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Publicação
The Role of Beclin-1 deacetylation on autophagic flux in Alzheimer’s Disease
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Autores
Resumo(s)
Alzheimer’s disease (AD) is a devastating neurodegenerative disorder, characterized by neuronal loss and gradual cognitive impairment, a serious public health problem, affecting more than 30 million people worldwide. The presence of two well-known abnormal protein aggregates in cerebral cortex and hippocampus characterize AD pathologically: senile plaques in specific areas of the brain, extracellular, and composed of insoluble A peptides; and neurofibrillary tangles, intracellular aggregates, mostly consisted by hyperphosphorylated Tau, a microtubule-associated protein localized in axons. Several authors have described for decades that protein aggregation process can induce toxicity for neurons causing synaptic dysfunction, neuroinflammation and oxidative stress. One major aspect of AD pathology, that is observed in both humans and mouse models of the disease is the accumulation of senile plaques, containing A peptides, leading to a neuronal dysfunction and cell death. Neuronal cell survival depends on a health and effective mitochondrial quality control, but also a balance between autophagic and lysosomal pathways. Data has demonstrated the crucial role of both macroautophagy (referred to here as autophagy) and lysosomal pathways in maintaining cellular homeostasis, as well in neuronal survival, degrading and decreasing the amount of misfolded proteins and impaired organelles, like that preventing the accumulation of toxic protein aggregates. Beclin-1 is a protein involved in several biological functions so relevant in several human diseases, such as heart disease, pathogen infection, development and neurodegenerative disorders. However, as one of the main proteins responsible of autophagy regulation, it has been shown that Beclin-1 levels are reduced in AD patient’s brain. For several years, a lot of research has been focused on a family of protein deacetylases, Sirtuins (SIRTs), and its crucial role in a variety of cellular biological systems, including neuroinflammation, melanocortin system, energy balance, the ubiquitin-proteasome system; and central nervous system regulation. SIRT1’s activity can influence autophagic pathway, acting on components of the autophagic machinery. Despite of this, it has not been described in neuronal cells the effect of SIRT1 on deacetylation of Beclin-1, which can result in deregulation of the autophagic pathway. Autophagy impairment plays a key role in sporadic Alzheimer’s disease (sAD) neurodegenerative process. Nevertheless, the mechanism(s) that lead to a deficiency in autophagy in AD remains elusive. In this work we identify, for the first time, that Beclin-1 acetylation status is responsible for autophagosomes maturation and is implicated in the alterations in autophagy observed in AD neurodegeneration. We observed that Beclin-1 is deacetylated by SIRT1 and acetylated by p300. In addition, Beclin-1 acetylation inhibits autophagosomes maturation, leading to impairment in autophagic flux. We also analyzed some proteins, known to be involved in the maturation of autophagosomes, such as Rab 7 that
ABSTRACT
vi
participates in the fusion step with lysosomes. We observed that an overexpression of Rab 7 and the formation of large perinuclear lysosome clusters are in accordance with an increase in lysosomal biogenesis determined by an increase in LAMP-2A and Cathepsin D expression in sAD cells. Thus, our data provide strong evidence that Beclin-1 acetylation impairs the autophagic flux and despite lysosomal biogenesis is triggered as a compensatory response, autophagosome fusion with lysosomes is compromised contributing to AD neurodegeneration.
