Activación y modulación alostérica de receptores α7 homoméricos y heteroméricos - Nielsen, Beatriz Elizabeth (2020)
La acetilcolina ejerce un rol preponderante como neuromodulador en el sistema nervioso central, principalmente a nivel de los circuitos neuronales asociados a cognición, memoria, aprendizaje, atención, recompensa y procesamiento de la información sensorial, modificando su respuesta frente a estímulos internos y externos. La señalización colinérgica ocurre tanto por mecanismos de transmisión sináptica como extrasináptica, siendo estos últimos los principales involucrados en la modulación de la excitabilidad neuronal, la liberación presináptica de neurotransmisores, la plasticidad neuronal y la activación coordinada de distintos grupos de neuronas en el encéfalo. El efecto neuromodulador de la acetilcolina depende no sólo de su sitio de liberación y de la población neuronal blanco, sino también de los receptores a través de los cuales actúa. Por lo tanto, los receptores nicotínicos ionotrópicos constituyen una pieza clave en el sistema colinérgico del encéfalo. Estos son canales iónicos pentaméricos activados por ligando que forman parte de la familia de receptores Cys-loop. Son permeables a cationes y pueden estar formados por cinco subunidades idénticas o por combinaciones de subunidades diferentes, dando lugar a receptores homoméricos o heteroméricos respectivamente. Cada subtipo de receptor nicotínico presenta una estequiometría definida, es decir, una composición y un arreglo espacial de subunidades particular, responsable de las propiedades biofísicas, farmacológicas y funcionales del canal, que se encuentran íntimamente asociadas a su rol fisiológico diferencial. Una de las subunidades de receptor nicotínico más abundantes en el sistema nervioso central es α7, tradicionalmente reconocida por su capacidad para formar receptores homoméricos de origen evolutivo más ancestral. Sin embargo, evidencias recientes demostraron que también posee la habilidad de coensamblarse con otras subunidades para generar receptores heteroméricos, tales como el novedoso subtipo α7β2. Numerosos desórdenes neurológicos, psiquiátricos, inflamatorios y neurodegenerativos se presentan acompañados de una deficiente señalización colinérgica, por lo que estos receptores nicotínicos conformados por subunidades α7 constituyen un promisorio blanco terapéutico. En el presente trabajo de tesis se descifraron las bases moleculares de la activación y modulación de los receptores nicotínicos α7 homoméricos y heteroméricos, utilizando principalmente técnicas electrofisiológicas, con el fin de comprender el impacto diferencial de ambos subtipos en la señalización colinérgica del sistema nervioso central. El capítulo I fue dividido en tres partes y se centró en el estudio de la función molecular del receptor α7 homomérico a nivel macroscópico y microscópico. Este receptor exhibe propiedades cinéticas y farmacológicas particulares que lo tornan óptimo en la mediación de procesos de transmisión extrasinápticos, incluyendo su elevada permeabilidad a los iones calcio y su capacidad para transformar respuestas ionotrópicas transitorias en eventos de señalización metabotrópica sostenidos. En la parte I se analizaron los mecanismos moleculares de activación y modulación del receptor α7 homomérico. En presencia de acetilcolina el receptor se activó y desensibilizó con una cinética rápida, evocando mayoritariamente aperturas aisladas breves. Por el contrario, la activación alostérica presentó un mecanismo molecular radicalmente diferente, con un enlentecimiento de la cinética de desensibilización, que permitió la prolongación de las aperturas individuales y su agrupación en episodios de activación sostenidos de muy larga duración. Asimismo, se evaluó la potenciación por compuestos prototipo previamente reportados como moduladores alostéricos positivos (PAMs), clasificados como tipo I o II en base a sus efectos a nivel de corrientes macroscópicas. Si bien ambos incrementaron el pico de la corriente, los PAMs tipo I produjeron mínimos o nulos cambios en la velocidad de desensibilización del receptor, mientras que los PAMs tipo II disminuyeron dicha velocidad notoriamente e incrementaron la reactivación de receptores desde el estado desensibilizado. Para descifrar el origen molecular de dichos efectos se exploró la potenciación a