Mecanismo patogênico da -sinucleína em um modelo HiPSC da doença de Parkinson

Abstrato

-sinucleína é um jogador cada vez mais proeminente na patologia de uma variedade de condições neurodegenerativas. A doença de Parkinson (DP) é um distúrbio neurodegenerativo que afeta principalmente os neurônios dopaminérgicos (DA) na substância negra do cérebro. Típico da patologia da DP é o achado de agregações de proteínas denominadas "corpos de Lewy" nas regiões cerebrais afetadas. A -sinucleína está implicada em muitos estados de doença, incluindo demência com corpos de Lewy (DLB) e doença de Alzheimer. No entanto, a DP é a sinucleinopatia mais comum e continua a ser um foco significativo de pesquisa em DP em termos da patologia do corpo de Lewy -sinucleína. Mutações em vários genes estão associadas ao desenvolvimento da DP, incluindo SNCA, que codifica a -sinucleína. Uma variedade de sistemas modelo tem sido empregada para estudar a fisiologia e fisiopatologia da -sinucleína em uma tentativa de se relacionar mais de perto com a patologia da DP. Esses modelos incluem sistemas celulares e animais que exploram tecnologias transgênicas, expressão de vetores virais, abordagens knockdown e modelos para estudar os potenciais efeitos semelhantes à proteína príon da -sinucleína. A revisão atual se concentra em modelos de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (iPSC) com foco específico em mutações ou multiplicações do gene SNCA. As iPSCs são uma tecnologia em rápida evolução com grande promessa no estudo da fisiologia normal e modelagem de doenças in vitro. A capacidade de manter o histórico genético de um paciente e replicar fenótipos celulares semelhantes torna as iPSCs uma ferramenta poderosa no estudo de doenças neurológicas. Esta revisão enfoca o conhecimento atual sobre a função fisiológica da -sinucleína, bem como seu papel na patogênese da DP com base em modelos humanos de iPSC.

Palavras-chave

-patogênese da sinucleína; modelos hiPSC; Mal de Parkinson; Doenças neurodegenerativas;Benefícios Cistanche.

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Introdução

As doenças neurodegenerativas são um grupo de distúrbios progressivos caracterizados por morte celular neuronal, excluindo condições relacionadas principalmente a isquemia, infecção ou malignidade [1]. As condições neurodegenerativas são os distúrbios relacionados à idade mais comuns em humanos, tornando-se cada vez mais prevalentes e afetando milhões de pessoas em todo o mundo. Apesar dos esforços significativos de pesquisa científica e clínica, ainda faltam terapias eficazes. Assim, é de vital importância preencher as lacunas em nossa compreensão dos processos fisiológicos e patológicos subjacentes à neurodegeneração para facilitar o desenvolvimento de estratégias de tratamento direcionadas e eficazes. Nos últimos 25 anos, muitos mecanismos celulares e moleculares foram identificados associados à degeneração neuronal, sendo os mais proeminentes a deposição de agregados proteicos [2], mutações do DNA mitocondrial [3] e estresse oxidativo [4]. A formação de agregados anormais de proteínas fisiológicas tem recebido grande interesse e é identificada como uma característica chave para muitas doenças neurodegenerativas, que agora são agrupadas no que é denominado proteinopatias [5]. As proteinopatias neurodegenerativas representam um grupo de doenças definidas pela agregação, deposição e/ou acúmulo inapropriado de uma proteína normal que tem uma função fisiológica normal significativa. As proteinopatias são classificadas com base na principal proteína encontrada nesses depósitos, assim, as tauopatias contêm predominantemente proteína τ, e as proteinopatias TDP-43 contêm TDP-43 [6]. -sinucleína é um membro chave deste grupo de proteínas envolvidas em doenças neurodegenerativas.

Foi demonstrado que a -sinucleína desempenha um papel fundamental na patologia de uma variedade de condições neurodegenerativas, agrupadas como sinucleinopatias. -sinucleína é codificada pelo gene SNCA que é encontrado no cromossomo 4 (4q21.3-22) e mutações neste gene mostram um padrão de herança autossômica dominante. Foi demonstrado que mutações neste gene resultam em acúmulo e agregação de -sinucleína que se apresenta em muitos tipos de condições neurodegenerativas [7-9]. Doenças bem conhecidas, como a doença de Parkinson (DP), demência com corpos de Lewy (DLB) e atrofia de múltiplos sistemas (MSA) são capturadas neste grupo, bem como patologias menos comuns, como distrofias neuroaxonais, insuficiência autonômica pura (PAF) ou distúrbio comportamental do sono REM [10].

