Efecto terapéutico de la inhibición farmacológica de la via de estrés de retículo endoplasmático mediada por PERK/ATF4 en un modelo toxicológico de la enfermedad Parkinson

Abstract

La enfermedad de Parkinson (EP) es la segunda enfermedad neurodegenerativa más común en la población anciana y se caracteriza por un conjunto de síntomas motores que son el resultado de la pérdida progresiva de las neuronas dopaminérgicas de la substantia nigra pars compacta (SNpc). A pesar de los últimos avances en el estudio de la etiología de esta enfermedad, aun no se ha podido determinar cuáles son los mecanismos moleculares que desencadenan la perdida selectiva de las neuronas dopaminérgicas de la de SNpc, ni tampoco existe un tratamiento eficaz que detenga el proceso neurodegenerativo. Nueva evidencia en el estudio de la etiología de la EP sugiere que el estrés de retículo endoplasmático (RE) sería una característica patológica importante en el desarrollo de esta enfermedad. El estrés de RE desencadena una respuesta adaptativa conocida como la respuesta a proteínas mal plegadas (UPR, del inglés "unfolded protein response"), que permite restablecer la homeostasis proteica, conduciendo a la adaptación y sobrevida celular. Sin embargo, cuando las condiciones de estrés son crónicas o irreversibles esta misma respuesta celular conduce a la muerte celular eliminando a las células dañadas. Se han observado marcadores de estrés de RE, tanto en modelos celulares de la EP, como en modelos animales, más importante aún en tejido post-mortem de pacientes. Sin embargo, aún no se conoce bien cuál es la contribución exacta de la UPR en la progresión de la EP. Estudios recientes han logrado identificar dos compuestos que inhiben la vía de señalización de la UPR mediada por PERK/ATF4 en diferentes puntos. En un estudio farmacológico de moléculas inhibidoras del dominio kinasa de PERK, se logró identificar un compuesto conocido como GSK2606414 (GSK). Este inhibidor ha mostrado proporcionar una protección global contra la patogénesis del Prion. En este modelo la fosforilación sostenida de elF2a, como consecuencia de la activación de esta vía de la UPR, estaría inhibiendo la síntesis de proteínas sinápticas, proceso que la molécula GSK revierte con un efecto terapéutico significativo contra los efectos patogénicos de la proteína de Prion. Otra molécula, denominada ISRIB, fue identificada recientemente en un estudio in vitro en búsqueda de compuestos que bloquearan la expresión de ATF4. ISRIB no reduce los niveles de fosforilación elF2α sino que inhibe sus efectos rio abajo. Ha sido demostrado que ISRIB mejora las funciones cognitivas en ratones y ratas, además previene la represión traduccional inducida por Priones, proporcionando protección tanto a nivel conductual como histopatológico. Tomando en cuenta estos antecedentes el objetivo de este trabajo fue definir los posibles beneficios terapéuticos de manipular farmacológicamente la vía de señalización PERK/ATF4 con los compuestos GSK e ISRIB en el desarrollo de la EP usando un modelo pre-clínico de la enfermedad. Para modelar la EP se utilizó el modelo toxicológico de 6-hidroxipamina (6-OHDA) en ratones, en el cual se induce la pérdida selectiva de las neuronas dopaminérgicas de la SNpc. Nuestros resultados muestran que la inhibición farmacológica de la vía PERK con los compuestos ISRIB y GSK no indujo cambios significativos en la sobrevida de las neuronas dopaminérgicas en nuestro modelo de 6-OHDA en ratones, sin embargo, el tratamiento con el compuesto ISRIB generó una mejora en el rendimiento de los animales en algunas pruebas motoras. Este estudio representa una contribución a la búsqueda de nuevos blancos terapéuticos y en la identificación de nuevos compuestos que permitan el alivio de los síntomas motores de los paciente afectados por la EP.

Parkinson disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease in the older population and is characterized by a set of motor symptoms as a result of extensive dopaminergic neuron loss in the substantia nigra pars compacta (SNpc). Despite recent advances in the study of etiology of this disease, still has not been determined which are the molecular mechanisms that trigger selective loss dopaminergic neurons of SNpc and there is no effective treatment to stop the neurodegenerative process. New evidence in the study of the etiology of PD suggests that endoplasmic reticulum (ER) stress is a salient feature of this disease. ER stress triggers an adaptive reaction known as the unfolded protein response (UPR) that aims to reestablish protein folding homeostasis at the ER, leading to cell adaptation and survival. However, if ER stress is chronic or irreversible the same cell response leads to programmed death, in order to remove damaged cells. Signs of ER stress are observed in cellular and animal models of PD and more importantly in post-mortem tissue from patients. However, the exact contribution of the UPR in the progression of PD is not well understood. Recent drug discovery efforts identified two potent compounds that target the PERK/ATF4 branch of the UPR. One drug screening identified a potent and specific inhibitor of PERK kinase domain known as GSK2606414 (GSK). This inhibitor was shown to provide global protection against Prion pathogenesis. In this model sustained elF2a phosphorylation, as consequence of UPR activation, was proposed to inhibit the synthesis of synaptic proteins, a process that can be reversed by GSK, with significant therapeutic effect against the pathogenic effects of the Prion protein. Another compound, termed ISRIB, was recently identified on a cell-based screening compounds that block ATF4 expression. ISRIB does not reduces elF2a phosphorylation levels but instead reverses its effects. ISRIB was shown to enhance cognitive functions in both mice and rats and also it has been shown to prevent translational repression induced by Priones, providing protection in both behavioral and histopathological levels. for Given this evidence the aim of this work was to define the possible therapeutic benefits of targeting PERK/ATF4 signaling, using GSK and ISRIB compounds, in the development of PD using a pre-clinical model of the disease. To model PD we used a toxicological animal model of PD in which is triggered dopaminergic neuron loss in SNpc by the striatal injection of the neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA). Our results show that pharmacological inhibition of PERK pathway by ISRIB or GSK compounds did not induce significant changes in dopaminergic neuron survival in our model of 6-OHDA in mice, however the treatment with ISRIB compound improved motor performance of animals in some motor tests. This study results a contribution to defining novel therapeutic targets and identification of compounds able to improve motor symptoms and cognitive damage in PD patients.