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Proyecto PI2013/01: Propiedades emergentes de la relación neurona-glia que subyacen a neurodegeneración y demencia en la enfermedad de Alzheimer

 

Investigador Principal Institución

Torres Alemán, Ignacio

CIBERNED, Instituto Cajal CSIC, Madrid

Vicario Abejón, Carlos

CIBERNED, Instituto Cajal CSIC, Madrid

Vitorica Ferrándiz, Javier

CIBERNED, Universidad de Sevilla

Comella Carnicé, Joan X.

CIBERNED, Hospital Universitario Vall d'Hebron, Barcelona

Gutiérrez Pérez, Antonia

CIBERNED, Universidad de Málaga

Moratalla Villaba, Rosario

Grupo asociado, CIBERNED, Instituto Cajal CSIC, Madrid

Boada Rovira, Mercé

Grupo asociado, Fundación ACE, Barcelona

 

El objetivo de este proyecto fue determinar cambios asociados a procesos neuroinflamatorios que aparecen a lo largo de la enfermedad de Alzheimer (EA). En concreto el proyecto analizó las adaptaciones en la relación neurona-glia y su impacto en el desarrollo de toxicidad y subsiguiente muerte neuronal. El objetivo último era identificar nuevas dianas terapéuticas para incidir sobre la degeneración neuronal y por tanto en la progresión clínica de la EA. Para ello se analizaron las propiedades emergentes de las células de glia y las neuronas, teniendo en cuenta la interrelación funcional entre ellas y atendiendo al binomio Aβ/tau como hilo conductor desencadenante de estas nuevas propiedades celulares. Se utilizaron modelos animales in vitro e in vivo, así como muestras procedentes de pacientes EA.

Se obtuvieron los siguientes resultados:

  • Se observa que la glia en los cerebros de EA evoluciona a lo largo de la enfermedad de forma diferencial. Mientras que en fases avanzadas las células microgliales degeneran, los astrocitos son resistentes al proceso degenerativo. Probablemente sea la presencia de tau hiperfosforilado la causante de la toxicidad glial presente en los cerebros EA.
  • Hemos podido modular la inducción por Aβ en astrocitos de la interacción entre la fosfatasa calcineurina (implicada en procesos inflamatorios) y el factor de transcripción Foxo (implicado en respuestas a estrés oxidativo). De esta manera hemos detenido el proceso neurotóxico mediante compuestos péptido-miméticos.
  • Hemos caracterizado que los niveles de FAIM-L, proteína involucrada en el proceso neuro-toxico, están reducidos en cerebros EA y en modelos murinos de la enfermedad. Además, el beta amiloide reduce los niveles de FAIM-L, y esta proteína es necesaria para que el TNF pueda proteger a las neuronas de la muerte inducida por beta amiloide o por extractos cerebrales de ratones APP/PS1.
  • Se han desarrollado modelos celulares de la enfermedad (células iPS y fibroblastos de pacientes EA) para poder contrastar los hallazgos en estos modelos, incluyendo la necesaria obtención de datos descriptivos en muestras de pacientes. Aunque los objetivos iniciales no se han cubierto al 100%, consideramos que nos hemos aproximado a ello y en todo que los hemos cumplido de forma satisfactoria, tal como se refleja en las conclusiones que hemos obtenido, en donde contestamos a todos las interrogantes planteadas:
  • La microglia y la astroglia en los cerebros EA presentan patrones distintos de activación a lo largo de la enfermedad. Se observan importantes diferencias entre los modelos animales (ratones APP/PS1) y los cerebros EA, siendo el tau hiperfosforilado el potencial agente tóxico responsable del declive microglial observado en EA.
  • La interaccion calcineurina-Foxo está sujeta a regulación farmacológica con compuestos interferentes que tienen un potencial terapéutico claro al ser capaces de detener la muerte neuronal por amiloidosis.
  • Los niveles de FAIM-L están reducidos en pacientes EA en estadíos avanzados de la enfermedad, aspecto que se observa también en el modelo murino APP/PS1. Por otra parte, un papel clave en determinar la respuesta de las neuronas a TNFα, siendo esta citoquina bien protectora o bien pro-apoptótica
  • El IGF-I es un potente modulador de la función sináptica en corteza a nivel pre- y postsinaptico.
  • Se han derivado astrocitos y neuronas a partir de células iPS de pacientes EA.
  • Los fibroblastos derivados de donantes EA con distintos polimorfismos ApoE presentan una alteración de la homeostasis del colesterol y de la autofagia.

