Relación entre genes reloj y fisiopatología del Parkinson en pez cebra

Abstract

La enfermedad de Parkinson (EP) es un desorden neurodegenerativo que afecta al área del sistema nervioso central encargada de controlar el sistema motor y es la segunda enfermedad neurodegenerativa más frecuente después del Alzheimer. Está asociada a una parte del cerebro denominada sustancia negra y la pérdida de un pigmento llamado neuromelanina presente en las neuronas de esta zona del cerebro, las neuronas dopaminérgicas. Estas neuronas producen un neurotransmisor, la dopamina, cuya falta como consecuencia de la pérdida progresiva de neuronas dopaminérgicas, produce la EP. Sin embargo, actualmente no existe un tratamiento preventivo ni curativo para la enfermedad de Parkinson, sino un tratamiento farmacológico sintomático y crónico. Existen dos formas de la enfermedad, el 5-10% de los enfermos presentan Parkinson familiar y el 90-95%, Parkinson idiopático. En ambos casos, la muerte neuronal se debe a la disfunción mitocondrial provocada por la inhibición del complejo I que genera estrés oxidativo y fallo bioenergético, por lo que se abre el poro de transición mitocondrial, sale el citocromo c al citosol y se activa la apoptosis. Debido a la muerte neuronal se produce una activación de la microglía y un estado inflamatorio. En cuanto a la forma familiar, está asociada, entre otras, a mutaciones en los genes PARK que codifican para las proteínas PINK1, PARKIN, DJ-1 y -sinucleína. PINK1 y PARKIN están implicadas en la mitofagia de mitocondrias dañadas, y DJ-1 puede interaccionar con ellas y, además regula la transcripción de enzimas antioxidantes. Por otro lado, -sinucleína forma unos agregados insolubles llamados cuerpos de Lewy en las neuronas dopaminérgicas y que afectan a la integridad de membrana mitocondrial. Por tanto, mutaciones en estos genes producen una alteración de la homeostasis mitocondrial. La melatonina es una indolamina derivada del triptófano, altamente conservada a lo largo de la evolución. Hasta hace unos años se pensaba que la melatonina solo se producía en la glándula pineal y que se liberaba a la circulación sanguínea para llegar a todos los tejidos. Sin embargo, actualmente se sabe que se sintetiza en la mayoría de los órganos y tejidos del organismo. De esta forma, distinguimos dos tipos de melatonina, pineal y extrapineal. La melatonina extrapineal se produce a concentraciones más elevadas que la pineal, aunque se libera a la circulación y tampoco presenta un ritmo circadiano de producción. Mientras que la melatonina pineal, cronobiótica, actúa sobre los receptores de membrana tipo MT1 y MT2, disminuyendo la producción de AMPc y GMPc, la melatonina extrapineal, intracelular, actúa sobre receptores citosólicos tipo calmodulina y calreticulina, y los receptores nucleares tipo ROR , regulando la transcripción de genes, bien inhibiendo directamente, como es el caso de la lipooxigenasa B, o mediante la inhibición de factores de transcripción como p65 frenado la respuesta inmunitaria. No obstante, también puede ejercer sus funciones de forma independiente de receptores depurando radicales libres y actuando sobre su principal diana, la mitocondria. En ésta, potencia la actividad de los complejos respiratorios I, II, III y IV de la cadena de transporte de electrones, aumenta la producción de ATP y modula el potencial de membrana. Además, mejora la actividad de la defensa antioxidante y el ciclo del glutation. Estas funciones antioxidantes, antiinflamatorias y de mantenimiento de la homeostasis mitocondrial de la melatonina se han observado en numerosos modelos de Parkinson como en ratones, peces cebra y moscas. La melatonina pineal está controlada por el fotoperiodo a través del reloj central situado en los núcleos supraquiasmáticos del hipotálamo. Su producción está inhibida durante el día y alcanza su concentración máxima a las 2-4 de la madrugada. La melatonina pineal se libera a la circulación y ejerce su acción cronobiótica sobre el reloj central y sobre todos los relojes periféricos del cuerpo, controlando los ritmos circadianos. Tanto el reloj central como los relojes periféricos están