Papel de HIF1 y PHD3 en la microglía de la enfermedad de Alzheimer

• Autores: Nieves Lara Ureña
• Directores de la Tesis: Alberto Pascual Bravo (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2020
• Idioma: español
• Número de páginas: 333
• Tribunal Calificador de la Tesis: José López Barneo (presid.), José Luis Venero Recio (secret.), Miren Edurne Berra Ramírez (voc.), María José Calzada García (voc.), A. Serrano Pozo (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biología Molecular, Biomedicina e Investigación Clínica por la Universidad de Sevilla
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Inmunología
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • tLa enfermedad de Alzheimer (EA) es la enfermedad neurodegenerativa crónica más común y es considerada la principal causa de demencia. En la mayoría de los casos, la EA aparece de manera esporádica y los expertos creen, que como otras enfermedades crónicas, se desarrolla como resultado de múltiples factores de riesgos como la edad, la presencia del alelo ε4 del gen que codifica para la apolipoproteína E (APOE), polimorfismos genéticos en muchos otros genes y factores de riesgo modificables que convergen en alterar el sistema vascular y/o reducir la disponibilidad de oxígeno (O2) y nutrientes.

    Estudios de asociación del genoma completo (GWAS) muestran un papel de la microglía en la EA. Las células de microglía son los macrófagos del sistema nervioso central (SNC) y se acumulan alrededor de las placas β amiloides (Aβ), donde su densidad es de 2 a 5 veces mayor que en el parénquima cerebral. La actividad defensiva crónica de los grupos de células inmunes innatas genera hipoxia tisular (hipoxia inflamatoria), una consecuencia del aumento del metabolismo –para cumplir con el costo energético defensivo y biosintético– y la reducción del suministro de O2 y nutrientes –debido a la alteración local de los vasos sanguíneos.

    La disponibilidad inadecuada de O2 puede conducir a la disfunción celular e incluso a la muerte celular. Por esta razón, los metazoos han desarrollado sistemas para garantizar el suministro adecuado de O2 a las células y tejidos. En muchos casos, estos sistemas están regulados a través de la vía del factor inducible por hipoxia (HIF), una vía evolutiva conservada que juega un papel fundamental en este proceso. Estudios previos realizados en nuestro laboratorio en el ratón modelo de la EA APP-PSEN1, mostraron que la cantidad de microglía asociada a Aβ (AβAM) disminuye en condiciones de hipoxia y también hay un aumento de la neurotoxicidad asociada a las placas de Aβ. Además, en muestras de pacientes con EA se observó un aumento en los niveles de expresión de HIF1α conforme avanza la enfermedad. La eliminación de Egln3, gen que codifica para la proteína prolil-hidroxilasa 3 (PHD3), en el ratón modelo de la EA, produjo un aumento en la AβAM, disminución de la neurotoxicidad, así como una mejora en la hiperactividad y la memoria a corto plazo. Por estas razones, el objetivo de esta tesis es estudiar el papel de HIF1 y PHD3, dos intermediarios clave de la vía de señalización de hipoxia, en la microglía de la EA.

    En esta tesis describimos que los depósitos de Aβ están hipóxicos e hipoperfundidos, y que la AβAM se caracteriza por la expresión de la firma hipóxica de la microglía (HMS), que está regulada por HIF1. Al contrario de lo que se pensaba, la fosforilación oxidativa (OXPHOS) es una característica común de la microglía asociada al trastorno neurodegenerativo, mientras que la activación simultánea de la expresión génica mediada por HIF1 y la biogénesis de OXPHOS es una peculiaridad del metabolismo de la AβAM. La AβAM muestra mitocondrias alargadas acompañadas por una expansión del retículo endoplásmico rugoso y mitiga la exclusión de piruvato de las mitocondrias mediada por HIF1 a través de la piruvato deshidrogenasa 1 (PDK1). La sobre-estabilización de HIF1 por hipoxia genética –microglía deficiente en von Hippel-Lindau– produce un aumento de la HMS y una disminución de la OXPHOS, que se acompaña por una disminución en el número total de células microgliales, así como en la microglía que rodea a las placas de Aβ. Estos datos subrayan la importancia de la OXPHOS en la AβAM para su correcto funcionamiento y supervivencia celular.

    Por otro lado, hemos observado que la expresión de Egln3 se limita a la AβAM, y aunque PHD3 está involucrada en un ciclo de retroalimentación negativa que conduce a la desestabilización de HIF1α, la HMS no muestra enriquecimiento en la microglía de la EA deficiente en PHD3. La eliminación de Egln3 aumenta el fenotipo neurodgenerativo microglial (MGnD) característico de la microglía asociada a enfermedad (DAM), así como la regulación de genes por Aβ. Además, observamos un profundo ajuste metabólico en la microglía y una fuerte represión de la firma de respuesta a interferón β (INF-βS). Cuando Egln3 se elimina de manera específica en la microglía adulta de EA, también observamos la represión de la INF-βS. Esta firma está involucrada en la respuesta antiviral y está regulada por FOXO3, y hemos observado que en presencia de dimetiloxalilglicina (DMOG) o MG132 FOXO3 interacciona con PHD3. Estos datos sugieren que la expresión de PHD3 inducida por hipoxia conduce a una disminución de la estabilidad de FOXO3 y la represión de la INF-βS en la microglía de la EA.

