Synaptic frailty and mitochondrial dysfunction in familial amyotrophic lateral sclerosis

L’Esclerosi Lateral Amiotròfica (ELA) és una malaltia neurodegenerativa de la motoneurona. Totes les neurones del sistema motor es veuen afectades pel flux degeneratiu en aquesta malaltia des de l’escorça motora primària fins a la junta neuromuscular. Al 1993, la descoberta de mutacions en el gen SOD1 va obrir nous horitzons experimentals amb la creació dels primers rosegadors transgènics per aquesta malaltia. Des d’aquell moment i fins a l’actualitat la mutació més estudiada en l’ELA ha estat la SOD1-G93A a tot el món. Els models transgènics per aquesta mutació de la SOD1 han revelat mecanismes essencials de la neurodegeneració en aquesta malaltia incloent l’excitotoxicitat, la disfunció proteica i la degeneració axosinàptica entre altres. En aquest treball hem explorat els canvis moleculars que tenen lloc als terminals-C, uns terminals molt especialitzats en les α-moto neurones, dels rosegadors transgènics SOD1-G93A. A més, també hem focalitzat la nostra atenció a la relació patològica que s’estableix en l’ELA familiar (ELAF) entre la mutació SOD1-G93A i les mitocòndries de les motoneurones. En relació als terminals C en moto neurones durant la ELAF, hem trobat canvis associats a l’aparició dels símptomes com ara expressió incrementada del factor neurotròfic Neuregulina-1 localitzat també per primer cop a la cisterna subsinàptica dels terminals C aposats a les α-moto neurones. La Neuregulina-1 en aquestes estructures de reticle endoplasmàtic va ser observada a dins de vesícules extracel·lulars (VEs), suggerint que l’anàlisi de la Neuregulina-1 en VEs durant ELA és especialment prometedor com a biomarcador potencial en aquesta malaltia. Així nosaltres hem desenvolupat també un nou mètode per tal d’aïllar VEs, donat que aquest és un pas essencial previ a l’estudi de les proteïnes associades amb aquestes estructures. El nostre mètode aplicat a la purificació de VEs en teixits complexos fou capaç de facilitar la identificació de la Neuregulina-1 en VEs provinents de teixits clínics i fluids biològics. En relació a les implicacions de la mitocòndria en la ELA, hem trobat que la mutació SOD1-G93A estabilitza la proteïna PINK1 a la mitocòndria seguidament activant el factor nuclear NFκB en neurones. La interacció seqüencial entre la SOD1 mutant i NFκB crea una clara disfunció en la capacitat proteolítica del proteosoma, el qual promou coagregació de la SOD1 mutant i el PINK1 en aquestes cèl·lules. Aquests resultats afegeixen un substancial coneixement mecanístic sobre els rols de la mitocòndria en els events neurodegeneratius clàssics de l’ELA, com ara en l’agregació de proteïnes disfuncionals en moto neurones. Seguint el nostre estudi de l’afectació mitocondrial en la ELA, hem creat i caracteritzat un nou model de Drosophila que expressa la mutació humana SOD1-G93A exclusivament en fibres musculars toràciques sota el promotor 24B. Aquest model de Drosophila transgènica recapitula amb èxit el fenotip mitocondrial prèviament observat de l’ELA presentant importants avantatges sobretot en l’elecció de nous compostos terapèutics. En definitiva, els resultats generats en aquesta tesi proporcionen evidència experimental, extensa comprensió molecular i insinuen nous horitzons terapèutics sobre els mecanismes moleculars i els events neurodegeneratius associats a la disfunció sinàptica i mitocondrial en l’ELAF.La Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) es una enfermedad neurodegenerativa de la motoneurona. Todas las motoneuronas se ven afectadas desde la corteza motora primaria hasta la unión neuromuscular. En 1993 la descubierta de mutaciones en el gen SOD1 abrió nuevos límites experimentales con la creación de los primeros roedores transgénicos para esta enfermedad. Desde ese momento y hasta la actualidad, la mutación más estudiada en la ELA ha sido la mutación SOD1-G93A. Los modelos transgénicos de esta mutación han revelado mecanismos esenciales de la neurodegeneración en la ELA, incluyendo la excitotoxicidad, la disfunción proteica y la degeneración axosináptica entre otras. En este trabajo hemos explorado los cambios moleculares que tienen lugar en los terminales C, unos terminales altamente especializados de las α-motoneuronas, en un modelo murino de ELA con la mutación SOD1-G93A. Además, también hemos focalizado nuestra atención sobre la relación patológica que se establece en la ELA familiar (ELAF) entre la mutación SOD1-G93A y las mitocondrias. En relación a los terminales C durante la ELAF, hemos encontrado cambios asociados con la aparición de síntomas, como por ejemplo el incremento de la expresión del factor neurotrófico Neuregulina-1, localizado por primera vez en la cisterna subsináptica de los terminales C. La Neuregulina-1 en esas estructuras de retículo endoplasmático fue observada dentro de vesículas extracelulares (VEs), sugiriendo