apoptosis en enfermedades neurodegenerativas introducción a la terapia génica curso 2004-2005
Post on 03-Feb-2015
31 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Apoptosis En Enfermedades
NeurodegenerativasIntroducción a La Terapia
GénicaCurso 2004-2005
Apoptosis En Enfermedades
Neurodegenerativas• Apoptosis neuronal.• Mecanismos de supervivencia.• Enfermedades
neurodegenerativas.• Aplicación: estudio de la apoptosis
neuronal asociada a la enfermedad de scrapie.
Apoptosis En Enfermedades
Neurodegenerativas• Apoptosis neuronal.• Mecanismos de supervivencia.• Enfermedades
neurodegenerativas.• Aplicación: estudio de la apoptosis
neuronal asociada a la enfermedad de scrapie.
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).
Inducción De Apoptosis in vitro
• Falta de factores neurotróficos:– Desarrollo.– Enfermedades Neurodegenerativas.
• Toxicidad del péptido -amiloide:– Enfermedad de Alzheimer.
• Excitotoxicidad.• Falta de K.• Estrés oxidativo:
– Infarto.– Envejecimiento.
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.
Toxicidad Del Péptido -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.
AAP
-amiloide
Apoptosis:Ns corticalesNs hipocampo
c-jun
caspasas
Necrosis:Ns corticalesNeuroblastomasPC12
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
Otros Modelos
• 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.
Mecanismos Moleculares De La Apoptosis
Mecanismos Moleculares (2)
Pro-apoptóticas
Caspasas Digestión de sustratos específicos.
Bax, Bad Formación de poros en la Mb. Mit. (salida Cyt-c).
Receptores Glutamato Entrada de Ca; activación de quinasas y proteasas.
Fas Iniciación de la cascasda de Casp-8.
Par-4 Disfunción mitocondrial; supresión de señales de supervivencia (NF-B).
P53 Transcripción de genes apoptóticos (Bax).
Anti-apoptóticas
Bcl-2, Bcl-xL Estabiliza la función mitocondrial; supresión stress oxid.
IAPs Inhibición de caspasas.
Factores tróficos/citoquinas
Expresión de enzimas antioxidantes, prots reguladoras de Ca, IAPs, Bcl-2; fosforilación de AKT y otros.
Telomerasa Previene el acortamiento de los telómeros; modular respuestas de daño ADN.
Enzimas antioxidantes Suprimen estrés oxidativo.
Protein Kinasa C Estimula la expresión de (NF-B)
Prots. Unión al Ca Homeostasis del Ca.Mattson, M.P. (2000) Nature reviews 1: 120-9
Receptores De Membrana
http://perso.wanadoo.fr/adna/Apoptose.html
Fas
p75
Apoptosis por falta de factores neurotróficos
Los Proto-oncogenes: c-fos y c-jun
• Modelos in vitro:– Falta de K o suero,
exposición al -amiloide, strés escitotóxico.
• Modelos in vivo:– Axotomía o estrés
excitotóxico.
c-Jun
Factores neurotróficos
JNK
c-Jun
JNK
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.
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.
Regulación De La Familia Bcl-2
• Transcripcional:– EGL-1, Bim, Hrk.
• Post-traducción:– Bax, Bad, Bid.
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.
• 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.
Putcha et al. (2002)
Putcha et al. (2002)
Modelo 1
Modelo 2
Modelo 3
Modelo 4
Citoplasma Mitocondria
BH3 BAX BAX Cyt c
BCL-2BCL-wBCL-XL
BAXBH3BAXBH3
Cyt c
BH3 BAX BAX Cyt cBCL-wBCL-XL
BCL-2BCL-WBCL-XL
BH3
BAX BAX Cyt c
Putcha et al. (2002)
Modelo 1
Modelo 2
Modelo 3
Modelo 4
Citoplasma Mitocondria
BH3 BAX BAX Cyt c
BCL-2BCL-wBCL-XL
BAXBH3BAXBH3
Cyt c
BH3 BAX BAX Cyt cBCL-wBCL-XL
BCL-2BCL-WBCL-XL
BH3
BAX BAX Cyt c
BID BAD
BIM
Putcha et al. (2002)
Citoplasma Mitocondria
+NGF BAX BAX BAX Cyt c (periférico) (integral)
BCL-2BCL-XL
-NGF BAX BAX BAX Cyt c (periférico) (integral)
BCL-2BCL-XL
multimerización
BIMDp5
Caspasas
• 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.
