Introducción

Las enfermedades neurodegenerativas (ENDG) constituyen un grupo heterogéneo caracterizado por la disminución progresiva de las funciones fisiológicas y anatómicas del sistema nervioso. Las ENDG más comunes asociadas con el envejecimiento son las enfermedades de Alzheimer (EA), Parkinson (EP) y Huntington (EH). La etiología de estas patologías aún se desconoce, pero se ha propuesto a la función mitocondrial como un factor común entre ellas debido al alto requerimiento energético que tienen las neuronas para realizar sus funciones fisiológicas.¹,² Además, la mitocondria también participa en la señalización intracelular, la producción de especies reactivas de oxígeno (ERO) y la apoptosis.³,⁴

La mitocondria es un organelo altamente dinámico que cambia su morfología y función en respuesta a diferentes estímulos fisiológicos, por lo que la dinámica mitocondrial regula la supervivencia celular.⁵,⁶ La dinámica mitocondrial comprende diferentes procesos como la generación de nuevas mitocondrias (biogénesis mitocondrial), la eliminación de estas (mitofagia) y, particularmente, la fusión, fisión, transporte y distribución en la célula (tráfico).

Fisión y fusión mitocondrial

Los eventos de la dinámica mitocondrial más estudiados son la fusión y la fisión (división) mitocondrial. Estos procesos suceden continuamente y permiten que porciones funcionales de la red mitocondrial se separen y se reubiquen dentro de la célula para la producción de energía.⁷,⁸ Son esenciales para el mantenimiento y distribución del ADN mitocondrial, el control de calidad del organelo y la regulación de la apoptosis.⁸,⁹

Las proteínas centrales que ejecutan la fusión y fisión son unas GTPasas altamente conservadas relacionadas con la familia de las dinaminas denominadas DRP (dynamin related proteins).⁷

La proteína 1 relacionada con la dinamina (Drp1) ejecuta la fisión mitocondrial. Drp1 es una proteína citosólica que se recluta y ancla en la membrana externa mitocondrial (MEM) gracias a la presencia de varias proteínas transmembranales como la proteína de fisión 1 (Fis 1).¹⁰ Drp1 se ensambla para formar una espiral compuesta por cientos de monómeros de Drp1 que se enrollan y envuelven las porciones delgadas de los túbulos mitocondriales, estrangulándolos y escindiendo simultáneamente a las membranas externa e interna.¹⁰

Durante la fusión también participan GTPasas de la familia de las DRP, a diferencia de la mayoría de los eventos de fusión intracelular que ocupan proteínas tipo SNARE.¹¹ La fusión mitocondrial ocurre en dos pasos: primero, las MEM de dos mitocondrias se fusionan a través de la interacción de las mitofusinas (Mfn1/Mfn2) que se encuentran ancladas en estas membranas; en una segunda etapa, la proteína relacionada con la atrofia óptica 1 (Opa1) fusiona las membranas internas mitocondriales (MIM).¹²,¹³ Estos eventos se pueden separar debido a sus diferentes requisitos energéticos: la fusión de la MIM demanda concentraciones de GTP más elevadas que la fusión de la MEM, pero ambas ocurren solo entre las mitocondrias que mantienen un potencial de membrana (Figura 1, vías color rojo y verde). Las DRP que participan en estos procesos son reguladas por modificaciones postraduccionales.¹⁴-²¹

Figura 1 Representación de la dinámica mitocondrial y las proteínas participantes. La vía de fusión se ejemplifica con rojo, la fisión con el color verde, mientras que la biogénesis con azul y la mitofagia con morado. 

Biogénesis mitocondrial

La masa mitocondrial puede aumentar en respuesta a diversos estímulos como el ejercicio, las hormonas, la diferenciación y división celular, el estrés oxidante, etcétera.²² Debido a su origen endosimbiótico, la generación de mitocondrias requiere la expresión concertada de dos genomas: el nuclear, que aporta más de 1000 proteínas, y el mitocondrial que en los seres humanos codifica solo para 13 proteínas, todas subunidades hidrofóbicas de la cadena respiratoria (más 22 tARN y dos rARN).²²,²³ Dado que muchas proteínas mitocondriales se expresan a partir del genoma nuclear, el proceso de biogénesis depende en gran medida de la importación y el ensamblaje de proteínas en los compartimentos mitocondriales²⁴ (Figura 1, vía color azul).

