Autophagy dysfunctions and lysosomal permeabilization in Tay-Sachs and Sandhoff diseases

• Autores: Beatriz Castejón Vega
• Directores de la Tesis: Mario D. Cordero (dir. tes.), Pedro Bullón (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2020
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 270
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  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    Autophagy is an essential intracellular process involved in survival, differentiation, development and cellular homeostasis. This catabolic mechanism supplies to the cell nutrients and energy to do its vital functions and gets rid of non-needed cellular components such as lipids, misfolded proteins and damage organelles. It consists on a multistep process highly regulated, conducted by autophagy-related proteins (ATGs), which starts by the formation of a vesicle which engulfs the material to be degraded to form an autophagosome following by the fusion to the lysosome. It contains the hydrolytic enzymes which are involve in the degradation of the cargo in the presence of an acidic environment (Levine & Kroemer, 2008). Dysfunction in the autophagy flux has been implicated in the progression of several diseases such as neurodegeneration, cancer and immune diseases, even in the normal ageing process. It is known that cell inability to degrade the cargo may lead to a defective autophagosome-lysosome fusion and thus, accumulation of autophagosome with non-degraded material inside the cells. This is the molecular base of a set of pathological conditions, known as lysosome storage disorder (LSD). Lysosomal dysfunction in most of these diseases is associated with impaired autophagic flux and autophagosome-lysosome fusion and a secondary accumulation of autophagy substrates such as SQSTM1/p62 and damage mitochondria. The key regulator of autophagy is mTOR which is involved in protein, lipid and nucleotide synthesis, lysosomal biogenesis, transcription, cytoskeletal rearrangements, energy metabolism, cell proliferation and survival. The presence of nutrients, growth factors and hypoxia induce mTOR promoting protein synthesis and cell growth and repressing autophagy. (Villanueva-Paz et al., 2016), (Munson & Ganley, 2015). Tay-Sachs and Sandhoff are two rare inherit LSDs which affect the nervous system and are characterized by early neuronal cell death and progressive neurodegeneration. They are caused by a mutation in a gene which encodes for the α (Tay-Sachs) and β (Sandhoff) subunit for the lysosome enzyme β-hexosaminidase A (HexA). This is the unique enzyme which is able to degrade a type of glycosphingolipids known as GM2 ganglioside. Consequently, there is an accumulation of them leading to cell death (Schuchman & Simonaro, 2013). The severity and progression of the diseases depend on the activity level of the dysfunctional enzyme and can be presented in infantile, juvenile and adult form with progressive neurodegeneration, hypotension, dysphagia, spasms, eye movement abnormalities, etc (Munson & Ganley, 2015). Nowadays, there is not an effective treatment beyond the palliative care. Although many mutations have been described, the molecular and cellular implications are still unknown. In the recent study, working with patient fibroblasts, it have been found low levels of mTOR pathway activation with the subsequent decreasing of protein synthesis and high levels of autophagy. However, it has been determined that the autophagy flux is impaired, with the accumulation of autophagosome with non-degrade material leading to the lysosomal permeabilization. Treatment of patient fibroblasts with L-arginine showed a partial recovery of cellular pathological alterations.

  • español

    La autofagia es un proceso intracelular esencial para la supervivencia, diferenciación, desarrollo y homeostasis celular. Este mecanismo catabólico provee a las células de energía y nutrientes necesarios para la realización de sus funciones vitales y la eliminación de componentes innecesarios para la célula como son lípidos, proteínas mal plegadas o agregadas y organelas dañadas. La autofagia es un proceso guiado por una serie de proteínas asociadas a la autofagia (ATGs), el cual comienza con la formación de una vesícula que engloba el material a degradar formando el autofagosoma. A continuación, tienen lugar la fusión entre el autofagosoma y el lisosoma el cual contiene las enzimas (hidrolasas) y el pH acido para la eliminación del cargo (Levine & Kroemer, 2008). La disfunción en la autofagia está implicada en la progresión de muchas enfermedades como neurodegeneración, cáncer, enfermedades inmunes e incluso en el envejecimiento. Una de las causas de la incapacidad de la degradación del cargo es consecuencia del fallo en la fusión del autofagosoma con el lisosoma que conlleva a la acumulación intracelular de material no degradado. Esto constituye la base de una serie de condiciones patológicas llamadas enfermedades de acumulación lisosomal (LSDs). La disfunción en el lisosoma en la mayoría de estas enfermedades está asociada a un defecto en la autofagia, así como en la fusión del autofagosoma y lisosoma, daño mitocondrial y acumulación de sustratos de la autofagia como SQSTM1/p62. El regulador clave de este proceso es la ruta mTOR la cual está implicada en la síntesis de proteínas, lípidos y nucleótidos, biogénesis lisosomal, trascripción, reordenamiento del citoesqueleto, metabolismo energético, proliferación celular y supervivencia. La presencia de nutrientes, factores de crecimiento o hipoxia inducen mTOR dando lugar al aumento en la síntesis proteica y crecimiento celular, así como con la inhibición de la autofagia (Villanueva-Paz et al., 2016), (Munson & Ganley, 2015). Tay-Sachs y Sandhoff son dos enfermedades raras hereditarias de acumulación lisosomal (LSD) que afecta al sistema nervioso y se caracterizan por muerte neuronal temprana y neurodegeneración progresiva. Están causadas por mutaciones en el gen que codifica la subunidad α (Tay-Sachs) y la subunidad β (Sandhoff) de la enzima β-Hexosaminidasa A (HexA). Esta enzima es la única capaz de degradar un tipo de glicoesfingolípidos conocidos como gangliósidos GM2. Como consecutiva, hay una acumulación intracelular que lleva a la muerte celular (Schuchman & Simonaro, 2013). La severidad y la progresión de estas enfermedades dependen del nivel de actividad de la HexA y pueden ser presentadas en forma infantil, juvenil o adulta. Entre sus síntomas destacan la hipotensión, disfagia, espasmos, movimiento anormal de los ojos y progresiva neurodegeneración (Munson & Ganley, 2015). Actualmente no existe ninguna cura o tratamiento efectivo para estas enfermedades, solo cuidados paliativos. Aunque se han descrito muchas mutaciones asociadas, las implicaciones celulares y moleculares siguen siendo desconocidas. En este estudio, trabajando a partir de fibroblastos de pacientes, se han descrito bajos niveles de activación de mTOR con la subsecuente disminución de la síntesis proteica y altos niveles de autofagia. Sin embargo, esta autofagia lejos de ser positiva en estas enfermedades sufre un bloqueo en el flujo con la acumulación de autofagosoma con material no degradado lo cual lleva a la aparición de permeabilización lisosoma. El tratamiento de las células de los pacientes con L-arginina mostró una parcial recuperación de las alteraciones celulares patológicas.