Experimentos con ratones modificados genéticamente han revelado un papel crucial de las respuestas transcripcionales mediadas por señales de estrés en la determinación del destino de las neuronas tras una lesión axonal. Entre estas, la eliminación neuronal de la quinasa Dual Leucine-Zipper (DLK), sensible al estrés, suprime la estimulación, por parte de la lesión, de factores de transcripción de la familia bZIP, incluyendo c-Jun y el factor de activación 3 (ATF3), que alteran sustancialmente los transcriptomas de las neuronas afectadas (Asghari Adib et al., 2018; Farley y Watkins, 2018; Le Pichon et al., 2017; Tran et al., 2019; Welsbie et al., 2017; Welsbie et al., 2013). Como es común en la señalización celular en respuesta al estrés, esta cascada de señalización MAPK (proteína quinasa activada por mitógenos) inducida por la lesión, acopla la activación de programas transcripcionales que preparan a las neuronas dañadas para la reparación con aquellos que las preparan para la apoptosis, esta última característica que puede facilitar la eliminación de células irreparables (Watkins et al., 2013).
Estos y otros conocimientos esenciales han sido posibles gracias al modelo de aplastamiento del nervio óptico en ratones, un modelo excepcionalmente manejable para la lesión axonal del SNC que ha sido valioso para comprender la neurodegeneración del SNC impulsada por axonopatías, particularmente el glaucoma, y los factores neuronales intrínsecos y extrínsecos que limitan la regeneración axonal del SNC (Lindborg et al., 2021; Tran et al., 2019; Vidal-Sanz et al., 2017). Tras una lesión por aplastamiento, las células ganglionares de la retina (RGC) axotomizadas se enfrentan a barreras intrínsecas y ambientales para la regeneración axonal, y los aspectos proapoptóticos de esta respuesta finalmente resultan en una extensa neurodegeneración de las RGC en las semanas siguientes (Syc-Mazurek et al., 2017a; Watkins et al., 2013; Welsbie et al., 2013; Welsbie et al., 2017). Aunque la eliminación neuronal de DLK, c-Jun o ATF3 confiere a cada uno una considerable neuroprotección de las RGC, interrumpir estos también limita la regulación al alza de los genes asociados a la regeneración (RAG) y el éxito de las intervenciones regenerativas, como la eliminación del supresor de tumores PTEN, que ofrecen la promesa de permitir la reparación del SNC (Jacobi et al., 2022; Watkins et al., 2013). Por lo tanto, el desarrollo de estrategias para suprimir la pérdida neuronal sin restringir los programas intrínsecos de reparación requerirá mejorar nuestra comprensión de qué vías y efectores dentro de la respuesta a la lesión controlan los programas de regeneración y neurodegeneración axonal y cómo estos se superponen (Patel et al., 2020).
Es de particular interés desentrañar las contribuciones de la Respuesta Integrada al Estrés (ISR). La ISR, activada en paralelo a c-Jun como parte de la cascada de señalización DLK (Larhammar et al., 2017), resulta en la supresión de la traducción general, pero en la mejora de la transcripción y traducción de ARNm selectos, incluyendo Atf4, que codifica el factor de activación 4 (ATF4), y Ddit3, que codifica la proteína homóloga a C/EBP (CHOP) (Pitale et al., 2017). Tanto ATF4 como CHOP tienen el potencial de regular la transcripción de ATF3 y/o heterodimerizarse con c-Jun, ATF3, otros factores de transcripción de la familia C/EBP, o entre sí, lo que plantea la posibilidad de un diálogo cruzado entre las ramas ISR y MAPK de la respuesta DLK (Pakos-Zebrucka et al., 2016). La interrupción genética de la activación de la ISR o de Eif2ak3 neuronal, el gen que codifica la quinasa activadora de la ISR PERK, confiere una neuroprotección significativa pero incompleta de las RGC tras el aplastamiento del nervio óptico (Larhammar et al., 2017; Yang et al., 2016). Estos hallazgos demuestran que la ISR neuronal representa un componente funcional de la respuesta neurodegenerativa intrínseca, pero han proporcionado una visión mecanicista limitada.
