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Funciones del Transporte Axonal, Modelos de
Estudio e Implicancias en las Enfermedades
Neurodegenerativas.
Tomás L. Falzone
FSN, Abril 2015.
Potencial de Accion
- Desarrollo: Diferenciación, especificación e identidad neuronal
- Polarización: Arborización, determinación de proyecciones
- Migración, extensión de proyecciones, movilidad de conos de crecimiento
- Control de actividad eléctrica, liberación de neurotransmisores
- Recepción de señales de supervivencia y señalización.
BIOLOGIA CELULAR
Transporte Intracelular, Funciones
Actividad Electrica
Complejidad Neuronal.
Célula : Forma y Polaridad
Complejidad Neuronal.
Buenos Aires
Transporte Axonal: Carriles, Motores y Cargas
Dendritas
AXON
Snapsis
Cuerpo Celular
Comp. prot
Vesiculas
Mitocondria
Cargas
Transporte
Retrogrado
-
CUERPO
CELULAR
Dyneina
Kinesina
Proteinas Motoras
Transporte
Anterogrado
Microtubulos
AXON
+
+
+
SINAPSIS
Carriles , Motores y Cargas.
Rutas
Microtubulos
Filamentos Interm.
Motores
Kinesina
Dineina
Miosinas
Cargas
Proteínas
Vesículas
Organelas
Limpieza
Eliminacion
regulada de
proteinas
Synucleina
Proteasoma
Citoesqueleto, Motores moleculares y cargas
El proceso de ensamblado y dinámica
de las estructuras filamentosas del
citoesqueleto
El proceso de nucleación es el paso limitante en
la formación de los polímeros del citoesqueleto
que se inician a partir del centrosoma
Los
dímeros
de
tubulina
solo
pueden
ensamblarse en una orientación de cabeza a cola
creando siempre filamentos con polaridad
definida.
Ambos extremos de los filamentos de tubulina son
diferentes y poseen diferente tasa de crecimiento
Dímeros de Tubulina y proceso de ensamblado de microtúbulos
Microtubules Are Nucleated by a Protein Complex
Containing g-tubulin
Crecimiento preferencial de los extremos “+” en
una reacción de polimerización ‘in vitro’
Nucleación de los microtúbulos
Electronmicrografías de
complejos-anillo de γtubulina
Electronmicrografías de
microtúbulos nucleados a
partir de esos complejos
centrosoma como
“centro organizador de microtúbulos”
25 nm
Proteínas de asociación a microtúbulos: MAPs
Organización de los microtúbulos en el interior de la célula
MAP2
Tau
Filamentos de Actina
Son estructuras flexibles, con un diámetro de 5-9 nm
Pueden formar haces lineales, redes bidimensionales o geles
tridimensionales
Las estructuras que forman pueden ser lábiles o estables
Si bien se encuentran por todo el citoplasma, se encuentran en mayor
concentración en el cortex, justo debajo de la membrana plasmática
* La faloidina es una
toxina producida por
un hongo que se une
específicamente a los
filamentos de actina,
impidiendo
su
despolimerización.
Dinámica de los filamentos de Actina
Se parece a la dinámica de los microtúbulos en los siguientes aspectos:
•La velocidad de polimerización
depende de la concentración de
subunidades libres
•La hidrólisis de nucleótidos difosfato
regula las constantes de
asociación/disociación
Union a proteínas
Enlaces
de
actina cruzados
Union de proteinas a los filamentos de Actina
Regulacion del
funcionamiento de
motores
Union de Filamina
con actina formando
una red
tridimensional
Filamentos Intermedios
Brindan identidad, soporte mecanico y estabilidad
a la estructura de la celula.
Inmunohistoquímica de un cultivo de células del hipocampo. Se utilizó
un anticuerpo contra una proteína componente de los neurofilamentos
Motores Moleculares
Motores que caminan sobre actina : Superfamilia de Miosinas
Motores que caminan sobre microtubulos : 2 tipos de proteinas
motoras Kinesinas and Dineinas
Las kinesinas y las miosinas poseen estructuras similares lo que
indica un origen evolutivo en comun.
Las proteinas motoras generan fuerza de movimiento o arrastre
mediante cambios conformacionales acoplados a la hidrolisis de la
molecula de ATP.
Median el transporte intracelular de membranas y organelas
La movilidad de cilios y flagelos esta dada por la estructura y la
capacidad de asociarse a motores de microtubulos. Principalmente
dineina.
Molecular Motor Myosin
Myosin V/.