A doença de Alzheimer (DA) é um distúrbio neurodegenerativo devastador, caracterizado por uma perda de neurónios e por um comprometimento gradual cognitivo, um grave problema de saúde pública, afetando mais de 30 milhões de pessoas em todo o mundo. A acumulação não normal de duas proteínas específicas no córtex cerebral e no hipocampo, caracteriza a DA patologicamente: as placas senis em áreas específicas do cérebro, depósitos extracelulares, e constituídos por peptídeos de -amilóide insolúveis; e as tranças neurofibrilares, agregados intracelulares, constituídos principalmente pela Tau hiperfosforilada, uma proteína associada aos microtúbulos, localizada nos axónios. Por várias décadas, diversos autores têm descrito que o processo de acumulação proteica, pode induzir toxicidade aos neurónios, levando a uma disfunção sináptica, a uma neuroinflamação e a um estresse oxidativo. Uma das características mais importantes da patologia DA observada quer em humanos, quer em modelos de ratinho que apresentam a doença, é a acumulação das placas senis, as quais contêm peptídeos ricos em proteína -amilóide, levando a uma disfunção neuronal e morte celular. A sobrevivência neuronal, depende tanto de um ótimo bem-estar e de um controlo efetivo de qualidade a nível mitocondrial, mas também de um equilíbrio entre as vias autofágica e lisossomal. Dados científicos têm demonstrado o papel fundamental de ambas as vias, a via da macroautofagia (designada aqui como autofagia) e a via lisossomal, na manutenção da homeostasia celular, bem como na sobrevivência neuronal, na degradação e diminuição da quantidade de proteínas disfuncionais e organelos deficientes, prevenindo assim a acumulação de agregados proteicos tóxicos. A Beclin-1 é uma proteína envolvida em várias funções biológicas e importante em diferentes patologias, como por exemplo, nas doenças cardíacas, na infeção por patógenos, no desenvolvimento e na neurodegeneração. No entanto, como uma das principais proteínas responsáveis pela regulação da via autofágica, foi demonstrado que os níveis de Beclin-1 estão reduzidos em cérebros de doentes com DA. Durante vários anos, a ciência focou-se numa família de proteínas de deacetilase de histonas, as Sirtuínas (SIRTs), e no seu papel de muito importância em diversos processos biológicos e celulares, incluindo na neuroinflamação, no sistema de melanocortina e no balanço energético, e no sistema proteossómico; e na regulação do sistema nervoso central. A atividade da SIRT1 pode influenciar o processo autofágico, atuando sobre os seus componentes presentes na maquinaria autofágica. No entanto, ainda não foi descrito o seu efeito de deacetilação na Beclin-1, em neurónios, podendo levar a um comprometimento do próprio processo autofágico. Um comprometimento por parte da autofagia vai desempenhar um papel crucial no processo neurodegenerativo da doença de Alzheimer do tipo esporádico (DAs). Contudo, o (s) mecanismo (s) responsável (eis) pela incapacidade da via autofágica na DA permanece inconclusivo. Neste trabalho identificámos, pela viii RESUMO primeira vez que o estado de acetilação da Beclin-1 é responsável pela maturação dos autofagossomas, e que está implícito nas alterações da via autofágica observada na neurodegeneração da DA. Verificámos que a Beclin-1 é deacetilada pela SIRT1 e acetilada pela p300. Para além disso, a acetilação da Beclin-1 inibe a maturação dos autofagossomas, levando a um comprometimento do fluxo autofágico. Também analisámos algumas proteínas, bastante conhecidas por estarem envolvidas na maturação dos autofagossomas, tais como a Rab7, a qual participa na etapa de fusão com os lisossomas. Observámos que uma sobre-expressão da Rab7 e a formação de grandes aglomerados lisossomais perinucleares estão de acordo com um aumento da biogénese lisossomal, determinada por um aumento na expressão de LAMP-2A e da Cathepsin D em células com DAs. Assim, os nossos resultados mostram fortes evidências de que a acetilação da Beclin-1 compromete o fluxo autofágico e, apesar da biogénese lisossomal ser desencadeada como uma resposta compensatória, a fusão dos autofagossomas com os lisossomas é prejudicada, contribuindo para a neurodegeneração da DA.
