1. AUTOFAGIA:
EL GUARDIÁN CONTRA LA
NEURODEGENERACIÓN
Cristina Tomás Zapico
Área de Neurobiología Molecular
Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa”
Centro Superior de Investigaciones Científicas

2. Declive cognitivo y mecanismos neuronales en el envejecimiento.
Casi el 50% de los adultos mayores de 85
DECLIVE COGNITIVO años presentan síntomas de la enfermedad
de Alzheimer
España se encuentra entre los cinco países
europeos que presentan más casos de
Alzheimer con una prevalencia del
1,36%, ligeramente superior a la media europea
(1,27%), y sólo superado por Italia (1,55%) y
Suecia (1,54%) y empatada con Francia y
Alemania (1,36%), según el 'Anuario de
demencias 2006', realizado por la red Necesidad de desarrollar intervenciones
internacional de asociaciones de Alzheimer.
terapéuticas:
Estudio de los procesos que subyacen al
envejecimiento normal y patológico
Bishop et al. Nature, 2010

3. Declive cognitivo y mecanismos neuronales en el envejecimiento.
DECLIVE COGNITIVO
Alteraciones en la activación
funcional de los sistemas
cerebrales durante el
envejecimiento del
Sistema Nervioso Central
Correlación temporal Reclutamiento de áreas
de la actividad adicionales para
disminuida en compensar el declive
individuos envejecidos funcional asociado a la
edad
Bishop et al. Nature, 2010

4. Declive cognitivo y mecanismos neuronales en el envejecimiento.
5 4
5
5
3
1
6
2
7
4
5
Bishop et al. Nature, 2010

5. DEGRADACIÓN PROTEICA:
DESTRUCCIÓN CONSTANTE PARA
REJUVENECIMIENTO CONTINUO

6. ¿Cómo puede sobrevivir una neurona?
Enfermedades neurodegenerativas
- Alzheimer
< 5% son de tipo familiar
- Parkinson
95% es espontáneo
¿qué tienen en común?
envejecimiento normal
declive cognitivo EDAD AVANZADA
enfermedades
neurodegenerativas
deficiencias globales

7. ¿Cómo puede sobrevivir una neurona?
Enfermedades neurodegenerativas
- Alzheimer
< 5% son de tipo familiar
- Parkinson
95% es espontáneo
¿qué tienen en común?
¿cómo puede sobrevivir una neurona?
¿tienen estas neuronas unos mecanismos
únicos de reparación y protección?
EDAD AVANZADA
¿cuándo y cómo fallan sus sistemas de control
de calidad?

8. Sistemas de control de calidad: vivir puede ser peligroso para la salud
 ACUMULACIÓN DE PRODUCTOS
PROTEICOS TÓXICOS O DE AGREGADOS
DE PROTEÍNA:
EN CÉLULAS DE DIVISIÓN RÁPIDA:
DILUCIÓN
EN CÉLULAS POSTMITÓTICAS:
MUERTE CELULAR
Rubinsztein, Nature, 2006

9. Sistemas de degradación proteica.
UNA PROTEÍNA DETERMINADA SE ACUMULA
DENTRO DE LAS CÉLULAS EN FORMA DE
ESTRUCTURAS TÓXICAS
 PLEGAMIENTO INADECUADO DURANTE
SU SÍNTESIS
 DESESTRUCTURACIÓN DURANTE
ALGÚN MOMENTO DE SU CICLO VITAL
 ADICIONES, DELECIONES O
MODIFICACIONES EN SU SECUENCIA
AMINOACÍDICA

10. Sistemas de degradación proteica.
UNA PROTEÍNA DETERMINADA SE ACUMULA
DENTRO DE LAS CÉLULAS EN FORMA DE
ESTRUCTURAS TÓXICAS
DAÑO CELULAR MUERTE CELULAR
Sistemas que controlan de forma constante la calidad de las proteínas
y se ocupan de repararlas o de eliminarlas

11. Sistemas Ubiquitina/Proteasoma.
ATP +
Ub AMP + PPi
E1 E1
Ub
E2 E2 Ub
E3 • MARCAJE DE PROTEÍNAS PARA SER RECONOCIDAS
POR EL PROTEASOMA:
sustrato sustrato UbUBP
- UNIÓN COVALENTE DE UBIQUITINA
- FOSFORILACIÓN
Ub
Ub
Ub
Ub Ub Ub
sustrato Ub Ub
Ub
Ubiquitinización

