LABORATORIO DE URGENCIAS

Producción de Beta-Amiloide en Neuronas y Colesterol Derivado de Astrocitos

                                                                                            Hao Wang, Joshua Kula, Scott B. Hansen el al
                                                                                                                             Sanford Consortium for Regenerative Medicine, La Jolla, CA

                                                                                                                                  PNAS (August 2021)118 (33) e2102191
                                                                                                              https://doi.org/10.1073/pnas.2102191118

La enfermedad de Alzheimer (EA), el trastorno neurodegenerativo más prevalente, se caracteriza por la pérdida progresiva de la función cognitiva y la acumulación de péptido β amiloide (Aβ) y tau fosforilada.
Las placas amiloides están compuestas por agregados de péptido Aβ, una pequeña proteína hidrofóbica extraída del dominio transmembrana de la proteína precursora amiloide (APP) por proteasas conocidas como beta-(β-) y gamma-(γ-) secretasas.
La vía no amiloidogénica implica una tercera enzima, la alfa-(α-) secretasa, que genera un fragmento soluble de APP (sAPP-α), ayuda a establecer la excitabilidad neuronal en individuos sanos y no contribuye a la generación de placas amiloides. Por lo tanto, al prevenir la producción de Aβ, la escisión de APP mediada por la α-secretasa reduce la formación de placas. Sorprendentemente, ambas vías están finamente reguladas por el colesterol. En las membranas celulares, el colesterol regula la formación de cúmulos lipídicos (también conocidos como balsas lipídicas) y la afinidad de las proteínas por estos cúmulos, incluyendo la β-secretasa y la γ-secretasa.
La α-secretasa no reside en cúmulos lipídicos; se cree que reside en una región compuesta por lípidos poliinsaturados desordenados. La ubicación de la APP es menos clara. En estudios de membranas resistentes a detergentes (DRM), se asocia principalmente con lípidos de la región desordenada, aunque no exclusivamente. Se cree que la endocitosis acerca la APP a la β-secretasa y la γ-secretasa, lo que se correlaciona con la producción de Aβ. La reticulación de la APP con la β-secretasa en la membrana plasmática también aumenta la producción de Aβ, lo que lleva a la hipótesis de que la agrupación lipídica en la membrana contribuye al procesamiento de la APP. La comprobación de esta hipótesis in vivo se ha visto dificultada por el pequeño tamaño y la naturaleza transitoria de los cúmulos lipídicos (a menudo <100 nm), lo cual está por debajo de la resolución de la microscopía óptica.
La imagen de superresolución ha surgido como una técnica complementaria a las DRM, con potencial de analizar la afinidad de los cúmulos de forma más directa en un entorno celular nativo. En este mecanismo, el colesterol hace que los cúmulos lipídicos secuestren una enzima de su sustrato. La eliminación del colesterol libera y activa la enzima, dándole acceso a su sustrato.
En el cerebro adulto, la capacidad de las neuronas para producir colesterol está alterada. En el cambio, los astrocitos producen colesterol y lo transportan a las neuronas con apolipoproteína E (apoE). La apoE, específicamente el subtipo e4 (apoE4), es el factor genético más importante, asociado con la EA esporádica.
Esto condujo a la teoría de que los astrocitos podrían controlar la acumulación de Aβ mediante la regulación de la función del grupo lipídico, pero esto aún no se ha demostrado en el cerebro de un animal. Demostramos que el colesterol derivado de astrocitos controla la acumulación  de Aβ in vivo y vincula la apoE, la Aβ y la formación de placas a una única vía molecular.
Los datos respaldan el colesterol de los astrocitos como un regulador clave de la acumulación neuronal de Aβ. Los datos de neuronas y astrocitos en cultivo muestran que la apoE secretada por los astrocitos carga colesterol en las neuronas.
El aumento de colesterol en las neuronas impulsa la asociación de la APP con las β- y γ-secretasas en los grupos lipídicos. La asociación de la APP con los grupos lipídicos parece regular la cantidad de acumulación de Aβ, y los niveles de Aβ determinan la formación de placas insolubles.
Si bien se sabe desde hace tiempo que los astrocitos desempeñan un papel importante en la producción cerebral de colesterol y expresan la proteína apoE relacionada con la EA, su papel en la patogénesis de la EA sigue siendo poco conocido. Los astrocitos experimentan cambios morfológicos significativos en modelos neurodegenerativos, y estudios recientes demuestran que experimentan amplios cambios transcripcionales en las primeras etapas del proceso de la EA.