La expresión de los dos genomas está coordinada por el coactivador transcripcional PGC-1a (coactivador del receptor activado por el proliferador de peroxisoma 1a), considerado el principal regulador de la biogénesis mitocondrial.²⁵,²⁶ PGC-1a carece de dominios de unión al ADN, por lo que funciona a través de la activación de múltiples factores de transcripción, entre los que destacan factores respiratorios nucleares, receptores activados por proliferadores de peroxisomas y receptores relacionados con estrógenos, que controlan los genes de la fosforilación oxidativa, la oxidación de ácidos grasos y la defensa antioxidante, etcétera.²³

Mitofagia

Las mitocondrias se eliminan mediante un proceso regulado llamado mitofagia, una forma de macroautopagia selectiva. La macroautofagia es el mecanismo de degradación donde una vesícula de doble membrana, el autofagosoma, se forma alrededor de los componentes celulares dañados y luego se fusiona con un lisosoma para la degradación del contenido. Cuando las porciones dañadas de la red mitocondrial no pueden generar potencial de membrana, se fisionan y son eliminadas por mitofagia.²⁷,²⁸ El mecanismo de mitofagia más estudiado está mediado por las proteínas PINK1 y Parkin. La cinasa PINK1 (serina/treonina cinsasa inducida por PTEN) se degrada constantemente en las mitocondrias sanas por la proteasa PARL (proteasa tipo romboide asociada con la presenilina), que se inactiva en las mitocondrias despolarizadas, lo que estabiliza PINK1 en la MEM. PINK recluta y fosforila la ubiquitina-ligasa citosólica E3, Parkin, y a su vez Parkin ubiquitina a varias proteínas en la MEM que sirven como señal para reclutar la maquinaria de autofagia, eliminando así a la mitocondria dañada⁸,²⁸-³⁰ (Figura 1, vía color morado).

Tráfico mitocondrial

El tráfico mitocondrial se refiere al transporte y distribución de las mitocondrias en las células. En particular en las neuronas, la concentración de mitocondrias es mayor en las regiones presinápticas; las mitocondrias se desplazan largas distancias dentro de la neurona para cubrir sus altos requerimientos energéticos. Esto se realiza gracias al acoplamiento entre las proteínas motoras y las adaptadoras. Las proteínas adaptadoras, mejor caracterizadas que unen las mitocondrias a la cadena pesada de la cinesina son Miro y Milton. Miro es una Rho-GTPasa y en mamíferos tiene dos isoformas: Miro-1 y Miro-2. Igualmente hay dos ortólogos de Milton, TRAK1 y TRAK2.³¹

Estos procesos deben estar regulados para que las células se encuentren en homeostasis. Las alteraciones en la dinámica mitocondrial se han relacionado con la etiología de varias enfermedades neurodegenerativas (Tabla 1).

Enfermedad de Alzheimer

La EA es una de las neuropatologías más recurrentes en los adultos mayores. Se ha reportado que 60 a 80 % de los casos de demencia están asociados con ella,³² que se caracteriza por la pérdida progresiva de neuronas en regiones cerebrales relacionadas con funciones como la memoria, el aprendizaje, la consciencia y el lenguaje. Los marcadores neuropatológicos característicos incluyen los ovillos neurofibrilares, agregados intracelulares compuestos por la forma hiperfosforilada de la proteína Tau asociada con los microtúbulos y las placas seniles, que son lesiones extracelulares formadas por agregados de fibras del péptido amiloide-b.³²,³³

Recientemente se ha reportado que existen cambios morfológicos en los cerebros de pacientes con EA, caracterizados por la presencia de mitocondrias fragmentadas, lo cual se asocia con alta actividad de Drp1. La fisión mitocondrial excesiva contribuye a la disfunción mitocondrial y deficiencia en la transmisión sináptica, lo que lleva a un aumento en la muerte celular neuronal.³⁴,³⁵ En un modelo de doble transgénico de la EA (proteína precursora del amiloide 1/presenilina 1), se observó que al inhibir a Drp1 se impedía la fragmentación mitocondrial, la pérdida del potencial de membrana mitocondrial, la producción de ERO, la reducción de ATP y la función sináptica en neuronas tratadas con el péptido amiloide-b. Además, la inhibición de Drp1 mejoró significativamente el aprendizaje y la memoria, disminuyó la peroxidación lipídica y la deposición de amiloide-b. Por ello se propuso a los inhibidores de la fisión mitocondrial (inhibidores de Drp1), como una nueva estrategia terapéutica para la EA.³⁶ Lo anterior se confirmó en otro trabajo realizado en el hipocampo de ratones de 12 meses que sobreexpresaban la proteína Tau; se observó incremento en el número de mitocondrias con menor longitud a las normales, niveles incrementados de las proteínas de fisión Drp1 y Fis1 y niveles disminuidos de proteínas de fusión Mfn1, Mfn2 y Opa1.³⁷

