Dos aminoácidos. Eso es todo lo que separa las versiones APOE2 y APOE4 del gen de la apolipoproteína E, una diferencia tan pequeña que parece casi irrelevante. Sin embargo, los portadores de APOE2 tienen muchas más probabilidades de llegar a los noventa años o más, y desarrollan la enfermedad de Alzheimer a una fracción de la tasa de las personas que portan APOE4, que es el mayor factor de riesgo genético de la enfermedad. Durante décadas, los investigadores asumieron que la explicación tenía que ver con el colesterol, ya que la función principal del APOE es transportar los lípidos por el cerebro. Nuevos hallazgos del Instituto Buck para la Investigación sobre el Envejecimiento sugieren que estaban buscando en el lugar completamente equivocado.
Resulta que la verdadera diferencia puede radicar en qué tan bien las neuronas pueden mantener unido su ADN.
Lisa Ellerby, profesora de Buck y autora principal del nuevo estudio, ha pasado años trabajando en la biología molecular del envejecimiento y la neurodegeneración. Su equipo se propuso hacer algo engañosamente simple: cultivar células cerebrales humanas que porten la versión APOE2 o APOE4 del gen y observar qué sucede. No en pacientes, ni en organismos completos, sino en células isogénicas, es decir, células que son genéticamente idénticas excepto en un locus APOE. Elimine todas las demás variables y observe qué hace el gen mismo. “Sabemos desde hace años que los portadores de APOE2 tienden a vivir más y tienen un menor riesgo de padecer Alzheimer”, dice Ellerby, “pero el mecanismo de protección ha sido una caja negra”.
La caja empieza a abrirse.
Lo que encontró el equipo de Buck, publicado esta semana en Aging Cell, es que las neuronas APOE2 ejecutan un programa molecular fundamentalmente diferente al de sus contrapartes APOE4. Cuando los investigadores secuenciaron el ARN de las neuronas GABAérgicas inhibidoras, las células que frenan la actividad cerebral descontrolada, encontraron más de 1.400 genes expresados en diferentes niveles entre los dos genotipos. En las neuronas APOE2, los genes se agruparon en torno a la reparación del ADN y la respuesta al daño. En las neuronas APOE4, se agruparon alrededor de la actividad sináptica, un patrón que concuerda con la disfunción sináptica que marca la patología temprana del Alzheimer. Las neuronas APOE2 habían puesto en marcha su maquinaria de mantenimiento molecular. Las neuronas APOE4, por el contrario, estaban sintonizadas para la comunicación mientras descuidaban silenciosamente las tuberías.
Las consecuencias de esa negligencia se mostraron claramente en el ensayo del cometa, una técnica que mide las roturas reales de las cadenas de ADN observando hasta qué punto migra el material genético dañado a través de un gel bajo un campo eléctrico. Las neuronas APOE4 tenían significativamente más ADN roto que sus contrapartes APOE2, incluso en condiciones normales y sin estrés. El equipo también tiñó para detectar una proteína llamada fosfo-gamma-H2AX, una señal molecular que las células colocan en el sitio de las roturas de la doble hebra, posiblemente el tipo más peligroso de daño al ADN que una célula puede sufrir. Las neuronas APOE4 estaban erizadas de banderas. Las neuronas APOE2 estaban comparativamente limpias.
Pruebas de estrés y senescencia
Para profundizar la comparación, los investigadores recurrieron a un segundo modelo neuronal: neuronas glutamatérgicas excitadoras, cultivadas a partir de células madre editadas con CRISPR que portan versiones homocigotas de los tres alelos APOE comunes, APOE2, APOE3 y APOE4. En el día 18 de un protocolo de diferenciación de 28 días, aplicaron a los cultivos radiación o doxorrubicina, un fármaco de quimioterapia conocido por destruir el ADN, y midieron las consecuencias. Ellerby dice que su equipo demostró que las neuronas APOE2 son mejores para prevenir y reparar el daño del ADN, y que resisten el programa de envejecimiento celular que impulsa gran parte del deterioro en la vejez.
