Remodelado del calcio intracelular en el envejecimiento neuronal y los tumores cerebrales

Abstract

In this thesis we have investigated intracellular Ca2+ homeostasis, both at the functional and molecular level, in an in vitro model of neuronal aging and a series of brain tumors. First, changes in intracellular Ca2+ homeostasis have been investigated in neonatal rat hippocampal neurons cultured at short (young cells) and long term (aged in vitro), cultured in the presence and absence of oligomers of amyloid peptide (Aβo), the main toxin of Alzheimer's disease. The results show that store-operated Ca2+ entry (SOCE) decreases with aging, especially in the presence of Aβo. Furthermore, the SOCE agonist, MDEB, increases SOCE in young, but not in aged neurons. Neuronal aging decreases mitochondrial potential and increases reactive oxygen species (ROS), effects enhanced by Aβo, and which could explain the loss of SOCE and the lack of effect of MDEB. We also studied the role of the ER. We found that aging increases ER-mitochondria colocalization and IP3 receptor expression, but decreases the % of neurons releasing Ca2+ in response to caged IP3. Paradoxically, Aβo increases the % neurons releasing Ca2+ in response to caged IP3. At the molecular level, transcriptomic analysis of neuronal cultures indicates that aging increases the expression of P2X4 and 5, the acetylcholine receptors mAChR1,2, the kainate receptor Gluk4, TRPM2 and 3 channels, the SOCE-involved proteins Stim1, Orai2, Saraf, Mbp, Septin4, and the intracellular receptors IP3R1,2 and RyR3. In parallel, aging decreases the expression of the T-type channel Cav2.2, the purinergic receptor P2Y1, the acetylcholine receptors mAChR3 and nAChRα7, the TRPML3 channel, Septin2,7,9,10 and 11, RyR2, and the mitochondrial systems Mcu, Micu2 and Vdac1,2 and 3. Treatment with Aβo did not produce significant changes in the transcriptome of aged hippocampal neurons. Second, intracellular Ca2+ homeostasis has been studied in primary cultures of benign human brain tumors (meningiomas and neurinomas), gliomas (oligodendrogliomas, astrocytomas and glioblastomas) and brain metastases. The results show that ATP increases [Ca2+]cit in malignant human brain tumors and metastases, but less so in benign tumors and oligodendrogliomas. Depolarization induces Ca2+ entry in glioblastomas, but not in all other tumors. SOCE is high in benign tumors, intermediate in gliomas and small in brain metastases. However, in gliomas, there is a positive correlation between malignancy and SOCE. Mitochondrial depolarization inhibits SOCE in gliomas, but not in oligodendrogliomas. SOCE inhibition inhibits glioblastoma cell proliferation. We subsequently performed transcriptomic analysis in glioblastomas. These tumors express high levels of Cav1.2, Cav1.3, Cav2.1, Cav3.1, Cav3. 2, P2X4,7, P2Y1,12 receptors, TRPC1, TRPV1, TRPM2,4,7, TRPML1 and TRPP1,2 channels, PMCA1,2,4 pumps, SERCA2, SPCA1, NCX1,3 exchangers, proteins responsible for SOCE ORAI1, 2,3, Stim1,2, STIMATE, ORMDL3, SARAF, Septin2,3,4,5,6,7,8,9,10,11, ER channels IP3R1,2 and RyR3 and all mitochondrial transport systems. Functional and molecular studies in paired samples from glioblastomas and peritumoral areas revealed differences in Ca2+ stores and ATP response, but not SOCE in paired samples. Differential expression analysis revealed that glioblastomas overexpress 3 channels, Cav3.2, TRPC6 and TRPV4 channels, and infraexpress Cav1.4 channels, P2X7 and P2Y2 receptors,12,13 TRPV3,5,6 and TRPM6 channels, and the modulators SEPTIN4 and MICU3. Global transcriptomic analysis of gene clusters indicates a strong transcriptomic resemblance between glioblastomas, lung, breast and cervical cancer tumors. These results could provide new opportunities for their treatment.