Estudios recientes enfatizan la importancia de definir los efectores aguas abajo de la ISR, sus relaciones con c-Jun y sus impactos en el potencial regenerativo axonal de las RGC. Basándose en el cribado CRISPR, RNA-seq y ATAC-seq, Tian et al., 2022 propusieron que ATF4 sirve, junto con C/EBPγ, como un componente crítico de un programa neurodegenerativo central, con CHOP y ATF3 mediando conjuntamente un segundo programa central (Tian et al., 2022). Las RGC lesionadas que expresan Cas9 y un grupo de gRNA dirigido a ATF4 exhibieron una mejor supervivencia y modulación de genes asociados principalmente con factores de estrés neuronal intrínsecos (por ejemplo, respuesta al daño del ADN, autofagia y la vía NAD/p53) distintos de los genes diana canónicos de ATF4 para adaptarse a la privación de aminoácidos, el estrés del retículo endoplásmico y otros insultos activadores de la ISR. Además de esto, también se podría lograr una neuroprotección parcial mediante grupos de gRNA dirigidos a Ddit3/CHOP o ATF3, cualquiera de los cuales resultó en consecuencias transcripcionales extensas y muy superpuestas relacionadas con las citocinas y la inmunidad innata (Tian et al., 2024; Tian et al., 2022). Es importante destacar que un informe complementario muestra que, de estos mismos grupos de gRNA, solo la focalización de ATF3 redujo la regeneración axonal de las RGC facilitada por la eliminación del supresor de tumores PTEN (Jacobi et al., 2022). Se ha informado que la eliminación condicional de ATF4 y CHOP proporciona más neuroprotección que cualquiera de ellos solo, a pesar de que la eliminación de cualquiera de ellos parece ser suficiente para agotar el ARNm para ambos (Fang et al., 2023). En conjunto, estos hallazgos llevaron a la propuesta de que ATF4 y CHOP funcionan en programas neurodegenerativos paralelos y, a diferencia de ATF3 y c-Jun, lo hacen sin influir en el potencial regenerativo axonal de las RGC.
Otros informes, sin embargo, parecen ser inconsistentes con estos roles no canónicos de ATF4 y CHOP. La respuesta al estrés mediada por DLK incluye la regulación al alza dependiente de la ISR de Chac1, Ddit3 y otros genes diana consistentes con un programa transcripcional mediado por ATF4 típico, incluido la activación de CHOP (Larhammar et al., 2017). Además, el papel propuesto de CHOP como un efector neuronal principal intrínseco de la respuesta a la lesión del nervio óptico parece ser incongruente con el impacto leve de la eliminación germinal de Ddit3/CHOP en esa respuesta. El RNA-seq de las retinas de estos ratones reveló pocos transcritos inducidos por la lesión que se suprimieran significativamente en relación con el impacto extenso de la eliminación neuronal de c-Jun (Syc-Mazurek et al., 2022). Aunque estos ratones nulos para CHOP exhiben de forma reproducible una neuroprotección parcial de las RGC (Hu et al., 2012; Syc-Mazurek et al., 2017b), la modesta influencia de la deficiencia de CHOP en el transcriptoma sugiere la necesidad de una mayor evaluación de si su papel principal en la regulación de la supervivencia de las RGC es autónomo a las neuronas, ya que también puede reflejar efectos del desarrollo o influencias en otros tipos de células, quizás fuera de la retina.
Aquí, utilizamos líneas de eliminación condicional (cKO) de ratones previamente validadas para abordar directamente estas y otras preguntas planteadas por los estudios de eliminación germinal y CRISPR. Encontramos que una respuesta canónica de ATF4 funciona como el principal mediador de una respuesta activada por PERK que contribuye ampliamente tanto a la apoptosis de las RGC como al potencial regenerativo axonal. Inesperadamente, el CHOP neuronal, considerado durante mucho tiempo como un efector neuronal primario intrínseco de la ISR en las RGC lesionadas, desempeña un papel relativamente modesto dentro de estos programas estimulados por PERK/ATF4. Estos hallazgos revelan un papel integral de ATF4 estimulado por PERK en la respuesta al daño axonal óptico, sirviendo para vincular los programas transcripcionales neurodegenerativos y de regeneración axonal que determinan el destino de las neuronas afectadas.