A doença de Alzheimer (DA) é um distúrbio neurodegenerativo devastador, caracterizado por uma perda de neurónios e por um comprometimento gradual cognitivo, um grave problema de saúde pública, afetando mais de 30 milhões de pessoas em todo o mundo. A acumulação não normal de duas proteínas específicas no córtex cerebral e no hipocampo, caracteriza a DA patologicamente: as placas senis em áreas específicas do cérebro, depósitos extracelulares, e constituídos por peptídeos de -amilóide insolúveis; e as tranças neurofibrilares, agregados intracelulares, constituídos principalmente pela Tau hiperfosforilada, uma proteína associada aos microtúbulos, localizada nos axónios. Por várias décadas, diversos autores têm descrito que o processo de acumulação proteica, pode induzir toxicidade aos neurónios, levando a uma disfunção sináptica, a uma neuroinflamação e a um estresse oxidativo. Uma das características mais importantes da patologia DA observada quer em humanos, quer em modelos de ratinho que apresentam a doença, é a acumulação das placas senis, as quais contêm peptídeos ricos em proteína -amilóide, levando a uma disfunção neuronal e morte celular. A sobrevivência neuronal, depende tanto de um ótimo bem-estar e de um controlo efetivo de qualidade a nível mitocondrial, mas também de um equilíbrio entre as vias autofágica e lisossomal. Dados científicos têm demonstrado o papel fundamental de ambas as vias, a via da macroautofagia (designada aqui como autofagia) e a via lisossomal, na manutenção da homeostasia celular, bem como na sobrevivência neuronal, na degradação e diminuição da quantidade de proteínas disfuncionais e organelos deficientes, prevenindo assim a acumulação de agregados proteicos tóxicos. A Beclin-1 é uma proteína envolvida em várias funções biológicas e importante em diferentes patologias, como por exemplo, nas doenças cardíacas, na infeção por patógenos, no desenvolvimento e na neurodegeneração. No entanto, como uma das principais proteínas responsáveis pela regulação da via autofágica, foi demonstrado que os níveis de Beclin-1 estão reduzidos em cérebros de doentes com DA. Durante vários anos, a ciência focou-se numa família de proteínas de deacetilase de histonas, as Sirtuínas (SIRTs), e no seu papel de muito importância em diversos processos biológicos e celulares, incluindo na neuroinflamação, no sistema de melanocortina e no balanço energético, e no sistema proteossómico; e na regulação do sistema nervoso central. A atividade da SIRT1 pode influenciar o processo autofágico, atuando sobre os seus componentes presentes na maquinaria autofágica. No entanto, ainda não foi descrito o seu efeito de deacetilação na Beclin-1, em neurónios, podendo levar a um comprometimento do próprio processo autofágico. Um comprometimento por parte da autofagia vai desempenhar um papel crucial no processo neurodegenerativo da doença de Alzheimer do tipo esporádico (DAs). Contudo, o (s) mecanismo (s) responsável (eis) pela incapacidade da via autofágica na DA permanece inconclusivo. Neste trabalho identificámos, pela viii RESUMO primeira vez que o estado de acetilação da Beclin-1 é responsável pela maturação dos autofagossomas, e que está implícito nas alterações da via autofágica observada na neurodegeneração da DA. Verificámos que a Beclin-1 é deacetilada pela SIRT1 e acetilada pela p300. Para além disso, a acetilação da Beclin-1 inibe a maturação dos autofagossomas, levando a um comprometimento do fluxo autofágico. Também analisámos algumas proteínas, bastante conhecidas por estarem envolvidas na maturação dos autofagossomas, tais como a Rab7, a qual participa na etapa de fusão com os lisossomas. Observámos que uma sobre-expressão da Rab7 e a formação de grandes aglomerados lisossomais perinucleares estão de acordo com um aumento da biogénese lisossomal, determinada por um aumento na expressão de LAMP-2A e da Cathepsin D em células com DAs. Assim, os nossos resultados mostram fortes evidências de que a acetilação da Beclin-1 compromete o fluxo autofágico e, apesar da biogénese lisossomal ser desencadeada como uma resposta compensatória, a fusão dos autofagossomas com os lisossomas é prejudicada, contribuindo para a neurodegeneração da DA.
Descrição
Tese de mestrado, Ciências Biofarmacêuticas, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2018
Palavras-chave
Alzheimer’s disease Autophagic-Lysosomal Dysfunction Beclin-1 SIRT1 and Deacetylation Teses de mestrado - 2018