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    Actualizado Julio 2010  
 
 
 
Grupo Neurobiología Molecular 
Departamento de
Bioquímica y Biología Molecular II
Facultad de  Farmacia
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Líneas de investigación

 

  • Mecanismos moleculares de la muerte neuronal en las enfermedades neurodegenerativas y neurovasculares.
  • Papel del GABA, glutamato óxido nítrico en la regulación de la neurosecreción, en la muerte celular neuronal y en procesos de neurogénesis.
  • Mecanismos de señalización por aminoácidos neurotransmisores (Glutamato y GABA) y óxido nítrico (NO) en células nerviosas.
  • Mecanismos neuroprotectores y neurorreparadores de antioxidantes, estrógenos, factores de crecimiento y serpinas en la muerte celular neuronal y en las enfermedades neurovasculares (Isquemia cerebral).
 


A
ntecedentes bibliográficos sobre el tema de investigación:

  • Bases moleculares de las enfermedades neurodegenerativas: Papel del glutamato y el óxido nítrico
 

Las Enfermedades neurodegenerativas y neurológicas constituyen un grupo de enfermedades de gran incidencia y principal causa de muerte en la población mundial del siglo XXI. Las bases moleculares que subyacen a las mismas están siendo descubiertas poco a poco. Uno de los problemas con que se enfrentan los investigadores actualmente es la distinción entre los acontecimientos primarios y secundarios que conducen a la neurodegeneración. Las evidencias actuales indican que, aparte de las mutaciones genéticas heredadas que producen las variantes familiares, acontecimientos tales como la acumulación de agregados proteicos aberrantes o proteínas mal plegadas, formación de protofibrillas, alteraciones en el sistema ubiquitina-proteosoma, excitotoxicidad, estrés oxidativo y nitrosativo, daño mitocondrial, disfunción sináptica, alteración de la homeostasis de metales y alteraciones en el transporte axonal y dendrítico representan acontecimientos unificados en muchas enfermedades neurodegenerativas de progreso lento. El estrés oxidativo se ha ligado a la muerte neuronal asociada con enfermedades neurodegenerativas desde hace mucho tiempo. Sin embargo, no se conoce si es una causa primaria o simplemente una consecuencia del proceso neurodegenerativo.

La apoptosis, o “muerte celular programada constituye un proceso general de remodelado tisular y remplazamiento celular, que es ahora reconocida como una característica normal en el sistema nervioso en desarrollo, teniendo mucha importancia en la regulación del número y tipos de células en varias regiones del SNC y SNP en desarrollo. Pero además, dicho proceso es responsable de la severa pérdida neuronal producida en numerosas enfermedades neurodegenerativas (Enfermedad de Alzheimer y Enfermedad de Huntington, Demencia asociada al HIV, etc.) y juega un papel importante en otras enfermedades neurológicas como el ictus, trauma, Enfermedad de Parkinson, Esclerosis múltiple y Esclerosis lateral amiotrófica.

El Óxido nítrico (NO) es un gas altamente reactivo de vida corta que penetra diariamente en nuestras vidas como contaminante ambiental, pero que se produce también intracelularmente en multitud de células, siendo un importante mensajero, tanto intra como intercelular, implicado en la regulación de numerosas funciones fisiológicas y patológicas en el organismo vivo, como la neurotransmisión y control de la memoria a largo plazo, crecimiento y muerte celular, regulación de la presión arterial y del tono vascular y control de la respuesta inmunitaria. Sin embargo, el NO, a altas concentraciones o en tratamientos prolongados, desencadena un proceso de muerte celular mixto: necrosis y apoptosis, en muchas células, incluidas las neuronas, células gliales y células neurosecretoras (como las células β-pancreáticas y las células cromafines), que puede ser mediada por mecanismos tanto dependientes de GMPc como de la generación de peroxinitritos tóxicos (-ONOO). El NO es una molécula pleiotrópica que bien protege de la apoptosis o causa muerte por apoptosis dependiendo de la concentración local, la naturaleza de la célula diana y la presencia de otras moléculas reactivas como el anión superóxido que produce peroxinitritos, especies altamente oxidantes.