Cristian Gerónimo-Olvera, becario postdoctoral en Buck y coautor del artículo, describe cómo se veía eso a través de los datos. “Lo que nos sorprendió fue cuán consistente era la imagen entre dos tipos de neuronas muy diferentes y entre células humanas y tejido cerebral de ratón”, dice. “Las neuronas APOE2 no sólo están menos dañadas al inicio, sino que se recuperan más rápido cuando están estresadas”.
Las pruebas de estrés revelaron algo más en lo que vale la pena detenerse: los nucléolos de las células. Cada neurona tiene un nucleolo, una estructura densa dentro del núcleo donde se aloja la maquinaria para producir ribosomas. En los animales de vida larga, desde los gusanos nematodos hasta los primates, los nucléolos son consistentemente más pequeños que en sus parientes de vida más corta. Nucléolo más pequeño, genoma más estable, vida más larga: la correlación se mantiene en una gama improbable de especies. En el experimento de Buck, las neuronas APOE2 y APOE3 tenían nucléolos significativamente más pequeños que las neuronas APOE4 tanto en condiciones normales como de estrés. Las neuronas APOE4 también tenían niveles elevados de ARN ribosómico, un signo de hiperactividad nucleolar que se ha relacionado con el tipo de senescencia celular que se acumula en los cerebros que envejecen. En resumen, las neuronas APOE2 mostraban la firma molecular de la longevidad. Las neuronas APOE4 envejecían más rápido a nivel subcelular.
La arquitectura nuclear contó una historia similar. Lamin A/C es una proteína de andamio que recubre el interior de la envoltura nuclear y mantiene el genoma físicamente organizado. Sus niveles disminuyen con el envejecimiento normal y las mutaciones que lo eliminan provocan la progeria de Hutchinson-Gilford, el síndrome de envejecimiento prematuro. Bajo irradiación, las neuronas APOE3 y APOE4 perdieron Lamin A/C. Las neuronas APOE2 resistieron la caída. Al parecer, la envoltura nuclear de las células APOE4 está, en cierto sentido, menos bien defendida y es más susceptible al tipo de colapso arquitectónico que permite que el ADN se despegue.
Una proteína que se puede transferir
Quizás el resultado más significativo desde el punto de vista clínico provino de un experimento de rescate. El equipo tomó neuronas glutamatérgicas APOE4 y las bañó en proteína APOE2 recombinante, la molécula purificada en sí, no el gen. Después de la irradiación, las células tratadas tenían considerablemente menos señalización de daño en el ADN que los controles APOE4 no tratados. En otras palabras, la protección no sólo está codificada en el genoma; puede, al menos en parte, entregarse desde el exterior.
Lo que ha estado obsesionado en el campo, señala Ellerby, no es irrelevante. El papel de APOE en la eliminación de beta amiloide, su influencia en la neuroinflamación, sus efectos en la estructura sináptica, todos esos mecanismos son importantes. Pero todavía no han producido terapias que reduzcan sustancialmente la progresión del Alzheimer. “Hasta ahora, el campo APOE se ha centrado principalmente en el manejo de lípidos y la biología de la beta amiloide”, dice. “Al mostrar que los alelos APOE también ajustan la forma en que las neuronas defienden su genoma, este estudio conecta un gen importante de la longevidad con dos de las características distintivas del envejecimiento más activamente estudiadas”. Esas características distintivas son el daño del ADN y la senescencia celular, y ambas están atrayendo ahora un gran interés terapéutico a través de los senolíticos (fármacos que eliminan las células senescentes) y pequeñas moléculas que estimulan la actividad de la vía de reparación del ADN.
