Estudio de la mutación PSEN1 (p.T119I), asociada a la Enfermedad de Alzheimer familiar, utilizando técnicas de edición genética y células madre pluripotentes inducidas humanas

Abstract

La enfermedad de Alzheimer (EA) es una patología neurodegenerativa de gran relevancia en la actualidad, debido a su creciente prevalencia y su impacto socioeconómico. La EA está caracterizada por la degeneración progresiva de las células nerviosas, muchas veces de forma concurrente con la aparición de placas de beta-amiloide (Aβ) y ovillos neurofibrilares en el cerebro (ONF). A medida que la población envejece, la prevalencia de la EA continúa en aumento, lo que subraya la urgente necesidad de enfoques innovadores en la investigación y terapia de esta enfermedad neurodegenerativa. La EA posee dos presentaciones: La EA esporádica (EAe) y la familiar (EAf). Esta última se caracteriza por la presencia de mutaciones genéticas específicas que se transmiten de generación en generación dentro de una familia. Estas mutaciones suelen estar alojadas en genes del procesamiento de la proteína precursora amiloide que genera los depósitos de amiloide; APP, PSEN1 y PSEN2. A diferencia de la forma esporádica de la EA, que suele desarrollarse en la edad avanzada, la EA hereditaria puede manifestarse en personas de entre 30 y 50 años. Los síntomas iniciales y la progresión de la enfermedad varían, pero en general, esta forma hereditaria suele tener un inicio más temprano y un curso más rápido, con un deterioro cognitivo más pronunciado. En ese sentido, las células madre pluripotentes inducidas humanas (CMPih) juegan un rol clave en el desarrollo de modelos de neurodegeneración que complementen los ya existentes por su potencialidad de generar modelos derivados de pacientes. Las CMPih son reprogramadas a partir de células adultas mediante la introducción de factores de transcripción específicos y, al ser obtenidas directamente del paciente a estudiar, mantienen casi intacto el contexto genético del mismo. Además, estas células poseen dos características fundamentales: la pluripotencia y la capacidad de autorrenovación. La pluripotencia se refiere a su capacidad para diferenciarse en una amplia gama de tipos celulares. Por otro lado, las CMPih pueden autorrenovarse indefinidamente en el laboratorio, lo que garantiza una fuente constante de células para investigaciones y aplicaciones terapéuticas. Recientemente, en Fleni se reportó una mutación novedosa en el gen de PSEN1 (c. C356T p. T119I) en un paciente con EA de origen temprano. Aún no existe información acerca del rol de esta mutación en la progresión del proceso neurodegenerativo. Nuestra hipótesis de trabajo es que la mutación en sí es causal de la EAf en esta familia. En este trabajo nos propusimos generar modelos para estudiar en profundidad el perfil patogénico causado por esta mutación utilizando CMPih. Para ello, en una primera instancia generamos mediante edición génica utilizando la tecnología CRISPR/Cas9 células HEK293T PSEN1 Knock-Out (KO). Sobre estas células realizamos luego co-transfecciones transitorias con plásmidos de expresión que codifican para APP wild-type (WT) y PSEN1 WT o mutantes (A246E y T119I) y cuantificamos mediante ensayos de ELISA específicos los niveles de Aβ40 y Aβ42 intracelulares. Este experimento dio como resultado que la mutación PSEN1 p.T119I presentó un fenotipo intermedio (menor aumento de la relación Aβ42/Aβ40) al compararlo con una mutación previamente reportada y validada (PSEN1 p.A246E). Luego generamos una línea de CMPih a partir de la reprogramación de fibroblastos dérmicos (FD) de un paciente portador de la mutación PSEN1 c. C357T p. T119I. Con este propósito, primero transducimos los FD del paciente con el vector lentiviral STEMCCA que codifica para los factores de reprogramación de Yamanaka (OCT-4, KLF4, SOX2 y c-MYC) y obtuvimos 3 clones, denominados FFAD1.1c1, FFAD1.2c4 y FFAD1.2c8, los cuales fueron posteriormente validados. Se estudiaron las