12. Sistemas Ubiquitina/Proteasoma.
• COMPLEJO ENZIMÁTICO MULTICATALÍTICO
19S
SUBUNIDAD REGULADORA
Proteasoma 20S
26S NÚCLEO CATALÍTICO
19S SUBUNIDAD REGULADORA:
- Reconocimiento del sustrato
- Eliminación del marcaje y desplegamiento

13. Sistemas Ubiquitina/Proteasoma: regulación y papel fisiológico.
 ASOCIACIÓN DEL NÚCLEO  SISTEMA DE CONTROL DE CALIDAD
CATALÍTICO CON LAS SUBUNIDADES DE LA CÉLULA
REGULADORAS
 DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES  DEGRADA PROTEÍNAS MAL
PLEGADAS O DAÑADAS
POSTTRADUCCIONALMENTE
 REGULACIÓN ALOSTÉRICA POR (OXIDACIÓN …)
AMINOÁCIDOS Y ÁCIDOS GRASOS
 DEGRADA PROTEÍNAS DE VIDA
MEDIA CORTA QUE PARTICIPAN EN
FUNCIONES INTRACELULARES
CLAVE
 RESPUESTA INMUNE E
INFLAMATORIA:
INMUNOPROTEASOMA, NF-B.

14. Sistemas Lisosomal/Autofágico.
 AUTOFAGIA
CUALQUIER PROCESO QUE IMPLIQUE LA
DEGRADACIÓN DE COMPONENTES EN EL INTERIOR DE
LOS LISOSOMAS
ESTRUCTURA DEL LISOSOMA BOMBAS DE PROTONES
ENZIMAS HIDROLÍTICOS PROTEÍNAS DE TRANSPORTE
GLICOSILADAS

15. Sistemas Lisosomal/Autofágico: tipos de autofagia.
Heterofagia Macroautofagia
Crinofagia
Autofagia mediada
por chaperonas
Microfagia

16. Sistemas Lisosomal/Autofágico: macroautofagia.
Maiuri et al., Nat Rev Mol Cell Biol, 2007

17. Sistemas Lisosomal/Autofágico: macroautofagia.
McEwan et al., Cell, 2010
Hailey et al., Cell, 2010

18. Sistemas Lisosomal/Autofágico: papel fisiológico.
Función homeostática y de adaptación
al estrés
 PROVISIÓN DE NUTRIENTES DURANTE EL
CATABOLISMO
 GENERACIÓN DE ATP EN CÉLULAS
ESTRESADAS O CON BAJOS NIVELES DE
NUTRIENTES
 SEÑALES PARA LA ELIMINACIÓN
HETEROFÁGICA DE CUERPOS
APOPTÓTICOS
 DEGRADACIÓN DE PROTEÍNAS MAL
PLEGADAS
 ELIMINACIÓN DE ORGANELAS EN EXCESO
O DAÑADAS
 ESTABILIDAD GENÓMICA (SUPRESIÓN
TUMORAL)
Levine and Kroemer, Cell, 2008

19. Sistemas Lisosomal/Autofágico: papel fisiológico.
 DIFERENCIACIÓN CELULAR Y DESARROLLO
 CRECIMIENTO CELULAR
 INMUNIDAD INNATA
 MUERTE CELULAR PROGRAMADA
 ENVEJECIMIENTO
Levine and Kroemer, Cell, 2008

20. Sistemas Lisosomal/Autofágico: regulación.
He and Klionsky, Annu Rev Genet, 2009

21. Sistemas Lisosomal/Autofágico: sistema de control de calidad.
Levine and Kroemer, Cell, 2008

22. MUERTE CELULAR PROGRAMADA:
cuando la célula colapsa
Lockshin and Zakery, IJBCB, 2004

23. Muerte celular no regulada: necrosis.
 INDEPENDIENTE DE ENERGÍA
 CARACTERÍSTICA DE UN SINFÍN DE ESTADOS
PATOLÓGICOS (isquemia, infecciones microbianas,
excitotoxinas neuronales o especies reactivas de
oxígeno)
 VACUOLIZACIÓN DEL CITOPLASMA,
 ROTURA DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA
 INDUCCIÓN DE PROCESOS INFLAMATORIOS

24. Muerte Celular Programada.
 RÁPIDO DETERIORO CELULAR:
 PÉRDIDA PROTEOLÍTICA DE LAS PRINCIPALES
PROTEÍNAS E INHIBICIÓN DE SU SÍNTESIS
LAS CÉLULAS POSEEN
 INCREMENTO EN LA EXPRESIÓN DE PROTEÍNAS
MUY DETERMINADAS
GENES PARA
SU PROPIA DESTRUCCIÓN
Muerte Fisiológica Ordenada

