a GAPDH WT TG * * Figura 10. Representación gráfica de los niveles de expresión proteica de ratones SOD1 G93A respecto a sus controles en la etapa sintomática temprana (2 meses) de BAX/BCL-2, CSP3 y PROCSP3. B) Western blot representativos en el estadio asintomático (2 meses) de BAX/BCL-2, CSP3 y PROCSP3 (n= 5 animales SOD1 G93A y 5 animales control). Por otra parte, como se puede ver en la Figura 11 no se observó ninguna significación en los niveles de expresión de los marcadores de autofagia BECLIN1, ATG5, LC3 y E2F1, por lo que deducimos que la autofagia no se encuentra activa, encontrándose en niveles fisiológicos similares al animal wildtype. Por tanto, podemos decir que en estos estadios tempranos, el proceso de autofagia no se encuentra alterado. Se ha discutido que la SOD1 mutada crea agregados en las células de los animales transgénicos [97]. 32 A) B) Figura 11. A) Representación gráfica de los niveles de expresión proteica de ratones SOD1 G93A respecto a sus controles en la etapa sintomática temprana (2 meses) de LC3, ATG5, E2F1 y BECLIN1. B) Western blot representativos en el estadio sintomático temprano (2 meses) de BECLIN1, ATG5, LC3 y E2F1 (n= 5 animales SOD1 G93A y 5 animales control). Ante este fenómeno y con los resultados obtenidos, donde se observa una apoptosis celular muy incrementada, se decidió estudiar el marcador p62. p62 es una proteína relacionada tanto con la autofagia como con el sistema proteasoma-ubiquitina (UPS) [66], ambos encargados, entre otras funciones, de la degradación proteica, aunque el sistema UPS lo hace de forma más específica. p62 actúa como una proteína transportadora, que transporta los sustratos para la autofagia hasta el autofagosoma, y facilita su introducción, siendo degradada a la vez que las proteínas alteradas. Además de esta función, presenta la capacidad de secuestrar proteínas ubiquitinadas en agregados intracelulares, y sirve como proteína “anclaje” para otras (lo que se denomina en inglés proteína “scaffold”) [71, 98]. En nuestros animales, p62 aparece aumentado de forma muy significativa (Figura 12). La proteína p62 ha sido encontrada en abundancia en estudios realizados por varios autores en agregados intracitoplasmásticos [66, 99, 100]. Mientras que en algunos estudios se ha visto que un aumento de p62 podría deberse a que los sistemas de degradación proteica se encuentran comprometidos [66, 100], Sasaki observó en un reciente estudio que p62 puede ejercer un papel protector en los primeros estadios de la ELA esporádica debido a que, al formar agregados con las proteínas alteradas, disminuye temporalmente su toxicidad al impedir que actúen patológicamente [99]. Golberg también sugirió esta hipótesis en un trabajo publicado en el año 2003 [101]. De hecho, parece ser que se ha observado que p62 forma los denominados “cuerpos de p62” en los que va secuestrando proteínas alteradas ubiquitinadas, a partir de las cuales el UPS y posteriormente la autofagia 2 MESESNIVEL PROTEICO 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 LC3 ATG5 E2F1 BECLIN1 Expresión relativa con respecto a -tubulina WT TG 2 MESES 33 degradarán las proteínas que contienen [102-104]. Es decir, que este aumento que observamos en este estadio para p62 podría indicar un primer intento de neutralizar y almacenar temporalmente las proteínas alteradas en por el proceso neurodegenerativo presente en ELA, para pasar a ser degradadas posteriormente si su cantidad sigue aumentando y no es posible neutralizarlas. A) B) Figura 12. A) Representación gráfica de los niveles de expresión proteica de ratones SOD1 G93A respecto a sus controles en la etapa sintomática temprana (2 meses) de p62. B) Western blot representativos en el estadio sintomático temprano (2 meses) de p62 (n= 5 animales SOD1 G93A y 5 animales control). 