siguientes características típicas de CMPih: formación de colonias multicelulares compactas con una alta relación núcleo/citoplasma y bordes de colonias marcados, alta actividad de Fosfatasa Alcalina (AP), expresión de marcadores asociados a la troncalidad y la pluripotencia, es decir la capacidad de diferenciarse a tipos celulares de las 3 capas embrionarias (ectodermo, mesodermo y endodermo). Corroboramos además el silenciamiento del casete de expresión STEMCCA, y que se conserve el cariotipo parental de los FD. Además, mediante estudios de filiación por análisis de microsatélites, demostramos que las CMPih reprogramadas y los FD parentales tenían el mismo perfil genético. Una vez seleccionado el clon para seguir trabajando, el FFAD1.2c4, renombrado FFAD1, a partir de ahora la línea de CMPih FFAD1, comenzamos a establecer modelos neuronales en 2 y 3 dimensiones para el estudio de la EA. A partir de este punto, además, se adicionaron 2 como control dos líneas de CMPih, OUWi003-A y UOWi002-A, las cuales fueron generadas desde FD de un paciente con EA portador de la mutación PSEN1 p.A246E y un pariente cercano no portador de la variante y sin EA. Utilizando estas tres líneas se generaron 2 modelos neuronales en 2 dimensiones, uno de neuronas genéricas inmaduras y otro de neuronas corticales, los cuales fueron validados por inmunofluorescencia y RT-qPCR de marcadores neuronales (PAX6, TUJ1, TBR1, TBR2, entre otros). Para facilitar la observación de las placas amiloides, establecimos además un modelo neural en 3 dimensiones (también conocido como organoides cerebrales) el cual fue validado por inmunofluorescencia de marcadores neurales. Luego, cuantificamos los niveles de los péptidos Aβ40 y Aβ42 y Tau fosforilado [pT231] por ELISA en precipitados y sobrenadantes neuronales. Observamos que la línea FFAD1 exhibió un incremento estadísticamente significativo en los niveles de p-Tau [T231] en comparación con las neuronas generadas a partir de la línea OUWi002-A (PSEN1 WT). También, evaluamos los depósitos de Aβ42 y P-tau [pT231] sobre cortes histológicos de los organoides cerebrales y medimos los niveles de Aβ42 y Tau fosforilado [pT231] por ELISA. Los cortes histológicos revelaron que los organoides cerebrales derivados de CMPih de ambas mutaciones en PSEN 1 (p.T119I y p. A246E) mostraron depósitos de placas de Aβ de forma generalizada como así también una disminución en los niveles de péptidos de Aβ42 en los sobrenadantes de los organoides derivados de las líneas de CMPih OUWi003-A (PSEN1 A246E) y FFAD1 (PSEN1 T119I) con respecto a los organoides derivados de la línea control OUWi002-A (PSEN1 WT) y un aumento en la fosforilación en Tau para ambas líneas portadoras de variantes de EA. Por último, realizamos un RNA-seq para encontrar los ARNm diferencialmente expresados en neuronas corticales de la línea de CMPih FFAD1 (PSEN1 T119I) en comparación con las de la línea PSEN1 WT (UOW002i.A). Se analizó el transcriptoma y se identificaron 85 genes diferencialmente expresados, con 34 regulados negativamente y 51 positivamente. Un análisis de ontología génica reveló un enriquecimiento en genes asociados al equilibrio homeostático celular, la membrana plasmática y funciones moleculares como el transporte de sustancias y la homeostasis del hierro. Se seleccionaron 13 genes para validar los resultados mediante RT-qPCR, confirmando las regulaciones observadas en el análisis por RNA-Seq. Al incluir la línea UOW003i-A (PSEN1 A246E), se detectaron ciertos genes (ACP5, NOS3, PROKR2, GPD1, TRPC6, THSD1 y TUBA4A) que compartían un modo de regulación similar con la línea FFAD1, por lo que podrían estar involucrados en mecanismos moleculares comunes asociados a la EA, convirtiéndolos en blancos terapéuticos potencialmente prometedores. En conclusión, los hallazgos de este trabajo respaldan la hipótesis de que la variante PSEN1 (c. C356T p. T119I) posee un rol patogénico en la Enfermedad de Alzheimer de herencia autosómica dominante.