 

PI2013/08: La dinámica mitocondrial y mitofagia como dianas terapéuticas en las Enfermedades de Parkinson y Huntington

Investigador Principal Institución

Soriano García, Eduardo

CIBERNED, Universidad de Barcelona

Vila Bover, Miquel

CIBERNED, Hospital Universitario Vall d'Hebron, Barcelona

Trullás Oliva, Ramón

CIBERNED, IDIBAPS-CSIC , Barcelona

Alberch Vié, Jordi

CIBERNED, Universidad de Barcelona

Tolosa Sarró, Eduardo

CIBERNED, Hospital Clinic de Barcelona

 

La disfunción mitocondrial es un proceso clave en la patogénesis de numerosas enfermedades neurodegenerativas, en particular en la enfermedad de Parkinson (EP) y Enfermedad de Huntington (EH). Además de alteraciones mitocondriales relacionadas con la respiración celular y la producción de ATP, la homeostasis del calcio y el estrés oxidativo, estudios recientes sugieren un segundo tipo de alteraciones mitocondriales que convergen en dos procesos esenciales para la fisiología y viabilidad neuronal: el transporte y dinámica mitocondrial y el reciclaje de mitocondrias por mitofagia. Aunque conocemos algunos de los genes que participan en estos procesos, los mecanismos exactos que regulan la dinámica mitocondrial y mitofagia en neuronas, así como su implicación en la patogénesis de la EP y EH -especialmente en estadios tempranos-, son desconocidos.

El objetivo de este proyecto fue diseccionar el papel de proteínas mitocondriales identificadas recientemente por los grupos de este Consorcio como reguladores de los procesos de dinámica mitocondrial y mitofagia (la familia Armcx/Armc10, Pentraxina1/NP1 y HTT) y en la patogénesis de la EP y EH. En segundo lugar, determinaremos su potencial utilidad terapéutica en el tratamiento de estas enfermedades.

Para ello, se plantearon 3 objetivos concretos:

  • Diseccionar los mecanismos moleculares mediante los que los genes Armcx/Armc10, NP1 y HTT regulan dinámica mitocondrial y mitofagia.
  • Caracterizar las alteraciones patogénicas en dinámica mitocondrial y mitofagia en la EP y EH (tanto en cerebros de enfermos como en modelos celulares de enfermedad, incluyendo fibroblastos y neuronas diferenciadas a partir de iPSCs de pacientes) y su relación con los genes indicados.
  • Investigar si la manipulación de la expresión de estos genes es capaz de revertir los déficits mitocondriales asociados a la EP y EH y restaurar la función/viabilidad neuronal, tanto in vitro (fibroblastos y neuronas derivadas de pacientes -iPSCs) como en modelos experimentales in vivo.

Los resultados de este proyecto ayudaran a descifrar el papel de las alteraciones de la dinámica mitocondrial y mitofagia en la patogénesis de la EP y EH y servirán para evaluar si los genes Armcx/Armc10, NP1 y HTT pueden representar nuevas dianas terapéuticas para el tratamiento de estas enfermedades.

 

PI2013/05: Identificación y caracterización molecular de subpoblaciones de receptores cannabinoides en poliglutaminopatías

Investigador Principal Institución

Guzmán Pastor, Manuel

CIBERNED, Universidad Complutense de Madrid

Fernández Ruiz, Javier

CIBERNED, Universidad Complutense de Madrid

McCormick, Peter Joseph

CIBERNED, Universidad de Barcelona

Mena Gómez, Mª Angeles

CIBERNED, Hospital Universitario Ramón y Cajal, Madrid

 

