La interferencia entre diferentes vías de reparación del ADN contribuye a las enfermedades neurodegenerativas, parte 3

5.1. DDR y autofagia

La eliminación de agregados ineficiente que indica una autofagia defectuosa es una de las características comunes de los NDD. Durante la patogénesis de la EA, se ha demostrado tanto una síntesis alterada de autofagosomas como una eliminación reducida de los sustratos autofágicos [152-154].

La autofagia es un proceso de autodescomposición y reciclaje de células, que puede ayudarnos a eliminar orgánulos y proteínas envejecidos, dañados e inútiles. Sin embargo, con el aumento de la edad y los malos hábitos de vida, la función de autofagia del cuerpo humano disminuye gradualmente, lo que puede dañar nuestra salud y memoria.

Los estudios han demostrado que existe una estrecha relación entre la autofagia y la memoria. La disminución de la función de autofagia conducirá a la acumulación de basura en las células cerebrales, lo que afectará el metabolismo normal y la transmisión de señales en las células, lo que provocará pérdida de memoria y deterioro cognitivo. El proceso normal de autofagia puede promover la regeneración y renovación de las células cerebrales, mantener la salud de las células cerebrales y así ayudar a mejorar la memoria y la capacidad cognitiva.

Por lo tanto, debemos mantener activamente la función de autofagia y mejorar nuestro nivel de autofagia mediante buenos hábitos de vida y ajustes dietéticos. Por ejemplo, debemos evitar la ingesta excesiva de alimentos poco saludables como altos niveles de azúcar y grasas, y comer más frutas y verduras, cereales integrales y otros alimentos ricos en antioxidantes y celulosa, que pueden ayudar a reducir la generación de radicales libres y promover la proceso de autofagia. Además, debemos mantener un ejercicio moderado, mantener un estado de ánimo alegre, evitar el estrés y la ansiedad excesivos, etc., lo que ayudará a mejorar la autofagia y a mantener un cerebro sano y una buena memoria.

En general, existe una estrecha relación entre la autofagia y la memoria, pero podemos mantener nuestro nivel de autofagia mediante el ajuste correcto del estilo de vida y la dieta, proteger nuestro cerebro y nuestra memoria y avanzar hacia una vida más saludable y positiva. Se puede ver que necesitamos mejorar nuestra memoria, y Cistanche puede mejorar significativamente la memoria porque Cistanche también puede regular el equilibrio de los neurotransmisores, como aumentar los niveles de acetilcolina y factores de crecimiento, que son muy importantes para la memoria y el aprendizaje. Además, Cistanche también puede mejorar el flujo sanguíneo y promover el suministro de oxígeno, lo que puede garantizar que el cerebro obtenga suficiente nutrición y energía, mejorando así la vitalidad y la resistencia del cerebro.

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La acumulación de -SYN en la EP indica una autofagia mediada por chaperonas (CMA) disfuncional, un importante contribuyente a la degradación autofágica de -SYN [155].

Las mutaciones en muchos receptores de autofagia, incluidos SQSTM1/p62 [155], OPTN y UBQLN2, se han asociado con la patogénesis de la ELA [156-158]. Las asociaciones entre DDR y autofagia como causa directa de NDD aún no están bien establecidas, aunque la literatura sugiere conexiones indirectas entre la maquinaria de reparación del ADN y la autofagia a través de diversas rutas no exclusivas [159-161].

La activación de ATM puede causar la inducción de autofagia a través de la proteína quinasa activada por 50 AMP (AMPK) en respuesta a ROS [162,163]. Mientras que las neuronas Atm-/- muestran una autofagia anormal, la propia ATM se procesa mediante degradación autofágica [164]. Los ratones knockout para Parp1 sometidos a inanición aguda mostraron una autofagia hepática deficiente, lo que implica un papel fisiológico de PARP1 en la autofagia inducida por inanición [165].

El vínculo entre DDR y autofagia parece bidireccional, ya que la eliminación de BECLIN1, una proteína implicada en la inducción de autofagia, redujo la actividad y los niveles de las proteínas HR y NHEJ cruciales, y también atenuó la formación de complejos ADN-PK [166,167].