Atualmente, existe um amplo espectro de sistemas modelo disponíveis para auxiliar no estudo das sinucleinopatias. Modelos animais fornecem informações valiosas sobre mudanças comportamentais associadas a alterações neuronais, mas as diferenças entre as espécies criam uma barreira para a obtenção de fenótipos específicos de doenças traduzíveis em humanos. Os modelos celulares têm a vantagem de permitir que a patologia se desenvolva rapidamente, são econômicos e podem ser mais facilmente manipulados geneticamente, ganhando interesse, principalmente em estudos moleculares e celulares. Nos últimos 14 anos, o surgimento da tecnologia de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSC) avançou muito nossa compreensão dos mecanismos moleculares específicos do paciente da doença, bem como o desenvolvimento de potenciais novas terapêuticas e triagem de drogas. Essa tecnologia é baseada na capacidade de reprogramar fibroblastos de pacientes específicos de doenças, forçando a expressão de fatores de transcrição específicos (mais comumente, Oct4, Sox2, cMyc e Klf4), resultando em um estado pluripotente. Posteriormente, essas células pluripotentes são então diferenciadas em células somáticas maduras específicas de interesse [11]. Esse tipo de abordagem é comumente conhecido como modelagem de 'doença em um prato' [12] (Figura 1). Essa metodologia tem a vantagem de manter o histórico genético completo do paciente e permite estudar o impacto de certas mutações-chave na fisiopatologia, permitindo a caracterização de fenótipos baseados em mutações celulares-chave em doenças complexas como a DP [13].

Os neurônios dopaminérgicos (DA) são o principal tipo celular usado para estudar a neurodegeneração na DP usando vários protocolos diferentes. A maioria dos protocolos envolve a expressão forçada de LMX1A, que codifica um fator de transcrição crítico para a identidade do mesencéfalo ventral, adotando uma abordagem de inibição dual-SMAD. Esse processo baseia-se na utilização dos compostos Noggin e SB431542 que atuam como inibidores da família de proteínas transdutoras de sinal SMAD (sigla da fusão dos genes SMA de Caenorhabditis elegans e da Drosophila MAD, Mothers against decapentaplegic), que são reguladores chave da crescimento celular [14-16]. Mais recentemente, a diferenciação pode ser direcionada pela superexpressão forçada dos fatores ASCL1, NURR1 e LMX1A [17]. A reprogramação de células de pacientes com DP e a diferenciação em neurônios DA foram amplamente revisadas em outros lugares [18,19].

Reconhecendo as informações valiosas que os modelos iPSC oferecem e a importância da -sinucleína na neurodegeneração, esta revisão se concentrará no conhecimento adquirido com o estudo de mutações SNCA em sistemas modelo iPSC, explorando a agregação e a toxicidade da -sinucleína. Nesse contexto, algumas questões relevantes serão discutidas: as mutações no gene SNCA são o único instigador da agregação da -sinucleína? Qual é o efeito patogênico das mutações SNCA distintas da agregação de -sinucleína?

