Envejecimiento, Alzheimer y reprogramación celular in vivo. Efecto de la sobreexpresión de GSK-3B y de los factores de Yamanaka en el sistema nervioso central

Abstract

La glucógeno sintasa quinasa beta (GSK-3β) es una quinasa particularmente abundante en el sistema nervioso central (SNC), siendo clave en la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer. De acuerdo con esto, el ratón transgénico con sobreexpresión condicional de GSK-3β en el SNC (CamKIIα-tTA/GSK-3β) recapitula aspectos de la enfermedad de Alzheimer, como son la hiperfosforilación de tau, la muerte neuronal y la astrocitosis reactiva. Estos cambios han sido estudiados en el ratón con el sistema activado desde el nacimiento, por tanto, algunas de estas alteraciones podrían ser debidas a adapataciones producidas durante el desarrollo. En la presente tesis doctoral nuestro objetivo es explotar el potencial del sistema condicional Tet-OFF para incrementar la actividad de GSK-3β sólo durante la edad adulta. Además, para completar el estudio de los efectos de la sobreexpresión de esta enzima en el SNC en edades adultas, se empleó otro modelo conceptualmente similar, que sobreexpresa GSK-3β de manera condicional en astrocitos (GFAP-tTA/GSK-3β). La sobreexpresión de GSK-3β en el modelo murino Tet-OFF CamKIIα-tTA/GSK-3β se ha mantenido apagada durante el desarrollo embrionario y posnatal, encendiéndose en animales adultos. Este modelo recapitula aspectos relacionados con la enfermedad de Alzheimer como son el incremento de tau fosforilado, la muerte celular y la gliosis reactiva. Este resultado demuestra que la enzima GSK-3β juega un papel importante en la enfermedad y que los datos publicados previamente con numerosos modelos transgénicos no se deben, o son consecuencia, a adaptaciones a altos niveles de la enzima durante el desarrollo. El incremento de la enzima GSK-3β en animales adultos desencadena un déficit cognitivo, medido gracias al test de reconocimiento de objetos dependiente de hipocampo. Por otro lado, la sobreexpresión de GSK-3β en el ratón trangénico Tet-OFF GFAP-tTA/GSK-3β no recapitula los efectos descritos previamente en animales en los que el sistema ha estado encendido durante el desarrollo embrionario y postnatal, como son el aumento de la neurogénesis hipocampal adulta y la mejoría en la realización del test de coordinación motora rotarod. Este resultado demuestra la importancia de la quinasa durante el periodo de desarrollo embrionario y/o postnatal. En la segunda parte de la tesis doctoral hemos analizado el modelo animal Tet-ON i4F-B de expresión ubicua de los factores de Yamanaka. Así, una inducción crónica con doxiciclina de dos semanas provoca la muerte de los animales, mientras que un protocolo de inducción cíclica de dos días a la semana con doxicilina, permite la supervivencia de los animales al menos durante 15 semanas. En ambas situaciones se expresan los factores de Yamanaka (medidos por RT-PCR) en diferentes estructuras cerebrales. Con el envejecimiento van produciéndose modificaciones epigenéticas postraducionales en las neuronas granulares del giro dentado en el ratón. En la presente tesis doctoral describimos como la reducción de la trimetilación de la histona H3 es revertida por la inducción cíclica de los factores de Yamanaka (OSKM) empleados en reprogramación celular. Además, encontramos que la expresión de los OSKM producía alteraciones en la neurogénesis hipocampal adulta (doblecortina y calretinina) y los niveles de GluN2B, que podrían resultar en un incremento de la supervivencia de los precursores neuronales durante la maduración. Este dato sería coherente con el hallazgo de una mejoría en la realización del test de reconocimiento de objetos a tiempos largos, dependiente de los niveles de expresión de los factores de reprogramación. Concluimos que la reprogramación celular in vivo en el hipocampo podría ser relevante en el abordaje de los trastornos neurodegenerativos

GSK-3β is a particularly abundant kinase in the central nervous system (CNS), playing a key role in the pathogenesis of Alzheimer's disease. Accordingly, the transgenic mouse with conditional overexpression of GSK-3β in the CNS (CamKIIα-tTA / GSK-3β) recapitulates aspects of Alzheimer's disease, such as tau hyperphosphorylation, neuronal death, and reactive astrocytosis. These changes have been studied in the mouse with the system activated from birth, therefore, some of these alterations could be due to adaptations produced during development. In the present doctoral thesis, our objective is to exploit the potential of the Tet-OFF conditional system to increase the activity of GSK-3β only during adulthood. In addition, to complete the study of the effects of overexpression of this enzyme in the CNS in adults, another conceptually similar mouse model was used, which overexpresses GSK-3β conditionally on astrocytes (GFAP-tTA / GSK-3β). The overexpression of GSK-3β in the murine Tet-OFF CamKIIα-tTA/GSK-3β model has remained off during embryonic and postnatal development by turning on in adult animals. This model recapitulates aspects related to Alzheimer's disease such as the increase in phosphorylated tau, cell death, and reactive gliosis. The increase in the GSK-3β enzyme in adult animals triggers a cognitive deficit, measured thanks to the hippocampus-dependent object recognition test. These results demonstrate that the GSK-3β enzyme plays an important role in the disease and that previously published data with numerous transgenic models are not due, or are a consequence, of adaptations to high levels of the enzyme during development. On the other hand, the overexpression of GSK-3β in the murine model Tet-OFF GFAP-tTA/GSK-3β does not recapitulate the effects previously described in animals in which the system has been on during embryonic and postnatal development, such as increase in adult hippocampal neurogenesis and improvement in the performance of the motor coordination test "rotarod". These results demonstrate the importance of the kinase during the embryonic and/or postnatal developmental period. In the second part of the thesis, we have analysed the animal model Tet-ON i4F-B of ubiquitous expression of Yamanaka factors. Thus, a two-week chronic induction with doxycycline causes the death of the animals, while a two-day cyclic induction protocol with doxycycline allows the animals to survive for at least 15 weeks. In both situations, Yamanaka factors (measured by RT-PCR) are expressed in different brain structures. With aging, post-translational epigenetic modifications occur in the granular neurons of the dentate gyrus in the mouse. In the present doctoral thesis, we describe how the reduction of the trimethylation of histone H3 is reversed by the cyclic induction of Yamanaka factors (OSKM) used in cellular reprogramming. In addition, we found that OSKM expression produces alterations in adult hippocampal neurogenesis (doublecortin and calretinin) and GluN2B levels, which could result in increased survival of neuronal precursors during maturation. These data are consistent with the finding of an improvement in the performance of the object recognition test that correlates with the expression levels of the reprogramming factors. We conclude that cellular reprogramming in vivo in the hippocampus could be relevant in addressing neurodegenerative disorders