5.2. D ISMINUCIÓN DEL PROCESO DE AUTOFAGIA Y BLOQUEO DE LA APOPTOSIS MEDIADA POR CASPASA 3 ACTIVADA EN EL ESTADIO SINTOMÁTICO . Tras el análisis de los cortes histológicos musculares teñidos con hematoxilinaeosina para observar el estado muscular, como en el caso anterior, no se observan daños importantes en el tejido (Figura 13), aunque ya comienzan a verse alteraciones en el mismo, como una mayor variabilidad en el diámetro de las mismas. 2 MESES 0 0,5 1 1,5 2 2,5 2M Expresión relativa con respecto a GAPDH WT TG ** 34 A) B) Figura 13. A) Imagen de un corte histológico de músculo esquelético de un animal wildtype en el estadio sintomático (3 meses). B) Imagen de un corte histológico de músculo esquelético de un animal SOD1 G93A en el estadio sintomático (3 meses). Respecto al proceso de apoptosis, el ratio BAX/BCL-2 está claramente incrementado de manera muy significativa en ratones transgénicos con respecto a los ratones wildtype, como se puede observar en la Figura 14. Contrariamente al estadio anterior, este incremento no se ve acompañado de un aumento de CSP3 activada en los animales transgénicos respecto a los controles. CSP3 activada y PROCSP3 se encuentran a niveles bajos, no correspondiéndose con lo que ocurre con el ratio BAX/BCL-2, que presenta un incremento de casi 7 veces más que en animales SOD1 G93A que en wildtype. Varias hipótesis podrían explicar este resultado. Una posible explicación se basaría en el hecho de que la apoptosis puede desencadenarse finalmente no sólo por medio de la caspasa efectora 3 (aunque es la vía más común), sino también mediante la acción de otras vías. Cabon y cols. demostraron en 2011 que se puede promover una apoptosis independiente de la acción de las caspasas mediada por AIF (Apoptosis Inducing Factor), que se vería activada también por una elevada expresión de BAX [105]. Al haber obtenido un incremento significativo de BAX en concreto (además del observado en el ratio BAX/BCL-2), pero no de CSP3 activada, esta posible explicación podría ser también válida. Conviene señalar, que esta situación se ha visto en otras enfermedades en las que aparecen agregados proteicos. En particular, Jarskog y cols. señalaron en 2004 que en la esquizofrenia aparecen agregados proteicos, como en la ELA, y que se observa un claro incremento del ratio BAX/BCL-2 en las células corticales, mientras que la expresión de CSP3 activada parece mantenerse inmutable, sin 35 aumento apreciable [106], como en el caso de los resultados que hemos obtenido para el estadio sintomático de la enfermedad en los ratones modelo. Una segunda opción para explicar los resultados consistiría en que la apoptosis no sólo se puede llevar a cabo mediante la acción de la caspasa efectora 3, sino que existen trabajos en los que se ha demostrado que otras caspasas, como la caspasa 9 pueden desembocar en la apoptosis sin necesidad de la actuación de caspasa 3. Existen varios estudios en los que se ha demostrado este hecho, es decir, que se puede producir la muerte celular mediante un mecanismo independiente de caspasa 3, y mediado por la caspasa 9 [107, 108], que en realidad es una caspasa iniciadora [54], a diferencia de la caspasa 3, que es efectora. Sin embargo, con esta posible teoría faltaría explicar el tipo de muerte que sufren las células mediante esta vía de la caspasa 9, ya que parece ser un tipo de muerte no apoptótica. Sperandio y cols. observaron que, aunque las células en proceso de muerte presentaban varias características definitorias de la apoptosis, también parecían exhibir signos de muerte por necrosis, por lo que definieron un tipo “intermedio” de muerte celular denominado “paraptosis” [108]. Esto justificaría la necesidad