-sinucleína: estrutura e função fisiológica normal

Com base na literatura existente, a -sinucleína é uma proteína 14-kDa, expressa de forma ubíqua nos terminais pré-sinápticos do cérebro, predominantemente em neurônios excitatórios, relatada pela primeira vez em 1988 [20]. A estrutura nativa de uma proteína -sinucleína ainda é uma fonte de debate, mas é considerada uma proteína desdobrada nativamente em condições fisiológicas normais [21,22]. Assim, sua estrutura pode variar de acordo com as mudanças no ambiente local [23], onde pode interagir com lipídios [24] ou metais [25]. Acredita-se que as alterações na estrutura da -sinucleína estejam relacionadas ao seu desdobramento patológico e agregação comumente observados em sinucleinopatias [26]. Por exemplo, a formação de oligômeros de -sinucleína induzida por mutações como E35K e E57K afeta a permeabilidade e a integridade da membrana celular, promovendo a morte da célula [27]. Embora muitos fatores possam contribuir para a produção e agregação aberrante de -sinucleína, um dos principais contribuintes são as mutações do gene SNCA que codifica -sinucleína e esse gene foi a primeira mutação relatada na DP autossômica dominante [28] com posterior associação com DLB [ 8]. A função fisiológica precisa da -sinucleína ainda é desconhecida, mas vários papéis associados à função sináptica foram identificados. Essas funções incluem agrupamento de vesículas, reciclagem e manutenção do pool de reserva de vesículas sinápticas [29,30]. Além disso, foi demonstrado que a -sinucleína promove a formação do complexo SNARE, que aumenta a liberação de neurotransmissores [31]. Além disso, também está envolvido na regulação do tráfego intracelular por meio da interação com vários membros da família Rab GTPase [32], bem como com a nucleação de microtúbulos e velocidade de crescimento [33]. Outros estudos baseados em dados de cérebros com DP mostram que a -sinucleína também pode regular os níveis de dopamina afetando a atividade DAT [34]. Níveis aumentados de dopamina podem levar a danos celulares como consequência do estresse oxidativo [35]. Mais recentemente, foi demonstrado que a -sinucleína inibe a fosfolipase D (PLD), que é responsável pela conversão de fosfatidilcolina em ácido fosfatídico, modulando processos neuronais como crescimento, diferenciação e liberação de neurotransmissores e neurodegeneração DA [36,37]. Também foi relatado que a -sinucleína desempenha um papel na neuroinflamação, iniciando uma resposta imune. A sinucleína extracelular pode desencadear a ativação e proliferação de células imunes, secreção de citocinas e fagocitose [38,39].

fenótipo -sinucleína em modelos derivados de iPSC com mutação SNCA

As iPSCs oferecem várias vantagens sobre outros sistemas modelo, com um suprimento ilimitado de células fenotípicas clinicamente relevantes de origem humana, mantendo as características genômicas originais do paciente, incluindo mutações genéticas ou anormalidades cromossômicas. As principais variantes SNCA associadas à DP genética, incluindo as triplicações/duplicações [40] e mutações pontuais missense como A53T [41], A30T [42] ou E46K [9] foram modeladas em iPSCs. Devido à alta prevalência de triplicações ou mutação A53T SNCA em pacientes com DP, a grande maioria dos modelos de iPSC até o momento está focada nesses dois tipos de mutação, e seus fenótipos característicos estão resumidos na Figura 2.

Modelos iPSC de triplicação SNCA

A multiplicação do gene SNCA está associada a uma idade mais jovem de início da DP e maior gravidade dos sintomas. Triplicações de SNCA resultam na geração de cópias extras do gene SNCA e superexpressão de -sinucleína de tipo selvagem levando à formação de agregados tóxicos e danos neuronais generalizados [43], sugerindo um efeito dose-dependente de -sinucleína na causa da doença. Os portadores de triplicação SNCA apresentam um fenótipo mais grave e exibem uma progressão mais rápida da doença do que os portadores de duplicação e, em muitos casos, exibem características motoras adicionais [44]. O exame neuropatológico de cérebros de pacientes com DP com triplicação de SNCA mostra degeneração severa da substância negra, notável perda neuronal e vacuolização no córtex temporal, bem como acúmulo generalizado de corpos de Lewy [45]. Essa patologia é espelhada em neurônios DA derivados de iPSC com triplicação de SNCA, que exibem níveis aumentados de mRNA de -sinucleína, resultando em níveis anormais e elevados de expressão de proteínas [46]. Além disso, neurônios derivados de iPSC que abrigam essa mutação mostram níveis mais altos de fosforilação de -sinucleína, algo comumente encontrado em cérebros com DP [47], bem como aumentos anormais em agregados de -sinucleína e corpos de Lewy [9,48].

Os modelos iPSC agora também estão começando a fornecer informações adicionais sobre as vias moleculares subjacentes com triplicações SNCA. O estresse do retículo endoplasmático (ER) e a ativação da resposta de proteína desdobrada (UPR) são ativados em neurônios derivados de iPSC que abrigam triplicação de SNCA [49]. Isso demonstra o papel crucial que o RE desempenha na eliminação de agregados de proteínas aberrantes dentro da célula, levando ao estresse do RE e uma UPR associada quando a capacidade do RE é excedida.

