Contribución de la quinasa GCN2 en la regeneración nerviosa luego de la compresión del nervio ciático en ratones

Abstract

Múltiples neuropatías asociadas a la vejez y daños mecánicos o químicos tienen como antecedente común la degeneración parcial o completa de los axones de neuronas. Particularmente, el sistema nervioso periférico se ve afectado por este tipo de axonopatías, alterando la homeostasis del tejido nervioso y sus axones, e induciendo su degeneración. A diferencia del sistema nervioso central, el sistema nervioso periférico posee la capacidad de regenerar esta pérdida axonal en condiciones fisiológicas. El estudio de los factores que permiten regular la pérdida homeostática producto de estos daños ha permitido dilucidar los factores que determinan la degeneración axonal y el éxito regenerativo de estos, pero aún es un campo en construcción. La vía de respuesta al estrés integrada (REI) es una ruta metabólica involucrada estrechamente con la recuperación de la homeostasis o la inducción de apoptosis celular frente a diferentes estímulos estresores. Su activación induce el arresto traduccional y la transcripción de factores particulares asociados a la restauración de su estado basal en diferentes contextos celulares, o la inducción de la apoptosis. Sin embargo, sólo se ha descrito parcialmente su rol en el proceso degenerativo y regenerativo axonal. La quinasa “General control nonderepessible 2” (GCN2), parte de la REI, y el efector de la vía, “Eukaryotic Initiation Factor 2” (eIF2), han sido descritos como factores determinantes de procesos celulares asociados parcialmente al crecimiento y elongación axonal. Sin embargo, no se ha estudiado directamente el rol de la quinasa GCN2 en la regeneración nerviosa. En este Seminario de Título se utilizó un modelo de daño nervioso periférico que induce la degeneración axonal y permite la regeneración de estos en un modelo murino deficiente para el gen codificante de la quinasa GCN2. De esta forma, mediante la compresión del nervio ciático y su estudio histológico, además de la evaluación sensomotora de los animales posterior al daño, se esperó dilucidar el rol que pudiera cumplir esta quinasa en la regulación del éxito regenerativo. Se comprobó que los animales GCN2-KO presentan mayor densidad axonal que el grupo control. Adicionalmente, la dinámica degenerativa de estos animales fue más aguda en relación al grupo control, perdiendo densidad axonal desde 1 día post operación (DPO) y sin alcanzar los niveles de densidad axonal originales a 21 DPO. Con respecto a las pruebas motoras, se registró una recuperación más rápida de la capacidad de movimiento de la extremidad dañada en los animales GCN2-KO. Por otra parte, las pruebas sensoriales mostraron hiperalgesia en la extremidad con compresión ciática en los animales GCN2-KO, con una respuesta aversiva mayor en relación con el grupo control. En conjunto, la evidencia experimental reunida en este Seminario de Título indica un rol relevante de la quinasa GCN2 en los procesos de degeneración y regeneración nerviosa, vinculando a la REI como una potencial vía regulatoria del proceso. Es relevante recopilar más información experimental para dilucidar los elementos moleculares concretos con los que interactúa la quinasa GCN2 y el resto de la vía REI durante la degeneración y posterior regeneración nerviosa, posicionando de esta forma a la vía como un blanco potencial de modulación del éxito regenerativo en el sistema nervioso.

Multiple neuropathies associated with aging and mechanical or chemical damage have as a common antecedent the partial or complete degeneration of neuronal axons. Particularly, the peripheral nervous system is affected by this type of axonopathies, altering the homeostasis of the nervous tissue and its axons and inducing their degeneration. Unlike the central nervous system, the peripheral nervous system has the physiological ability to regenerate this axonal loss. The study of the factors that regulate the homeostatic loss resulting from this damage has made it possible to elucidate the factors that determine axonal degeneration and their regenerative success, but this is still a field under construction. The integrated stress response (ISR) is a metabolic pathway closely involved with restoring homeostasis under different stressful stimuli. ISR activation induces the translational arrest and the expression of transcription factors associated with homeostasis restoration or apoptotic cell death induction in different cellular contexts. However, its role in the axonal degenerative and regenerative processes has only been partially described. The general control nonderepessible 2 kinase (GCN2), part of the ISR pathway, and the effector of ISR, Eukaryotic Initiation Factor 2 (eIF2), have been described as determinants of cellular processes associated with axonal growth and elongation. However, the role of GCN2 kinase in nerve regeneration has not been directly addressed. In this Seminar, we used a model of peripheral nerve damage that induces axonal degeneration and allows axonal regeneration in a murine model deficient for the GCN2 kinase gene. Thus, by crushing the sciatic nerve and its histological study, and the sensorimotor evaluation of the animals after the damage, we hoped to elucidate the role this kinase could play in regulating regenerative success. We found that GCN2-KO mice present higher sciatic axonal density than control mice. Additionally, the degenerative dynamic of these animals was more acute in relation to the control 4 group, losing axonal density from postoperative day 1 without reaching the original axonal density levels after 21 days. For the motor tests, a faster recovery of the movement capacity of the damaged hindlimb was recorded in the GCN2-KO animals. On the other hand, sensory tests demonstrated hyperalgesia in the crushed hindlimb of GCN2-KO animals, with a greater aversive response relative to the control group. Overall, the experimental evidence gathered in this Seminar indicates a relevant role of GCN2 kinase in the processes of peripheral nerve degeneration and regeneration, linking the ISR as a potential regulatory pathway. It is relevant to gather further experimental information to elucidate the specific molecular elements with which GCN2 kinase and the rest of the ISR pathway interact, thus positioning this pathway as a potential target for modulation of regenerative success in the nervous system.