nivel de corrientes unitarias. Se demostró que los PAMs no afectaron la amplitud máxima del canal, incrementaron el tiempo de estado abierto e indujeron la aparición de episodios de activación sostenidos, modificando así la cinética del receptor en los dos casos. Mientras que los PAMs tipo I promovieron episodios de activación con una duración moderada denominados bursts, los PAMs tipo II generaron clusters de muy larga duración, conformados por varios bursts agrupados. La potenciación por ambos tipos de PAMs también fue diferencialmente afectada por la temperatura, siendo los PAMs tipo II los más sensibles, con una actividad potenciadora significativamente menor a temperatura fisiológica en comparación con el accionar a temperatura ambiente. Esta información resulta muy relevante dado que usualmente la caracterización de los PAMs in vitro es llevada a cabo a temperatura ambiente, pero para su potencial uso terapéutico es indispensable el conocimiento de sus efectos a temperaturas fisiológicas. Además, se comprobó que los determinantes estructurales transmembrana influyen en la potenciación por los dos tipos de PAMs, principalmente en los PAMs tipo II, mientras que los PAMs tipo I resultan menos sensibles. Sin embargo, también se identificaron algunos PAMs tipo I notablemente influenciados por los determinantes transmembrana, con un comportamiento intermedio, más semejante al de los PAMs tipo II. En conjunto, estos resultados aportan información esencial para la implementación de agonistas y PAMs de α7 como agentes terapéuticos en desórdenes donde exista una señalización colinérgica deficiente. En la parte II se reveló una conexión entre los efectos benéficos comunes ejercidos por los flavonoides y el receptor α7 homomérico en el sistema nervioso central, ya que estos compuestos naturales presentaron actividad α7-PAM. Se evaluaron prototipos de las tres principales clases de flavonoides: genisteína, quercetina y 5,7-dihidroxi-4-fenilcumarina como neoflavonoide. Se demostró que todos ellos potenciaron las corrientes macroscópicas y microscópicas evocadas por la acetilcolina y no recuperaron receptores desde el estado desensibilizado. Dicha caracterización funcional permitió clasificarlos como PAMs tipo I. Utilizando receptores α7 mutantes y quiméricos se comprobó que los flavonoides comparten determinantes estructurales de potenciación transmembrana con otros PAMs. Estos compuestos polifenólicos no sólo aumentaron la respuesta ionotrópica del receptor α7, sino también la metabotrópica. Se verificó que los mismos potenciaron la disminución de la generación de especies reactivas de oxígeno intracelulares ejercida por la activación de α7, en forma independiente de su efecto antioxidante intrínseco. Tanto es así que la actividad α7-PAM de los flavonoides se propone como un mecanismo adicional por el cual estos compuestos naturales ejercerían su acción antioxidante y su efecto neuroprotector mediado por receptor. En la parte III se sintetizó una novedosa serie de compuestos sintéticos derivados de 1,2,3-triazol 1,4-disustituidos con grupos arilo y fosfonato, que presentaron actividad α7-PAM. El compuesto de mayor eficacia fue el derivado funcionalizado con el grupo fosfonato de metilo, el cual se comportó como PAM tipo I, potenciando las corrientes macroscópicas y microscópicas evocadas por la acetilcolina de forma compatible con su clasificación. La potenciación por este compuesto fue influenciada por los determinantes estructurales transmembrana, compartidos también por los PAMs tipo II. Además, se aplicaron diversas estrategias de relación estructura-actividad para obtener derivados más eficaces, como modificaciones en la longitud de las cadenas carbonadas, variación del grupo aromático e inversión de la geometría del triazol. Esta última fue la única que permitió conservar el accionar α7-PAM del derivado con fosfonato de metilo. Por lo tanto, estos hallazgos permiten proponer a este compuesto como un novedoso farmacóforo de interés, que no sólo exhibe actividad potenciadora por sí mismo, sino que también resulta útil como plataforma para el desarrollo de nuevos agentes potencialmente terapéuticos. El capítulo II se centró en el estudio de la función molecular del receptor α7 heteromérico, particularmente del receptor α7β2, cuya presencia ha sido confirmada en cerebro anterior basal, corteza e hipocampo. Para