Alzheimer: ¿Una nueva explicación generalizable a cualquier enfermedad vinculada al envejecimiento?

A medida que se acelera el envejecimiento de la población francesa, la enfermedad de Alzheimer está en aumento en nuestro país. Se estima que actualmente afecta a 900.000 personas y se diagnostican aproximadamente 225.000 nuevos casos cada año.

Estas elevadas cifras convierten a esta patología en la principal causa de demencia senil de progresión implacable. Desafortunadamente, los tratamientos disponibles actualmente no pueden curar la enfermedad de Alzheimer, sino que solo pueden aliviar algunos de sus síntomas y ralentizar su progresión.

Actualmente, en un intento por descifrar las causas de la enfermedad de Alzheimer, la investigación está siguiendo dos grandes líneas, centradas respectivamente en los mecanismos que involucran dos tipos de proteínas: las proteínas amiloides y la proteína tau.

Nuestro trabajo, publicado el pasado junio en la revista Cells (MDPI), ha puesto de relieve otro mecanismo que podría explicar el origen de la enfermedad. Nuestro descubrimiento abre nuevas vías para el diagnóstico del Alzheimer y nuevas terapias. Además, sus posibles aplicaciones no se limitan únicamente a esta patología: también podrían aplicarse a otras enfermedades del envejecimiento.

Se sabe desde hace mucho tiempo que el cerebro de las personas que mueren de Alzheimer presenta dos tipos de lesiones : depósitos amiloides y ovillos neurofibrilares.

Los depósitos de amiloide son agregados extracelulares compuestos de proteínas amiloides. Estas placas se acumulan alrededor de las neuronas e impiden que se comuniquen eficazmente entre sí. Los ovillos neurofibrilares, por otro lado, son resultado de cambios en otras proteínas, las proteínas tau.

Normalmente, las proteínas tau mantienen los microtúbulos en la célula (un tipo de estructura esquelética que asegura la cohesión celular). Sin embargo, en pacientes con enfermedad de Alzheimer u otras enfermedades degenerativas (tauopatías), las proteínas tau cambian su forma tridimensional mediante un proceso llamado hiperfosforilación. Esta hiperfosforilación de las proteínas tau provoca, en particular, un debilitamiento de los microtúbulos neuronales, que mueren gradualmente.

Durante mucho tiempo se creyó que la acumulación de placas amiloides y ovillos de proteína tau a lo largo del tiempo era responsable de las manifestaciones clínicas de la enfermedad de Alzheimer. Sin embargo, en los últimos años, diversos ensayos clínicos dirigidos a las proteínas amiloides han resultado muy decepcionantes.

Ante esta situación, adquirir nuevos conocimientos sobre los mecanismos biológicos específicos de la enfermedad de Alzheimer es hoy más necesario que nunca. En particular, para proponer una nueva visión de la enfermedad de Alzheimer, debemos remontarnos a las raíces mismas de esta enfermedad degenerativa, es decir, al manejo del llamado estrés oxidativo, que, de no reducirse adecuadamente, conduce a un envejecimiento acelerado. La acumulación de placas amiloides y ovillos de proteína tau podrían ser, entonces, consecuencias simples.

Resultados recientes obtenidos en nuestro laboratorio de investigación, UMR 1296 Inserm, encajan en este contexto. Nuestros datos nos han permitido proponer un nuevo mecanismo molecular que podría explicar el origen de la enfermedad de Alzheimer. Esta hipótesis se sustenta no solo en observaciones experimentales consistentes, sino también en modelos matemáticos.

En el corazón de nuestro modelo hay otra proteína, llamada ATM.

Roturas del ADN, una nueva explicación

Como radiobiólogos, estudiamos los efectos de la radiación ionizante (rayos X, rayos gamma, partículas, etc.) en los organismos vivos, que producen estrés oxidativo. Por ello, la proteína ATM se menciona sistemáticamente en todos nuestros proyectos de investigación. De hecho, desempeña un papel fundamental en la respuesta al estrés oxidativo.

Este tipo de estrés se produce cuando sustancias químicas altamente reactivas, llamadas especies de radicales de oxígeno (ROS), están presentes en el entorno celular. Las consecuencias de esta situación son potencialmente muy graves, ya que el estrés oxidativo puede dañar el ADN. En términos generales, la proteína ATM gestiona la señalización y la reparación de estas roturas del ADN, que nos atacan y nos provocan el envejecimiento.

