Los fragmentos C-terminales de APP sofocan el flujo de calcio desde el RE a los lisosomas

27 de abril de 2024

Se ha atribuido a los fragmentos C-terminales de la proteína precursora de amiloide la disfunción endolisosomal en la enfermedad de Alzheimer. Ahora, los científicos dirigidos por Wim Annaert de la KU Leuven, Bélgica, afirman que esto se debe a que estos fragmentos alteran el flujo de calcio. En la revista Developmental Cell del 15 de abril, informaron que la eliminación de la presenilina 1 y 2 en los fibroblastos de ratón hace que los APP-CTF se acumulen en los lisosomas, especialmente en las uniones con el RE. Esto impide el flujo de iones de calcio entre los dos compartimentos, lo que ralentiza la maduración endolisosomal. La reducción de la función lisosómica restaurada de APP-CTF.

• Los APP CTF se acumulan en los lisosomas, especialmente en las uniones con el retículo endoplásmico.
• Esto impide el flujo de calcio desde el RE a los lisosomas, deteniendo el sistema de eliminación de desechos celulares.
• La eliminación de APP normaliza la función del endolisosoma.

Los científicos elogiaron la investigación. “Este es un hermoso trabajo de biología celular que aborda cuestiones importantes”, dijo a Alzforum Gunnar Gouras de la Universidad de Lund, Suecia. “Este estudio proporciona interesantes conocimientos mecanicistas sobre cómo los APP-CTF, y no el Aβ, pueden contribuir a la disfunción lisosomal en la enfermedad de Alzheimer”, escribió Stefan Lichtenthaler del Centro Alemán de Enfermedades Neurodegenerativas, Munich (comentarios a continuación). El Aβ se ha relacionado anteriormente con lisosomas neurotóxicos e hinchados (noticias de junio de 2022).

Los APP-CTF también han sido incriminados en el mal funcionamiento de los lisosomas. Los científicos dirigidos por Marc Tessier-Lavigne de la Universidad de Stanford descubrieron que las mutaciones familiares de EA en APP o presenilina 1 causaban disfunción endosómica debido a la acumulación de β-CTF (noticias de agosto de 2019). Randy Nixon, de la Universidad de Nueva York en Orangeburg, informó que los β-CTF, creados cuando la β-secretasa escinde la APP, bloquean el ensamblaje de la ATPasa vacuolar que alimenta la acidificación de los lisosomas y que la reducción de la producción de β-CTF revivió los orgánulos (noticias de julio de 2023). Otros también han informado sobre una acidificación deficiente causada por mutaciones de presenilina (Chou et al., 2023; Martin-Maestro et al., 2017; consulte el comentario de Nixon a continuación).

Annaert ha defendido durante mucho tiempo una razón diferente para la disfunción lisosomal del β-CTF: el desequilibrio del calcio. Ha informado que las presenilinas, más conocidas como componentes catalíticos de la γ-secretasa, también regulan los niveles de calcio lisosomal (noticia de julio de 2012). Sin presenilina, los niveles de calcio en el lisosoma disminuyen y el sistema de desechos celulares se detiene. En el último giro, implica a los APP-CTF en este problema de señalización.

Con o sin presenilina. En las células sanas (izquierda), el calcio fluye desde el retículo endoplasmático (púrpura) hacia los lisosomas (círculo rojo en el centro). Los endosomas tempranos (EEA1+), los endosomas de reciclaje (VPS35+) y los endosomas/lisosomas tardíos (LAMP1+) funcionan normalmente. Cuando los APP-CTF se acumulan en la membrana lisosomal (derecha), el calcio lisosomal cae y los endolisosomas se hinchan. Las mitocondrias (verde, abajo a la izquierda) produjeron menos ATP (amarillo, abajo a la derecha), aunque no está claro por qué. [Courtesy of Bretou et al., Developmental Cell, 2024.]

Para comprender mejor el papel de las presenilinas en el sistema endolisosomal, la primera autora Marine Bretou recurrió a los fibroblastos embrionarios de ratón. “Queríamos trabajar con un modelo simple y luego validar los hallazgos en las neuronas”, dijo Annaert a Alzforum.

Primero, Bretou trató los fibroblastos con el inhibidor de la γ-secretasa DAPT para prevenir el procesamiento proteolítico de los APP-CTF. En un día, los fragmentos se habían acumulado en lisosomas y endosomas tardíos, que se habían hinchado. En los días tres y cuatro, los endosomas reciclados y los endosomas tempranos, respectivamente, también habían aumentado. Estos resultados indican un retraso en la maduración de endosoma a lisosoma, siendo los lisosomas los primeros en fallar.

Los niveles de calcio en los lisosomas también cayeron un 30 por ciento en las 24 horas posteriores a la DAPT. Bretou observó los mismos efectos de DAPT en las neuronas primarias del hipocampo de ratón: acumulación de APP-CTF, disminución del calcio lisosomal e inflamación endolisosomal.

Para separar los APP-CTF del papel de Aβ en la muerte endolisosomal, Bretou y sus colegas eliminaron la presenilina 1 y 2 en fibroblastos embrionarios de ratón para eliminar por completo la producción de Aβ, ya que algo todavía ocurre con el tratamiento DAPT. En estas células knockout, los lisosomas tenían aproximadamente cinco veces menos Ca2+ que los lisosomas de los fibroblastos de tipo salvaje.