descifrar el impacto de la incorporación de subunidades β2 en el pentámero de subunidades α7, se generaron receptores con estequiometrías definidas y controladas mediante dos estrategias: la tecnología de concatámeros y la técnica de electrical fingerprinting, que utilizan subunidades covalentemente unidas y no enlazadas respectivamente. Se determinó que las estequiometrías conteniendo una, dos y tres subunidades β2 dieron lugar a receptores α7β2 funcionales. En relación a la activación ortostérica, a medida que el número de subunidades β2 aumentó en el arreglo pentamérico, la amplitud y la conductancia unitaria permanecieron constantes, mientras que la duración de las aperturas y de los episodios de activación sostenidos se prolongaron significativamente, debido a una disminución en la velocidad de desensibilización. La activación en episodios sostenidos o bursts constituyó la marca o huella cinética distintiva del receptor heteromérico α7β2 con respecto al receptor α7 homomérico. Además, la subunidad β2 no aportó su cara complementaria al sitio ortostérico de unión, sino que la activación eficaz por acetilcolina ocurrió únicamente a través de interfaces α7/α7. En relación a los PAMs, originalmente desarrollados como selectivos para el receptor α7 homomérico, se observó que también ejercieron modulación alostérica positiva sobre el receptor α7β2 heteromérico, pero de forma diferencial. Los PAMs tipo I fueron más selectivos para el receptor homomérico, ya que su actividad potenciadora disminuyó con la presencia de subunidades β2 en el pentámero hasta ser prácticamente nula. En cambio, los PAMs tipo II no resultaron selectivos, dado que potenciaron por igual a los receptores α7 homoméricos y heteroméricos, enmascarando sus diferencias cinéticas intrínsecas. Lo mismo ocurrió con la activación alostérica por agonistas alostéricos, que además poseen la capacidad de actuar como PAMs tipo II. Por lo tanto, este estudio constituye la primera caracterización a nivel de canal único de receptores α7 heteroméricos, demostrando las posibles estequiometrías que dan origen a receptores funcionales y la huella cinética de cada uno. Estos resultados contribuyen al entendimiento del rol distintivo de este nuevo receptor y a su identificación funcional en sistemas nativos, ya que por el momento no existen ligandos selectivos. Además, dado que los PAMs de α7 también potenciaron a α7β2, se propone a la selectividad diferencial como un parámetro importante a considerar para el diseño y desarrollo de moduladores más específicos. También se generaron receptores heteroméricos α7β4 con estequiometrías definidas, para comparar el impacto diferencial de la presencia de distintas subunidades β en el arreglo pentamérico. Las estequiometrías conteniendo una y dos subunidades β4 dieron lugar a receptores α7β4 funcionales. En la activación ortostérica de los mismos por acetilcolina, se observó que a mayor número de subunidades β4 en el pentámero la amplitud de las corrientes unitarias aumenta, a diferencia de lo ocurrido con β2; mientras que las duraciones de las aperturas y de los episodios de activación se incrementan de forma similar a lo ocurrido con β2, pero más notoriamente, con una alta frecuencia. De este modo, la funcionalidad de los receptores α7β4 en el sistema de expresión heterólogo empleado, junto con otras evidencias experimentales, sustentan la potencial existencia de otros receptores α7 heteroméricos in vivo, además del subtipo α7β2 ya identificado en el sistema nervioso central.En conjunto, el presente trabajo de tesis permitió descifrar los mecanismos moleculares de activación y modulación alostérica de los receptores homoméricos α7 y heteroméricos α7β2, los cuales exhibieron propiedades y perfiles funcionales particulares. Esto sugiere que ambos subtipos de receptores α7 podrían actuar in vivo a distinta escala temporal, pero con un patrón espacial compartido en algunas áreas del sistema de neuromodulación colinérgico, ejerciendo un impacto diferencial en los circuitos neuronales asociados a cognición y memoria. La información aportada contribuye entonces no sólo a la dilucidación del rol fisiológico distintivo de los receptores α7 homoméricos y heteroméricos con sus respectivas implicancias fisiopatológicas, sino también al diseño, desarrollo y optimización de nuevos agentes terapéuticos más selectivos.