Nueva función para gen CACNA1C, asociado a enfermedades neuropsiquiátricas

Héctor De Jesús-Cortés1, Anjali M. Rajadhyaksha2,3 y Andrew A. Pieper3,4

1Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria, Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Cambridge, MA USA

2Instituto del Cerebro y la Mente de la Familia de Feil, División de Neurología Pediátrica, Departamento de Pediatría

3Programa de Investigación de Autismo de Weill Cornell, Escuela de Medicina de Weill Cornell, New York, NY USA

4Departamento de Psiquiatría, Neurología, Programa de Biología en Radicales Libres y Radiación y el Departamento De Asuntos del Veterano, Escuela de Medicina de Carver en la Universidad de Iowa, Ciudad de Iowa, IA USA

Las enfermedades neuropsiquiátricas son devastadoras, tanto emocional como económicamente para ambos, el paciente y los familiares y/o cuidadores. Se ha estimado que estas enfermedades son la mayor causa de discapacidad en Estados Unidos y la cuarta mundialmente. Actualmente, sólo existen medicamentos que tratan los síntomas de estas enfermedades, ya que no se entiende la raíz ni como funcionan muchas de ellas.

En los últimos 10 años, una nueva tecnología en donde se estudia la asociación del genoma humano a distintas enfermedades (GWAS, por sus siglas en ingles), está ayudando a entender los aspectos biológicos de estas enfermedades. Esta tecnología esta diseñada para encontrar cambios en nucleótidos específicos en el genoma que no están presentes en la población en general, y por tanto, los genes afectados se considera que proporcionan disposición genética a desarrollar estas enfermedades. En el estudio mas grande de enfermedades neuropsiquiátricas, se encontró la asociación del gen CACNA1C a 5 de estas enfermedades, incluyendo desórdenes dentro del espectro de autismo, bipolaridad, déficit de atención con hiperactividad, esquizofrenia y depresión (Cross-Disorder Group of the Psychiatric Genomics, 2013).

CACNA1C es un gen que codifica para la subunidad α1C del canal de calcio Cav1.2, el cual es dependiente de voltaje. Cav1.2 pertenece a la familia de canales de calcio tipo L (LTCC) y esta envuelto en la mediación de la entrada de calcio en respuesta a despolarización de la membrana celular, que a su vez da paso a respuestas intracelulares de neurotransmisión y expresión genética. El 85% de los canales LTTC esta compuestos por Cav1.2, mientras que el resto esta compuesto por la subunidad Cav1.3 en el cerebro. Modelos transgénicos en ratones donde se elimina la expresión de Cav1.2 han demostrado el rol de este canal. Por ejemplo, la eliminación en todos los tejidos del ratón es letal. Estos estudios indican que su letalidad es debida a la importancia de Cav1.2 en el corazón y el músculo liso. Por esta razón, se han comenzado a desarrollar modelos transgénicos donde se puede controlar de forma condicional la expresión del gen. Utilizando esta estrategia, se ha comprobado la importancia de Cav1.2 en la memoria espacial y el miedo.

Con respecto a los síntomas de enfermedades neuropsiquiátricas, nuestro grupo demostró hace unos años que la eliminación de Cav1.2 en neuronas del mesencéfalo resulta en alta ansiedad (Lee et al., 2012). Este descubrimiento despertó nuestra curiosidad por entender la función de Cav1.2 en neuronas.

En este nuevo artículo decidimos evaluar las consecuencias de la eliminación de Cav1.2 a nivel celular y molecular (Lee et al., 2016). Comenzamos por evaluar las neuronas en el hipocampo, debido a que esta región se conoce por estar envuelta en la memoria  y la ansiedad. El hipocampo es una de las dos regiones del cerebro donde se observa la generación de nuevas neuronas funcionales en el adulto, la neurogénesis, y este proceso se ha visto afectado en varios modelos de enfermedades neuropsiquiátricas. Evaluamos la neurogenesis inyectando un análogo de timidina (BrdU), el cual se incorpora en el ADN de células que están activamente en replicación y puede ser visualizado después utilizando métodos comunes de inmunohistoquímica. Tras inyectar BrdU durante una semana, observamos que sólo los ratones que no tenían Cav1.2 en el cerebro presentaban una reducción de 50% en la neurogénesis comparados a los ratones normales (Figura 1).

Figura 1. La eliminación de Cav1.2 en el mesencéfalo causa una reducción de 50% en la neurogénesis del hipocampo. En el hipocampo se observo una reducción de 50% en neurogénesis dictado por el marcador de BrdU. Imagen modificada de (Lee et al., 2016).

Figura 1. La eliminación de Cav1.2 en el mesencéfalo causa una reducción de 50% en la neurogénesis del hipocampo. En el hipocampo se observo una reducción de 50% en neurogénesis dictado por el marcador de BrdU. Imagen modificada de (Lee et al., 2016).

 

La neurogénesis es un proceso que esta compuesto por dos etapas. La primera etapa es de proliferación o creación de nuevas neuronas provenientes de células madres ya existentes, y la segunda etapa es la supervivencia de estas células para luego ser incorporadas en circuitos neuronales. Para evaluar si Cav1.2 estaba envuelto en alguna de esas dos etapas, o en ambas, utilizamos un protocolo similar al de BrdU donde se inyecta una sola vez y se espera durante 1 hora para evaluar proliferación, ó 30 días para evaluar supervivencia. Observamos que la reducción en la neurogénesis era debida a un defecto en la supervivencia y no en la proliferación. Esta función es diferente a la de Cav1.3 que recientemente se demostró que está envuelto en ambas, proliferación y supervivencia (Marschallinger et al., 2015).