de estudiar más a fondo esta vía de muerte celular, en el caso de tomar esta hipótesis como la explicación del incremento del ratio BAX/BCL-2 sin que le acompañe a su vez un aumento en la expresión de CSP3. Por último, el tejido muscular podría intentar defenderse de la apoptosis bloqueando la formación o acción de la caspasa 3, con lo que no se completaría la cascada apoptótica y la célula no llegaría a sufrir la apoptosis en un intento de mantener la integridad muscular. A) B) 3 MESES 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 BAX/BCL-2 CSP3 PROCSP3 Expresión relativa con respecto a GAPDH WT TG * Figura 14. A) Representación gráfica de los niveles de expresión proteica de ratones SOD1 G93A respecto a sus controles en la etapa sintomática (3 meses) de BAX/BCL-2, CSP3 y PROCSP3. B) Western blot representativos en el estadio sintomático (3 meses) BAX, BCL-2, CSP3 y PROCSP3 (n= 5 animales SOD1 G93A y 5 animales control). 36 En la Figura 15 se observa una disminución en la expresión de todos los marcadores del proceso de autofagia. Se puede ver que la expresión de ATG5, LC3 y E2F1 está disminuida de forma muy significativa, observándose en E2F1 los niveles más bajos (4 veces menor la expresión de ratones transgénicos que la de sanos), por lo que quizás el músculo que comienza a tener pérdida muscular intenta compensar este fenómeno evitando cualquier tipo de muerte celular. Al disminuir la autofagia y la apoptosis con respecto al nivel fisiológico, evita la desaparición celular. A) B) Figura 15. A) Representación gráfica de los niveles de expresión proteica de ratones SOD1 G93A respecto a sus controles en la etapa sintomática (3 meses) de LC3, ATG5, E2F1 y BECLIN1. B) Western blot representativos en el estadio sintomático (3 meses) de LC3, ATG5, E2F1 y BECLIN1 (n= 5 animales SOD1 G93A y 5 animales control). Por otra parte, observamos una disminución drástica y significativa en los niveles de expresión de p62 en animales transgénicos con respecto a los controles (Figura 16). El significado de la relación entre ambos hechos podría deberse a una activación del sistema ubiquitin-proteasoma (UPS) tras el intento inicial de p62 por neutralizar las proteínas anómalas, como indica Goldberg en uno de sus trabajos [101]. Este sistema de degradación proteica es muy específico, y aunque complementa al proceso de la autofagia, suele actuar mayoritariamente en primera instancia en la degradación de proteínas específicas alteradas [70], ya que se estimula su activación ante la acumulación de grandes cantidades de agregados proteicos [101]. Por lo tanto, teniendo en cuenta los datos observados en nuestros resultados, podemos pensar que es esto lo que podría estar ocurriendo también en el tejido muscular, lo que explicaría la reducción de p62, ya podría estar siendo degradada por el UPS junto con las proteínas ubiquitinadas que secuestra en agregados [71]. Estos resultados sugieren que a tres meses se activa la maquinaria de degradación proteica pero a través del UPS, lo que parece un intento de disminuir la activación de la apoptosis y la autofagia con la intención de favorecer la supervivencia de las 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 LC3 ATG5 E2F1 BECLIN1 Expresión relativa con respecto a β-tubulina 3 MESESNIVEL PROTEICO WT TG 3 MESES 37 células y evitar su pérdida. Sin embargo, son necesarios más estudios que permitan demostrar que es este proceso el que está teniendo lugar en este estadio. A) B) Figura 16. A) Representación gráfica de los niveles de expresión proteica de ratones SOD1 G93A respecto a sus controles en la etapa sintomática (3 meses) de p62. B) Western blot representativos en el estadio terminal (3 meses) de p62 (n= 5 animales SOD1 G93A y 5 animales control). 