Apoptosis En Enfermedades Neurodegenerativas

1. Apoptosis En Enfermedades Neurodegenerativas Introducción a La Terapia Génica Curso 2004-2005

2. Apoptosis En Enfermedades Neurodegenerativas • Apoptosis neuronal. • Mecanismos de supervivencia. • Enfermedades neurodegenerativas. • Aplicación: estudio de la apoptosis neuronal asociada a la enfermedad de scrapie.

3. Apoptosis En Enfermedades Neurodegenerativas • Apoptosis neuronal. • Mecanismos de supervivencia. • Enfermedades neurodegenerativas. • Aplicación: estudio de la apoptosis neuronal asociada a la enfermedad de scrapie.

4. La Neurona • Normalmente sobreviven toda la vida del individuo permitiendo el mantenimiento de los circuitos neuronales. • En el desarrollo muchas neuronas (50%) sufren apoptosis (Sinaptogénesis). • Señales de supervivencia neuronal: • Factores Neurotróficos. • Glutamato (neurotransmisor excitatorio).

5. Inducción De Apoptosis in vitro • Falta de factores neurotróficos: • Desarrollo. • Enfermedades Neurodegenerativas. • Toxicidad del péptido b-amiloide: • Enfermedad de Alzheimer. • Excitotoxicidad. • Falta de K. • Estrés oxidativo: • Infarto. • Envejecimiento.

6. Falta De Factores Neurotróficos • Señales de supervivencia. • Causa de la pérdida masiva de neuronas en el desarrollo. • Modelo in vitro: • NGF: Ns simpáticas y células PC12. • BDNF o CNTF: Ns sensitivas. • Cultivos sin suero.

7. Toxicidad Del Péptido b-amiloide AAP b-amiloide • Principal compuesto de las placas seniles. • Péptido de 39 a 42 aa proveniente de la glicolisis de AAP (695-770 aa). • Apoptosis o necrosis según el tipo celular o el protocolo experimental. c-jun caspasas Apoptosis: Ns corticales Ns hipocampo Necrosis: Ns corticales Neuroblastomas PC12

8. Excitotixicidad • Los aminoácidos excitadores son neurotransmisores (Glutamato). • Implicados en la diferenciación neuronal y en la memorización. • Receptores: • Ionotrópicos glutamatérgicos (NMDA). • Metabotrópicos. • Estímulo excesivo: muerte neuronal. Apoptosis Necrosis

10. Falta de K: La supervivencia y diferenciación neuronales in vitro requiere altas [K]. Privación de K en el medio  apoptosis Estrés oxidativo: Agentes oxidantes en el medio (H2O2, peroxinitrito). Inhibición de la síntesis de antioxidantes intracelulares  aumento de radicales libres. Otros Modelos

11. Mecanismos Moleculares De La Apoptosis

12. Mecanismos Moleculares (2) Mattson, M.P. (2000) Nature reviews 1: 120-9

13. Receptores De Membrana Apoptosis por falta de factores neurotróficos Fas p75 http://perso.wanadoo.fr/adna/Apoptose.html

14. Los Proto-oncogenes: c-fos y c-jun • Modelos in vitro: • Falta de K o suero, exposición al b-amiloide, strés escitotóxico. • Modelos in vivo: • Axotomía o estrés excitotóxico. Factores neurotróficos c-Jun c-Jun JNK JNK

15. Genes Del Ciclo Celular • Ciclinas: • D1: su función en la apoptosis es variable dependiendo del tipo neuronal y del estímulo. • D1 y B1: + individualización de cromosomas en la apoptosis inducida por ácido okadaico en neuroblastomas. • P53: • Participación demostrada in vivo e in vitro. • No participa en el desarrollo cerebral normal. • Convierte a las neuronas más sensibles al estímulo apoptótico.

16. La Familia De Bcl-2 • Sobre-expresión de Bcl-2 in vivo e in vitro inhibe la apoptosis. • Bcl2 : exceso de neuronas en cerebro y médula. • Bcl2 (-/-): desarrollo normal y degeneración importante post-natal. • Bcl-x (-/-): muerte neuronal apoptótica masiva en el desarrollo. • Bax (-/): exceso de neuronas simpáticas y motoneuronas. Resistentes a la privación de NGF in vitro y a la axotomía.

17. Regulación De La Familia Bcl-2 • Transcripcional: • EGL-1, Bim, Hrk. • Post-traducción: • Bax, Bad, Bid.

18. Putcha et al. (2002) • Las proteínas pro-apoptóticas BAX y BAK no presentan redundancia o expresión compensatoria en niveles fisiólogicos. • Bim comparte función con Hrk pero no con Bid o Bad. • Fas-FasL no contribuyen a la apoptosis por TFD.

19. Putcha et al. (2002) • El modelo de apoptosis basado en la privación de factores neurotróficos en cultivos neuronales de SCG y CG depende únicamente de la expresión y traslocación de BAX para la salida de Cyt-c y activación de caspasas. • BIM y HRK están inducidos y requieren de BAX para mediar la muerte celular. • La subfamilia BH3 puede mediar la traslocación de BAX.