que el análisis de la Neuregulina-1 dentro de VEs en la ELA resulta especialmente prometedor como biomarcador potencial para esta enfermedad. Así, nosotros hemos desarrollado también un nuevo método para purificar VEs, dado que este es un paso esencial previo al estudio de las proteínas asociadas con estas estructuras. Nuestro método aplicado a la purificación de VEs de tejidos complejos fue capaz de facilitar la identificación de la Neuregulina en VEs provenientes de tejidos clínicos y fluidos biológicos. En relación a las implicaciones de la mitocondria en la ELA, hemos encontrado que la mutación SOD1-G93A estabiliza la proteína PINK1 en las mitocondrias activando el factor nuclear NFκB en neuronas. La interacción secuencial entre la SOD1 mutante y el NFκB crea una clara disfunción sobre la capacidad proteolítica del proteosoma, la cual a su vez promueve co-agregación de la SOD1 mutante y PINK1 en estas células. Estos resultados suman un sustancial conocimiento mecanístico sobre los roles de la mitocondria en eventos degenerativos clásicos de la ELA, como es la agregación de proteínas disfuncionales en motoneuronas. Siguiendo nuestro estudio de la afectación mitocondrial en la ELA, hemos creado y caracterizado un nuevo modelo de Drosophila que expresa la mutación humana SOD1-G93A en fibras musculares torácicas bajo el promotor 24B. Este modelo de Drosophila transgénica recapitula con éxito en fenotipo mitocondrial característico de la ELA presentando importantes ventajas para la elección de nuevos compuestos terapéuticos. En definitiva, los resultados generados en esta tesis proporcionan evidencia experimental, extensa comprensión molecular y insinúan nuevos horizontes terapéuticos acerca de los mecanismos moleculares y eventos neurodegenerativos asociados con la disfunción sináptica y la disfunción mitocondrial en la ELAF.Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is an orphan age-associated neurodegenerative disease. All motoneurones in ALS are affected by degenerative flow from the primary motor cortex to the neuromuscular junction. In 1993, mutations of the gene SOD1 opened new research avenues allowing for the generation of familial ALS experimental models in rodents. Since then, the FALS mutation SOD1-G93A has been extensively studied worldwide in ALS to date. Transgenic models for this SOD1 mutation have revealed essential mechanisms of neurodegeneration including excitotoxicity, proteinopathy and axosynaptic degeneration among others. In this dissertation, we explored the molecular changes that occur in C-terminals, a very specialised synapse type from α-motoneurones of SOD1-G93A rodents. Also, we focused on the pathological relationship between the FALS mutant SOD1-G93A and mitochondria in motoneurones. With regard to C-terminals in FALS motoneurones, we found changes that were symptomatically associated with the up-regulated expression of the neurotrophic factor Neuregulin-1 located for the first time in the subsurface system of C-boutons juxtaposed to α-motoneurones. Furthermore, Neuregulin-1 in these endoplasmic reticulum structures was observed inside extracellular vesicles, suggesting that analysis of Neuregulin-1 from extracellular vesicles in ALS holds promise as a potential reliable biomarker for that neurodegenerative disease. We therefore have developed a new method for isolation of extracellular vesicles, as this remains as an essential step for the study of molecules associated with these structures. Our method applied to purify extracellular vesicles from complex biological tissues was able to facilitate the identification of Neuregulin-1 in extracellular vessicles from clinical tissues and biological fluids. Regarding implications of mitochondria in ALS, we have found that the FALS mutant hSOD1-G93A stabilises PINK1 in mitochondria and subsequently activates NFκB in neuronal cells. Sequential interaction between hSOD1 and NFκB impairs the proteosome proteolitic function promoting co-aggregation of SOD1 and PINK1 in these cells. These results add substantial mechanistic insight on the roles of mitochondria in classical ALS-associated neurodegenerative events, including aggregation of dysfuntional proteins in motoneurones. Following our study of mitochondria affectation in ALS, we have created and characterised a novel Drosophila model that expresses human SOD1-G93A in thoracic muscles under the genetic muscular promoter 24B. Flies expressing human SOD1-G93A in thoracic muscles successfully recapitulate FALS mitochondrial phenotype with several advantages in front of the current available rodent models for this FALS mutation. Taken together, the results generated in this thesis provide experimental evidence, further molecular comprehension and promise novel therapeutic approaches to the molecular mechanisms and neurodegenerative events associated with synaptic frailty and mitochondrial disfunction in FALS