Nuestra investigación ha demostrado, en particular, que tras situaciones de estrés , como las causadas por la radiación, la contaminación por metales o los pesticidas, muchas copias de ATM abandonan el citoplasma donde se producen (el citoplasma es la parte de la célula entre el núcleo, que contiene el material genético, y la membrana celular) para entrar en el núcleo. Allí, desencadenan el reconocimiento y la reparación de las roturas del ADN.

Este fenómeno se denomina tránsito de proteínas ATM. Normalmente, dura unos minutos tras el estrés y permite el reconocimiento y la reparación de todas las roturas del ADN. Sin embargo, el tránsito ATM puede ralentizarse o impedirse si las proteínas se encuentran y se asocian con otras proteínas específicas en el camino, que presentan una sobreexpresión anormal en el citoplasma.

Hemos llamado a estas proteínas "proteínas X" porque pueden variar de un individuo a otro, de una enfermedad a otra, de un tejido a otro. Estas proteínas X son generalmente las que, mediante mutaciones, causan enfermedades (cuando estas mutaciones no las hacen desaparecer, sino que, por el contrario, las desregulan).

Desde 2014, estudiamos en el laboratorio enfermedades asociadas a una fuerte predisposición al cáncer o a un envejecimiento acelerado, pero que tienen todas algo en común: son conocidas por su respuesta anormal a la irradiación.

Esto es particularmente cierto en el caso del síndrome de retinoblastoma, un síndrome familiar que conlleva un alto riesgo de cáncer ocular. Causada por una mutación en el gen de la proteína Rb, esta enfermedad se asocia con la sobreexpresión de la proteína Rb en ​​el citoplasma, lo que impide que la ATM llegue al núcleo. Las roturas del ADN se reparan deficientemente y su acumulación causa cáncer.

Hemos podido destacar mecanismos de este tipo en otras enfermedades degenerativas, como la enfermedad de Huntington en la que el papel de la proteína X lo juega una proteína llamada huntingtina, o la esclerosis tuberosa y la tuberina, el síndrome de Usher y las proteínas USH, etc.

Curiosamente, la gran mayoría de las proteínas X asociadas con enfermedades degenerativas se localizan alrededor del núcleo, de modo que, durante su tránsito del citoplasma al núcleo, las proteínas ATM se detienen directamente en la membrana nuclear. Para evaluar la respuesta al estrés oxidativo, en particular el causado por la irradiación, entendemos que primero debemos buscar qué proteína(s) X ralentiza(n) el tránsito de las proteínas ATM del citoplasma al núcleo.

Esto también ocurre en la enfermedad de Alzheimer. En este caso específico, nuestra búsqueda de la(s) proteína(s) X específica(s) de la enfermedad se centró rápidamente en una proteína llamada apoliproteína E o APOE.

APOE es más conocido por los especialistas en la enfermedad de Alzheimer debido a las variaciones (denominadas "polimorfismos") que presenta en la gran mayoría de los pacientes afectados. Además, se sabe que APOE tiene sitios de interacción preferenciales con ATM, lo que lo convierte en un buen candidato para el estatus de "proteína X".

Por lo tanto, decidimos estudiar diez líneas celulares cutáneas de pacientes con enfermedad de Alzheimer en diferentes etapas. Descubrimos que, si bien el origen de estas líneas celulares de diferentes pacientes era variado (y, por lo tanto, los polimorfismos que contenían eran distintos), todas mostraban sistemáticamente una sobreexpresión de la proteína APOE alrededor del núcleo.

Además, observamos que la proteína ATM se localizaba sistemáticamente alrededor del núcleo, formando "coronas perinucleares". Análisis posteriores revelaron que estas coronas consistían en una primera capa de interacción entre ATM y APOE, la más cercana a la membrana nuclear.

Gracias a observaciones más profundas de imágenes celulares, así como a un modelo matemático elaborado por Laurent Pujo-Menjouet, profesor de la Universidad de Lyon I, ahora podemos escribir un escenario que describe un mecanismo probable para explicar la enfermedad.

A medida que se produce estrés a lo largo de la vida, en las personas cuyas células sobreexpresan APOE, la ATM se agruparía gradualmente alrededor del núcleo de las células, formando una capa primero con APOE y luego consigo misma.