20. Citoplasma Mitocondria BH3 BAX BAX Cyt c BCL-2 BCL-w BCL-XL BH3 BAX BH3 BAX Cyt c BCL-w BCL-XL BH3 BAX BAX Cyt c BCL-2 BCL-W BCL-XL BH3 BAX BAX Cyt c Putcha et al. (2002) Modelo 1 Modelo 2 Modelo 3 Modelo 4

21. Citoplasma Mitocondria BH3 BAX BAX Cyt c BID BAD BIM BCL-2 BCL-w BCL-XL BH3 BAX BH3 BAX Cyt c BCL-w BCL-XL BH3 BAX BAX Cyt c BCL-2 BCL-W BCL-XL BH3 BAX BAX Cyt c Putcha et al. (2002) Modelo 1 Modelo 2 Modelo 3 Modelo 4

22. Mitocondria Citoplasma +NGF BAX BAX BAX Cyt c (periférico) (integral) BCL-2 BCL-XL multimerización -NGF BAX BAX BAX Cyt c (periférico) (integral) BCL-2 BCL-XL BIM Dp5 Putcha et al. (2002)

23. Casp-8 respuesta a la inducción por Fas y el receptor de la neurotrofina p75. Casp-3: importante en el desarrollo. Casp-1: apoptosis de neuronas post-mitóticas. Casp-2: apoptosis por falta de factores neurotróficos. Responsabilidad diferente según el tipo neuronal, el grado de madurez y el estímulo apoptótico. Activación de caspasas efectoras: Activación DNasas. Poly-ADP-ribosa polimerasa. Kinasa ATM. Canales de iones (AMPA). Proteínas del citoesqueleto. Caspasas

24. Otros Factores • Par-4: • Prostate apoptosis response-4 protein. • Sobre-expresada en células apoptóticas de tumores de próstata. • Esencial en la apoptosis neuronal (desarrollo y patológica): • Sobreexpresada en respuesta a estímulos apoptóticos. • Interacción con la proteinkinasa Cz y Bcl-2 (dominio Leucine Zipper).

25. Otros Factores • Telomerasa: • Previene el acortamiento de los cromosomas en la mitosis. • Actividad incrementada en la inmortalización y transformación celular y en el desarrollo. • Acción anti-apoptótica en los estadíos tempranos de la muerte neuronal. www.bio.miami.edu/dana/250/telomerase.jpg

26. Radicales Libres • La apoptosis neuronal producida por diversos estímulos (privación de factores neurotróficos, excitotoxididad, falta de K, exposición a b-amiloide, isquemia) se acompaña de la producción de radicales libres de O. • La acción de antioxidantes (SOD) no inhiben la apoptosis por falta de NGF. • NGF previene la muerte celular cuando los radicales libres ya se han producido. • Los radicales libres disminuyen la resistencia de las neuronas a la apoptosis.

28. Apoptosis En Enfermedades Neurodegenerativas • Apoptosis neuronal. • Mecanismos de supervivencia. • Enfermedades neurodegenerativas. • Aplicación: estudio de la apoptosis neuronal asociada a la enfermedad de scrapie.

29. Inducción De Apoptosis • Falta de factores neurotróficos: • Desarrollo. • Enfermedades Neurodegenerativas. • Glutamato (neurotransmisor excitatorio): • Neurodegeneración aguda (infarto). • Enfermedad de Alzheimer. • Estrés oxidativo: • Infarto. • Envejecimiento. • Toxinas ambientales.

30. Mecanismos De Supervivencia • La complejidad funcional y estructural del SN se basa en la no división celular. • La supervivencia neuronal permite mantener funciones continuas a larga distancia y la memoria duradera.

31. Cascadas De Señalización Anti-apoptótica

32. Actividad protectora in vitro e in vivo: Falta de factores neurotróficos Excitotoxicidad Estrés oxidativo APOPTOSIS NF-kB Mn SOD Bcl-2 IAP Promueve apoptosis: NF-kB O- Excitotoxinas Glutamato Acido kainico N-metil-D-aspartato APOPTOSIS NEURONAL Factor De Trascripción NF-kB

33. Factores Neurotróficos Autocrina o Paracrina Bcl-2, Bcl-Xl Ez antioxidantes Stress Caspasas Heat-shock proteins Chaperona Ca2+ Ca/calmodulin dependent Protein kinase Depolimerización actina PKB/AKT Ca2+ Canales De Ca2+ NMDA NF-kB CREB cGMP Señalización Intracelular

34. Apoptosis En Enfermedades Neurodegenerativas • Apoptosis neuronal. • Mecanismos de supervivencia. • Enfermedades neurodegenerativas. • Aplicación: estudio de la apoptosis neuronal asociada a la enfermedad de scrapie.

