Evaluación del rol de la quinasa GCN2 en la modulación de la autofagia en la corteza motora y el hipotálamo de un modelo murino

Abstract

La respuesta integrada al estrés (ISR, del inglés “integrated stress response”) es una vía de señalización que se activa con diversos estímulos, y supervisa las condiciones del ambiente a través de cuatro quinasas que, cuando se activan, fosforilan la subunidad ⍺ del factor iniciador de la traducción eucarionte 2 (eIF2⍺). La fosforilación de eIF2⍺ inhibe la síntesis de proteínas e induce la reprogramación de la expresión génica hacia la recuperación de la homeostasis, promoviendo la adaptación. Una de las quinasas de la ISR es la proteína GCN2 (del inglés, “general control nonderepressible 2”), que detecta la deficiencia de aminoácidos. La autofagia, que es un proceso de degradación intracelular que permite obtener aminoácidos mediante la degradación de componentes intracelulares, es inducida río abajo de la activación de la GCN2, en ciertos modelos celulares y tejidos. La autofagia es esencial para la mantención de la homeostasis en el sistema nervioso central (SNC), sin embargo, se desconoce si forma parte del mecanismo adaptativo inducido por la GCN2 en condiciones de deficiencia de aminoácidos específicamente en el SNC. En esta Memoria de Título se evaluó la activación de la autofagia, y la contribución de la GCN2 en esta activación, en el SNC de ratones, en respuesta a un estímulo activador de la GCN2: una dieta baja en proteínas (DBP). La DBP se administró por seis semanas, y en este periodo se monitoreó el estado general de los animales. Los resultados mostraron que la GCN2 está involucrada en el control del peso corporal, la glicemia y la función motora, y esta regulación es opuesta en machos y hembras: ante una DBP, en hembras, la GCN2 mantiene en homeostasis los parámetros evaluados, mientras que en machos, la quinasa modifica estos parámetros. Los análisis bioquímicos de la corteza motora y el hipotálamo mostraron que la activación de la ISR mediada por la GCN2 fue tejidodependiente: en respuesta a la DBP, la ISR se activó en el hipotálamo, pero no en la corteza motora, tanto en machos como en hembras. Por otro lado, la activación de la autofagia en respuesta a la DBP fue sexo-dependiente: se observó la probable activación GCN2- dependiente de la autofagia en la corteza motora y el hipotálamo de los machos, no así en hembras. Un efecto transversal de la DBP observado fue la regulación ejercida por la GCN2 sobre eIF2⍺: en todos los grupos se observaron cambios en los niveles de eIF2⍺, que fueron genotipo-dependientes. Esto revela la existencia de una forma indirecta de control de la activación de la ISR, mediante la modulación de la abundancia del centro integrador de la vía. En resumen, los resultados sugieren que la activación de la autofagia es parte del mecanismo adaptativo promovido por la GCN2 en el sistema nervioso central ante una disminución de la disponibilidad de aminoácidos en machos, pero no en hembras.

The integrated stress response (ISR) is a signaling pathway that can be activated by various stimuli and oversees environmental conditions through four kinases that, when activated, phosphorylate the ⍺ subunit of eukaryotic translation initiation factor 2 (eIF2⍺). Phosphorylation of eIF2⍺ halts protein synthesis and reprogramms gene expression towards the recovery of homeostasis, promoting adaptation. One of the ISR kinases is the general control nonderepressible 2 protein (GCN2), which senses amino acid deficiency. Autophagy, an intracellular degradation process that provides amino acids by degrading intracellular components, is induced downstream of GCN2 activation in certain cell models and tissues. Autophagy is essential for the maintenance of homeostasis in the central nervous system (CNS), however, it is unknown whether it is part of the adaptive mechanism induced by GCN2 under amino acid deficiency specifically in the CNS. In this research, we evaluated the activation of autophagy and the contribution of GCN2 in this activation in the CNS of mice in response to a GCN2-activating stimulus: a low protein diet (LPD). The LPD was administered for six weeks, and during this period animals’ general condition was monitored. The results showed that GCN2 is involved in the control of body weight, glycemia and motor function, and this regulation is opposite in males and females: in response to a LPD, GCN2 maintains homeostasis in females, while in males, the kinase modifies these parameters. Biochemical analyses of the motor cortex and hypothalamus showed that GCN2-mediated ISR activation was tissue-dependent: in response to the LPD, the ISR was activated in the hypothalamus but not in the motor cortex in both male and female mice. On the other hand, autophagy activation in response to the LPD was sex-dependent: likely GCN2-dependent activation of autophagy was observed in the motor cortex and hypothalamus of males, but not in females. A cross-sectional effect of the LPD was the regulation exerted by GCN2 on eIF2⍺: changes in eIF2⍺ levels, which were genotypedependent, were observed in all groups. This reveals the existence of an indirect manner of control of ISR activation by modulating the abundance of the integrating center of the pathway. In summary, the results suggest that autophagy activation is part of the adaptive mechanism promoted by GCN2 in the central nervous system upon a decrease in amino acid availability in male, but not in female mice.