25. Muerte Celular Programada: apoptosis.
 HINCHAMIENTO DE LAS MEMBRANAS
 CONDENSACIÓN DEL CITOPLASMA
 FRAGMENTACIÓN DEL ADN
 FRAGMENTACIÓN CELULAR
 FORMACIÓN DE CUERPOS APOPTÓTICOS
 ELIMINACIÓN POR FAGOCITOSIS
 NO HAY RESPUESTA INFLAMATORIA
Vicencio et al., Gerontology, 2008

26. Muerte Celular Programada: apoptosis.
Vicencio et al., Gerontology, 2008

27. Muerte Celular Programada: autofagia.
 DEGRADACIÓN TEMPRANA DE ORGÁNULOS
 PRESERVACIÓN DEL CITOESQUELETO
 ACTIVACIÓN, SI LA HAY, MUY TARDÍA DE LAS CASPASAS
 FRAGMENTACIÓN DEL ADN TARDÍA, SI LA HAY
Shandu et al., Biochem J, 2005

28. Muerte Celular Programada: autofagia.
Shandu et al., Biochem J, 2005

29. Muerte Celular Programada: interacción entre apoptosis y autofagia.
Maiuri et al., Nat Rev Mol Cell Biol, 2007
ESTRÉS
umbral autofagia umbral apoptosis
AUTOFAGIA APOPTOSIS
Inhibición mutua
Adaptación Muerte
Estímulos similares pueden inducir apoptosis o autofagia

30. Muerte Celular Programada: interacción entre apoptosis y autofagia.
Maiuri et al., Nat Rev Mol Cell Biol, 2007

31. Muerte Celular Programada: interacción entre apoptosis y autofagia.
Maiuri et al., Nat Rev Mol Cell Biol, 2007
 La eliminación de proteínas esenciales de la maquinaria apoptótica
puede desinhibir la autofagia o cambiar la respuesta de estrés celular de
la ruta apoptótica fallida a un estado donde la autofagia está
masivamente incrementada.
 Existen casos en los que la apoptosis sólo se desarrolla cuando la
autofagia es inhibida.

32. ENFERMEDADES
NEURODEGENERATIVAS:
fallo del sistema lisosomal/autofágico

33. La ausencia de autofagia está asociada a neurodegeneración.
Hara et al., Nature 2006
Komatsu et al., Nature 2006
Mariño et al., JCI, 2010

34. Enfermedades Neurodegenerativas.
Ross and Poirier, Nat Rev Mol Cell Biol, 2005
 Se caracterizan por un daño celular progresivo que afecta a más de la mitad de una
población neuronal concreta
 Son como consideradas como desórdenes en la conformación de las proteínas
 La disfunción mitocondrial y el fallo de los complejos respiratorios juegan un
importante papel en la pérdida neuronal característica de este tipo de
enfermedades

35. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Alzheimer.
 CARACTERÍSTICAS
 CLÍNICAMENTE: DETERIORO COGNITIVO
PROGRESIVO
 PATOLÓGICAMENTE: PLACAS SENILES Y OVILLOS
NEUROFIBRILARES
 SÓLO EL 5-10% ES FAMILIAR: AUTOSÓMICA
DOMINANTE DE DESARROLLO TEMPRANO
 PAPEL DE LA MITOCONDRIA EN ESTA
ENFERMEDAD
 DAÑO OXIDATIVO TEMPRANO EN EL CEREBRO
 ALTERACIÓN DE LAS RUTAS DE PROCESAMIENTO
DE APP Y TAU
 DESÓRDENES CONFORMACIONALES EN ESTA
ENFERMEDAD
Ross and Poirier, Nat Rev Mol  FORMACIÓN DE PÉPTIDO -AMIELOIDE SOLUBLE
Cell Biol, 2005 ALTAMENTE TÓXICO
 ACUMULACIÓN DE -AMIELOIDE EN FORMA
INSOLUBLE (PLACAS AMIELOIDES)
 FORMACIÓN DE OVILLOS NEUROFIBRILARES
(AGREGACIÓN DE LA PROTEÍNA TAU)

36. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Alzheimer.
Aumento de la macroautofagia
en ratones PS1/APP y en
pacientes de AD.
Yu et al., JCI, 2005

37. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Alzheimer.
El número de autofagosomas es cinco veces mayor en las
dendritas de los ratones PS1/APP que en los no transgénicos
Yu et al., JCI, 2005

38. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Alzheimer.
En la enfermedad de Alzheimer, la interrupción del transporte retrógrado de los
autofagosomas en las dendritas representa uno de los posibles mecanismos que
impiden la maduración de estas estructuras hacia autofagolisosomas, llevando a
la acumulación del péptido -amieloide.
Yu et al., JCI, 2005

39. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Alzheimer.
La macroautofagia requiere una
enzima, PS1, relacionada con la AD.
La ausencia de esta proteína lleva a
que no se produzca la acidificación
necesaria en el autofagolisosoma
para que se activen las
catepsinas, de ahí su acumulación.
Lee et al., Cell, 2010

40. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Parkinson.
Obeso et al., Nat Med, 2010
 CARACTERÍSTICAS  PAPEL DE LA MITOCONDRIA EN ESTA
ENFERMEDAD
 INHIBICIÓN DEL COMPLEJO I
 CLÍNICAMENTE: RIGIDEZ
MITOCONDRIAL (EMULADO POR MPTP)
PROGRESIVA, BRADIQUINESIA Y
TEMBLORES  ESTRÉS OXIDATIVO
 PATOLÓGICAMENTE: PÉRDIDA
PROGRESIVA DE LAS NEURONAS  DESÓRDENES CONFORMACIONALES EN ESTA
DOPAMINÉRGICAS DE LAS SUSTANCIA ENFERMEDAD
NEGRA PARS COMPACTA Y DEL ESTRIADO  -SINUCLEÍNA NO MUTADA TIENE
 SÓLO EL 2% ES FAMILIAR: al menos existen TENDENCIA A FORMAR AGREGADOS EN
9 genes cuya mutación llevan al desarrollo DETERMINADAS SITUACIONES
temprano de la enfermedad (- (modificaciones posttraduccionales por estrés
sinucleína, parkina, DJ-1…) oxidativo)
 -SINUCLEÍNA MUTADA TIENE
TENDENCIA A FORMAR AGREGADOS

41. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Parkinson.
La -Sinucleína Wt es selectivamente translocada a los lisosomas mediante la autofagia
mediada por chaperonas.
Las formas mutadas de la proteína, que aparecen en casos de enfermedadad de Parkinson
familiar, se unen al receptor lisosomal, pero lo bloquean, con lo que se inhibe su propia
degradación y la de otros sustratos
Cuervo et al., Science, 2004

42. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Parkinson.
El bloqueo de la ruta mediada por chaperonas lleva a la
acumulación de la proteína en los casos familiares.
En el PD espontáneo, la acumulación de -Sinucleína no
mutada se produce por varios motivos, llevando siempre a
la acumulación de esta proteína, además de otras esenciales
para la célula
Ross and Poirier, Nat Rev Mol Cell Biol, 2005

43. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Huntington.
 CARACTERÍSTICAS
 CLÍNICAMENTE: COREA, ALTERACIONES
PSIQUIÁTRICAS Y DEMENCIA
 PATOLÓGICAMENTE: PÉRDIDA PROGRESIVA DE LAS
NEURONAS CON LARGAS PROYECCIONES DESDE LA
CORTEZA HACIA EL ESTRIADO
 ES AUTOSÓMICA DOMINANTE: mutaciones en el gen de
la huntingtina. Expansiones superiores a 40 facilitan la
agregación de esta proteína
 PAPEL DE LA MITOCONDRIA EN ESTA
ENFERMEDAD
 INHIBICIÓN DE LOS COMPLEJOS II Y III
MITOCONDRIALES (EMULADO POR 3-NP)
 EXCITOTOXICIDAD MEDIADA POR GLUTAMATO:
ESTRÉS OXIDATIVO (EMULADO POR QUIN)
 DESÓRDENES CONFORMACIONALES EN ESTA
ENFERMEDAD
 HUNTINGTINA MUTADA TIENE TENDENCIA A FORMAR
AGREGADOS
 LOS AGREGADOS DE HUNTINGTINA PUEDEN
SECUESTRAR PROTEÍNAS IMPLICADAS EN LOS
SISTEMAS DE CONTROL DE CALIDAD

44. Enfermedades Neurodegenerativas: Enfermedad de Huntington.
Los autofagosomas se forman normalmente en las
células de HD y son eliminadas correctamente por los
lisosomas, pero los autofagosomas no son capaces
de capturar eficientemente el cargo.
Se produce entonces un secuestro ineficiente del
cargo, lo cual lleva a que se reciclen lentamente y se
acumulen en las células
Martinez-Vicente et al., Nat Neurosci., 2010