35. Otros Factores Que Modulan La Apoptosis En E.N.D. Mattson, M.P. (2000) Nature reviews 1: 120-9

36. Productos génicos asociados con la neurodegeneración http://www.hosppract.com/issues/2001/09/bred.htm

37. Enfermedades Neurodegenerativas • Corteza cerebral: • Enfermedad de Alzheimer (demencia senil). • Enfermedad de pick (demencia). • Enfermedad de Creutzfeld-Jakob. • Ganglios Basales: • Enfermedad de Parkinson. • Corea de Huntington. • Degeneración espino-cerebral: • Ataxia de Fiedreich. • Atrofia olivo-pronto-cerebelar. • Enfermedades de la motoneurona: • Esclerosis Lateral Amiotrófica. • Atrofia olivo-pronto-cerebelar.

38. Alzheimer • Pérdida progresiva del reconocimiento y problemas emocionales. • Degeneración sináptica y muerte de neuonas en las estructuras límbicas (hipocampo, amígdala y septo) y corteza asociada. • Agregados hiperfosforilados de proteína Tau. • Excesiva proteolisis mediada por Ca y estrés oxidativo. • Acumulación de placas de b-amiloide.

39. Muerte Neuronal • TUNEL: • Observada en ausencia de degeneración neurofibrilar. • Se observa también en casos poco severos (poca NDF). • Células TUNEL+, DNF-, Tau patológicas+. • Células gliales TUNEL+. • Células TUNEL+, b-amiloide+ y próximas a placas seniles. • Expresión de genes de apoptosis.

40. Mecanismos Moleculares • Sobre-expresión de Bax: • En las placas seniles. • No en neuronas Tau-PHF+. • Bcl-2: • Resultados inmunohistoquímicos controvertidos. • No cambios en ARNm. • C-fos, c-jun, p53 y Fas: • En neuronas TUNEL+. • No en neuronas Tau-PHF+. • Actividad de caspasas: • Fragmentación de la actina. • Otros: Par-4, represión de NCKAP1.

41. b-amiloide • Inducción de apoptosis. • Aumenta la vulnerabilidad neuronal al estrés oxidativo y la reducción energética. • Peroxidación de lípidos de membrana. • Deterioro de ATPasas de membrana y transportadores de glutamato y clucosa: • Despolarización de membrana. • Depleción de ATP. • Excesivo influjo de Ca. • Disfunción mitocondrial. • Protección: antioxidantes y estabilizadores de la homeostasis del Ca, neurotróficos y citoquinas.

42. b-amiloide

43. Apoptosis C31 APP Casp-3 Ab b-amiloide

44. Factores Genéticos • Mutaciones en APP, presenilinas1 y 2. • Desarrollo temprano y hereditario de la enfermedad. • Mutaciones en presenilinas: • Incremento de la digestión g-secretasa. • Pre-1*: neuronas más susceptible a apoptosis. • Acción Pres-1 anterior a la activación de caspasas. Aumenta la salida de Ca del RE.

45. Parkinson • Disfunción motoral. • Degeneración de las neuronas dopaminérgicas in la substancia nigra. • Neuronas: estrés oxidativo incrememtnado y disfunción mitocondrial. • Déficit del complejo mitocondrial I. • Factores genéticos y ambientales sensibilizan a las neuronas al estrés oxidativo y déficit energético.

46. Mecanismos Moleculares • Incremento de par-4 y p53 en neuronas dopaminérgicas. • Inhibidores de la caspasa-1, drogas que suprimen la síntesis de macromoléculas y facotres neurotróficos protegen a las neuronas in vitro. • Mutaciones en a-synuclein en un pequeño número de casos.

47. Huntington • Movimientos incontrolados. • Enfermedad hereditaria: expansiones de CAG en el gen de hungtintin Incrementos de repeticiones de poliglutamina. • Transtornos de la función mitocondrial y muerte excitotóxica. • El efecto de hungtintin* no se limita a las neuronas.

48. Mecanismos Moleculares • Redistribución de Casp-8 en una fracción insoluble del tejido del striatum. • Huntingtin*  Caspasa-8. • Caspasas  huntingtin  agregación y neurotoxicidad. • Espresión de huntingtin inhibe la apoptosis antes de la lesión mitocondrial.

49. Esclerosis Lateral Amiotrófica • Parálisis progresiva. • Degeneración de las motoneuronas en la médula espinal. • Formas esporádica y genética (mutaciones en la cu/Zn SOD). • SOD* no disminuye su actividad antioxidante pero incrementa su actividad pro-apoptótica.

50. Mecanismos Moleculares • SOD* interacciona con H2O2 o O-  daño oxidativo en las membranas y alteraciones en las funciones mitocondriales  vulnerables a la apotposis excitotóxica. • Incremento de Bax, no de Bcl-2. • Sobreexpresión de Bcl-2 e inhibidores de caspasas retrasan la degeneración y muerte.