En esta tesis se ha investigado la homeostasis del Ca2+ intracelular, tanto a nivel funcional como molecular, en un modelo in vitro de envejecimiento neuronal y una serie de tumores cerebrales. En primer lugar, se han investigado los cambios en la homeostasis del Ca2+ intracelular en neuronas de hipocampo de rata neonatal cultivadas a corto (células jóvenes) y largo plazo (envejecidas in vitro), cultivadas en presencia y ausencia de los oligómeros del péptido amiloide (Aβo), la principal toxina de la enfermedad de Alzheimer. Los resultados muestran que la entrada de Ca2+ operada por depósitos (SOCE) disminuye con el envejecimiento, especialmente en presencia de Aβo. Además, el agonista de SOCE, MDEB, aumenta SOCE en neuronas jóvenes, pero no en envejecidas. El envejecimiento neuronal disminuye el potencial mitocondrial y aumenta las especies reactivas de oxígeno (ROS), efectos potenciados por los Aβo, y que podrían explicar la pérdida de SOCE y la falta de efecto de MDEB. Estudiamos también el papel del RE. Encontramos que el envejecimiento aumenta la colocalización RE-mitocondria y la expresión de receptores de IP3, pero disminuye el % de neuronas que liberan Ca2+ en respuesta a IP3 enjaulado. Paradójicamente, los Aβo aumentan el % neuronas que liberan Ca2+ en respuesta a IP3 enjaulado. A nivel molecular, el análisis transcriptómico de los cultivos neuronales indica que el envejecimiento aumenta la expresión de P2X4 y 5, los receptores acetilcolina mAChR1,2, el receptor de kainato Gluk4, los canales TRPM2 y 3, las proteínas implicadas en SOCE Stim1, Orai2, Saraf, Mbp, Septin4, y los receptores intracelulares IP3R1,2 y RyR3. En paralelo, el envejecimiento disminuye la expresión del canal tipo T Cav2.2, el receptor purinérgico P2Y1, los receptores de acetilcolina mAChR3 y nAChRα7, el canal TRPML3, las septin2,7,9,10 y 11, RyR2 y los sistemas mitocondriales Mcu, Micu2 y Vdac1,2 y 3. El tratamiento con los Aβo no produjo cambios significativos en el transcriptoma de las neuronas hipocampales envejecidas. En segundo lugar, se han estudiado la homeostasis del Ca2+ intracelular en cultivos primarios de tumores cerebrales humanos benignos (meningiomas y neurinomas), gliomas (oligodendrogliomas, astrocitomas y glioblastomas) y metástasis cerebrales. Los resultados muestran que ATP aumenta la [Ca2+]cit en tumores cerebrales humanos malignos y metástasis, pero menos en tumores benignos y oligodendrogliomas. La despolarización induce entrada de Ca2+ en glioblastomas, pero no en el resto de tumores. SOCE es elevada en tumores benignos, intermedia en gliomas y pequeña en metástasis cerebrales. Sin embargo, en los gliomas, hay una correlación positiva entre malignidad y SOCE. La despolarización mitocondrial inhibe SOCE en gliomas, pero no en oligodendrogliomas. La inhibición de SOCE inhibe la proliferación de las células de glioblastoma. Posteriormente llevamos a cabo un análisis transcriptómico en glioblastomas. Estos tumores expresan altos niveles de canales Cav1.2, Cav1.3, Cav2.1, Cav3.1, Cav3.2, receptores P2X4,7, P2Y1,12, canales TRPC1, TRPV1, TRPM2,4,7, TRPML1 y TRPP1,2, bombas PMCA1,2,4, SERCA2, SPCA1, intercambiadores NCX1,3, proteínas responsables de SOCE ORAI1,2,3, Stim1,2, STIMATE, ORMDL3, SARAF, Septin2,3,4,5,6,7,8,9,10,11, canales del RE IP3R1,2 y RyR3 y TODOS los sistemas de transporte mitocondriales. Estudios funcionales y moleculares en muestras pareadas de glioblastomas y zonas peritumorales revelaron diferencias en el Ca2+ de los depósitos y la respuesta a ATP, pero no SOCE en las muestras pareadas. El análisis de expresión diferencial reveló que los glioblastomas sobreexpresan 3 canales, Cav3.2, los canales TRPC6 y TRPV4, e infraexpresan los canales Cav1.4, los receptores P2X7 y P2Y2,12,13, los canales TRPV3,5,6 y TRPM6, y los moduladores SEPTIN4 y MICU3. El análisis transcriptómico global de grupos de genes indica un fuerte parecido transcriptómico entre los glioblastomas, los tumores de pulmón, mama y cáncer de cuello de útero. Estos resultados podrían aportar nuevas oportunidades para su tratamiento.