Explorant la interacció entre remodelació lipídica, agregació proteica i alteracions en la microbiota en l'etiopatogènesi de l'Esclerosi Lateral Amiotròfica

Abstract

L’esclerosi lateral amiotròfica (ELA) engloba un conjunt de síndromes que cursen amb degeneració i pèrdua de motoneurones (MN), determinant una paràlisi muscular progressiva. En totes les seves formes, existeixen alteracions dels sistemes d’homeòstasi lipídica, remodelant la composició del lipidoma tissular que podria contribuir a una menor resistència a l’estrès. Els canvis en el lipidoma també poden afectar als sistemes d’homeòstasi proteica resultant en fenòmens d’agregació de proteïnes. Per altra banda, es coneix que la neuroinflamació generada pot coincidir amb alteracions de la microbiota, les quals també podrien contribuir a una major susceptibilitat motoneuronal. En el present treball s’hipotetitza que l’etiopatogenia de l’ELA inclou un deteriorament del sistema d’homeòstasi dels lípids, generant alteracions lipídiques membranals, i s’associarien a canvis en la proteostasi i en el microbioma, contribuint tots ells a una major susceptibilitat a la neurodegeneració. Aquesta hipòtesi s’ha abordat en motoneurones humanes desenvolupades a partir de cèl·lules mare pluripotents induïdes (iPSC), en el model ratolí G93A i en una anàlisi del microbioma colònic. Els resultats demostren que existeix una relació entre determinants moleculars de l’homeòstasi lipídica cel·lular a MN (SCP2, FADS2, AGPS) i l’agregació patològica de proteïnes (G3BP1 i TDP-43) en l’ELA. A més, s’ha demostrat que, en MN, les disrupcions en l’homeòstasi lipídica s’associen a una agregació de diferents proteïnes que podrien contribuir a la neurodegeneració, en el model preclínic G93A i validat en MN derivades de pacients portadors de mutacions en C9orf72 i FUS. Així doncs, s’ha demostrat una agregació de Rab5/Rab7, SCP2, AGPS, PKCβII, PLCβ1, FADS2, PMP70 i VAPA/VAPB com a nou participant en la fisiopatologia de l’ELA. Tots aquests canvis en l’homeòstasi lipídica, juntament amb situacions d’estrès cel·lular, s’associen a canvis en els contactes mitocondri-reticle endoplasmàtic i alteracions en els peroxisomes. A més, les MN davant d’estrès cel·lular (peròxid d’hidrogen, sorbitol i ARN forà) responen modificant la distribució d’aquestes proteïnes per tal de protegir-se davant de l’agregació proteica posterior. Per últim, s’ha demostrat que els pacients portadors d’ELA poden exhibir alteracions en l’abundància de diferents bacteris, que modularia la progressió de la malaltia. Les troballes d’aquesta tesi subratllen la importància de l'homeòstasi lipídica i la proteostasi en l'etiopatogènia de l'ELA.