No está claro si los astrocitos reaccionan a la cascada neurodegenerativa de la EA o si desempeñan un papel en la promoción de la enfermedad. El estudio demuestra un papel directo de los astrocitos en la promoción del fenotipo de la EA mediante la producción y distribución de colesterol a las neuronas. En conjunto, nuestros datos establecen una vía molecular que conecta la síntesis de colesterol en los astrocitos con el tráfico lipídico de la apoE y el procesamiento amiloidogénico de la APP. Esta vía establece al colesterol como un lípido crítico que controla el estado de señalización de una neurona. El colesterol parece estar regulado a la baja en las neuronas como parte de un mecanismo que permite a los astrocitos controlar la presentación de la APP a las enzimas proteolíticas neuronales. Al mantener bajos los niveles de colesterol, el astrocito puede mover la neurona a través de un gradiente de concentración que afecta profundamente el procesamiento de la APP y la eventual formación de placa.
En esencia, el colesterol está configurado para ser utilizado como lípido señalizador. En lugar de dirigirse a un receptor, se dirige a los dominios GM1 y establece el umbral para el procesamiento de la APP alterando la función del dominio GM1. Este concepto probablemente sea importante para otros sistemas biológicos, dado el profundo efecto del colesterol en la salud humana.
El aumento y la disminución del péptido Aβ con el colesterol es sorprendente, y los datos presentados aquí respaldan el mecanismo molecular propuesto, según el cual el procesamiento amiloidogénico de la APP se promueve mediante el aumento del colesterol en las interacciones de la APP con las β- y γ-secretasas a través de la presentación de sustrato.
Este hallazgo concuerda con investigaciones previas, que implican un mayor contenido de colesterol cerebral como un factor que promueve la patología amiloide asociada a la EA. La administración de estatinas a cobayas reduce significativamente los niveles de Aβ en el líquido cefalorraquídeo, y las estatinas redujeron el procesamiento de la β-secretasa en neuronas derivadas de células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Los ratones con EA APP/PS1 que sobreexpresan una forma activa truncada de SREBP2 presentan una carga de Aβ acelerada con el envejecimiento. Esta conclusión se ve respaldada por la existencia de un sitio de unión al colesterol en la proteína APP. Nuestros hallazgos contribuyen a la literatura, demostrando que el procesamiento amiloidogénico de APP en células cultivadas ocurre principalmente en dominios de membrana ricos en colesterol y es consistente con la disminución de la formación de Aβ por la descarga de colesterol en cultivos celulares y en la membrana plasmática.
Diversas evidencias sugieren que el colesterol y su tráfico por las lipoproteínas también influyen en la hiperfosforilación de tau en neuronas. Van der Kant et al. descubrieron que, al interrumpir la producción de colesterol mediante estatinas o al mejorar la depuración de colesterol, los niveles de pTau y tau total se redujeron en neuronas iPSC cultivadas. Curiosamente, las estatinas no tuvieron efecto sobre los niveles neuronales de pTau en presencia de inhibidores del proteasoma, lo que sugiere que los niveles elevados de colesterol en las neuronas podrían ralentizar la depuración intracelular de la proteína tau. Además, recientemente se demostró que la eliminación de la apoE en astrocitos, en un modelo murino de tauopatía, mitiga la patología de pTau, la neurodegeneración y la pérdida de sinapsis, aunque los niveles totales de tau se mantuvieron sin cambios. Esto podría indicar la existencia de mecanismos distintos para las fuentes de colesterol, tanto exógenas como endógenas, que promueven la acumulación de pTau en las neuronas.
En un amplio estudio sobre la patología del Alzheimer, se demostró que las variantes de APOE tienen fuertes efectos sobre la carga de ovillos de tau, siendo los portadores de APOE4/E4 los más afectados. Cabe destacar que se informó que un portador homocigoto de la mutación APOE Christchurch era resistente al deterioro cognitivo y a la acumulación de pTau, incluso en presencia de una mutación de presenilina 1 y un depósito robusto de placa amiloide. Por lo tanto, los niveles reducidos de pTau que observamos cuando se suprime la SREBP2 en los astrocitos probablemente se deban tanto a la reducción de los niveles de colesterol como a la reducción de la carga amiloide, aunque los mecanismos exactos por los que el colesterol en los astrocitos influye en la fosforilación neuronal de tau requieren futuras investigaciones.