El estudio no lo resuelve todo. Aún se desconoce el mecanismo molecular preciso por el cual APOE2 estabiliza la envoltura nuclear. Si un compuesto mimético de APOE2 podría proteger los cerebros portadores de APOE4 en humanos vivos es una cuestión que los ensayos clínicos aún no han abordado. Los hallazgos nucleolares y de senescencia son correlativos en los ratones de edad avanzada, no disecados causalmente. Éstas son limitaciones honestas y los autores las mencionan.
Aún así, la consistencia interna de los resultados es sorprendente. Dos tipos de neuronas, dos factores estresantes genotóxicos, células humanas y tejido de ratón, todos apuntan en la misma dirección. El genoma de una neurona APOE2 es un lugar inusualmente bien cuidado. Lo que los científicos ahora están tratando de descubrir es si las herramientas que lo ayudan se pueden entregar a todos los demás.
https://doi.org/10.1111/acel.70494
Preguntas frecuentes
¿Significa esto que los portadores de APOE2 son inmunes a la enfermedad de Alzheimer?
No inmune, pero sustancialmente protegido. Las personas que portan dos copias de APOE2 tienen tasas notablemente reducidas de enfermedad de Alzheimer en comparación con aquellas con el APOE3 más común o el APOE4 asociado al riesgo. La nueva investigación sugiere que esta protección se debe en parte a que las neuronas APOE2 son mejores para reparar el daño del ADN y resistir los cambios senescentes que se acumulan con la edad, aunque otros factores biológicos también contribuyen al riesgo individual.
¿Por qué ha tardado tanto en comprender qué hace realmente APOE2 en el cerebro?
La mayor parte de la atención de la investigación se centró en APOE4 porque aumenta drásticamente el riesgo de Alzheimer, y la hipótesis principal ha sido que las variantes de APOE afectan la forma en que el cerebro elimina las placas de beta amiloide. El nuevo hallazgo de que los alelos APOE dan forma a la capacidad de reparación del ADN neuronal no estaba en el radar de la mayoría de los investigadores, en parte porque la función de transporte de lípidos de APOE parecía el punto de partida obvio. Los modelos de células madre isogénicas, en los que sólo el gen APOE difiere entre células, permitieron aislar claramente los efectos directos del gen por primera vez.
¿Podría la proteína APOE2 convertirse en un fármaco para proteger a los portadores de APOE4?
El experimento de rescate del estudio es una prueba temprana de concepto: la proteína APOE2 purificada añadida a las neuronas APOE4 redujo la señalización del daño en el ADN después de la radiación. Si esto se traduce en una terapia que se pueda administrar en humanos es una cuestión abierta importante, ya que hacer que las proteínas lleguen a las células cerebrales en dosis terapéuticas es técnicamente difícil. Sin embargo, el hallazgo sugiere que el efecto protector no está encerrado únicamente en el genoma y, en principio, podría conferirse externamente.
¿Qué son las células senescentes y por qué son importantes para la demencia?
Las células senescentes son células que han dejado de dividirse en respuesta al daño pero que no han muerto. Se acumulan con la edad y secretan un cóctel de señales inflamatorias que alteran el tejido circundante y contribuyen a la neurodegeneración. El estudio de Buck encontró que las neuronas APOE4 son más propensas a adquirir este estado senescente, incluso en condiciones normales, mientras que las neuronas APOE2 lo resisten. Los medicamentos que eliminan las células senescentes, conocidos como senolíticos, ya se encuentran en ensayos clínicos para diversas afecciones relacionadas con la edad.
¿El efecto de reparación del ADN es específico de las células cerebrales o podría APOE2 proteger también otros tejidos?
El estudio se centró exclusivamente en las neuronas porque es en el cerebro donde la asociación de APOE con la longevidad y el riesgo de Alzheimer es más clínicamente relevante. Se desconoce si la ventaja de la reparación del ADN se extiende a otros tipos de células. APOE se expresa más abundantemente en el hígado y desempeña funciones sistémicas en el metabolismo de los lípidos, por lo que no sería sorprendente que los efectos de mantenimiento del genoma se extendieran más allá de las neuronas, pero eso aún está por probarse.
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