Problemas tempranos con los neurotransmisores en la EH

Trabajando con un modelo con moscas, los investigadores demuentran que la proteína de la EH temprano ocasiona problemas sinápticos y que esos problemas se pueden apuntalar mediante genes que regulan los canales de calcio
Trabajando con un nuevo modelo de la EH con moscas de la fruta, investigadores del  Baylor College of Medicine, aportan nuevos conocimientos sobre la patología de la EH.

Gran parte de la atención de los investigadores de la EH se ha puesto sobre la disfunción dentro de la célula: el mal funcionamiento del metabolismo celular, la acumulación de la proteína huntingtina dentro del núcleo, y la interferencia con la transcripción genética normal. En el nuevo modelo con moscas de la fruta, antes de que se desarrollen problemas dentro de la célula, se produjo un incremento de la neurotransmisión.

Las neuronas se conectan unas a otras por medio de sinapsis y se comunican a través de señales químicas llamadas neurotransmisores. Los investigadores del Baylor encontraron que la liberación de neurotransmisores es, de hecho, más eficiente de lo que se supone que debe ser.

También identificaron genes que podrían mejorar este problema. Inducir la pérdida parcial de la función de ciertos genes que regulan la función sináptica revirtió la enfermedad. Las mutaciones en genes que controlan la regulación de los canales de calcio también redujo la transmisión elevada y revirtió la patología. Los canales de calcio inician la neurotransmisión controlando el influjo de calcio hacia las neuronas.

Manipulando estos genes, los investigadores lograron suprimir los impedimentos motores y la neurodegeneración observadas en el modelo con moscas, lo que demuestra que una neurotransmisión elevada  es una patología temprana y significativa.

Utilizando diferentes modelos de la enfermedad

Los modelos con moscas o drosophilia de la EH se utilizan porque se pueden lograr resultados más rápido que con los modelos con ratones. El conocimiento que se gana con estos modelos, luego es explorado en estudios de modelos con ratones.

Cuando se analizan los resultados de cualquier modelo animal de la EH, es importante tener en cuenta qué modelo fue utilizado. Hay diferentes tipos de modelos con ratones y cada modelo reproduce la patología humana de la EH de una manera ligeramente diferente. Los primeros modelos, y los que todavía se usan con mayor frecuencia en la investigación (los ratones R6/1 y R6/2), son aquellos en los que un segmento de las repeticiones humanas de CAG se agregan al propio gen de la huntingtina del ratón. Estos modelos son una versión transgénica (quiere decir, proveniente de otra especie) y truncada (no es el gen completo) de la proteína.

Otros modelos incluyen uno en que el gen humano completo de la EH se inserta (transgénico, largo completo) y otros en los que algunas repeticiones extra de CAG de los ratones mismos se insertan en el propio gen de la huntingtina del ratón (modelos knock-in).

El ratón de los modelos truncados/transgénicos se enferma rápidamente, la enfermedad es más severa y los agregados nucleares de la proteína se forman tempranamente. En contraste, en los modelos transgénicos de largo completo y los modelos  knock-in, los ratones desarrollan la enfermedad más tarde, las agregaciones nucleares ocurren más tarde y los patrones específicos de neurodegeneración reproducen aquellos que observamos en los humanos con la EH.

Un estudio con ratones knock-in que marcó un hito, fue aquel llevado a cabo por Michael Hayden y colegas. Su investigación sirve de apoyo a la hipótesis de los fragmentos tóxicos, es decir, la idea de que las caspasas cortan la proteína de la EH en fragmentos tóxicos que entran al núcleo y generan disfunción y muerte celular. El ratón con la EH genéticamente diseñado para resistir la caspasa seis, no desarrolló la EH, como así tampoco lo hizo el ratón ‘short stop’ en el que los fragmentos de la proteína son ubicados en un lugar diferente para que no resulten tóxicos. Esta información no podría haberse obtenido a partir de modelos truncados con ratones.  

Los modelos con moscas de la fruta o drosophilia se desarrollaron para que se puedan obtener resultados con mayor prontitud que con los modelos con ratones. Estos descubrimientos pueden ser luego explorados en modelos con ratones. Antes de que los investigadores del BCM desarrollaran el nuevo modelo, se utilizaron modelos truncados de moscas. El Dr. Botas y colegas desarrollaron un modelo transgénico de moscas de la fruta en el que se expresa la proteína humana completa de la EH, esperando obtener una mejor idea del proceso de la enfermedad de Huntington.

Como con los ratones, la enfermedad progresa de manera diferente en los dos modelos con moscas. En el de largo completo, la neurodegeneración y la incapacidad motriz se presentan de manera progresiva y el tiempo de sobrevida disminuye. En el modelo truncado, los agregados no se encontraron ni en los axones ni es el núcleo, quizá porque estos procesos llevan tiempo cuando la proteína no se halla todavía fragmentada y porque la vida de las moscas es muy corta. Utilizando el modelo de largo completo, los investigadores del BCM pudieron identificar una nueva y temprana patología, la neurotransmisión incrementada, que merece ser  continuar siendo investigada.

Por qué son importantes estos descubrimientos

La proteína de la EH produce varias alteraciones en el cerebro y no todas ellas representan un blanco para tratamiento. Algunas alteraciones son patológicas y llevan, de hecho, a la disfunción y a la pérdida de células cerebrales. Sin embargo, otros cambios pueden ser compensaciones a problemas, mientras que otras alteraciones pueden no contribuir para nada a la patología. Es importante identificar qué alteraciones son patologías significativas para así poder desarrollar estrategias de tratamiento.