5.3. A CTIVACIÓN DE LA AUTOFAGIA EN LOS ESTADIOS TERMINALES DE LA ENFERMEDAD . En este último estadio también se comprobó el estado del músculo mediante la visualización de cortes histológicos teñidos con hematoxilina-eosina. Como se muestra en la Figura 17 se empieza a observar que el tejido está más afectado que en estadios anteriores, incrementándose la variabilidad en el diámetro de las fibras musculares, lo que se corresponde con una mayor degeneración. 3 MESES -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 3M Expresión relativa con respecto a GAPDH WT TG ** 38 A) B) Figura 17. A) Imagen de un corte histológico de músculo esquelético de un animal wildtype en el estadio terminal (4 meses). B) Imagen de un corte histológico de músculo esquelético de un animal SOD1 G93A en el estadio terminal (4 meses). Al analizar la Figura 18, se puede observar rápidamente que el ratio BAX/BCL-2 se encuentra invertido con respecto a la situación observada en los estadio anteriores, lo que sugiere un bloqueo de la apoptosis, ya que BCL-2 posee función antiapoptótica y su nivel de expresión se encuentra incrementado con respecto a los niveles de BAX [109]. Los niveles de expresión de CSP3 activada y PROCSP3 no se ven alterados, lo que indicaría que no existe apoptosis en músculo. A) B) 4 MESES 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 BAX/BCL-2 CSP3 PROCSP3 Expresión relativa con respecto a GAPDH WT TG Figura 18. A) Representación gráfica de los niveles de expresión proteica de ratones SOD1 G93A respecto a sus controles en la etapa terminal (4 meses) de BAX/BCL-2, CSP3 y PROCSP3. B) Western blot representativos en el estadio terminal (4 meses) de BAX/BCL-2, CSP3 y PROCSP3 (n= 5 animales SOD1 G93A y 5 animales control). 39 En este caso, y tal y como se muestra en la Figura 19, BECLIN1, ATG5 y E2F1 aumentaron muy significativamente su expresión, observándose en global un aumento en el proceso de autofagia. El único marcador disminuido fue LC3, que se ha descrito como un marcador esencial en la autofagia [66]. Por ello, habría que estudiar este hecho más detenidamente para encontrar una explicación, ya que la variación que se observa en el resto de los marcadores de autofagia apunta hacia una clara activación de este proceso. En conjunto, la observación de los niveles de expresión de BECLIN1, ATG5 Y E2F1 nos hace pensar que la autofagia se ha visto estimulada en esta fase en detrimento de la degradación proteica por medio de UPS. Esta explicación se puede apoyar en varios trabajos que sugieren que tras la activación primaria del sistema UPS para eliminar los agregados proteicos que hemos propuesto en el anterior estadio, si la síntesis de proteínas alteradas no disminuye, este sistema se ve saturado, su función se altera. De esta, forma, la autofagia lo sustituye en su tarea, aumentando su actividad y eliminando de manera menos específica que UPS dichos agregados de proteínas [66, 70, 101]. A) B) Figura 19. A) Representación gráfica de los niveles de expresión proteica de ratones SOD1 G93A respecto a sus controles en la etapa terminal (4 meses) de LC3, ATG5, E2F1 y BECLIN1. B) Western blot representativos en el estadio terminal (4 meses) de LC3, ATG5, E2F1 y BECLIN1 (n= 5 animales SOD1 G93A y 5 animales control). Por su parte, en la Figura 20 se puede ver que la expresión de p62 no se ve alterada en animales SOD1 G93A con respecto a animales control. La disminución de los niveles de p62 en este estadio respecto al estadio sintomático temprano podría deberse a que la autofagia está eliminando los agregados proteicos dentro de los cuales también se encuentra presente esta proteína [66, 71, 98], mientras que el aumento con respecto al estadio sintomático, podría estar relacionado con que