Se ha demostrado que SQSTM1/p62 regula la relación entre HR y NHEJ promoviendo este último tras la radiación [168]. CMA regula los niveles de CHK1 y previene la hiperfosforilación y desestabilización del complejo MRN [169]. El producto de traducción del gen asociado a la resistencia a la irradiación ultravioleta (UVRAG), un actor importante en el inicio de la autofagia, patrulla la actividad de reparación del DSB mediante la unión directa al ADN-PK en NHEJ [170].

Curiosamente, el daño del ADN podría inducir mitofagia, que puede desempeñar un papel en la protección de las células contra la muerte celular inducida por el daño del ADN [171]. Aunque no se ha explorado la DDR, nuestro grupo demostró recientemente la inducción de autofagia prosupervivencia mediada por estrés endoplásmico (estrés ER) después de la inducción de ROS inducida por radiación [172].

5.2. DDR y Neuroinflamación

La neuroinflamación es otro fenómeno común observado en diferentes NDD. Se cree que opera un círculo vicioso que involucra neuroinflamación, estrés oxidativo y neurodegeneración [173,174].

La inflamación puede por sí misma inducir daño en el ADN mediante la generación de ROS y especies reactivas de nitrógeno (RNS). La inflamación no solo aumenta las lesiones mutagénicas del ADN, como 8-nitroguanidina y 8-oxoG, sino que también afecta negativamente la capacidad de reparación del ADN al inhibir muchas enzimas importantes de reparación del ADN [175,176].

El descubrimiento fundamental de la guanosina monofosfato-adenosina monofosfato cíclico (GMP-AMP) sintasa (cGAS) como sensor de ADN citosólico de mamíferos realizado por Sun et al. ha establecido vínculos directos entre el ADN dañado y la neuroinflamación [177].

Al unirse al ADN citosólico, cGAS convierte ATP y GTP en GMP-AMP cíclico (cGMP), que se une y activa la proteína estimuladora del retículo endoplásmico de los genes de interferón (STING), induciendo finalmente la producción de interferones tipo I a través de los factores de transcripción NF-kB e IRF3. [178].

La activación de cGAS-STING se ha observado en varios NDD: en un modelo de rata con deficiencia de Atm con fenotipos neuroinflamatorios y neurodegenerativos, se observó una acumulación de ADN citosólico que conduce a niveles aumentados de TBK1 fosforilado (indicativo de activación de STING) en varios tipos de células. incluida la microglía [179].

Xu et al. demostró que cGAMP puede suprimir la EA elevando los niveles de TREM2 [180]. En las neuronas motoras de pacientes con ELA derivadas de iPSC, TDP-43 desencadenó la liberación de ADNmt, lo que provocó la activación de cGAS-STING y se ha demostrado neuroinflamación [181].

Se ha informado de la inducción de IL6 en respuesta al ADNmt libre de células circulantes en el suero de pacientes con Parkinson [182]. Por lo tanto, la inflamación mediada por cGAS-STING surge como otra característica común de las NDD.

En resumen, las proteínas DDR individuales pueden estar involucradas en más de un NDD (Figura 2) y pueden inducir características neurodegenerativas a través de su interacción con varios procesos celulares (Figura 3).

6. Sistemas modelo para estudiar las NDD y la terapéutica

Aunque el tejido cerebral post mortem es útil para mapear diferencias estructurales o moleculares importantes en los marcadores DDR en las últimas etapas de las NDD, tiene un poder limitado para explicar los mecanismos de la enfermedad.

Por tanto, los modelos animales siguen siendo herramientas esenciales para estudiar los mecanismos que impulsan la neurodegeneración desde una perspectiva del curso de la vida. En la Tabla 1 se resume una selección de estudios que vinculan DDR con NDD que utilizan varios sistemas de modelos discutidos anteriormente o que sugieren modelos apropiados para estudiar esta interacción.