La comprensión de los procesos de supervivencia neuronal es esencial para la caracterización de la etiología y progresión de las enfermedades neurodegenerativas y, por tanto, para el diseño de terapias racionales para su tratamiento. En este contexto, durante los últimos años los 4 grupos del consorcio han estudiado cómo el sistema cannabinoide modula estos procesos, así como cuál puede ser la validez terapéutica de los receptores cannabinoides como dianas neurofarmacológicas. En concreto, el receptor CB1 cannabinoide es el receptor metabotrópico más abundante del cerebro de los mamíferos y, específicamente, se expresa en muy altos niveles en los ganglios basales y en el cerebelo, donde desempeña un papel esencial en el control de la actividad y la coordinación motoras, respectivamente. Se ha descrito que la expresión del receptor CB1 disminuye en los ganglios basales de pacientes y modelos animales de la enfermedad de Huntington (EH), la enfermedad neurodegenerativa más estudiada de entre todas las causadas por expansión de tripletes. Aunque se han realizado estudios detallados sobre el papel protector de los receptores cannabinoides en modelos de la EH, todavía no conocemos qué subpoblaciones precisas de receptores cannabinoides están implicadas en los efectos neuroprotectores. La existencia de subpoblaciones para el receptor CB1 se ha sugerido recientemente a través del descubrimiento de que este receptor posee distinta eficacia para señalizar según su localización en terminales glutamatérgicas o GABAérgicas y de que, en células transfectadas o en tejidos ex vivo, puede formar heterómeros con otros receptores metabotrópicos. Por ello, el objetivo global de este proyecto es identificar y caracterizar molecularmente las subpoblaciones de receptores cannabinoides (CB1 y heterómeros CB1-receptores de adenosina o CB1-otros receptores de cannabinoides) y su potencial como nuevas dianas para inducir neuroprotección en poliglutaminopatías.

Este objetivo global puede desglosarse en los siguientes objetivos específicos:

  • Estudiar la expresión diferencial de heterómeros del receptor CB1 y su papel neuroprotector en terminales GABAérgicas y glutamatérgicas.
  • Estudiar el papel neuroprotector del receptor CB1 y de los heterómeros del receptor CB1 en modelos murinos de dos poliglutaminopatías (EH y SCA3) y en animales en los que se induce la activación selectiva de poblaciones neuronales con la técnica farmacogenética de Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADD).
  • Estudiar las posibles alteraciones en la expresión de receptores CB1 y heterómeros de CB1 en tejido cerebral post-mortem procedente de pacientes de dos poliglutaminopatías (EH y SCA3).

Estos estudios, que aunarán la experiencia y capacidad complementarias de los 4 grupos del consorcio, ayudarán a clarificar las bases moleculares y la posible relevancia clínica de dos cuestiones importantes: (i) si las alteraciones del sistema cannabinoide están implicadas en la patogénesis de las enfermedades de poliglutamina, y (ii) si la estimulación de la señalización cannabinoide fomenta la neuroprotección y por ello retrasa el inicio y/o atenúa la progresión de dichas enfermedades.

 

PI2013/07: Papel de GSK‐3β en las alteraciones de los circuitos corticales que ocurren en la enfermedad de Alzheimer

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Investigador Principal Institución

Iglesias Vacas, Teresa

CIBERNED, Instituto de Investigaciones Biomédicas CSIC-UAM, Madrid

Ávila de Grado, Jesús

CIBERNED, Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa" CSIC-UAM, Madrid

De Felipe Oroquieta, Javier

CIBERNED, Instituto Cajal CSIC, Centro de tecnología Biomédica, Madrid

Naranjo Orovio, José Ramón

CIBERNED, Centro Nacional de Biotecnología CSIC, Madrid

Lleó Bisa, Alberto

CIBERNED, Hospital de la Santa Creu i Sant Pau, Barcelona

 

Uno de los temas principales de investigación en la enfermedad de Alzheimer (EA) tiene como objetivo dilucidar la relación entre el deterioro cognitivo progresivo y las alteraciones moleculares, fisiológicas y morfológicas de los circuitos corticales que ocurren en la enfermedad. En general se considera que la alteración en los niveles de calcio y la sobre-­‐activación de la glucógeno sintasa quinasa β (GSK-­‐3β) están relacionadas directamente con la patogénesis de la EA, por lo que terapias dirigidas a modular la homeostasis de calcio y/o inhibir a GSK-­‐3β, aplicadas en estadios tempranos de la enfermedad podrían tener un gran potencial para su tratamiento. En el presente proyecto se han analizado modificaciones/alteraciones asociadas a la hiperactividad de GSK-­‐3β en el continuum de la EA y su relación con alteraciones tempranas en la homeostasis del calcio neuronal, con objeto de identificar aquellos cambios asociados a la enfermedad en estadios preclínicos o prodrómicos que puedan ayudar a realizar un diagnóstico precoz de la EA. Para nuestros estudios se han utilizado fundamentalmente modelos murinos que sobre-­‐expresan GSK-­‐3β, que sobre-­‐expresan la proteína regulada por calcio DREAM o carecen de ella, y muestras de cerebro y líquido cefalorraquídeo (LCR) de sujetos control o pacientes en distintos estadios de la EA. Con este trabajo se ha conseguido ahondar en el conocimiento de las bases moleculares mediante las cuales GSK-­‐3β participa en la etiopatogénesis de la EA. La sobreexpresión de GSK3 en precursores neuronales da lugar a un mayor número de estos precursores y de neuronas maduras en giro dentado. Las espinas dendríticas de dichas neuronas, resultantes de la neurogénesis, son claramente distintas a las neuronas maduras preexistentes. Por otro lado, estudios microanatómicos muestran una fosforilación y localización diferencial de tau en estadios tempranos y tardíos de la enfermedad. Por último, se ha identificado un nuevo marcador en LCR para el que se ha mapeado un fosfo-­‐epítopo, cuyo anticuerpo fosfo-­‐específico se podrá testar en EA y establecer su patrón temporal de aparición a lo largo de la progresión de la enfermedad. Estos datos podrían ayudar a realizar un diagnóstico precoz para poder intervenir terapéuticamente antes de que aparezcan signos mayores de deterioro cognitivo.  