Os processos neuronais normais são afetados pela triplicação SNCA e os modelos iPSC demonstraram que a diferenciação e maturação neuronal são alteradas pela triplicação SNCA. Triplicação de SNCA Os neurônios derivados de iPSC são incapazes de gerar uma rede neuronal complexa típica, mantendo sua capacidade proliferativa e exibindo mudanças sutis na capacidade de diferenciação. Essas alterações são ainda apoiadas pelas reduções significativas observadas em genes relacionados à diferenciação, como DLK, GABABR2 e NURR1, e uma diminuição no comprimento do crescimento de neuritos [46,47]. Esses dados apontam para uma perda de capacidade regenerativa que pode agravar ainda mais a perda neuronal em pacientes com DP.

Embora a -sinucleína esteja predominantemente localizada nos terminais nervosos pré-sinápticos, uma pequena fração também é encontrada nos núcleos celulares. Neurônios iPSC com triplicação SNCA mostram alterações na estrutura do genoma, resultando em danos ao DNA [50]. Esses neurônios derivados de iPSC expressam fenótipos de envelhecimento aberrante, conforme evidenciado pela diminuição da expressão de marcadores de heterocromatina e mostrando um envelope nuclear anormal [48], além de afetar a integridade do genoma, induzindo quebras na cadeia de DNA e morte celular [50].

A disfunção mitocondrial é uma característica comum da perda neuronal e é a principal organela afetada pela patologia da -sinucleína. De acordo com isso, é comum encontrar comprometimento mitocondrial em neurônios de triplicação SNCA derivados de iPSC [51]. O comprometimento mitocondrial se manifesta como alterações no metabolismo energético como resultado da interrupção de processos essenciais, como capacidade respiratória e produção de ATP [52]. Quando os neurônios derivados de iPSC de triplicação SNCA são expostos a baixas concentrações do ionóforo de cálcio ferritina ou ROS induzida por laser, eles têm uma maior suscetibilidade à formação de poros de transição de permeabilidade (PTPs) quando comparados com neurônios de controle [53]. Vários estudos também demonstram que as mutações SNCA aumentaram a sensibilidade basal ao estresse oxidativo induzido por toxinas, que pode ser agravado por interações de íons metálicos [54]. A exposição de neurônios derivados de iPSC de triplicação SNCA a toxinas como 6OHDA resulta em aumento da morte celular e ativação de caspase-3 [47], bem como aumento de autofagossomos [46]. Esses resultados são ainda apoiados por níveis elevados de marcadores de estresse oxidativo, como DNAJA1, HMOX2, UCHL1 e HSPB1, envolvidos na proteção da célula contra danos oxidativos, e MAOA, que é uma fonte de estresse oxidativo quando superexpresso nesses neurônios. 55].

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Modelos iPSC da mutação SNCA-A53T

Neurônios derivados de iPSC com a mutação A53T exibem uma tendência maior de produzir oligômeros e agregados de -sinucleína em comparação com neurônios de controle. Isso mapeia bem o que é observado no cérebro humano em pacientes portadores da mesma mutação [41,56]. A mutação missense SNCA-A53T foi a primeira identificada e é a mutação mais comum presente em pacientes com DP [28]. A mutação A53T está associada a uma idade de início aproximadamente 10-ano anterior em comparação com outras mutações pontuais sem sentido [44]. A mutação A53T estabiliza a proteína -sinucleína em folhas, levando a uma taxa mais rápida de formação de fibrilas como um ganho tóxico de função, contribuindo para o início precoce da DP familiar [26,57]. Neurônios derivados de iPSC também mostram desregulação na produção de proteínas e mRNAs relacionados à transcrição devido à interação da sinucleína A53T mutada com fatores de transcrição essenciais, ribonucleoproteínas e proteínas ribossomais, com base em relatórios de análise do genoma [58]. No entanto, outro estudo mostrou uma diminuição na razão tetrâmeros/monômeros em neurônios derivados de iPSC SNCA-A53T em comparação com o controle, sugerindo que certas conformações, como tetrâmeros, podem estabilizar a proteína e prevenir os efeitos tóxicos observados com alguns oligômeros [59].

Conforme relatado para a triplicação SNCA em neurônios derivados de iPSC, o sistema UPR também é interrompido em neurônios derivados de iPSC SNCA-A53T. Isso está associado a uma redução na expressão do fator IRE, que é um componente essencial nesse processo [60]. A via intimamente relacionada do estresse lisossômico também é perturbada em neurônios derivados de iPSC com mutação A53T, onde a -sinucleína se liga e desativa ykt6, resultando em agregação de proteínas que pode ser tóxica para os neurônios [61].