Como resulta evidente de la discusión anterior, los roedores siguen siendo los animales modelo más utilizados. Para la EA, por ejemplo, existen más de doscientos modelos de roedores diferentes (https://www.alzforum.org/research-models/search (consultado el 19 de febrero de 2021)).

Sin embargo, ningún modelo recapitula todos los fenotipos cardinales observados en las enfermedades humanas, lo que ilustra la necesidad de mejores modelos para modelar las NDD humanas.

Los animales invertebrados son relativamente económicos de mantener y tienen una vida útil y un ciclo de reproducción cortos. Estas propiedades hacen que los modelos no vertebrados sean susceptibles de detección genética y farmacológica.

El nematodo Caenorhabditis elegans (C. elegans) es un ejemplo de un animal cuyo cuerpo transparente permite el seguimiento de la neurodegeneración in vivo. Hay disponibles modelos animales humanizados en los que animales transgénicos expresan -SYN humano [187,188], A 1–42, TAU [189,190 ], TDP-43 y SOD1 [191–193].

La existencia de ensayos de comportamiento permite estudiar la viabilidad y funcionalidad de neuronas individuales durante el curso de la vida natural. Por lo tanto, los animales simples ofrecen excelentes oportunidades para estudiar los efectos combinados de los factores de riesgo genéticos y ambientales junto con el envejecimiento, el factor de riesgo más importante para el NDD.

En cuanto a la contribución de DDR, C. elegans tiene menos redundancia de genes de reparación del ADN, lo que la convierte en una gran herramienta para definir si las proteínas de reparación del ADN afectan la neurodegeneración y cómo. Una limitación de C. elegans es que no tiene cerebro. Por tanto, se necesitan modelos de vertebrados. De estos, Danio rerio (D. rerio) es cada vez más popular ya que tiene vasculatura y un cerebro separado por una barrera hematoencefálica [194-196].

El desarrollo de la tecnología iPSC humana ha abierto las puertas al modelado de enfermedades cerebrales complejas. Hay protocolos establecidos disponibles para generar varios tipos de células cerebrales a partir de iPSC derivadas de pacientes en cultivos de monocapa bidimensionales (2D) y utilizarlos para modelar EA [197,198], ELA [199-201] y EP [202,203].

La posibilidad de introducir la edición del genoma en las iPSC (por ejemplo, mediante CRISPR/CAS9) aumenta aún más el potencial de estas células para estudiar las funciones específicas de genes individuales. Además, el papel de otros tipos de células cerebrales (incluidas las células gliales, también derivadas de iPSC) se puede estudiar en sistemas de cocultivo desarrollados recientemente [204].

Aun así, los sistemas de cultivo 2D no recapitulan la complejidad del cerebro y fenotipos como la agregación de proteínas extracelulares son difíciles de observar. Por lo tanto, las iPSC 2D no son la opción preferida para modelar NDD.

La autoorganización de los cuerpos embrioides a partir de iPSC, los llamados modelos organoides 3D, puede permitirnos estudiar el desarrollo celular y las interacciones intercelulares dentro de un microambiente del cerebro humano 3D [205].

Los avances en los sistemas de cultivo 3D han llevado a la formación de múltiples tipos de células cerebrales y regiones cerebrales específicas en estos organoides (minicerebros) [206]. Organoides corticales del cerebro anterior, organoides del cerebro medio y esferoides de neuronas motoras derivados de la EA, la EH y la EP. y las iPSC de pacientes con ELA, respectivamente, pueden mostrar los fenotipos de los tejidos cardinales y, por lo tanto, pueden ser muy útiles para comprender estas NDD complejas (Figura 4) [207-213].

Figura 4. El potencial de las iPSC 2D y los organoides 3D para modelar NDD. Los fibroblastos de piel derivados de pacientes con NDD se pueden reprogramar en iPSC. Estas iPSC se pueden diferenciar en varios tipos de células cerebrales, incluidos diferentes tipos de neuronas, microglía, etc.

Los organoides 3D derivados de iPSC contienen la mayoría de los tipos de células cerebrales (excepto la microglía y la vasculatura, que pueden cultivarse conjuntamente con organoides 3D) y pueden mostrar fenotipos de enfermedades importantes. También se han mostrado varias aplicaciones de estos sistemas modelo. Creado con BioRender.com.