La biogénesis mitocondrial también está alterada en el cerebro de personas con EA. Diferentes estudios han demostrado la reducción del número de mitocondrias en neuronas del hipocampo en el cerebro de pacientes con EA y en células M17 que sobreexpresan la mutante de la proteína precursora del amiloide (APPswe). Asimismo, los niveles de expresión de PGC-1a, NRF1, NRF2 y TFAM se reducen en el hipocampo de personas con EA y en células APPswe M17, lo que sugiere biogénesis mitocondrial reducida. De hecho, las células APPswe M17 mostraron disminución en la proporción de ADN mitocondrial/ADN nuclear, correlacionada con un contenido reducido de ATP. Sin embargo, teniendo en cuenta las funciones pleiotrópicas de PGC-1a, aún no queda claro si tales cambios tienen influencia directa en la disfunción mitocondrial durante la EA.³⁸

En cuanto a la mitofagia, se encontró que el cerebro de pacientes con EA y de ratones transgénicos que sobreexpresan la proteína Tau humana (hTau), muestran deficiencias en la mitofagia. La sobreexpresión de hTau, altera el potencial de membrana mitocondrial, mientras que los niveles de PINK1 y Parkin disminuyen. También se detectó deterioro dependiente de la cantidad de Tau presente en la fracción mitocondrial de la MEM junto con su acumulación citoplásmica. Estos datos sugieren que la acumulación intracelular de hTau induce deficiencia en la mitofagia por su inserción directa en la membrana mitocondrial, alterando el potencial de membrana, afectando el cociente PINK1/Parkin.³⁹ Otro estudio con ratones 5xFAD que acumulan a la proteína amiloide-b reportó incremento en Parkin y en el reclutamiento de la proteína LC3II en mitocondrias sinaptosomales dependiendo de la edad, así como niveles incrementados de Drp1 y disminuidos de Mfn2 y Opa1, que apuntan a incremento en la mitofagia en las mitocondrias sinaptosomales, lo que explicaría parcialmente la deficiencia en la sinapsis en la EA.⁴⁰

Las proteínas Miro, involucradas en la regulación del transporte mitocondrial, se han asociado con trastornos neurodegenerativos y del neurodesarrollo, como en la EA.⁴¹ Aunque no se ha demostrado asociación directa entre Miro y EA, se sabe que los niveles de Miro están regulados negativamente en la mutación E280A de presenilina 1, asociada con la EA.⁴² Estudios recientes revelaron que los cerebros de pacientes con EA acumulan mitocondrias defectuosas en las regiones distales de las neuronas, lo que se correlaciona con transporte mitocondrial incorrecto, dificultando que las mitocondrias dañadas puedan ser transportadas al soma para su degradación, generando depuración mitofágica inadecuada,³¹ sin embargo, la relación de los defectos del tráfico mitocondrial y la EA todavía necesita ser investigada más a fondo para establecer posibles tratamientos.

Enfermedad de Parkinson

La EP es la segunda ENDG más común y se asocia con alteraciones motoras como bradicinesia, temblor en reposo y rigidez. Se caracteriza por degeneración progresiva de las neuronas dopaminérgicas (NDA) en la sustancia negra y la presencia de inclusiones intracitoplásmicas llamadas cuerpos de Lewy.⁴³,⁴⁴

La disfunción mitocondrial desempeña un papel fundamental en la patogénesis de la EP, tanto en las formas esporádicas como en las de origen hereditario y puede ser causada por defectos bioenergéticos, mutaciones en el ADN mitocondrial, mutaciones en el ADN nuclear vinculadas a los genes mitocondriales, cambios en los procesos de fusión o fisión y alteraciones en el tráfico mitocondrial. Una de las razones propuestas para la vulnerabilidad de las NDA de la sustancia negra es que basalmente contienen menor número de mitocondrias en comparación con otras neuronas del mesencéfalo.⁴⁵ Se ha reportado que alteraciones en la dinámica mitocondrial incrementan la producción de ERO y disminuyen el potencial de membrana mitocondrial, lo que podría potenciar la acumulación de mitocondrias disfuncionales. Sin embargo, la fragmentación mitocondrial excesiva también se ha asociado con la patología de la EP esporádica.

