Implicación de las enzimas lisosomales en la etiología de la enfermedad de Parkinson

Abstract

Las enfermedades neurodegenerativas afectan a millones de personas a nivel mundial, lo que supone un problema sanitario y económico muy importante, debido especialmente al aumento de la esperanza de vida en nuestra sociedad. Uno de los aspectos menos estudiados en relación a este tema, son los mecanismos de proteotoxicidad, a pesar de ser procesos comunes entre estas enfermedades incurables y debilitantes. Comprender mejor cómo la proteotoxicidad afecta la etiología y progresión de las enfermedades neurodegenerativas proporcionaría una visión que permitiría mejorar el tratamiento terapéutico. En relación a los factores proteotóxicos que influyen en la etiología de una de las enfermedades neurodegenerativas más frecuentes, la enfermedad de Parkinson (EP), se ha propuesto la disfunción lisosomal como uno de los mecanismos moleculares más importantes. Esta asociación se consolida desde que las mutaciones en heterocigosis para el gen GBA, que codifica para la enzima lisosomal β-glucocerebrosidasa (GCasa), se consideran el principal factor de riesgo genético para la EP esporádica. Por estas razones, analizamos un grupo de enzimas lisosomales en pacientes con EP y sujetos sanos, y empleamos un modelo celular de neuroglioma humano H4 a través de la inducción del proceso de autofagia con inhibidores específicos para estudiar la contribución de la disfunción lisosomal en la etiología de la EP. En esta tesis, encontramos una reducida actividad de las enzimas lisosomales β-GCasa y β-gal en pacientes con EP comparado con los sujetos sanos. Los niveles de expresión de cofactores PSAP y Saposina C estaban disminuidos en pacientes y correlacionaba con unos niveles aumentados de proteína α- sinucleína (α-Syn). Sin embargo, los niveles de actividad y expresión de la enzima CatD se encontraban aumentados en el grupo de pacientes, lo cual se correlacionó con unos niveles aumentados de α-Syn en este grupo. En el modelo celular H4 inducido con autofagia mediante el uso de inhibidores específicos de LRRK2, encontramos unos niveles de expresión de proteína GBA aumentados y una disminución de la actividad específica de la enzima 72 h. post-tratamiento con el inhibidor LRRK2in1. Sin embargo, este efecto no fue causado por alteración del trasporte de la proteína desde el aparato de Golgi al lisosoma. Nuestros hallazgos sugieren que la disfunción lisosomal en la EP esporádica se debe, al menos en parte, a una alteración en la Saposina C derivada de niveles reducidos de PSAP. Eso llevaría a una disminución significativa en la actividad de β-GCasa, lo que resulta en la acumulación de α-Syn. Debido a esta disfunción enzimática, la acumulación de sustratos como las monohexosilceramidas podría actuar a favor de la activación de CTSD y, por tanto, aumentar su actividad enzimática de forma puntual. Además, observamos una posible regulación de la función lisosomal a través del dominio quinasa LRRK2, lo cual sugiere una interacción entre la actividad de la quinasa LRRK2 y GBA. Aunque son necesarios más estudios sobre este tema, la mejora de la actividad de GCasa podría restaurar el metabolismo proteico defectuoso observado en la EP. De acuerdo con nuestros resultados, la evaluación de la actividad lisosomal en sangre periférica de pacientes con EP se presenta como un enfoque prometedor para investigar mecanismos patológicos. Nuevas terapias destinadas a restaurar la función lisosomal, permitirían mejorar el tratamiento de la EP esporádica.

Neurodegenerative diseases affect millions of people worldwide, which is a very important health and economic problem, especially due to the increase in life expectancy in our society. One of the most important aspects, and relatively less studied in relation to this subject, are the mechanisms of proteotoxicity, despite being common processes among these incurable and debilitating diseases. A better understanding of how proteotoxicity affects the etiology and progression of neurodegenerative diseases would provide insight for improved therapeutic treatment. In relation to the proteotoxic factors that influence the etiology of one of the most frequent neurodegenerative diseases, Parkinson's disease (PD), lysosomal dysfunction has been proposed as one of the most important molecular mechanisms. This association has been consolidated since heterozygous mutations for the GBA gene, which codes for the lysosomal enzyme β-glucocerebrosidase (GCase), are considered the main genetic risk factor for sporadic PD. Therefore, we analyzed a group of lysosomal enzymes in patients with PD and healthy subjects, as well as a cell model of human H4 neuroglioma through the induction of the autophagy process with specific inhibitors, to study the contribution of lysosomal dysfunction in the aetiology of PD. In this thesis, we found a reduced activity of the lysosomal enzymes β-GCase and β- gal in patients compared to healthy subjects. Expression levels of PSAP and Saposin C cofactors were decreased in patients and correlated with increased levels of α-Syn protein. However, the activity and expression levels of CatD enzyme were increased in patients, which correlated with increased levels of α-Syn in this group. In the H4 cell model induced with autophagy through the use of specific LRRK2 inhibitors, we found increased levels of GBA protein expression and a decrease in the specific activity of the enzyme 72 h. post-treatment with the LRRK2in1 inhibitor. However, this effect was not caused by an altered transport of the protein from the Golgi apparatus to the lysosome. Our findings suggest that the lysosomal dysfunction in sporadic PD is due, at least in part, to an alteration in Saposin C resulting from reduced levels of PSAP. That would lead to a significant decrease in β-GCase activity, resulting in the accumulation of α-Syn. Due to this enzymatic dysfunction, the accumulation of substrates such as monohexosylceramides could act in favor of CTSD activation and, therefore, increase its enzymatic activity in a timely manner. In addition, we observed a possible regulation of lysosomal function through the LRRK2 kinase domain, suggesting an interaction between LRRK2 kinase activity and GBA. Although more studies are needed on this topic, enhancement of GCase activity could restore the defective protein metabolism observed in PD. According to our results, the evaluation of lysosomal activity in peripheral blood of patients with PD appears to be a promising approach to investigate pathological mechanisms. New therapies aimed at restoring lysosomal function would make it possible to improve the treatment of sporadic PD.