7. Conclusiones

En resumen, tanto la defensa antioxidante como la reparación del ADN previenen la acumulación de daño en el ADN y, por lo tanto, contrarrestan el desarrollo de NDD. Un ejemplo de defensa antioxidante es la superóxido dismutasa1 (SOD1), que protege a las neuronas contra la neurotoxicidad mediada por amiloide (A) [214]. Tanto la sobreexpresión de SOD1 de tipo salvaje como las mutaciones en SOD1 se asocian con varios NDD relacionados con la edad [11,215,216].

Varios ensayos clínicos se centran en la SOD1 de tipo salvaje o la SOD1 mutante para prevenir la agregación y el plegamiento incorrecto en las NDD, y un oligonucleótido antisentido se encuentra ahora en un ensayo clínico de fase III (NCT02623699).

Una pequeña molécula, Arimoclomol, que promueve el plegamiento adecuado de SOD1 en el retículo endoplásmico (RE) [11], se encuentra en un ensayo de fase III (NCT03491462). Queda por determinar si apuntar a la reparación del ADN o al DDR se puede desarrollar como opciones terapéuticas contra las NDD. Aclarado.

Sin embargo, la aparición de la activación de PARP1 por SSBa como un hallazgo común en las NDD y la disponibilidad de inhibidores de PARP1 sugieren que este podría ser un camino a seguir. Sin embargo, apuntar directamente a PARP1 conlleva riesgos de efectos nocivos en otras células y sistemas de tejidos. Una consecuencia de la sobreactivación de PARP1 es el agotamiento del NAD+ celular, que es un sustrato de PARP1.

En nuestro trabajo anterior, demostramos que aumentar los niveles de NAD+ es una estrategia prometedora para estimular la reparación del ADN y prevenir la neurodegeneración en enfermedades raras de reparación del ADN [140,146,184]. Para explorar más a fondo el potencial terapéutico de la DDR, se pueden utilizar estudios entre especies en los que se combinen diferentes sistemas modelo para recapitular diferentes aspectos de estas enfermedades complejas.

Los modelos organoides 3D derivados de iPSC emergen como sistemas modelo prometedores que pueden capturar la complejidad del DDR y su interacción con otros procesos celulares importantes para mantener la salud neuronal.

Contribuciones de los autores: Conceptualización, HN y KS; metodología, SG; software, PY, TS y K.S.; validación, SG, PY, TS, HN y KS; análisis formal, SG; investigación, SG; recursos, HN y KS; curación de datos, SG, PY, TS y KS; redacción del borrador original, SG, PY,TS, HN y KS; redacción, revisión y edición, SG, PY, TS, HN y KS; visualización, SG, HN y KS; supervisión, HN y KS; administración de proyectos, SG, HN y KS; fundingacquisition, HN Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Financiamiento: Esta investigación fue financiada por la Autoridad Sanitaria Regional del Sureste (Proyecto no. 279922 y 2017029) y el Consejo Noruego de Investigación (Subvención no. 302483).

Declaración de la Junta de Revisión Institucional: No aplicable.

Declaración de Consentimiento Informado: No aplicable.

Declaración de disponibilidad de datos: No se crearon ni analizaron nuevos datos en este estudio. El intercambio de datos no se aplica a este artículo.

Agradecimientos: Agradecemos a Ellen Tenstad @ScienceShaped, Carina Knudson y FranciscoJosé Naranjo Galindo por su ayuda con las ilustraciones gráficas y a Evandro Fei Fang, Diana L. Bordin y Lisa Lirussi por la lectura crítica del manuscrito.

SG y PY fueron financiados por una subvención de la Autoridad Sanitaria Regional del Sudeste (Proyecto nº 279922 y 2017029) y TSG fue financiado por una subvención del Consejo Noruego de Investigación (Subvención nº 302483).

Conflictos de intereses: confirmamos que ninguno de los autores tiene conflictos de intereses con respecto a este manuscrito.

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