El Aminoácido dicarboxílico glutamato está aceptado como el principal neurotransmisor excitatorio del Sistema Nervioso Central (SNC) de mamíferos. Este neurotransmisor actúa como mediador de la transmisión sináptica y de los cambios duraderos en la eficacia sináptica, conocidos como “Potenciación a largo plazo” (LTP) y “Depresión a largo plazo” (LTD), los cuales e consideran como el sustrato molecular de los procesos de aprendizaje y memoria. Además, el glutamato es uno de los neurotransmisores más abundantes durante la formación del SNC, donde se encuentra involucrado en procesos fisiológicos tan diversos como la proliferación, maduración y supervivencia neuronal, la migración neuronal, la formación, remodelación y eliminación de las sinapsis y el establecimiento y refinamiento de las conexiones neuronales.

Sin embargo, la excesiva transmisión glutamatérgica puede ser responsable del daño neuronal y la muerte celular que subyace a una amplia variedad de neuropatologías. Así, la toxicidad producida por glutamato como aminoácido neurotransmisor excitatorio (Excitotoxicidad), juega un papel clave en la patogénesis de numerosos desórdenes neurológicos y neurodegenerativos tanto agudos (Isquemia cerebral, Trauma y Epilepsia), como crónicos (Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA), Enfermedad de Parkinson, Enfermedad de Huntington e incluso la Enfermedad de Alzheimer). La apoptosis también está implicada en la excitotoxicidad que se da en estas enfermedades neurológicas tales como la hipoxia e isquemia cerebral. Esta patología implica una estimulación suprafisiológica de distintos receptores de glutamato, en especial de los ionotrópicos (NMDA, AMPA y KA), que son canales iónicos operados por ligando, y cuya activación prolongada puede originar una despolarización masiva de la célula que resulta en una sobrecarga de calcio citosólico que conduce a la muerte celular. Hasta recientemente el tipo de muerte neuronal resultante de la excitotoxicidad ha sido considerada como un tipo de muerte celular conceptual y bioquímicamente diferente de la apoptosis. Sin embargo, las evidencias recientes sugieren que los reguladores clave de la apoptosis como Bax, Bcl-2 y caspasas también están implicados en el daño neuronal excitotóxico-isquémico. En esta patología el NO tiene un papel clave tanto en la iniciación como en el mantenimiento del proceso neurotóxico, ya que incrementa la liberación de glutamato y conduce a una elevación en la concentración del Ca2+ intracelular sostenida en las neuronas. Además, aunque los iones calcio son considerados como reguladores clave de la excitotoxicidad, nuevas evidencias sugieren que rutas específicas de segundos mensajeros pueden tener un papel clave como mediadoras de la degeneración neuronal, entre las que se incluyen la NOS (óxido nítrico sintasa), la p38MAPK y diversos factores transcripcionales como NFκB y p53.  Sin embargo, el conocimiento de las relaciones entre los receptores de glutamato y las rutas moleculares de señalización es aun muy precario.

  • Estrategias neuroprotectoras y neurorreparadoras en el tratamiento de las enfermedades  neurodegenerativas: Papel de factores neurotróficos, estrógenos, antioxidantes y serpinas

A pesar del enorme incremento en la incidencia de enfermedades neurodegenerativas en los últimos años, y a pesar de los enormes avances realizados por la investigación básica en el conocimiento de la etiopatogénesis de las mismas, los progresos realizados en cuanto a su tratamiento han sido muy lentos. Estos tratamientos incluyen estrategias neuroprotectoras y neurorreparadoras entre las cuales los factores de crecimiento, estrógenos, antioxidantes, y serpinas podrían ser muy prometedores, siendo necesario conjugar la investigación básica con la clínica para conocer su efectivo y prometedor papel terapéutico. Se entiende por neuroprotección toda acción encaminada a asegurar el correcto funcionamiento del sistema nervioso en respuesta a una situación adversa. Se trataría en cierta manera de mantener una homeostasis dentro del propio sistema nervioso. Los procesos neuroprotectores son aquellos que favorecen la plasticidad del tejido nervioso ya que ésta, es una de sus propiedades más características del mismo, entendiendo por plasticidad la capacidad del tejido para adaptarse a los cambios ambientales. 