Molecular Motor Kinesin
Molecular Motor Dynein
Biofisica de motores
Molecular Motor Kinesin
Regulación por Fosforilación
Diversidad de Cargas
Vesiculas
Comp. prot
Cargas
JNK
Mitocondria
SYD
KLC1
KLC1
KHC
KHC
KHC
Complejos de
proteinas
Vesiculas sinapticas,
endosomas, lisosomas.
Organelas:
mitocondrias
Molecular Motor Complexity
Vesiculas
Mitocondria
KHC
energia
Trabajo reciente que propone
una idea novedosa en la cual
las organelas que están
siendo transportadas podrían
ser
las
encargadas
de
proveer su propia energía
para soportar el transporte.
Vesiculas
Mitocondria
KHC
energia
Trabajo reciente que propone
una idea novedosa en la cual
las organelas que están
siendo transportadas podrían
ser
las
encargadas
de
proveer su propia energía
para soportar el transporte.
Tauopatias Neurodegenerativas.
Enfermdedades sinapticas
Carateristicas Patologicas: alteracion en TAU
Cambios conformacionales,
Hiperfosforilacion,
Agregacion.
Enfermedades Humanas -Alzheimer “AD”
-Paraplegia Espastica Progresiva “PSP”
-Degeneracion Corticobasal “CBD”
-Enfermedad de Pick “PiD”
-Enfermedad de Parkinson “PD”
-Demencias Frontotemporales “FTD”
Alois Alzheimer 1864-1915. Medico Psiquiatra y Neuropatologo
1901 Auguste D.
Síntomas:
-Comportamientos
extraños
-Demencia
-Perdida de la memoria
de corto plazo
1906
A.D.
muere
y
Alzheimer tiene acceso a
su cerebro
Nissl
1906 Alzheimer expone
sus
resultados
de
caracterización
de
la
enfermedad
que
lo
distinguen
como
psiquiatra
patólogo
reconocido
Patologías de la Enfermedad de Alzheimer
Cargas
Placas Amiloides
Rutas
Ovillos Neurofibrilares
Tau
APP
P
P
P
PP P
P
P
P
P
P
P
P P
P
P
P
P
P
P
P
P
Aß
Formation de fibras
de tau (ON)
Mutaciones en APP determinan
AD (1991)
Thioflavine-S
beta-sheet amyloid
P
P
Bielschowsky Modificado -
hAD
hAD
Distrofias neuriticas
ON
Anticuerpos
anti amyloide-
Tauists # Baptist
1) Demostrar patologias de transporte axonal
en estadios tempranos de Alzheimer
2) Introducir los experimentos de ratones con
defectos del transporte axonal que
presentan alteraciones de la proteina tau.
3) Validacion de los resultados mediante la
introduccion de defectos del transporte en
modelos de tauopatias humanas.
4) Nuevos modelos de neuronas humanas
diferenciadas a partir de
hESC, para
estudiar como defectos del transporte
axonal determinan neurodegeneracion.
Degradación de Proteínas y Transporte Axonal
- Existe un transporte activo del
degradación ubiquitina-proteasoma?
sistema
de
- Cuáles son las propiedades de este transporte?
- La actividad del proteasoma regula las dinámicas de
transporte axonal?
Modelos de neuronas humanos
Que pasa con las proteinas humanas mutadas en
un entorno humano.??
3) Nuevos modelos para estudiar como los defectos del
transporte axponal determinan neurodegeneracion
mediante el uso de neuronas humanas diferenciadas a
partir de hESC.
Células Madres Humanas.
• Cultivo de celulas originadas de la zona
interna de blastocistos (embrionarias).
•Tienen la propiedad de autorenovarse. Alta
tasa de proliferacion.
• Células pluripotentes capaces de dar origen
a diferentes tejidos humanos.
Modelos humanos de Parkinson: Synucleina.
Can we model Parkinson to understand
synuclein and mitochondria interaction
Clinical manifestations
• Resting tremor
• Rigidity
• Bradikinesia
• Postural problems
Pathology
• Progressive and irreversible degeneration of
DA neurons from SNpc
• Neurofibrillary tangles
• Lewy bodies: SNpc, motor nuclei, cortex,
olfactory bulb and gastrointestinal nuclei.
• Hereditary (5-10 %)
• Sporadic (multifactorial)
Mutations in genes
-Synuclein (duplications/mutations)
Unknown etiology, genetic
factors
together
and
envorinmental factors.
- LRKK2
- DJ1 - redox sensor
- Parkin – fission/mitophagy
- PINK1 – mitochondria
kinase
- others ….
Toxic agents such as
MPTP,
ROTENONE
or
PARAQUAT.
- inhibits complex I in DA
neurons and high Oxidat
Stress.
- Can we use the human neuronal model to test and understand
the mechanism used for synuclein to affect mitochondria?