Hasta que se desarrolle y se apruebe un tratamiento que apunte directamente a la expresión del gen de la EH, lo más probable es que se utilice una terapia combinada. Este estudio identifica lo que parece ser una patología significativa y temprana y sugiere algunos objetivos de drogas adicionales para agregarlos a la lista de espera de la investigación. 

Los autores escribieron,  “La información genética respecto de la supresión de la transmisión sináptica y los fenotipos degenerativos, define con mayor precisión objetivos terapéuticos específicos y apoya la idea de que los antagonistas de los canales de CA2+, y quizá otros inhibidores de la neurotransmisión, ofrecen una opción terapéutica atractiva debido a su especificidad y su uso generalizado”.

Pareciera que vale la pena que se investiguen los antagonistas de los canales de calcio en los modelos con ratones de la enfermedad. Un nuevo estudio reporta que los individuos que toman estas drogas durante un largo plazo (por otras razones médicas) reducen en un 23% el riesgo de desarrollar la enfermedad de Parkinson, sugiriendo que podrían ser neuroprotectoras.

Referencias

Becker C, Meier C, "Use of antihypertensives and the risk of Parkinson disease." Neurology 2008 Feb 6 [Epub ahead of print]

Hayden M, et al., "Cleavage at the Caspase-6 Site Is Required for Neuronal Dysfunction and Degeneration Due to Mutant Huntingtin." Cell, Vol 125, 1179-1191, 15 June 2006

E.J. Slow, et al, "Absence of behavioral abnormalities and neurodegeneration in vivo despite widespread neuronal huntingtin inclusions." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 102, 11402-7, 9 Aug 2005.

 

Marsha L. Miller, Ph.D.
Juan, Botas, Ph.D., associate professor of molecular and human genetics at Baylor College of Medicine.
Supresión de Neurodegeneración y Neurotransmisión Incrementada Causadas por Acumulación de Huntingina de Largo Completo en el Citoplasma
Eliana Romero, Guang-Ho Cha, Patrik Verstreken, Cindy V. Ly, Robert E. Hughes, Hugo J. Bellen, and Juan Botas
press release: Huntington's disease problems start early

The damaging effects of the mutated protein involved in Huntington’s disease take place earlier in cell life than previously believed, said researchers from Baylor College of Medicine in Houston in a report that appears in the current edition of the journal Neuron.

“This research provides evidence of toxicity by huntingtin (the protein involved in the disease) early during the disease process,” said Dr. Juan Botas, associate professor of molecular and human genetics at BCM. Previously, researchers thought that the protein, which is extremely large, begins its negative effects after it is cut and imported into the cell’s nucleus. However, Botas and his colleagues showed that the toxic effects are felt even before the protein is cleaved.

“Early in the disease, the full-length protein already causes neurotransmission problems at the level of the synapse,” he said. The synapse allows communication between two cells using chemicals called neurotransmitters. “We investigated the nature of those neurotransmitter defects, and at the same time, identified the genes that could ameliorate those defects.”

In their experiments, Botas and colleagues introduced the gene for full-length abnormal human htt into the fruit fly Drosophila and studied its early effects on neural function in the flies.

They found that, before the abnormal protein produced any toxic effects in the nuclei of neurons, it caused abnormally high transmission of chemical signals, called neurotransmitters, among neurons. Such neurotransmitters are launched by one neuron across connections, called synapses, to its neighbor, triggering a nerve impulse in the receiving neuron. Besides abnormal synaptic transmission, the researchers also found that mutant htt caused neurodegeneration and degeneration in the flies’ motor ability.

The researchers found that they could suppress these abnormalities by introducing other mutations into the fly genome that either reduced neurotransmission or reduced the activity of pores called calcium channels in the membranes of neurons. Such channels trigger neurotransmission by controlling the influx of calcium into neurons.

“The findings described in this report unveil a mechanism of pathogenesis for expanded htt that does not require its nuclear accumulation in detectable amounts,” concluded the researchers. They wrote that the increased neurotransmission they detected “likely represents a mechanism of pathogenesis taking place at early stages of disease progression.

“These findings point to increased synaptic transmission as a therapeutic target with the potential of delaying [Huntington’s disease] onset and thus likely impacting disease progression,” they wrote. They concluded that their ability to genetically suppress the abnormal neurotransmission and neurodegeneration “further define[s] specific therapeutic targets and support[s] the idea that Ca2+ channel antagonists, and perhaps other inhibitors of neurotransmission, offer an attractive therapeutic option due to their specificity and wide usage.”

journal abstract

Huntington's disease (HD) is a dominantly inherited neurodegenerative disorder caused by expansion of a translated CAG repeat in the N terminus of the huntingtin (htt) protein. Here we describe the generation and characterization of a full-length HD Drosophila model to reveal a previously unknown disease mechanism that occurs early in the course of pathogenesis, before expanded htt is imported into the nucleus in detectable amounts. We find that expanded full-length htt (128QhttFL) leads to behavioral, neurodegenerative, and electrophysiological phenotypes. These phenotypes are caused by a Ca2+-dependent increase in neurotransmitter release efficiency in 128QhttFL animals. Partial loss of function in synaptic transmission (syntaxin, Snap, Rop) and voltage-gated Ca2+ channel genes suppresses both the electrophysiological and the neurodegenerative phenotypes. Thus, our data indicate that increased neurotransmission is at the root of neuronal degeneration caused by expanded full-length htt during early stages of pathogenesis.

Neuron, Vol 57, 27-40, 10 January 2008