p62 es una proteína relacionada directamente con el proceso de la autofagia, y encargada 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 LC3 ATG5 E2F1 BECLIN1 Expresión relativa con respecto a β-tubulina 4 MESESNIVEL PROTEICO WT TG 4 MESES 40 fundamentalmente de promover la introducción de las proteínas diana de la autofagia en los autofagosomas en formación. Este hecho aparece citado en varios trabajos publicados, entre los que se pueden destacar varios como el de Lamark y cols. en 2009 [71], o el de Ichimura y Komatsu en 2010 [98]. Sin embargo, conviene destacar que p62 es degradado tanto en el proceso de autofagia como en la degradación de proteínas por medio de UPS, como indican Komatsu y cols. y Korolchuk y cols. en sendos trabajos [110, 111]. Esto parece sugerir que, en el estadio sintomático, p62 estaría disminuido por su implicación en UPS y su respectiva degradación debido a la acción de éste, y en el estadio terminal, aunque no está disminuido, tampoco se observa aumento como sí se ve en el estadio sintomático previo por la misma razón: p62 es degradado en los autolisosomas una vez ha ejercido su función de transporte a los autofagosomas de las proteínas destinadas a degradarse por medio de la autofagia. Finalmente, es necesario señalar que la autofagia en este estadio también podría encontrarse aumentada debido a una limitación de los nutrientes que reciben las células. Aunque en otros tipos celulares, y en concreto para la ELA en motoneuronas, este hecho se ha sugerido en varios trabajos que describen, entre otras causas, un déficit de nutrientes y factores de crecimiento en motoneuronas debido a un transporte axonal alterado. Ante esta situación de privación de nutrientes, la autofagia se activa en un intento de conseguir energía a partir de los propios componentes de la célula, como indica Ravikumar y cols., Pasquiali y cols. y otros autores [66, 112]. A) B) Figura 20. A ) Representación gráfica de los niveles de expresión proteica de ratones SOD1 G93A respecto a sus controles en la etapa terminal (4 meses) de p62. B) Western blot representativos en el estadio terminal (4 meses) de p62 (n= 5 animales SOD1 G93A y 5 animales control). 4 MESES 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 4M Expresión relativa con respecto a GAPDH WT TG 47 65. 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Soluciones empleadas para la técnica de Western Blot:  BUFFER DE LISIS O RIPA BUFFER (50 mL): 150 mM NaCl 50 mM Tris-HCl 1% desoxicolato 0,1% SDS 1% Tritón X-100 Agua destilada miliQ hasta 50 ml Ortovanadato: 100 µL Aprotinina (10 mg/mL): 1 µL Leupeptina (10 mg/mL): 1 µL Pepstatina: 1 µL Antiproteasas PMSF: 100 µL  TAMPÓN DE CARGA 2X(1 mL): 100 mM Tris-HCl, ph 6,8 4% SDS 0,1% azul bromofenol 20% glicerol 5% β-mercarptoetanol Agua destilada miliQ hasta 1 mL  UGB (UPPER BUFFER) (100 mL): 0,5% SDS 0,62M Tris-Base, pH=6,8 Agua destilada miliQ hasta 100 mL  LGB (LOWER BUFFER) (100 mL): 0,5% SDS 1,87M Tris-Base, pH=8,8 Agua destilada miliQ hasta 100 mL  BUFFER ELECTROFORESIS 10X (1 L) pH final 8,3: Tris-Base 30,27 g Glicina 144,12 g 20% SDS Agua destilada Hasta 1 L  BUFFER ELECTROFORESIS 1X (1 L): Buffer de electroforesis 10X 100 mL Agua destilada Hasta 1 L  STRIPPING SOLUTION 1X (100 ml): 52 62,5 mM Tris-HCl, pH 6,7 2% SDS Agua destilada miliQ hasta 100 mL  TBS 10X (1 L) ph final=7,5: 200 mM Tris-Base 1,5 M NaCl Agua destilada hasta 1 L  TTBS 1X (1 L): TBS 10X 100 mL Tween-20 1 mL Agua destilada Hasta 1 L  BUFFER DE TRANSFERENCIA 1X (1 L): Tampón Tris-glicina 20X 50 mL Metanol 200 mL Agua destilada 750 mL  TAMPÓN TRIS-GLICINA 20X (1 L): Tris-Base 29,07 g Glicina 144,13 g Agua destilada 1 L  APS 25% (2 mL): 0,4 g APS + 2 ml agua miliQ. APS 0,4 g Agua destilada miliQ Hasta 2 mL