    Nuestros hallazgos sugieren que la modulación de la vía HIF1/PHD3 podría ser un enfoque terapéutico novedoso para la EA para revertir la disfunción microglial, mejorar la eliminación de Aβ y prevenir la neurodegeneración.

    Alzheimer’s disease (AD) is the most common chronic neurodegenerative disease and is considered the leading cause of dementia. In most cases AD appears sporadically and experts believe that, like other chronic diseases, it develops as a result of multiple risk factors such as age, the presence of the ε4 allele of the gene coding for apolipoprotein E (APOE), genetic polymorphisms in many other genes and modifiable risk factors that converge in altering the vascular system and/or reducing the availability of oxygen (O2) and nutrients.

    Genome wide association studies (GWAS) show a role of microglia in AD. Microglial cells are the macrophages of the central nervous system (CNS) and accumulate around amyloid β (Aβ) plaques, where their density is 2 to 5 times higher than in the cerebral parenchyma. The chronic defensive activity of innate immune cell clusters generates tissue hypoxia (inflammatory hypoxia), a consequence of the increased metabolism –to fulfill the defensive energetic and biosynthetic cost– and reduced O2 and nutrient supply –due to local alteration of blood vessels.

    Inadequate O2 availability can lead to cellular dysfunction and even cell death. For this reason metazoans have developed systems to ensure adequate O2 delivery to cells and tissues. In many cases these systems are regulated through the hypoxia inducible factor (HIF) pathway, an evolutionary conserved pathway which plays a fundamental role in this process.

    Previous studies carried out in our laboratory in the AD mouse model APP-PSEN1, showed that the number of Aβ associated microglia (AβAM) decreases under hypoxic conditions, and there is also an increase in the neurotoxicity associated to Aβ plaques. Furthermore, an increase in HIF1α expression levels was observed in human AD samples paralleling the progression of AD pathology. The deletion of Egln3, a gene that encodes prolyl-hydroxilase 3 (PHD3) protein, in AD mice, produced an increase in AβAM, a decrease in neurotoxicity, as well as an improvement in hyperactivity and short-term memory. Thus, the main goal of this thesis is to study the role of HIF1 and PHD3, two key intermediaries of the hypoxia signaling pathway, in AD microglia.

    In this thesis we describe that Aβ deposits are hypoxic and hypoperfused, and that AβAM are characterized by the expression of the hypoxia microglial signature (HMS) constituted by HIF1-regulated genes. Contrary to what was thought, the oxidative phosphorylation (OXPHOS) is a common feature of neurodegenerative disorder associated microglia, while the simultaneous activation of HIF1-mediated gene expression and OXPHOS biogenesis is a peculiarity of AβAM metabolism. AβAM show elongated mitochondria accompanied by an expansion of the rough endoplasmic reticulum, and blunt the HIF1-mediated exclusion of pyruvate from the mitochondria through the pyruvate dehydrogenase kinase 1 (PDK1).

    Overstabilization of HIF1 by genetic hypoxia –von Hippel-Lindau deficient microglia–produces an increase in HMS and a decrease in OXPHOS, which are accompanied by a decrease in the number of microglial cells as well as in the microglia surrounding Aβ plaques. These data underlined the importance of OXPHOS in AβAM for its proper functioning and cell survival.

    On the other hand we have observed that Egln3 expression is confined to AβAM and although PHD3 is involved in a negative feedback loop leading to HIF1α destabilization, the HMS was not enriched in PHD3 deficient AD microglia. The elimination of PHD3 increases the microglial neurodegenerative phenotype (MGnD), characteristic of the disease￾associated microglia (DAM) as well as gene regulation by Aβ. Moreover, we observe a deep metabolic adjustment in microglia and a strong repression of the interferon β signature (IFN-βS). When Egln3 is specifically eliminated in the adult AD microglia we also observe repression of the IFN-βS. This signature is involved in antiviral response and is regulated by FOXO3 and we have observed that in presence of dymethyloxlalylglycine (DMOG) or MG132 FOXO3 interacts with PHD3. These data suggest that the hypoxia-induced PHD3 expression leads to decrease stability of FOXO3 and de-repression of IFN-βS in AD microglia.

    Our findings suggest that modulation of the HIF/PHD3 pathway could be a novel therapeutic approach for AD to revert microglial dysfunction, improve Aβ clearance, and prevent downstream neurodegeneration.