Daño oxidativo y regulación redox en el envejecimiento cerebral: vulnerabilidad regional

Abstract

El presente trabajo exploró el proceso de envejecimiento cerebral humano considerando la vulnerabilidad regional específica en cuanto a eventos de daño oxidativo, respuesta antioxidante, metabolismo energético y moléculas implicadas en la inflamación. Se emplearon muestras de tejido post mortem de 12 regiones cerebrales (corteza frontal, corteza parietal, giro cingulado, corteza temporal, corteza entorrinal, hipocampo, tálamo, caudado, putamen, corteza visual, sustancia nigra y vermis) provenientes de 18 sujetos sanos de mediana y avanzada edad (grupos de edad). Mediante proteómica redox se identificaron 30 proteínas específicas susceptibles de ser lipoxidadas por NKT con patrones respecto a la edad y regionales específicos. Su vulnerabilidad a la lipoxidación se relacionó con patrones proteicos de localización, estructurales y funcionales. Además, el nivel global de NKT correlacionó con el nivel de oligómeros solubles, detectados por slot-blot, en las regiones con mayor aumento de la lipoxidación con la edad de proteínas específicas. Empleando Western-blot y densitometría se detectaron los niveles globales de marcadores de lipoxidación (NKT y MDA), glicoxidación (CEL y CML), defensas antioxidantes (SOD1, SOD2, CAT, GPX4, TRX1 y Nrf2), metabolismo energético (subunidades de los complejos mitocondriales: CI al CV, VDAC), metabolismo lipídico e inflamación (COX-2, CYP2J2 y vía NF-κB: p65, p50 e IκBα); y se exploraron sus diferencias con la edad en cada región comparando estadísticamente sus niveles entre grupos de edad. La lipoxidación proteica global presentó cambios con la edad específicos tanto para la región cerebral como el marcador estudiado. Los niveles globales de NKT se modificaron con la edad en pocas regiones cerebrales en contraste los de MDA, siendo este último el marcador que mostró más acusadamente cambios con la edad en el cerebro. Existió mayormente un aumento de la lipoxidación con la edad en las regiones en que variaron sus niveles (excepto NKT en tálamo y MDA en las cortezas temporal y entorrinal). Los niveles de las enzimas COX-2 y CYP2J2 presentaron variaciones con la edad y regionales en el cerebro, siendo el aumento de COX-2 característico del envejecimiento. Corteza frontal, corteza temporal e hipocampo podrían ser regiones particularmente susceptibles a alteraciones inflamatorias con la edad que involucren el metabolismo lipídico. Los niveles globales de glicoxidación proteica tendieron a aumentar durante el envejecimiento con patrones regionales específicos, a excepción de una disminución en hipocampo del CML. Varias regiones mostraron aumentos con la edad de glicoxidación no coincidentes con los de lipoxidación; durante el envejecimiento

el daño a proteínas por glicoxidación podría ser más relevante en estas regiones que la lipoxidación. Se detectó una amplia modulación con la edad región-específica del nivel de enzimas antioxidantes, y discreta del factor transcripcional Nrf2. Los niveles de VDAC disminuyeron con la edad en tres regiones cerebrales (corteza frontal, corteza entorrinal y sustancia nigra), sugiriendo una disminución en el número de mitocondrias. En general, existió una amplia variación con la edad y regional en los niveles de los complejos mitocondriales del I al IV y poca en el CV; indicando que la regulación del nivel de los mismos (CI al IV) se modifica ampliamente en el cerebro humano con la edad. Se detectaron pocas variaciones con la edad y en cuanto a regiones cerebrales en los niveles de los componentes de la vía de respuesta NF-κB explorados. Giro cingulado, caudado y putamen resultaron las regiones en las que más se modificaron los componentes de esta vía con la edad. Además, el conjunto de datos permitió, mediante análisis bioinformático, establecer un perfil de vulnerabilidad regional con el envejecimiento en el cerebro que refleja en parte la tendencia a la neurodegeneración, apoyando la relevancia de los procesos redox en el envejecimiento y la susceptibilidad a la neurodegeneración.

The present work explored the process of human brain aging considering the specific regional vulnerability in terms of oxidative damage events, antioxidant response, energy metabolism and molecules involved in inflammation. Post mortem tissue samples from 12 brain regions (frontal cortex, parietal cortex, cingulate gyrus, temporal cortex, entorhinal cortex, hippocampus, thalamus, caudate, putamen, visual cortex, substantia nigra and vermis) were used, from 18 healthy subjects of middle and advanced age (age groups). By means of redox proteomics, specific proteins were identified as lipoxidized by NKT with particular age and regional patterns. Their vulnerability to lipoxidation was related to localization, structural and functional patterns. In addition, the overall level of NKT correlated with the level of soluble oligomers, detected by slot blot, in regions with high increase in the lipoxidation of specific proteins with age. By using Western blot and densitometry, the levels of lipoxidation (NKT and MDA), glycoxidation (CEL and CML), antioxidant defenses (SOD1, SOD2, CAT, GPX4, TRX1 and Nrf2), proteins involved in energy metabolism (subunits of mitochondrial complexes: CI to CV, VDAC) and lipid metabolism and inflammation (COX-2, CYP2J2 and NF-κB pathway: p65, p50 and IκBα) were explored in brain aging. In each brain region, their level modifications with age were tested by statistical comparison between age groups. The particular regional and age specific changes for these markers are reported and discussed throughout the work. In addition, the data set allowed to establish, by bioinformatic analysis, a regional vulnerability profile with aging in the brain which partly reflects the trend towards neurodegeneration, supporting the relevance of redox processes in brain aging and susceptibility to neurodegeneration.