Estudio de la regulación del metabolismo de la glucosa por la actividad sináptica

Abstract

La actividad sináptica regula una larga lista de procesos esenciales para el desarrollo y la supervivencia neuronal mediante cambios en los niveles de Ca2+ citoplasmático. Modula desde la morfología del árbol dendrítico neuronal hasta la plasticidad neuronal o los mecanismos de protección contra el daño oxidativo. La entrada de Ca2+ a través de los receptores sinápticos promueve diferentes cambios a nivel celular que van desde la remodelación del citoesqueleto a la estimulación de diferentes cascadas de señalización que finalmente activan diferentes factores de transcripción implicados en la regulación de toda una serie de programas de transcripción. Durante las primeras semanas tras el nacimiento tiene lugar el período, enmarcado dentro del desarrollo del sistema nervioso, en que se da una mayor tasa de crecimiento de dendritas y axones. El crecimiento neuronal debe ir acompañado de la síntesis de nuevos lípidos, necesarios para la generación de nuevas membranas. A pesar de que los mecanismos implicados en la regulación del crecimiento de dendritas y axones han sido ampliamente estudiados, se conoce muy poco con respecto a los cambios a nivel metabólico destinados a la síntesis de las biomoléculas necesarias para abastecer la generación de nuevas membranas. El principal objetivo de este trabajo ha sido estudiar el mecanismo por el que la actividad sináptica es capaz de regular el metabolismo neuronal para promover la síntesis de diferentes metabolitos precursores para la síntesis de los lípidos necesarios para el crecimiento neurítico. El principal modelo utilizado en este estudio ha sido los cultivos primarios de neuronas corticales de embriones de rata. La actividad sináptica se ha estimulado mediante un protocolo basado en la desinhibición de la red neuronal, que consiste en el tratamiento combinado con Bicuculina y 4-aminopiridina. Los resultados de esta tesis demuestran que la actividad sináptica estimula la captación y el metabolismo de la glucosa incrementando la transcripción del principal transportador de glucosa en neuronas (Glut3) y de diferentes enzimas implicadas en la glucólisis (HK2, PKM1/2 y PFKFB3). Todo el proceso está regulado por un mecanismo caracterizado por la activación de dos factores de transcripción: CREB y HIF-1α. La activación de CREB, uno de los principales factores de transcripción regulados por la actividad sináptica, promueve la expresión de Glut3 y de la enzima ubiquitina ligasa, Siah2. La actividad de esta última es necesaria para promover la estabilización y, en consecuencia, la activación de HIF-1α, que finalmente promueve la expresión de las enzimas implicadas en la glucólisis. La inhibición de la glucólisis o el bloqueo de la actividad de HIF-1α son suficientes para inhibir la estimulación del crecimiento neuronal por la actividad sináptica. De acuerdo con estos resultados en cultivos celulares, la inhibición de esta vía o la eliminación de este factor de transcripción durante las primeras semanas de desarrollo postnatal en roedores tiene como consecuencia una reducción de la complejidad del árbol dendrítico. Tal como se muestra en el presente trabajo, la actividad sináptica también podría estar implicada en la regulación de diferentes orgánulos como son los peroxisomas y las mitocondrias. En el primer caso se ha observado que la actividad sináptica promueve la síntesis de diferentes implicados tanto el desarrollo y el mantenimiento de los peroxisomas (Pex5, Pex11b y Pex13) como en el metabolismo lipídico peroxisomal (ABCD2 y ACOT8). Cuanto a las mitocondrias se ha comprobado que las neuronas estimuladas sinápticamente activas presentan un incremento en el transporte anterógrado mitocondrial a lo largo del axón que depende de la actividad de HIF-1α.

During the first weeks after birth occurs the period of the nervous system development in which takes place the highest dendritic and axonal growth ratio. Neuronal growth must be accompanied by the synthesis of new lipids, which are necessary for the formation of new membranes. Although the mechanisms involved in the regulation of dendrites and axons growth have been widely studied, there is very little known about the changes at the metabolic level involved in the synthesis of the biomolecules necessary to supply the formation of new membranes. The main goal of this doctoral thesis has been studying the mechanism by which synaptic activity, one of the most important inducers of neurite growth, regulates neuronal metabolism to promote the synthesis of different precursor metabolites involved in the synthesis of lipids required for neuritic growth. The results of this thesis show that synaptic activity stimulates glucose uptake and metabolism by increasing the transcription of the main glucose transporter in neurons, Glut3 and different enzymes involved in glycolysis. The whole process is regulated by a mechanism characterized by the activation of two transcription factors: CREB and HIF-1α. The activation of CREB, one of the main transcription factors regulated by synaptic activity, promotes the expression of Glut3 and the ubiquitin-protein ligase, Siah2. The activity of the latter is necessary to promote the stabilization and, consequently, the activation of HIF-1α, which finally promotes the expression of enzymes involved in glycolysis. Glycolysis inhibition or blocking of HIF-1α activity are sufficient to inhibit stimulation of neuronal growth by synaptic activity. A shown in this thesis, synaptic activity may also be involved in the regulation of peroxisomes and mitochondria. In the first case, it has been observed that synaptic activity promotes the synthesis of different agents involved in the development and maintenance of peroxisomes and in peroxisomal lipid metabolism. In regard to mitochondria, it has been proven that synaptically active neurons exhibit an increase in mitochondrial anterograde transport along the axon which requires HIF-1α activity.