Semelhante aos padrões de neuritos distróficos observados em neurônios de triplicação SNCA, este também é o caso em neurônios derivados de iPSC SNCA-A53T [56]. Varicosidades inchadas e grandes inclusões esferóides, que estão relacionadas à degeneração precoce de neurites, estão presentes em neurônios derivados de iPSC SNCA-A53T. Essas alterações levam à interrupção na formação de redes neuronais com redução significativa dos contatos sinápticos [62]. A atividade sináptica em neurônios derivados de iPSC SNCA-A53T é comprometida com a regulação negativa de importantes proteínas de adesão celular pré e pós-sinápticas observadas [62]. Além disso, o comprometimento desses processos leva a alteração na atividade sináptica com uma amplitude média maior em um maior número de Ca2 mais transientes espontâneos [56].

Nos neurônios SNCA-A53T, o processo de transporte mitocondrial anterógrado é interrompido, o que parece estar relacionado à nitração dos microtúbulos e à incapacidade de interagir com os complexos de transporte mitocondrial [63]. Da mesma forma, os neurônios derivados de iPSC SNCA-A53T mostram atraso na mitofagia relacionado à regulação positiva de Miro1, uma proteína chave envolvida no transporte mitocondrial [64]. A morfologia mitocondrial também é alterada para uma forma mais circular e não ramificada com uma redução significativa em seu potencial de membrana em neurônios mutantes [60]. Além disso, as vias antioxidantes estão elevadas, provavelmente como um mecanismo compensatório em resposta ao aumento do estresse mitocondrial. Especula-se que isso se deva ao aumento dos níveis de catalase ou do coativador do receptor ativado por proliferador de peroxissoma 1- (PGC1- ) [60]. Todos esses fatores contribuem para um fenótipo pró-apoptótico que está presente com a mutação SNCA-A53T. Há um aumento na expressão de proteínas relacionadas à autofagia, como p62 ou o marcador de autofagossomo LC3 [60]. Este processo é especialmente agravado em neurônios derivados de iPSC SNCA-A53T após exposição a agroquímicos [41].

Fatores adicionais que influenciam a agregação e patologia da -sinucleína encontrados em modelos iPSC

Embora a presença de mutações no SNCA seja um fator chave que determina o dobramento e agregação de proteínas em espécies tóxicas, outros fatores e variáveis ​​também demonstraram desempenhar um papel nesse processo. Neurônios derivados de iPSC com mutações em outros genes também mostram agregação de -sinucleína e exibem efeitos de toxicidade. Os neurônios derivados de iPSC com a mutação LRRK2 G2019S apresentam níveis aumentados de -sinucleína e têm agregações significativas em comparação com os controles [65]. Além disso, esses neurônios são sensíveis à degeneração excessiva quando expostos a fibrilas de -sinucleína pré-formadas (PFF). Curiosamente, esse efeito mostrou-se reversível, quando a mutação foi corrigida em controles isogênicos, a formação de agregados foi mitigada [66]. Além disso, outro fator que influencia a agregação da -sinucleína foi encontrado devido à expressão diferencial da proteína de interação com a tiorredoxina (TXNIP) em culturas de organoides de neurônios derivados de iPSC com a mutação LRRK2 G2019S. O TXNIP foi previamente identificado como um fator de risco para DP e sua mutação e expressão diferencial resulta em acúmulo acelerado de -sinucleína em neurônios LRRK2 G2019S [67]. As mutações do TXNIP também estão ligadas a déficits nos mecanismos de autofagia que contribuem para o aumento dos níveis de acúmulo de -sinucleína nos neurônios [68]. Todos esses dados também estão de acordo com as evidências de amostras de cérebro humano, que mostram extensa patologia de -sinucleína em pacientes com DP com mutação LRRK2 G2019S [69].