a) Los Factores Neurotróficos, son moduladores de la plasticidad funcional del tejido nervioso. Realizan un mantenimiento integral del sistema nervioso; potencian sus recursos celulares y sostienen una conectividad adecuada. Los factores neurotróficos, no solo están implicados en la regulación de la proliferación, supervivencia, migración y diferenciación de todos los tipos celulares durante el desarrollo embrionario sino que también en el adulto ejercen una acción similar, a pesar de que este último punto esté poco estudiado. Además también ejercen una acción regeneradora de neuronas dañadas.  Los factores de crecimiento como la familia de neurotrofinas, insulina e IGF’s, inducen la supervivencia celular y rescatan a las células de la apoptosis, a través de la activación de receptores con actividad tirosina-quinasa intrínseca. La autofosforilación de estos receptores conduce a la activación de múltiples rutas de señalización como la cascada de las MAPK’s, PI3K/PKB/Akt y la señalización de calcio/fosfolípidos y PKC vía PLCγ. NF-κB se ha visto que contribuye a la supervivencia neuronal inducida por NGF.

b) En el sistema nervioso las Hormonas Sexuales actúan como reguladores neuroendocrinos y de la conducta sexual, y también como factores tróficos. Las hormonas sexuales son hormonas esteroídicas producidas tanto por las gónadas como por el cerebro estableciéndose un balance entre los niveles periféricos y locales. Participan en el desarrollo y función del sistema nervioso, tanto a nivel anatómico como a nivel funcional y tienen mecanismos de acción diversos: regulación transcripcional a través de la activación de sus receptores, efectos a nivel de membrana, que son efectos rápidos como por ejemplo la modulación de los niveles de calcio intracelular, proteínas G, etc., y la modulación de receptores de neurotransmisores. Sabemos relativamente poco acerca de las alteraciones que sufre el sistema nervioso con el envejecimiento en cuanto a la producción de factores tróficos, expresión de receptores, integridad de las vías de señalización, etc. En los últimos años se ha propuesto a las hormonas sexuales como factores neuroprotectores. De hecho sustancias como el estradiol y sus precursores protegen las neuronas de excitotóxicos como el ácido domoico en modelos animales. Además se ha observado que se induce la expresión de la enzima aromatasa, que forma estradiol a partir de testosterona. La inhibición farmacológica de la aromatasa cerebral provoca un aumento de la degeneración ante estímulos nocivos. La acción del estradiol, además de ejercerse por su interacción con los receptores estrogénicos, también depende de su interacción con el factor de crecimiento IGF-I. Ambos, tienen efectos sinérgicos sobre la activación de vías de señalización de supervivencia celular, probablemente porque tanto el receptor de estrógeno como el de IGF-I están implicados, al menos, en una misma maquinaria intracelular de señalización en las células nerviosas. De esta forma, el estradiol activará el receptor de IGF-I y sus vías de señalización -PI3K/PKB junto con ERK MAPKquinasa-. Dado que recientemente se ha visto que los fitoestrógenos son ligandos de los receptores PPARγ y que la activación de receptores PPARγ con agonistas endógenos o sintéticos produce neuroprotección en la isquemia cerebral focal, nos interesa también especialmente estudiar la implicación de este factor transcripcional en la neuroprotección inducida por fitoestrógenos.

c) Los Antioxidantes Celulares se han utilizado mucho no solo para diseñar intervenciones terapéuticas contra las enfermedades que cursan con estrés oxidativo, sino como herramientas complementarias para profundizar en el conocimiento del papel de este en las enfermedades neurológicas y neurodegenerativas. A pesar de que los mecanismos de acción de estos antioxidantes son bien conocidos a nivel de sus efectos químicos, no se conoce bien su papel sobre las rutas de transducción de señales mediadoras de la muerte celular necrótica y apoptótica en la excitotoxicidad por glutamato. Como mencionamos anteriormente, los ROS pueden actuar como segundos mensajeros, ya que modulan la actividad enzimática de muchas proteínas de señalización (p38, JAK/STAT, PKC, etc.).