Los autores encontraron que este desequilibrio no se debía a la fuga de calcio fuera de los lisosomas, sino a la restricción del transporte de calcio hacia los lisosomas desde el retículo endoplásmico. Cuando Bretou vació los lisosomas de Ca2+ usando el dipéptido gli-phe-β-naftilamida para alterar sus membranas, las de las células de control se rellenaron rápidamente, mientras que los lisosomas de las células inactivadas con presenilina no lo hicieron. Los lisosomas de control no pudieron volver a llenarse cuando Bretou añadió al medio un inhibidor de la bomba de Ca2+ del retículo endoplásmico. La bomba del RE recicla el calcio citosólico nuevamente al orgánulo. Debido a que los lisosomas tampoco se llenaron de calcio, los autores concluyeron que el RE era la fuente de estos iones.

Para probar directamente si los CTF están involucrados en el flujo lisosomal de Ca2+, los científicos eliminaron la APP y ambas presenilinas en los fibroblastos, luego reintrodujeron los α- o β-CTF, fragmentos escindidos por la α- y la β-secretasa, respectivamente. Para su sorpresa, descubrieron que ambos reducían por igual el calcio lisosomal y atrofiaban la función endolisosomal. Trabajos anteriores sugirieron que solo los β-CTF más cortos interrumpían la función de los lisosomas.

Un mayor apoyo a la idea de que los CTF desregulan el flujo de calcio provino de la microscopía de superresolución. Mostró los fragmentos agrupados en la membrana lisosomal, justo donde entra en contacto con el RE (imagen a continuación). Los científicos creen que el RE intercambia pequeñas moléculas e iones, como Ca2+, con orgánulos a través de estas uniones de membrana (revisado por Burgoyne et al., 2015). Los autores sospechan que los CTF también mantienen los lisosomas firmemente unidos al ER, porque en las líneas knockout PS1/2, los lisosomas se movían lentamente alrededor del citoplasma.

Organelos acogedores. Cuando se agregaron APP β-CTF a fibroblastos de ratón que carecían de presenilina 1/2 y APP, los fragmentos (rojo) se unieron a los lisosomas (azul), que se hincharon y quedaron atrapados en el retículo endoplásmico (verde). [Courtesy of Bretou et al., Developmental Cell, 2024.]

¿Podrían los endolisosomas estancados volver a entrar en acción? De hecho, la expresión de presenilina 1 humana en los fibroblastos con doble eliminación de presenilina redujo los endosomas y lisosomas, permitió que los lisosomas se movieran normalmente a través del citoplasma y normalizó los niveles de Ca2+ lisosomal. La eliminación de APP en los fibroblastos knockout para presenilina también mejoró los defectos endolisosomales, lo que implica directamente a la proteína precursora en el debilitamiento de este sistema de reciclaje.

Estos déficits endolisosomales también ocurrieron cuando los fibroblastos con triple inactivación expresaron el dominio intracelular APP (AICD) que lleva un motivo N-terminal propenso a la modificación con ácido mirístico. El lípido ancla el AICD a la membrana, convirtiéndolo efectivamente en un CTF. AICD contiene la secuencia YENPTY, a la que se unen múltiples proteínas, incluida la Abl quinasa y el receptor de sortilina SorLA. Cuando los investigadores mutaron el motivo para abolir estas interacciones, los niveles de calcio lisosomal y la morfología del endolisosoma eran normales. Para los autores, esto sugirió que las interacciones YENPTY, además de la acumulación de APP-CTF, inducen disfunción endolisosomal.

Como corolario de esto, la γ-secretasa, que libera AICD en el citoplasma, protegería contra defectos endolisosomales. Se cree que AICD, al igual que el dominio intracelular de Notch, forma complejos que regulan la expresión genética, pero los autores creen que sus hallazgos disipan esa noción. Afirman que la falla en degradar los CTF, no la producción de AICD, sostiene la señalización posterior, lo que instiga la disfunción lisosomal. Rick Livesey, del University College London, cree que esto es plausible. “La proteólisis de APP-CTF es un interruptor de apagado para las funciones mediadas por APP-CTF, en lugar de activar la señalización descendente”, escribió (comenta a continuación). “En este escenario, la acumulación de APP-CTF es efectivamente una ganancia de función tóxica”.

En ese sentido, los datos ofrecen otra explicación de por qué los inhibidores de la γ-secretasa fallaron en estudios clínicos en EA con uno, semagacestat, empeorando la cognición (Doody et al., 2013). “Es tentador plantear la hipótesis de que [this] El efecto sobre la cognición podría estar mediado por APP-CTF y/o disfunción endolisosomal”, escribió Rik van der Kant de la Universidad Vrije en Ámsterdam (comentario a continuación). Como tal, los hallazgos respaldan el uso de moduladores de γ-secretasa para fomentar el procesamiento de APP-CTF en péptidos Aβ más cortos y no tóxicos o inhibidores de BACE para prevenir la producción de β-CTF para empezar (noticias de la conferencia de julio de 2023; conferencia de agosto de 2022 noticias).—Chelsea Weidman Burke

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2024-04-27 13:01:05
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