Estas multicapas impedirían que la ATM entrara en el núcleo. Por lo tanto, las roturas de ADN debidas al estrés se acumularían gradualmente, ya que la ATM ya no podría activar su reconocimiento y posterior reparación.

Las coronas perinucleares serían tanto más gruesas cuanto más antiguo fuera el proceso de aglutinación, similar, en cierto modo, a los anillos que se forman durante el crecimiento de los troncos de los árboles. Esta acumulación de roturas en el ADN provocaría una aceleración del envejecimiento celular y, en última instancia, su muerte. En este punto, el grosor de las coronas perinucleares alcanzaría su máximo.

Además de una explicación mecanicista, nuestras observaciones aquí introducen la noción de predisposición a la enfermedad de Alzheimer, ya que cualquier portador de células que sobreexpresen una proteína APOE alrededor del núcleo sería potencialmente susceptible.

Una explicación molecular del envejecimiento válida para otras patologías

Estas observaciones se realizaron en células de la piel de 10 pacientes con enfermedad de Alzheimer, pero podrían ser transponibles a células cerebrales y otros tipos celulares. De hecho, datos recientes sugieren que la enfermedad de Alzheimer podría ser una enfermedad del envejecimiento generalizada a tejidos distintos del cerebral (comunicación del profesor Zou, de la Universidad de Nanchang (China), durante una conferencia impartida en el departamento de priones e infecciones atípicas del Instituto François Jacob del CEA).

Además, desde la publicación de nuestro estudio, hemos observado la formación de coronas perinucleares de ATM en otras patologías relacionadas con el envejecimiento, como la distrofia muscular de Duchesne (aunque obviamente con una proteína X diferente a la APOE). Asimismo, al permitir que las células del cristalino envejezcan en cultivo, también observamos la aparición de coronas perinucleares de ATM que podrían estar relacionadas con la formación de cataratas. Finalmente, trabajos en curso sugieren que las células cutáneas de individuos normales y envejecidas artificialmente en cultivo también podrían mostrar coronas perinucleares de ATM.

La aglutinación de la proteína ATM alrededor del núcleo, ayudada por la sobreexpresión de una proteína específica, constituiría por tanto una explicación mecanicista del envejecimiento celular, debido a la imposibilidad de reparar el daño del ADN acumulado por el estrés endógeno y/o exógeno.

¿Cuáles son las repercusiones y cuáles son las nuevas vías para nuestra investigación?

Estos resultados también podrían tener implicaciones diagnósticas. De hecho, _{una simple muestra dermatológica de células cutáneas podría revelar no solo la existencia de una fuerte predisposición a la enfermedad de Alzheimer, sino también proporcionar información sobre su posible progresión.} Inserm Transfert ha solicitado una patente para este fin, en colaboración con la empresa Neolys Diagnostics (grupo de expertos ALARA, en Entzheim, Alsacia). Sin embargo, se requieren más investigaciones para consolidar estas pruebas.

Estos resultados preliminares también podrían abrir nuevas vías de exploración en términos de tratamiento. Por ejemplo, podríamos buscar maneras de destruir precozmente las coronas perinucleares de la ATM o limitar su formación para mejorar la supervivencia celular mediante una mejor gestión de las roturas de ADN acumuladas. Con esto en mente, actualmente se investigan en el laboratorio diversas sustancias químicas capaces de separar las proteínas ATM de las proteínas APOE.

Cabe destacar que nuestras observaciones se realizaron directamente en células humanas, lo que las hace aún más relevantes clínicamente y evita los sesgos asociados a la extrapolación de modelos animales, en los que el manejo de las roturas de ADN puede mostrar ciertas diferencias en comparación con los humanos. Constituyen un avance importante en la comprensión de los mecanismos implicados en la génesis de la enfermedad de Alzheimer.

Elise Berthel, primera autora de la publicación científica cuyos resultados se presentan en este artículo, fue investigadora postdoctoral financiada por el Inserm (UMR 1296) antes de convertirse en gestora de proyectos financiada por Neolys Diagnostics. Los primeros experimentos en la caracterización radiobiológica de la enfermedad de Alzheimer se llevaron a cabo en el marco del máster de Eymeric Le Reun (U1296), bajo la supervisión de Elise Berthel y Nicolas Foray.