La tendencia al aumento de los niveles de colesterol en ratones KI apoE4 y el aumento de la agrupación de APP/GM1 son consistentes con el aumento de colesterol en pacientes con EA familiar, lo que conduce a la agrupación de APP con balsas lipídicas y al aumento de la producción de Aβ observado en neuronas que expresan isoformas de apoE4. No se observaron diferencias en la capacidad de apoE3 y apoE4 purificadas para cargar o descargar colesterol en células cultivadas. Es probable que la regulación celular de apoE, o la abundancia de proteínas, sea responsable de los efectos específicos de la isoforma de apoE in vivo.
Se sabe que la carga de colesterol en las células gliales agrupa las proteínas inflamatorias y causa inflamación; por lo tanto, la presencia de colesterol en la regulación de APP sugiere una correlación entre la inflamación en la EA y la producción de Aβ. Un estudio previo halló una producción de Aβ controlada por la expresión génica. Observamos cambios drásticos en la producción de Aβ sin cambios apreciables en los niveles de expresión de APP. No obstante, ambos mecanismos no son mutuamente excluyentes, y el aumento de la expresión de APP sería sinérgico con un mayor corte en respuesta al colesterol alto. A nivel molecular, la carga de colesterol regula dos funciones: 1) la localización de la APP en los dominios GM1 y 2) el número total de dominios GM1. La palmitoilación impulsa la asociación de la mayoría de las proteínas integrales del grupo, pero las β- y γ-secretasas también están palmitoiladas y permanecen localizadas en los lípidos GM1, lo que sugiere una diferencia en la afinidad relativa o factores adicionales que facilitan su liberación de los dominios GM1 [p. ej., desajuste hidrofóbico].
Muchos canales están palmitoilados y pueden responder a la función de la apoE y del dominio lipídico GM1 de forma similar a la APP. Investigar el efecto del colesterol de los astrocitos sobre los canales será importante para el estudio de la EA, ya que muchos de los canales palmitoilados tienen profundos efectos sobre la excitabilidad neuronal, el aprendizaje y la memoria.
En estudios separados, observamos que la carga de colesterol con apoE provocó que el canal de potasio TREK-1 se desplazara hacia grupos lipídicos similares a la APP, un efecto que se revirtió mediante fuerza mecánica. Nuestros datos sugieren que células cultivadas que carecen de suplementación con apoE probablemente subestiman el tamaño fisiológico del dominio GM1, especialmente aquellas derivadas del cerebro, donde el colesterol es alto. Como era de esperar, los grupos parecían estar ausentes en las células cultivadas. No fue hasta que se añadió colesterol, suministrado por astrocitos o apoE con colesterol, que se observaron grupos a escala nanométrica (∼100 nm). Los datos concluyen que las condiciones con colesterol son las más relevantes fisiológicamente para las células cultivadas.
Todas las líneas de Cre dirigidas a astrocitos también sufren algún grado de deleción en las células progenitoras neuronales.
Si bien nuestro modelo también presenta esta deficiencia, hemos demostrado previamente que la síntesis total de colesterol por las neuronas aumenta para compensar la pérdida de colesterol de los astrocitos. La drástica disminución de Aβ y pTau observada en nuestros ratones AD × SB2(−/−) no se puede explicar fácilmente por la minoría de neuronas inactivadas.
Además, la microglía, que también produce apoE y no se ve afectada por la Cre, no puede compensar la falta de síntesis de colesterol en los astrocitos. Nuestros datos destacan que los pequeños cambios en la producción de Aβ observados en nuestros modelos de cultivo celular podrían tener un impacto significativo in vivo, de modo que se pueda observar el impacto acumulativo de la alteración del aporte de colesterol a las neuronas.

Conclusión: La disponibilidad de colesterol en los astrocitos regula la producción de Aβ mediante la presentación de sustrato.
Esto contribuye a la comprensión de la EA y ofrece una posible explicación del papel de los genes asociados al colesterol como factores de riesgo para la EA.

Nota: Esta presentación forma parte del trabajo. Las tablas, los gráficos, el texto y las referencias completas se pueden encontrar en la publicación mencionada comienzo.