Cholesterol contribution to autophagy and mitophagy impairment in alzheimer's disease

Resumen

Introducción y objetivos La enfermedad de Alzheimer (EA) es el trastorno neurodegenerativo más común y se caracteriza por los síntomas típicos de la demencia. Las principales características patológicas de la EA incluyen placas seniles de beta amiloide (Aβ) y ovillos neurofibrilares (NFT) de la proteína tau hiperfosforilada. Curiosamente, mientras la acumulación de Aβ en la EA familiar se debe a mutaciones en genes relacionados con su síntesis, evidencias recientes apuntan a una eliminación defectuosa como causa en la EA esporádica. Se ha descrito un deterioramiento de la autofagia acompañado de la acumulación de autofagosomas que afecta directamente al metabolismo del Aβ. De manera similar, se ha reportado una mitofagia alterada mediada por PINK1-parkina que da lugar a una acumulación de mitocondrias defectuosas en estadios iniciales de la enfermedad. Tanto Aβ como tau pueden regular componentes clave de la maquinaria de la mitofagia; no obstante, los mecanismos que conducen a la disfunción de la autofagia/mitofagia en la EA no se conocen por completo. El parecido entre las características patológicas de la EA y la enfermedad de Niemann-Pick tipo C, incluidas las anomalías en el sistema endolisosomal y el defecto en la autofagia, sugieren que la acumulación de colesterol podría ser el punto de conexión entre estos defectos. Se han descrito niveles elevados de colesterol en el cerebro de pacientes con EA. Además, estudios previos de nuestro grupo han demostrado que el aumento del colesterol mitocondrial en el cerebro de ratones transgénicos viejos APP-PSEN1 se debe a un incremento de la síntesis y el transporte a la mitocondria desencadenado por un estrés del retículo endoplasmático en respuesta al Aβ. Por lo tanto, en la presente tesis analizamos el impacto de los cambios en el colesterol neuronal sobre la disfunción endolisosomal y el fallo en la autofagia en la EA, así como la participación de estas alteraciones en la acumulación de Aβ y la eliminación mitocondrial por autofagia. Métodos Las alteraciones autofágicas y endolisosomales se analizaron usando un modelo de ratón de la EA (ratones APP-PSEN1-SREBF2), que expresa la proteína precursora amiloide quimérica humana-murina con la mutación sueca de Alzheimer familiar (APP695swe) y presenilina 1 mutante (PSEN1-dE9), junto a una forma dominante-positiva, truncada y activa de SREBF2 (factor de unión al elemento regulador del esterol 2). Estos ratones se habían caracterizado previamente por nuestro grupo, mostrando una progresión acelerada y empeorada de la EA con niveles altos de colesterol y depleción del glutatión mitocondrial (GSHm) en el cerebro. Por su parte, la regulación de la mitofagia mediada por PINK1-parkina se investigó en condiciones de incrementos de colesterol agudos (in vitro) y crónicos (in vivo) utilizando células SH-SY5Y derivadas de humanos enriquecidas con colesterol, cultivos de neuronas primarias de ratones transgénicos que sobreexpresan SREBF2 activo y ratones APP-PSEN1-SREBF2 de edades crecientes. Las alteraciones de la mitofagia también se evaluaron en tejidos hipocampales post mortem de individuos diagnosticados con diferentes etapas de la EA. Resultados Nuestros resultados demostraron que niveles altos de colesterol en el cerebro incrementaban la formación de autofagosomas, pero interrumpían su fusión con vesículas endosomales-lisosomales. Los niveles de colesterol intracelular en células SH-SY5Y y neuronas primarias también estimularon la acumulación de PINK1 mitocondrial y la formación de mitofagosomas desencadenada por el Aβ, mientras que alteraban su degradación mediada por lisosomas. La inducción de autofagia en ratones APP-PSEN1-SREBF2 tenía lugar por el estrés oxidativo inducido por Aβ, exacerbado tras la depleción vía colesterol del GSHm. En este sentido, su recuperación in vivo con éster de etilo de GSH (GSHee) inhibió la síntesis de autofagosomas al prevenir la inhibición oxidativa de la actividad de desconjugación de ATG4B estimulada por Aβ. La recuperación antioxidante de la depleción de GSHm evitó también la formación de mitofagosomas, lo que indica la participación del estrés oxidativo mitocondrial en el inicio de la mitofagia. Además, el enriquecimiento de colesterol en endosomas-lisosomas modificó los niveles y la distribución en sus membranas de RAB7A y los receptores SNAP (SNARE), lo que afectó su capacidad fusogénica. La combinación de estas alteraciones dio como resultado una degradación defectuosa de Aβ y tau, y estimuló la secreción de Aβ dependiente de autofagia. Por consiguiente, el tratamiento in vivo con 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina logró recuperar por completo la capacidad de fusión y el metabolismo de Aβ y tau, convirtiéndolo en una potencial herramienta terapéutica para la EA. Asimismo, observamos un aumento del contenido mitocondrial en los cerebros de ratones APP-PSEN1-SREBF2 de edad avanzada, sin ninguna señal de inducción de la biogénesis mitocondrial. Curiosamente, cuando el colesterol cerebral se acumulaba crónicamente en ratones viejos APP-PSEN1-SREBF2, el flujo de la mitofagia se veía afectado en los primeros pasos de la vía, con un reclutamiento defectuoso de la optineurina (OPTN), un receptor de autofagia clave en el cerebro. Las alteraciones inducidas por el colesterol de forma prolongada en ratones APP-PSEN1-SREBF2 promovieron una acumulación dependiente de la edad de OPTN en agresomas positivos para HDAC6, que desaparecieron tras el tratamiento in vivo con GSHee. Los análisis en cerebros post mortem de individuos con EA confirmaron estos hallazgos, mostrando OPTN en estructuras similares a agresomas, en paralelo con niveles altos de colesterol mitocondrial en etapas tardías de la enfermedad. Conclusiones La presente tesis doctoral demuestra que la acumulación de colesterol intracelular puede, en última instancia, estimular la progresión neuropatológica de la enfermedad de Alzheimer al impedir una degradación autofágica adecuada del Aβ y las mitocondrias defectuosas. Nuestros resultados indican la importancia del uso de estrategias específicas de reducción del colesterol cerebral para recuperar la función lisosomal y contener el exceso de estrés oxidativo mitocondrial, que junto a los inductores de autofagia pueden resultar significativas en el tratamiento de la EA.