Para evaluar si este defecto en supervivencia era debido a una anormalidad en desarrollo causada por la eliminación de Cav1.2 en el embrión, eliminamos la expresión de Cav1.2 en ratones adultos utilizando un virus que media dicha eliminación y repetimos el experimento de BrdU durante una semana. Observamos el mismo resultados de un 50% de reducción en la neurogénesis. Debido a que BrdU puede incorporarse en cualquier tipo de célula en replicación, y por tal razón no es específico a neuronas, decidimos evaluar si marcadores específicos a neuronas inmaduras se veían afectados. Doublecortin (DCX) es un marcador de neuronas inmaduras el cual observamos una reducción de un 50%. Con estos resultados concluimos que Cav1.2 tiene una función en la supervivencia de las neuronas inmaduras resultantes de la neurogénesis.

Para tratar de entender cómo Cav1.2 media la supervivencia de  las neuronas en el hipocampo, decidimos evaluar moléculas que se han visto relacionadas con la supervivencia de las neuronas. En específico, evaluamos la expresión del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), el cual esta regulado por los LTCC. Observamos una reducción de 50% BDNF en el hipocampo de ratones sin la expresión de Cav1.2. De estos resultados concluimos que los defectos en la supervivencia causados por la eliminación de Cav1.2 en el cerebro están asociados a la disminución de BDNF.

Como se mencionaba previamente, en la actualidad sólo existen medicamentos que tratan los síntomas, pero no la raíz de las enfermedades neuropsiquiátricas. Este descubrimiento de disminución en la supervivencia de las neuronas en el hipocampo nos ayuda a entender la raíz de los problemas en los pacientes con mutaciones en este gen. Al mismo tiempo, nos abre nuevas oportunidades para buscar alternativas de tratamientos a estas enfermedades. Puesto que observamos una reducción en la supervivencia de las neuronas en el hipocampo, decidimos evaluar un compuesto neuroprotector llamado P7C3-A20. Este compuesto ha demostrado ser eficaz en aumentar la supervivencia de neuronas en el hipocampo resultando en una mayor cantidad de neurogénesis hipocampal (Pieper et al., 2010). El tratamiento sistémico con P7C3-A20 durante un mes, resultó en la restauración de la neurogénesis normal en ratones donde Cav1.2 no estaba expresado (Figura 2). Este resultado fue acompañado de la restauración de los niveles normales de neuronas inmaduras, utilizando la tinción con DCX. Al evaluar los niveles de BDNF, encontramos que P7C3-A20 no restauró los niveles de esta molécula lo que abre la posibilidad de restaurar niveles normales de neurogénesis independientes de los niveles bajos de BDNF.

Figura 2. El tratamiento sistémico con P7C3-A20 es capaz de restaurar niveles normales de neurogénesis en ratones con eliminación genética de Cav1.2. La neurogénesis fue restaurada con P7C3-A20 como puede ser observado por el marcaje de BrdU. Imagen modificada de (Lee et al., 2016).

Figura 2. El tratamiento sistémico con P7C3-A20 es capaz de restaurar niveles normales de neurogénesis en ratones con eliminación genética de Cav1.2. La neurogénesis fue restaurada con P7C3-A20 como puede ser observado por el marcaje de BrdU. Imagen modificada de (Lee et al., 2016).

 

Estos resultados demuestran la importancia de Cav1.2 en la supervivencia de las neuronas inmaduras en le hipocampo. Más aún, nuestros resultados demuestran que los defectos sobre la neurogénesis asociados a Cav1.2 pueden ser corregidos utilizando P7C3-A20. Este resultado es de gran importancia, debido a que actualmente no existe ningún medicamento en humanos que sea capaz de aumentar la supervivencia de las neuronas en el cerebro. Ahora nuestro equipo está enfocado en evaluar si este tratamiento con P7C3-A20 es capaz de disminuir los defectos en el comportamiento de ratones en los que se ha eliminado  la expresión de Cav1.2. Estos defectos incluyen problemas relacionados con la ansiedad, la memoria y el miedo. Si este compuesto es capaz de ayudar a mejorar síntomas asociados a enfermedades neuropsiquiatricas, sería un gran avance para los pacientes que las sufren y un gran alivio para los familiares de estos pacientes.

Referencia:

Lee AS, De Jesús-Cortés H, Kabir ZD, Knobbe W, Orr M, Burgdorf C, Huntington P, McDaniel L, Britt JK, Hoffmann F, Brat DJ, Rajadhyaksha AM, Pieper AA. The Neuropsychiatric Disease-Associated Gene cacna1c Mediates Survival of Young Hippocampal Neurons. eNeuro. 2016 Mar 31;3(2). doi:10.1523/ENEURO.0006-16.2016.

Bibliografía:

Cross-Disorder Group of the Psychiatric Genomics Consortium. Identification of risk loci with shared effects on five major psychiatric disorders: a genome-wide analysis. Lancet. 2013 Apr 20;381(9875):1371-9. doi: 10.1016/S0140-6736(12)62129-1.

Lee AS, et al. Forebrain elimination of cacna1c mediates anxiety-like behavior in mice. Mol Psychiatry. 2012 Nov;17(11):1054-5. doi: 10.1038/mp.2012.71.

Marschallinger J, et al. The L-type calcium channel Cav1.3 is required for proper hippocampal neurogenesis and cognitive functions. Cell Calcium. 2015 Dec;58(6):606-16. doi: 10.1016/j.ceca.2015.09.007.

Pieper AA, et al. Discovery of a proneurogenic, neuroprotective chemical. Cell. 2010 Jul 9;142(1):39-51. doi: 10.1016/j.cell.2010.06.018.

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