Noi perspective dezvăluie modul în care metabolismul zahărului protejează neuronii de degenerare

Studiul realizat de Heidarian și colaboratorii, publicat în Molecular Metabolism, investighează cum deficitul enzimei piruvat kinază (PyK), o componentă esențială a glicolizei, influențează integritatea neuronală. Folosind modelul neuromuscular la Drosophila melanogaster, autorii au demonstrat că alterarea metabolismului energetic duce la degenerare axonală și sinaptică prin căi neurodegenerative conservate.
Metabolismul energetic este esențial pentru funcționarea sistemului nervos, în special pentru menținerea potențialului de acțiune și transmiterea sinaptică. Neuronii, în special cei motori, depind de glicoliză, ciclul acidului citric și fosforilarea oxidativă. În bolile neurodegenerative, perturbările metabolice sunt frecvente, dar nu este clar dacă sunt cauze sau consecințe ale degenerării. Mai multe căi de semnalizare implicate în neurodegenerare, precum Wnd/DLK și SARM1, pot fi activate de stres metabolic.

Despre studiu

Model experimental și obiective

Autorii au folosit sistemul neuromuscular al musculiței Drosophila pentru a examina efectele deficitului de piruvat kinază asupra axonilor și sinapselor. Scopul principal a fost să elucideze legătura între perturbările metabolice și activarea căilor canonice de neurodegenerare, cu accent pe rolul Wnd/DLK și SARM1.

Metodologie

• Genele vizate au fost manipulate prin RNAi și CRISPR/Cas9 pentru a reduce expresia PyK.
• Au fost utilizate markeri fluorescenți pentru a vizualiza degenerarea axonală și sinaptică.
• S-au aplicat scoruri de fragmentare axonală și sinaptică, teste de comportament motor și analiză transcriptomică.
• Activitatea căii Wnd/DLK a fost monitorizată cu reporterul puc-LacZ, iar influența transcripțională a fost testată cu un construct dominant-negativ pentru Fos (FosDN).

Rezultate

Degenerare axonală și sinaptică progresivă în lipsa PyK

• Neuronii motori cu deficit de PyK au prezentat degenerare sinaptică severă la nivelul joncțiunii neuromusculare în stadiul larvar avansat, dar nu și în stadiul timpuriu.
• Axonii acestor neuroni au dezvoltat varicozități și fragmentări, indicând degenerare progresivă.
• Animalele au manifestat deficite locomotorii semnificative.

Implicarea căilor Wnd/DLK și SARM1

• Knockdown-ul Wnd/DLK sau SARM1 a redus cu ~50% fragmentarea sinaptică cauzată de deficitul de PyK.
• Aceste rezultate indică faptul că degenerarea este mediată genetic de aceste căi de semnalizare.

Activarea unui răspuns transcripțional dependent de Fos

• Reporterul puc-LacZ a arătat o activare puternică a căii JNK-AP-1 în neuronii deficienți în PyK.
• Knockdown-ul Wnd/DLK sau inhibarea Fos au suprimat complet această activare.
• Analiza transcriptomică a arătat o îmbogățire semnificativă a genelor cu motive de legare pentru AP-1.

Prezența unui răspuns neuroprotector la perturbarea metabolică

• După lezarea axonală, neuronii deficienți în PyK au prezentat o degenerare întârziată a axonilor (degenerare Walleriană).
• Această protecție a fost parțial dependentă de Wnd/DLK și de activitatea transcripțională a lui Fos.
• Overexpresia SARM1 a abolit complet întârzierea degenerării, sugerând că nivelurile scăzute de SARM1 în axonii deficienți în PyK contribuie la protecție.

Concluzii

Acest studiu arată că deficitul de piruvat kinază compromite integritatea sinapselor și a axonilor prin activarea căilor Wnd/DLK și SARM1. În mod interesant, această perturbare metabolică declanșează și un răspuns neuroprotector care întârzie degenerarea axonală după lezare. Rezultatele susțin un model în care semnalizarea Wnd/DLK poate funcționa ca un reostat care reglează echilibrul între supraviețuirea și degenerarea axonală în funcție de starea metabolică.

Implicarea clinică și direcții viitoare

Identificarea unei căi de protecție endogene activată de stres metabolic are implicații importante pentru bolile neurodegenerative. Această descoperire poate ghida dezvoltarea unor terapii metabolice care să susțină integritatea neuronală și să prevină degenerarea. Studiile viitoare ar trebui să identifice factorii genetici și moleculari specifici care diferențiază semnalizarea degenerativă de cea protectivă în aval de Wnd/DLK.