Estudio del rol de las enzimas SUMO-E3 ligasas PIAS sobre la homeostasis de tau

• Autores: Sokn, María Clara
• Año de publicación: 2022
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Liberman, Ana Clara
• Materia: TAU; SUMOILACION; PIAS; AUTOFAGIA; NEURODEGENERACION; PROTEOSTASIS; TAU; SUMOYLATION; PIAS; AUTOPHAGY; NEURIDEGENERATION; PROTEOSTASIS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La demencia es un síndrome caracterizado por el deterioro crónico, progresivo y severo de las facultades cognitivas. Una de las principales causas de esta condición es la enfermedad de Alzheimer (EA). Dicha enfermedad se caracteriza fundamentalmente por dos marcas histopatológicas en secciones de cerebro post-morten: las placas extracelulares de amiloide beta y los agregados intracelulares de tau hiper-fosforilada. La EA es una de las varias taupatías existentes, es decir, patologías que implican una desregulación de la proteína tau. A nivel celular, las taupatías son neurodegenerativas, ya que generan disminución de la densidad neuronal, y siempre implican acumulación de proteína tau mal plegada. Resulta muy interesante y llamativo que otras proteínas relevantes para procesos que afectan al sistema nervioso central (SNC) experimenten un destino similar al de tau (agregación) independientemente de sus estructuras primarias, secundarias, topografía y localización sub-celular. El hecho de que diversas patologías del SNC sean, en parte, proteinopatías, sugiere que el mantenimiento de la proteostasis y, por ende, las vías de degradación proteica, juegan un rol importante en este contexto. Es por esta razón que parte de la comunidad científica propone tratarlas utilizando drogas cuyos blancos sean sustratos o procesos celulares que puedan estar desregulados simultáneamente en distintas proteinopatías. La autofagia constituye uno de los procesos que ha recibido más atención en ese sentido. Las modificaciones post-traduccionales son transformaciones que, al igual que los mecanismos intrínsecos de degradación proteica, influyen en el mantenimiento de la proteostasis. Una de ellas es la SUMOilación, es decir la adición covalente del pequeño péptido SUMO a una proteína blanco. La maquinaria responsable de orquestar este proceso se compone de diversas enzimas entre las cuales vale mencionar a las E3 ligasas. Éstas catalizan selectivamente la conjugación de SUMO a la proteína blanco, es decir, actúan sobre sustratos específicos. Existen distintas SUMO-E3 ligasas. El conjunto de las enzimas PIAS es uno de las más estudiadas. Varios de los miembros de esta familia promueven la conjugación a SUMO de proteínas claves en el desarrollo de patologías del SNC, modificándoles propiedades tales como la solubilidad, actividad o estabilidad. Teniendo esto en cuenta hipotetizamos que las enzimas PIAS son parte de los factores regulatorios comunes implicados en el desencadenamiento de procesos neurodegenerativos y, por lo tanto, relevantes para tau. Con el objetivo de estudiar el rol de las ligasas PIAS sobre la homeostasis de tau, analizamos la capacidad de cada una de ellas para modular los niveles proteicos de nuestra proteína. Encontramos que PIAS4 aumenta los niveles de tau y fosfo-tau. Este efecto es anulado al mutar el sitio catalítico de la enzima sugiriendo que la SUMOilación está involucrada en el mecanismo de desregulación de tau. No obstante, descubrimos que PIAS4 no promueve la SUMOilación de tau. Asimismo, constatamos que la enzima favorece la acumulación y el aumento del estado de fosforilación de tau salvaje (WT) así como de su mutante de SUMOilación (tau K340R), es decir, PIAS4 no discrimina entre ambas formas de tau. Para estudiar el mecanismo por el cual PIAS4 aumenta la acumulación de tau, nos concentramos en analizar parámetros relacionados a procesos de degradación de proteínas, hipotetizando que la enzima actúa a ese nivel. Luego de demostrar que la autofagia es la principal responsable de la degradación de tau en nuestro modelo, estudiamos la actividad de PIAS4 sobre los marcadores de macroautofagia LC3 y p62. Los resultados obtenidos muestran que la enzima es un inhibidor de esta vía. Por lo tanto, PIAS4 es una proteína clave que controla la degradación de tau y podría ser un blanco importante para el tratamiento o el diagnóstico de taupatías.
Dementia is a syndrome characterized by chronic and progressive cognitive decline that leads to disability and dependence in the elderly. One of the main causes of dementia is Alzheimer's disease (AD). Two major histopathological changes are seen in AD brains: extracellular amyloid plaques and intracellular hyperphosphorylated tau aggregates. The disease is one of several existing tauopathies, related to deregulation of the tau protein. Tauopathies involve accumulation of misfolded tau and are considered neurodegenerative diseases because they reduce neuronal density. Interestingly, other central nervous system (CNS) proteins also aggregate like tau under pathological conditions. However, their primary and secondary structures as well as their topography and subcellular localization differ from tau. Since several CNS pathologies are proteinopathies, the maintenance of proteostasis and, thus, degradation processes play a key role in this context. For this reason, the scientific community proposes to treat these diseases with drugs that target substrates or cellular processes that may be simultaneously deregulated in multiple proteinopathies, such as autophagy. Similar to the degradation machinery, post-translational modifications (PTMs) also play a critical role in protein homeostasis. SUMOylation is a PTM that consists of the covalent binding of the small peptide SUMO to the target protein. The process is orchestrated by several enzymes, including E3 ligases, which enhance efficiency and selectivity of SUMO attachment. The PIAS family proteins are known SUMO E3 ligases. They were described to favor SUMO conjugation to proteins that are deregulated in neurodegenerative diseases, altering their solubility, activity or stability. We hypothesize that these enzymes may be common regulatory factors involved in the development of neurodegenerative processes and thus relevant to tau. Our goal was to analyze the role of the PIAS proteins in tau homeostasis. We studied the role of each member of the family to modulate tau expression and found that PIAS4 increases both total tau and phospho-tau protein levels. Importantly, the catalytically inactive ligase was unable to modulate tau accumulation, suggesting that PIAS4-mediated SUMOylation is involved in the deregulation of tau. However, we discovered that the activity of PIAS4 on tau does not involve direct SUMOylation of tau. Accordingly, the enzyme has similar specificity toward the wild type and the SUMOylation mutant tau (TauK340R). We then focused on understanding the mechanism implicated in PIAS4-mediated tau accumulation. Because the increase in tau levels may be related to altered protein degradation, we performed experiments to analyze these pathways. Having established that autophagy is the major degradation pathway for tau in our model, we studied the role of PIAS4 on the localization and interaction of the macroautophagy markers LC3 and p62. The results obtained so far suggest that the enzyme may be an inhibitor of this pathway. Therefore, PIAS4 could be a key protein controlling tau degradation and a potential target for therapy or diagnosis of tauopathies.
Fil: Sokn, María Clara. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.