Estudi del metabolisme del glicogen en la funció neuronal i la seva implicació en la malaltia de Lafora i l’envelliment

Abstract

El glicogen del cervell sembla estar confinat en els astròcits. Tot i això, s’ha observat l’acumulació a les neurones de formes anòmales de glicogen, els poliglucosans, en diverses patologies neurodegeneratives com la malaltia de Lafora i també en el procés d’envelliment natural. La nostra hipòtesi de treball és que les neurones tenen la maquinària per sintetitzar glicogen i que la pèrdua de control sobre aquesta maquinària genera una acumulació de glicogen que és nociva per a aquestes cèl•lules. Basant-nos en aquesta hipòtesi, hem investigat quin paper juguen els gens alterats en la malaltia de Lafora sobre el metabolisme del glicogen, i també quina és la funció fisiològica que justifica la presència de la maquinària metabòlica del glicogen en les neurones. Els objectius concrets d’aquest treball són:

1) Caracterització de l’expressió de les proteïnes relacionades amb el metabolisme del glicogen en els diferents tipus cel•lulars del cervell.

2) Anàlisi de la funció dels gens mutats en la malaltia de Lafora sobre la regulació del metabolisme del glicogen i el seu paper en la formació de cossos de Lafora (LBs) en neurones.

3) Estudi de les conseqüències de l’acumulació de cossos de poliglucosà sobre la funció cerebral mitjançant la generació i anàlisi de models cel•lulars o animals de la malaltia de Lafora.

4) Caracterització dels mecanismes cel•lulars implicats en la formació de cossos de poliglucosà a la malaltia de Lafora (LBs) i durant de l’envelliment normal del cervell (Corpora Amylacea, CA).

5) Estudi del paper del metabolisme del glicogen en la formació de CA. Anàlisi de l’envelliment cerebral en models animals amb depleció o sobreexpressió de la glicogen sintasa.

Lafora disease (LD) is caused by mutations in either the laforin or malin gene. The hallmark of the disease is the accumulation of polyglucosan inclusions called Lafora Bodies (LBs). Malin knockout (KO) mice present polyglucosan accumulations in several brain areas, as do patients of LD. These structures are abundant in the cerebellum and hippocampus. Here, we report a large increase in glycogen synthase (GS) in these mice, in which the enzyme accumulates in LBs. Our study focused on the hippocampus where, under physiological conditions, astrocytes and parvalbumin-positive (PV(+)) interneurons expressed GS and malin. Although LBs have been described only in neurons, we found this polyglucosan accumulation in the astrocytes of the KO mice. They also had LBs in the soma and some processes of PV(+) interneurons. This phenomenon was accompanied by the progressive loss of these neuronal cells and, importantly, neurophysiological alterations potentially related to impairment of hippocampal function. Our results emphasize the relevance of the laforin-malin complex in the control of glycogen metabolism and highlight altered glycogen accumulation as a key contributor to neurodegeneration in LD.

Corpora amylacea (CA) are polyglucosan bodies (PGBs) that accumulate during aging in the brains of humans and other mammals. Here we compared the regional and cell-type localization and the protein composition of CA with those of Lafora bodies (LBs), the PGBs accumulated in Lafora disease (LD). For this purpose, we used normal aged mice and malin KO mice, the latter an LD model that we previously generated and described. Moreover, we studied the brain expression pattern of malin and glycogen synthase (MGS) during aging and evaluated the putative contribution of MGS to CA formation by analyzing MGS KO mice. Our results show strong similarities between CA and LBs, thereby suggesting a common mechanism for the formation of the two types of PGB. Here we demonstrate, for the first time, that MGS and therefore glycogen synthesis are required for brain CA formation during normal aging. These observations point to a new physiological role for glycogen machinery in neurodegenerative events.