d) El papel de las Enzimas Proteolíticas es importante en los procesos de regulación de funciones celulares. En concreto en el sistema nervioso destacan las serin proteasas (SP) (que utilizan un residuo de serina) y las cisteín proteasas (que utilizan un residuo de cisteína). Estas proteasas llevan a cabo las catálisis nucleófilas e intervienen en los procesos degenerativos del sistema nervioso. El conocimiento de las proteasas del sistema nervioso es hoy por hoy escaso.  De hecho, la presencia de las serin proteasas, así como de sus receptores todavía no ha sido localizada en condiciones fisiológicas en el parénquima neuronal. La trombina parece intervenir en la modulación neuronal participando en la diferenciación y morfología neuronal. Interviene también en la respuesta isquémica y es capaz de desencadenar la muerte programada. Sobre la viabilidad neuronal, tiene un efecto dual. En estudios in vitro, a dosis moderadas la trombina tiene un papel protector en astrocitos y neuronas. A dosis altas, la trombina resulta tóxica para esas mismas células. El activador de plasminógeno de tejidos (tPA) es otro miembro de la familia de las SP implicado en los procesos de plasticidad neuronal y en los procesos de muerte neuronal inducidos por isquemia en el cerebro, y por excitotoxinas, donde se ha visto que media la degeneración del hipocampo, así, ratones transgénicos deficientes en tPA muestran una resistencia a la muerte neuronal inducida por excitotoxicidad. Estos hallazgos ponen en marcha nuevas vías para interferir la muerte neuronal inducida por excitotoxicidad. tPA es producido en el hipocampo fundamentalmente por las células de la microglía, las cuales se activan en respuesta al daño neuronal. Bloqueando esta activación también se consigue una protección contra la muerte neuronal siendo por tanto otra posible vía para retardar el daño neurodegenerativo en el SNC.

La actividad de tPA en el SNC se regula por la activación de inhibidores de serin proteasas, serpinas, como es el caso del inhibidor de activador del plasminógeno (PAI-1), la proteasa nexina-1 (PN-1), y la neuroserpina (NSP). En modelos animales, la sobre-expresión de NSP reduce marcadamente el daño neuronal, siendo un factor neuroprotector en isquemia focal. Estos hechos concuerdan con la importancia en general de las vías de proteasas en los procesos tanto agudos como crónicos de daño neuronal. Sin embargo, queda mucho por explorar sobre el papel de otras ésta y otras serpinas en la función neuronal y su posible papel protector en procesos neurodegenerativos y en la isquemia cerebral.



          Objetivos actuales de investigación del grupo


En este contexto, y utilizando diversos modelos neuronales de muerte celular, inducida especialmente por NO y glutamato, nuestros actuales estudios se centran en averiguar el papel neuroprotector y el  mecanismo de acción molecular de estos factores neurotróficos, estrógenos y fitoestrógenos, antioxidantes y serpinas, centrándonos en el conocimiento de su expresión en modelos celulares y animales de muerte neuronal e isquemia cerebral, en su posible acción sobre las proteínas de la familia MAPKs, en especial JNK3, NFκB e IκB, p53, familia Bcl2, NOS y transportadores de glutamato, así como en su papel específico en la mitocondria: sobrecarga de Ca2+ mitocondrial, apertura del poro de transición en la permeabilidad mitocondrial (PTPm), disminución de la acumulación de ROS en la mitocondria, restablecimiento del déficit energético mitocondrial, etc..

Especial atención merece el estudio de la implicación de los transportadores de glutamato en el proceso de neurogénesis tras la isquemia cerebral y el de la implicación de los citados agentes neuroprotectores sobre la actividad y regulación de los factores transcripcionales:
- NFκB, regulado por estrés oxidativo y con un papel crucial en rutas de supervivencia y muerte neuronal.
- PPARγ, factor transcripcional expresado en neuronas y glía que atenúa los procesos degenerativos e inflamatorios en el cerebro y parece tener un papel neuroprotector en el daño isquémico neuronal.
- TLX, receptor nuclear con importantes funciones en neurogénesis.
El conocimiento de estos mecanismos es muy importante no solo para establecer el papel del estrés oxidativo en las enfermedades que cursan con excitotoxicidad, sino para lograr un tratamiento más efectivo (neuroprotector y neurorreparador) de las enfermedades neurodegenerativas y neurológicas más importantes.