 

PI2013/09: Degeneración sináptica y desregulación de la neurogénesis del adulto en modelos murinos de neurodegeneración

Investigador Principal Institución

Fernández Chacón, Rafael

CIBERNED, Universidad de Sevilla

Lucas Lozano, José Javier

CIBERNED, Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa" CSIC-UAM, Madrid

Fariñas Gómez, Isabel

CIBERNED, Universidad de Valencia

 

Está ampliamente aceptado que los procesos neurodegenerativos presentan, desde fases tempranas de la patología, una disfunción de tipo sináptico. Sin embargo, las alteraciones sinápticas son más difíciles de analizar experimentalmente que la vulnerabilidad neuronal, lo que contribuye a la escasez de información sobre cómo pueden contribuir a los procesos neurodegenerativos. Por otro lado, existen evidencias recientes de que la actividad sináptica puede regular los procesos de neurogénesis adulta y que ésta puede contribuir a la progresión de algunos síntomas en los procesos neurodegenerativos y a la posible respuesta paliativa del cerebro a estos procesos. La identificación, en los últimos años, de moléculas implicadas en la liberación de neurotransmisores y relacionadas con diversas patologías neurodegenerativas, ha abierto la posibilidad de estudiar la conexión entre el mantenimiento de la función sináptica y patologías como la enfermedad de Huntington (HD) o la de Parkinson (PD). Por ello, este consorcio propone estudiar la relación entre actividad sináptica y neurodegeneración, mediante una estrategia consistente en el uso de modelos murinos en los cuales están alteradas tres de estas moléculas: CSP-alfa, alfa-sinucleína y huntingtina para el estudio de 1) los procesos de neurogénesis adulta en el contexto de las alteraciones sinápticas y 2) el estrés de retículo endoplásmico como mecanismo patogénico básico en respuesta a las alteraciones sinápticas. Este consorcio estudiará la relación entre actividad sináptica, regulación de la neurogénesis adulta y neurodegeneración en varios modelos murinos genéticamente modificados: un modelo de toxicidad por poliglutaminas (ratones R6/1 con huntingtina mutada), un modelo de degeneración presináptica (ratones KO carentes de Cysteine String Protein- alfa (CSP-alfa)) y modelos con modificaciones genéticas para la proteína sináptica alfa-sinucleína. Resultados previos sugieren una intrigante conexión, todavía poco estudiada, entre huntingtina y CSP en mecanismos neurodegenerativos. Por otro lado, se han descrito interacciones patológicas entre CSP-alfa y alfa-sinucleína y ambas regulan la liberación del neurotransmisor actuando sobre los complejos SNARE. Datos no publicados indican una alteración de la neurogénesis hipocampal y susceptibilidad a epilepsia que podría ser en parte debida a un deficit de inhibición GABAérgica en ratones CSP-alfa KO. En el presente proyecto investigaremos si tienen efectos sobre la neurogénesis mediante el estudio de los nichos neurogénicos de la zona subventricular y subgranular. En particular, caracterizaremos las consecuencias sobre la neurogénesis de la degeneración de terminales sinápticos que inervan ese nicho neurogénico y de la disfunción sináptica en los distintos modelos. En paralelo, estudiaremos el peso específico que tiene el estrés del retículo endoplásmico como causa de muerte neuronal en nuestros modelos murinos y la posibilidad de revertir terapéuticamente la degeneración mediante inhibición farmacológica de ese mecanismo.

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