En un estudio comparando muestras de pacientes con EP idiopática y animales expuestos al paraquat (un herbicida empleado como modelo de la enfermedad), se observó un incremento en la expresión de Drp1 y una reducción en la expresión de Mfn1/Mfn2 en la sustancia nigra, acompañada de un incremento en la fragmentación y en la disfunción mitocondrial. Al sobreexpresar a Mfn2 se eliminó la fragmentación mitocondrial y se protegió a las neuronas contra la disfunción inducida por paraquat. También se observó que el daño oxidante inducido por paraquat y la pérdida selectiva de NDA en la sustancia nigra y en las terminales axonales en el cuerpo estriado disminuyeron en ratones transgénicos que sobreexpresaban hMfn2.⁴⁶

Se ha demostrado que las alteraciones en la estructura de OPA1 están relacionadas con la fragmentación mitocondrial observada en modelos celulares de la EP esporádicos, lo cual se asocia con aumento en la expresión de Drp1. Para demostrar la relevancia de estas alteraciones se sobreexpresó a OPA1 y se inhibió la expresión de Drp1. En este estudio, la sobreexpresión de OPA1 no modificó la fragmentación mitocondrial ni tampoco disminuyó los niveles de ERO, pero se encontró incremento en la elongación e interconectividad mitocondrial, lo que mantuvo el potencial de membrana.⁴⁷

Por otro lado, los cerebros de pacientes con EP tienen capacidad respiratoria y biogénesis mitocondrial disminuida que podría inducir la formación de placas betaamiloides y ovillos neurofibrilares. Asimismo, las ERO generadas por las redes mitocondriales disfuncionales pueden activar las vías de señalización que inducen la muerte celular, mientras que las proteínas agregadas contribuyen a neuroinflamación.⁴⁸

Se han relacionado las mutaciones en la proteína Parkin con la EP autosómica recesiva de inicio temprano. En estudios con ratones adultos C57BL, la disminución de Parkin en la región media ventral del cerebro indujo la pérdida de NDA dependiendo de la edad. Este proceso está sujeto a la acumulación del sustrato de Parkin llamado PARIS, también conocido como la proteína dedos de cinc 746 (ZNF746) y a la represión transcripcional de PGC-1a. En los ratones knockout de Parkin, en el cerebro medio ventral del ratón adulto C57BL disminuyó el tamaño y numero de mitocondrias, lo que se previno mediante el silenciamiento de PARIS. Por otra parte, la sobreexpresión de PARIS en el mesencéfalo ventral del ratón disminuyó la activación de PGC-1a y el número de mitocondrias. Estos mismos resultados fueron demostrados en la línea celular SH-SY5Y. Los datos en conjunto sugieren que la pérdida de Parkin afecta la biogénesis mitocondrial, lo que disminuye la función respiratoria debido a menor número de mitocondrias y a muerte celular.⁴⁹

Se sabe que la función mitocondrial y lisosomal disminuyen con la edad,⁵⁰,⁵¹ lo que concuerda con que la edad es el factor de riesgo mayor para desarrollar la EP. El deterioro de la mitofagia y de la actividad lisosomal se han asociado con incremento en la expresión de la a-sinucleína observado en la EP.⁵¹,⁵² Los factores de transcripción NRF2 y TFEB que desempeñan un papel en la biogénesis mitocondrial y lisosomal, respectivamente, pueden regular a p62/SQSMT1, proteína que marca a las mitocondrias dañadas para su degradación por mitofagia. Se ha reportado que las células con mayor proteína TFEB tienen niveles de expresión más altos del ARNm de PGC-1a. Por lo tanto, se ha propuesto que las estrategias para aumentar el TFEB pueden incrementar el número de mitocondrias y evitar la disfunción mitocondrial en la EP.⁵³

Enfermedad de Huntington

La EH es una patología que afecta a algunas personas en la mitad de su vida. Es de carácter genético, con una herencia autosómica dominante. La EH se caracteriza por disfunción motora, movimientos involuntarios, distonía, deterioro cognitivo y trastornos emocionales.⁵⁴,⁵⁵ Esta enfermedad tiene una baja prevalencia ya que afecta entre 10 y 13 personas por cada 100 000 habitantes.⁵⁶ Las principales áreas del cerebro que se afectan incluyen el caudado y el putamen del cuerpo estriado, la corteza cerebral, el hipocampo, el hipotálamo y el subtálamo.⁵⁴,⁵⁷ Se ha observado disminución neuronal en estas regiones del cerebro hasta en 80 % de los pacientes con EH severa.⁵⁸

La EH es causada por expansión de repetición de trinucleótidos de CAG inestable en el exón 1 del gen Huntingtin (Htt) que codifica una forma mutante de la proteína huntingtina (Htt). La presencia de más de 40 repeticiones de CAG se reconoce como la huntingtina mutante (mHtt), que causa la enfermedad. El inicio de la EH generalmente ocurre en la mediana edad, seguido de 15 a 20 años de progresión de la enfermedad.⁵⁹