formados por un conjunto de genes llamados genes reloj, entre los que encontramos a CLOCK y BMAL1 que forman un heterodímero y activan la transcripción de otros genes reloj como PER y CRY. Estos dimerizan y se translocan al núcleo donde inhiben la transcripción mediana por CLOCK:BMAL1. Otras proteínas reloj son ROR- y REV-erb, que de manera independiente activan e inhiben a BMAL1 respectivamente. Dado que los pacientes con Parkinson presentan alteraciones del sueño como uno de los síntomas no motores más predominantes, debido a la alteración del ritmo circadiano de melatonina, se ha sugerido que las alteraciones de los genes reloj pueden conducir a disfunción metabólica, aumento del estrés oxidativo y de la inflamación. El pez cebra o Danio rerio, es un nuevo modelo experimental cada vez más usado en investigación gracias sus numerosas ventajas. Posee una alta similitud genética y fisiológica con el ser humano, su pequeño tamaño lo hace más fácil de manipular y más económico, su desarrollo es extrauterino y muy rápido, y su capacidad reproductiva es elevada. Además, los embriones son transparentes en las primeras etapas del desarrollo, lo que permite observar fluorescencia y también poseen la facilidad de desarrollar líneas transgénicas. Nuestro interés en el pez cebra como modelo de la enfermedad de Parkinson, viene dado porque su sistema dopaminérgico está bien caracterizado y posee gran similitud con el de los seres humanos. En nuestro laboratorio hemos desarrollado un modelo de pez cebra parkinsoniano inducido con la neurotoxina MPTP y en trabajos anteriores hemos observado una disminución de la actividad locomotora, inhibición del complejo I y de la tirosina hidroxilasa, disminución de PARKIN, PINK1 y DJ-1 y aumento de la -sinucleína. De igual forma, encontramos una disminución de la respiración mitocondrial y de la producción de ATP, un elevado estado de estrés oxidativo debido al aumento de la expresión de iNOS y la reducción de la defensa antioxidante. Por todo ello, en este estudio queremos dilucidar la relación entre la alteración de los genes reloj en el modelo de parkinsonismo inducido por MPTP en embriones de pez cebra y las alteraciones de los procesos motores y mitocondriales. Además, estudiamos si la administración de melatonina puede contrarrestar dicha cronodisrupción y si eso lleva a una normalización del fenotipo de los peces. Los resultados de este estudio muestran una alteración del ritmo circadiano de los genes reloj que a su vez condiciona una desaparición del ritmo circadiano de melatonina, en los embriones tratados con MPTP. Específicamente, los genes bmal1 y clock pierden el ritmo, cambian de acrofase y aumentan el MESOR. Los genes reguladores per2 y cry1 muestran un avance de sus acrofases, mientras que el gen modulador ror pierde su ritmo, con pequeños cambios en rev-erb y crono. El proceso de cronodisrupción producido por el MPTP en los embriones se traduce en una significativa alteración del ritmo de actividad locomotora de los embriones, así como de la dinámica mitocondrial, ambos procesos regulados por los genes reloj y la melatonina. Los embriones parkinsonianos muestran una reducción de la fusión mitocondrial y un aumento de la fisión, lo que conduce a un aumento de la apoptosis neuronal. El tratamiento con melatonina se hizo con el fin de conocer si ésta puede impedir el desarrollo del parkinsonismo en los embriones tratados con MPTP (tratamiento preventivo), y si además, una vez instaurado el daño, la melatonina podría contrarrestar y restablecer la normalidad fenotípica. Nuestros resultados demuestran efectivamente esas dos propiedades de la melatonina, lo que la convierte en una excelente molécula para su uso clínico. En conclusión, nuestro estudio reveló que existe una relación entre la alteración de los genes reloj, es decir una cronodisrupción, y la fisiopatología de la enfermedad de Parkinson en el modelo de pez cebra tratado con MPTP. La melatonina muestra una vez más sus capacidades neuroprotectoras, que la hacen única y de gran interés para su aplicación en la clínica humana, ya que la EP se diagnostica cuando ya el daño neuronal es muy severo.