O gene da parkina (PARK2) que codifica a ubiquitina ligase E3 é outro fator importante nos estudos de iPSC da -sinucleína. Estudos recentes mostram uma elevação significativa dos níveis de -sinucleína e agregação em neurônios derivados de iPSC de pacientes que apresentam mutações de PARK2 em comparação com linhas de controle [70,71]. No entanto, a ausência de corpos de Lewy em cérebros de pacientes com DP com mutações de parkin torna esta conexão detalhada obscura, sugerindo que parkin em si pode interagir e ubiquitinar a proteína de interação com sinucleína, sinfilina-1 e promover as inclusões de corpos de Lewy [72] . Há também evidências de fatores de risco genéticos raros para DP, como CHCHD2, mostrando um aumento no acúmulo de sinucleína insolúvel em neurônios DA derivados de iPSC portadores da mutação CHCHD2 T61I [73].

Os sistemas de modelo iPSC têm sido inestimáveis ​​para demonstrar essas conexões e destacar a utilidade e o potencial que a tecnologia iPSC pode trazer para o complexo mapeamento molecular da neurodegeneração da sinucleína na DP.

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Limitações dos modelos iPSC de modelos de doenças

Apesar das muitas vantagens que a tecnologia iPSC facilita na modelagem de doenças, ainda existem algumas limitações e desafios a serem superados. Em primeiro lugar, o desafio mais comum é a tumorigenicidade que pode ser induzida durante o processo de reprogramação usando métodos de reprogramação retrovirais e lentivirais. Os efeitos desconhecidos ou não medidos do processo de reprogramação são um potencial fator de confusão na avaliação da natureza verdadeiramente representativa das iPSCs como modelos específicos de doenças. No entanto, deve-se notar que os protocolos mais recentes usam métodos livres de integração, como vírus Sendai ou vetores de DNA, e de alguma forma minimizam esses problemas [74,75]. Outro obstáculo bem conhecido nos estudos com células-tronco é a variabilidade intrínseca de iPSCs geradas de diferentes doadores ou clones do mesmo doador. Essa variabilidade é difícil de reconciliar em alguns casos, pois pode ser um efeito do paciente ou um efeito do protocolo. A reprogramação é projetada para redefinir completamente a impressão digital epigenética das células do doador, o que, na verdade, pode levar a um potencial de diferenciação tendencioso em certos tipos de células [76], no entanto, alguns dados parecem mostrar que a memória epigenética diminui ao longo do tempo na cultura [77] . Uma das principais limitações dos iPSCs na modelagem PD é gerar neurônios DA com um fenótipo de envelhecimento. Estudos demonstraram que o processo de reprogramação redefine uma célula envelhecida para um estado mais jovem, com fenótipos com telômeros mais longos, estresse oxidativo reduzido e organização mitocondrial competente [78,79]. Normalmente, todas as células usam várias medidas de controle de qualidade para proteger a função fisiológica normal, portanto, é possível que os defeitos fenotípicos se manifestem apenas quando as vias protetoras são interrompidas. Assim, gerar um fenótipo envelhecido é uma tarefa complexa, mas alguns dados recentes sugerem a possibilidade de induzir um fenótipo envelhecido pela adição de progerina, uma forma truncada de lâmina A que está associada ao envelhecimento prematuro [80] e à inibição da telomerase [81]. Existem alguns problemas ao usar neurônios derivados de iPSC para modelar doenças e, particularmente, estados de doença relacionados à idade. Apesar dos desafios e potenciais armadilhas, os neurônios derivados de iPSC são um recurso valioso na modelagem da patologia da sinucleína.

Direções futuras com modelos iPSC de patologia -sinucleína

Os neurônios derivados de iPSC nos permitem criar uma 'doença em um prato', mas também facilitam o estudo detalhado das vias fisiológicas subjacentes aos estados de doença in vitro. As espécies agregadas de -sinucleína são encontradas nos cérebros da maioria dos pacientes com DP cerebral e as iPSCs são uma ferramenta poderosa para estudar a relação entre -sinucleína e neurodegeneração, explorando os papéis fisiológicos e fisiopatológicos da -sinucleína. Os dados de modelos neuronais derivados de iPSC de mutações genéticas específicas associadas à DP estão crescendo e mostrando fortes correlações com dados de amostras de cérebro humano [9]. Especificamente, no caso de mutações SNCA que são prevalentes na população de DP, é extremamente importante que as iPSCs como modelo possam recapitular fortemente o estado da doença. Os dados revisados ​​aqui sugerem que as iPSCs são de fato um excelente modelo para estudar a fisiologia e fisiopatologia das mutações SNCA.