Diferentes líneas de investigación apoyan la hipótesis de que la alteración de la función mitocondrial y energética son importantes en la fisiopatología de la EH.⁶⁰-⁶² De forma similar a otras ENDG, se demostró que la fisión mitocondrial se encontraba incrementada en muestras de pacientes con diferentes grados de la EH, ya que los niveles de Drp1 se encontraban aumentados y los de Mfn1 disminuidos. Asimismo, se reportó disminución en la expresión de PGC-1a y TFAM.⁶² Shirendeb et al. confirmaron estos resultados: Fis1 y Drp1 estaban aumentados, mientras que Opa1, Mfn1, Mfn2 y Tom40 se encontraban disminuidas en pacientes con grado III y IV de la EH en comparación con pacientes sin la enfermedad.⁶³ En cultivos primarios de neuronas provenientes de ratones BACHD que expresan mHtt, así como en muestras de pacientes con EH se encontró que el incremento en la fragmentación mitocondrial dependiente de Drp1 se debía a su interacción con la mHtt. También se observó incremento en los niveles de expresión de Drp1 y Fis1, así como una disminución de Mfn1/Mfn2.⁶³

Las alteraciones en la dinámica mitocondrial como el desbalance entre la fisión y la fusión pueden ser hasta cierto punto compensadas por incremento en la biogénesis mitocondrial. Sin embargo, se ha reportado que la mHtt disminuye la función mitocondrial inhibiendo la expresión de PGC-1a.⁶⁴-⁶⁶ La mHtt reprime la transcripción génica de PGC-1a al unirse con el promotor e interferir con la ruta transcripcional dependiente de CREB/TAF4, la cual participa críticamente en la expresión de los genes regulados por PGC-1a. Se ha encontrado que la sobreexpresión de PGC-1a invierte parcialmente los efectos tóxicos de la mHtt en cultivos primarios de neuronas estriatales, y que la administración de PGC-1a mediada por lentivirus en el cuerpo estriado proporciona neuroprotección en los ratones transgénicos de la EH.⁶⁴

Por otra parte, se ha sugerido que la eliminación de mitocondrias defectuosas está comprometida en la EH. La eliminación de mitocondrias defectuosas depende de la actividad mitofágica que involucra a la vía PINK1/Parkin.⁶⁷-⁶⁹ Recientemente se reportaron fallas en el proceso de mitofagia en moscas que expresaban mHtt, como los modelos de Htt-ex1p-Q93 neuronal y en la línea celular del estriado HdhQ111, los cuales se asocian con disminución de las proteínas ubiquitinadas en las mitocondrias que serán degradadas en los autofagosomas.⁷⁰ El mismo estudio demostró que la sobreexpresión de PINK1 funcionaba como neuroprotector en moscas y restablecía la mitofagia en células HdhQ111. Se ha propuesto que la Htt de tipo silvestre desempeña un papel fisiológico en la mitofagia posiblemente por su interacción con receptores de autofagia. Específicamente, se reportó que el carboxilo terminal de la Htt interactúa con p62 para facilitar el reconocimiento de proteínas que deben ser ubiquitinadas, lo que es relevante para la mitofagia ya que las células deficientes en Htt presentan niveles de mitofagia más bajos.⁷¹ El transporte mitocondrial a lo largo de los microtúbulos también disminuye en cultivos primarios de neuronas corticales que expresan mHtt,⁷²,⁷³ ya que los agregados de mHtt pueden bloquear el transporte a los axones, secuestrar proteínas motoras e inhibir la formación de los complejos de tráfico mitocondrial.⁷³,⁷⁴

Conclusión

Los reportes sobre la relación de la dinámica mitocondrial y las ENDG proponen un nuevo campo de investigación para desarrollar tratamientos alternativos que aminoren la sintomatología y el deterioro. Los trabajos aquí descritos muestran interesantes resultados, ya que la sobreexpresión de proteínas vinculadas con la dinámica mitocondrial, en particular las de fusión, es alentadora puesto que se ha observado mejoría en el suministro energético y en el transporte mitocondrial, así como en la disminución en la fragmentación. No obstante, el reto para investigaciones posteriores será desarrollar mecanismos que impidan las interacciones de las proteínas que se expresan aberrantemente en las ENDG con las proteínas que participan en la dinámica mitocondrial y reducir el daño mitocondrial para dar a los pacientes una mejor calidad de vida.