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 C y Bcl-2
(dominio Leucine Zipper).
• 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.
Otros Factores
www.bio.miami.edu/dana/250/telomerase.jpg
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.
Apoptosis En Enfermedades
Neurodegenerativas• Apoptosis neuronal.• Mecanismos de supervivencia.• Enfermedades
neurodegenerativas.• Aplicación: estudio de la apoptosis
neuronal asociada a la enfermedad de scrapie.
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.
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.
Cascadas De Señalización Anti-apoptótica
Factor De Trascripción NF-kB
Actividad protectora in vitro e in vivo:
NF-B APOPTOSISFalta de factores neurotróficosExcitotoxicidadEstrés oxidativoMn SOD
Bcl-2IAP
Promueve apoptosis:
NF-BO-
ExcitotoxinasGlutamato
Acido kainicoN-metil-D-aspartato
APOPTOSISNEURONAL
Señalización Intracelular
Stress
Factores NeurotróficosAutocrina o Paracrina
Heat-shock proteinsChaperona
Bcl-2, Bcl-XlEz antioxidantes
Caspasas
Ca2+
PKB/AKTCa/calmodulin dependent Protein kinase
CREB
Depolimerización actina
Ca2+
NMDACanalesDe Ca2+
cGMP NF-B
Apoptosis En Enfermedades
Neurodegenerativas• Apoptosis neuronal.• Mecanismos de supervivencia.• Enfermedades
neurodegenerativas.• Aplicación: estudio de la apoptosis
neuronal asociada a la enfermedad de scrapie.
Otros Factores Que Modulan La Apoptosis En
E.N.D.E.N.D. Genéticos Ambientale
sAlzheimer APP, mutaciones
de la presenilina, ApoE
Traumatismo, baja educación, aporte calórico
Parkinson A-synuclein, mutaciones parkin
Trauma, toxinas, aporte calórico
Huntington Expansiones de Poly-CAG en Huntingtin
ALS Mutaciones Cu/Zn-SOD
Toxinas, respuesta autoinmune
Infarto Mutaciones cadasil
Fumar, dieta, grasa.
Mattson, M.P. (2000) Nature reviews 1: 120-9
Gene Disease Effect of Mutanton Apoptosis
CaspaseSubstrate?
Effect ofCaspase Cleavage
Androgen receptor Kennedy's Increased Yes Increased apoptosis
Huntingtin Huntington's Increased Yes Increased apoptosis
Spinocerebellaratrophy-2 (ataxin-2)
Spinocerebellaratrophy-2
Increased Yes ?
Dentatorubropallidoluysianatrophy (atrophin-1)
Dentatorubro-pallidoluysian atrophy
Increased Yes Increased apoptosis
Spinocerebellaratrophy-3 (ataxin-3)
Machado-Josephdisease
Increased Yes ?
Presenilin-1 Alzheimer's Increased Yes ?
Presenilin-2 Alzheimer's Increased Yes ?
Beta-amyloid precursor protein
Alzheimer's Increased Yes Increased apoptosis
ApoE Alzheimer's ? ? ?
Superoxide dismutase-1
Familial amyotrophiclateral sclerosis
Increased No for caspase-3
?
Alpha-synuclein Parkinson’s Increased No for caspase-3 ?
Productos génicos asociados con la neurodegeneración
http://www.hosppract.com/issues/2001/09/bred.htm
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.
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 -amiloide.
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+, -amiloide+ y
próximas a placas seniles.• Expresión de genes de apoptosis.
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.
-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.
-amiloide
-amiloide
A
APP
Casp-3
C31Apoptosis
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.
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.
• 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.
Mecanismos Moleculares
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.
• 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.
Mecanismos Moleculares
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.
• 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.
Mecanismos Moleculares
Infarto Cerebral
• Infarto:– Corazón necrótico.– Penumbra isquémica.
• Daño del ADN y activación de PARP.
• Expresión genes proapoptóticos y salida de cyt-c.
• Hidrólisis de MPL:– ASMasaEsfingomieli
naceramida.
Apoptosis En Enfermedades
Neurodegenerativas• Apoptosis neuronal. • Mecanismos de supervivencia.• Enfermedades
neurodegenerativas.• Aplicación: estudio de la
apoptosis neuronal asociada a la enfermedad de scrapie.
top related