La esclerosis lateral amiotrófica (ELA) engloba un conjunto de síndromes que cursan con degeneración y pérdida de motoneuronas (MN), determinando una parálisis muscular progresiva. En todas sus formas, existen alteraciones de los sistemas de homeostasis lipídica, remodelando la composición del lipidoma tisular que podría contribuir a una menor resistencia al estrés. Los cambios en el lipidoma también pueden afectar a los sistemas de homeostasis proteica resultante en fenómenos de agregación de proteínas. Por otra parte, se conoce que la neuroinflamación generada puede coincidir con alteraciones de la microbiota, que también podrían contribuir a una mayor susceptibilidad motoneuronal. En el presente trabajo se hipotetiza que la etiopatogenia de la ELA incluye un deterioro del sistema de homeostasis de los lípidos, generando alteraciones lipídicas membranales, y se asociarían a cambios en la proteostasis y en el microbioma, contribuyendo todos ellos mayor susceptibilidad a la neurodegeneración. Esta hipótesis se ha abordado en motoneuronas humanas desarrolladas a partir de células madre pluripotentes inducidas (iPSC), en el modelo de ratón G93A y en un análisis del microbioma colónico. Los resultados demuestran que existe una relación entre determinantes moleculares de la homeostasis lipídica celular en MN (SCP2, FADS2, AGPS) y la agregación patológica de proteínas (G3BP1 y TDP-43) en la ELA. Además, se ha demostrado que, en MN, las disrupciones en la homeostasis lipídica se asocian a una agregación de diferentes proteínas que podrían contribuir a la neurodegeneración, en el modelo preclínico G93A y validado en MN derivadas de pacientes portadores de mutaciones en C9orf72 y FUS. Así pues, se ha demostrado una agregación de Rab5/Rab7, SCP2, AGPS, PKCβII, PLCβ1, FADS2, PMP70 y VAPA/VAPB como nuevo participante en la fisiopatología de la ELA. Todos estos cambios en la homeostasis lipídica, junto con situaciones de estrés celular, se asocian a cambios en los contactos mitocondria-retículo endoplasmático y alteraciones en los peroxisomas. Además, las MN frente a estrés celular (peróxido de hidrógeno, sorbitol y ARN foráneo) responden modificando la distribución de estas proteínas para protegerse frente a la agregación proteica posterior. Por último, se ha demostrado que los pacientes portadores de ELA pueden exhibir alteraciones en la abundancia de diferentes bacterias, que modularía la progresión de la enfermedad. Los hallazgos de esta tesis subrayan la importancia de la homeostasis lipídica y la proteostasis en la etiopatogenia de la ELA.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) includes a group of syndromes that commonly present with degeneration and selective loss of motor neurons (MN), determining progressive muscular paralysis. In all its forms, there are alterations of the lipid homeostasis systems, remodeling the composition of the tissue lipidome that could contribute to a lower resistance to stress. Changes in the lipidome can also affect protein homeostasis systems, resulting in protein aggregation phenomena. On the other hand, it is known that the neuroinflammation generated can coincide with alterations in the microbiota, which could also contribute to greater motor neuronal susceptibility. In this study, it is hypothesized that the etiopathogenesis of ALS includes a deterioration of the lipid homeostasis system, which would generate membrane lipid alterations, and would be associated with changes in proteostasis and changes in the microbiome, all of which contribute to greater susceptibility to neurodegeneration. This hypothesis has been studied in human motoneurons developed from induced pluripotent stem cells (iPSCs), in mice model G93A and in an analysis of the colonic microbiome. The results show that there is a relationship between molecular determinants of cellular lipid homeostasis in MN (SCP2, FADS2, AGPS) and the pathological aggregation of proteins (G3BP1 and TDP-43) in ALS. In addition, it has been demonstrated that, in MN, disruptions in cellular lipid homeostasis are associated with an aggregation of different proteins that could contribute to motor neuronal neurodegeneration, in the preclinical model G93A and validated in derived MN of patients carrying mutations in C9orf72 and FUS. Thus, an aggregation of Rab5/Rab7, SCP2, AGPS, PKCβII, PLCβ1, FADS2, PMP70 and VAPA/VAPB has been demonstrated as a new participant in the pathophysiology of ALS. All these changes in lipid homeostasis, together with situations of cellular stress, are associated with changes in the mitochondrial-endoplasmic reticulum contacts and alterations in peroxisomes. In addition, MNs respond to cellular stress (hydrogen peroxide, sorbitol, and foreign RNA) by modifying the distribution of these proteins to protect themselves against subsequent protein aggregation. Lastly, it has been demonstrated that patients with ALS can exhibit alterations in the microbiome in the abundance of different bacteria, which would modulate the progression of the disease. The findings of this thesis underline the critical importance of lipid homeostasis and proteostasis in the etiopathogenesis of ALS, opening new perspectives for future research.