Normalmente, as mutações SNCA resultam na estabilização e agregação ou fibrilação de -sinucleína em corpos de Lewy junto com outras proteínas. Uma vez que essas espécies agregadas estão presentes na célula, elas interagem com outras estruturas celulares, como os microtúbulos, prejudicando o transporte mitocondrial axonal e, finalmente, levando a uma degeneração dos terminais sinápticos e perda celular [9,26]. Além disso, importantes funções mitocondriais são interrompidas pela interação dos oligômeros de -sinucleína com as ATP sintases, como a abertura de PTPs, comprometimento da respiração e indução da peroxidação lipídica [53]. Além disso, a interação dos agregados de -sinucleína com proteínas envolvidas na mitofagia e impede a remoção apropriada de mitocôndrias defeituosas de dentro da célula [64]. Interações de oligômeros de -sinucleína com íons metálicos também foram sugeridas para induzir a formação de radicais livres em neurônios, levando à interrupção da fisiologia celular normal, levando à morte celular [54]. A maioria dos fenótipos exibidos pelos neurônios derivados de iPSC também são encontrados no cérebro humano, destacando a adequação da modelagem iPSC não apenas em imitar as condições fisiológicas e patológicas da célula, mas também seu papel potencial como uma plataforma para revelar novos dados que podem ter sido previamente baseava-se na coleta de biópsias cerebrais de pacientes falecidos.

A modelagem de doenças com iPSCs forneceu importantes evidências de que deficiências em outros mecanismos celulares podem, em alguns casos, induzir agregação e acúmulo de -sinucleína. Neurônios derivados de iPSC de pacientes com DP portadores de mutações, em LRRK2 ou parkin destacam essas interações. Por exemplo, sugere-se que a ubiquitinação da sinfilina-1 em neurônios derivados de iPSC com mutações de parkin tenha um papel intermediário na indução da formação de corpos de Lewy [72]. Além disso, um dos principais mecanismos que contribuem para o acúmulo de -sinucleína é a autofagia defeituosa e a proteólise lisossômica, que desempenham um papel vital na eliminação de agregados defeituosos. Esses processos estão comprometidos em neurônios derivados de iPSC com mutação LRRK2-[68,82]. Em todos esses estudos, os neurônios derivados de iPSC exibem fenótipos que estão intimamente alinhados com os relatados para amostras de cérebro humano. Avaliar a causa dos agregados de -sinucleína comumente encontrados em cérebros com DP é complexo e, até o momento, não foi bem-sucedido.

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Embora o papel definitivo da agregação de -sinucleína na patologia da DP ainda não esteja claro, a literatura mostra uma interação altamente complexa entre essas espécies agregadas com muitas outras proteínas dentro da célula, criando uma cascata de comprometimento da via celular que favorece a agregação defeituosa da proteína, levando, em última análise, a degeneração. Nesse amplo e intrincado cenário molecular, modelos derivados de iPSC de pacientes com DP podem ajudar a identificar o efeito das mutações mais comuns nessa patologia, sendo capazes de mimetizar os processos celulares do cérebro com DP com grande precisão. Além disso, este sistema de modelagem de 'doença em um prato' pode facilitar tanto a descoberta de drogas de alto rendimento quanto a pesquisa em abordagens de terapia celular. O trabalho futuro com a tecnologia CRISPR-Cas9 em combinação com iPSCs pode revolucionar a abordagem das sinucleinopatias para substituir as mutações deletérias ou excluir as multiplicações dos principais genes da doença [83] ou mesmo a modulação de mecanismos relacionados, como histonas envolvidas em modificações pós-traducionais [ 84].

O extenso trabalho realizado até o momento em vários sistemas de modelos sugere fortemente que a presença de agregados, oligômeros e fibrilas de -sinucleína tem um papel central na neurodegeneração DA relacionada à DP. Com uma base de plataforma relevante para doenças aprimorada usando iPSCs e o rápido crescimento em nossa compreensão do estado da doença, o futuro parece brilhante para terapias que podem atingir sinucleinopatias.

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Jara M. Baena-Montes1 , Sahar Avazzadeh1 e Leo R. Quinlan1,2

1. Escola de Medicina de Fisiologia, Universidade Nacional da Irlanda Galway, Galway, Irlanda;

2. C ´ URAM SFI Centre for Research in Medical Devices, National University of Ireland Galway, Galway, Irlanda