El calcio como regulador del potencial sináptico

La función neuronal parte de emitir y recibir señales que se propagan a través de la membrana celular por cambios en la permeabilidad plasmática. Como consecuencia, se desarrolla un potencial eléctrico que se propaga a lo largo de toda la neurona presináptica hasta la liberación de señales químicas en la hendidura o sinapsis, que permiten la transición de la señal hacia las terminales dendríticas de la neurona postsináptica donde se encuentran los receptores de tales señales ¹⁵.

Durante este proceso, la llegada de un potencial de acción al terminal presináptico induce la despolarización de la membrana en esa zona, lo que provoca que se abran los canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje, receptores de N-metil-D-aspartato (NMDAR) y receptores de acetilcolina nicotínicos Alpha 7 (nAChR); generando que la concentración de Ca²⁺ citosólico de las neuronas en reposo, que oscila entre 50 a 300 μM, aumente hasta el orden de μΜ en la zona activa durante algunos microsegundos.

Este incremento súbito es necesario para la sincronización en la liberación de neurotransmisores a la hendidura presináptica. Después, para recuperar el potencial de reposo, es necesario reducir el nivel de Ca²⁺ citosólico de nuevo, para lo cual se requiere la acción de bombas de Ca²⁺ como la bomba Na⁺/Ca²⁺ de la membrana plasmática (NCX) y la ATPasa de C²⁺ de la membrana plasmática (PMCA). Además, es posible secuestrar el exceso del ion en la luz del retículo endoplásmico mediante bombas que utilizan ATP para capturar el Ca²⁺ en estos depósitos intracelulares hasta alcanzar el potencial previo a la liberación (figura 1) ^16,17.

Figura 1 El calcio como regulador del potencial sináptico 

Aun cuando las bombas de Ca²⁺ tienen una baja concentración en las células nerviosas, desempeñan un papel fundamental en su metabolismo y fisiología, controlando procesos que dependen de la amplitud, la frecuencia y la localización subcelular de las señales de Ca^{2+ (17,18}, como la plasticidad neuronal, el impulso nervioso, el envejecimiento neuronal o la apoptosis ¹⁹. Numerosas enfermedades neurológicas, entre ellas la enfermedad de Alzheimer, llevan consigo una alteración de la homeostasis del Ca²⁺ o deficiencias en el funcionamiento de las bombas ¹⁹.

ATPasas transportadoras de Ca²⁺ y su papel en las neuropatías degenerativas

La entrada capacitiva de Ca²⁺ es esencial para la homeostasis del Ca²⁺. Mantiene concentraciones adecuadas y funcionales en el retículo endoplásmico; así, este orgánulo es el principal reservorio de calcio celular, el cual posibilita una señalización sostenida por movilización del ion. La entrada capacitiva de Ca²⁺ se basa en un mecanismo de retroalimentación activado por la disminución del Ca²⁺ en el interior del retículo endoplásmico, la que desencadena su entrada a través de la membrana plasmática ^20-22.

Las moléculas de interacción del estroma y el producto de expresión del gen Orai1, proteína estructural del canal iónico selectivo de calcio activado por la liberación de calcio 1, son los principales actores en la entrada capacitiva de Ca²⁺. Las moléculas de interacción del estroma detectan el contenido de Ca²⁺en el interior del retículo endoplásmico y, cuando disminuye, activa la transcripción de Orai1, lo que se traduce en un canal de calcio operado por depósitos intracelulares en la membrana plasmática. El destino final del Ca²⁺ que entra no es el citosol, sino el retículo endoplásmico, que se rellena muy eficientemente con él ^23,24. La ATPasa de Ca²⁺ del retículo sarcoendoplásmico (SERC-A) es el tercer elemento de la entrada capacitiva de Ca²⁺, al que está estrechamente acoplado. La estrecha proximidad entre los depósitos intracelulares y la SERC-A favorece el rápido bombeo de Ca²⁺ desde los microdominios con abundante Ca²⁺ generados en la boca citoplasmática de los depósitos intracelulares hacia el retículo endoplásmico ²⁵ (figura 1).

Las ATPasas transportadoras de Ca²⁺ presentan una gran afinidad y son responsables del transporte activo del ion a expensas de la hidrólisis de ATP en distintos tipos de membranas celulares. Se han identificado tres familias: la Ca²⁺-ATPasa de retículo sarcoendoplásmico (SERC-A), la Ca²⁺-ATPasa de membrana plasmática (PMCA) y la Ca²⁺-ATPasa de vías secretoras (SPCA), además de otros miembros de la familia especializados en el intercambio de iones H⁺/K⁺, Na⁺/K^{+ (25,26}.

La SERC-A es una proteína anfifílica, integrada en las membranas del retículo sarcoendoplásmico que transporta dos iones Ca²⁺ desde el citoplasma a la luz de esos compartimentos, utilizando la energía de hidrólisis del ATP en presencia de Mg^{2+ (26}. Esta proteína se identificó y purificó por primera vez en retículo sarcoplásmico de músculo esquelético, en donde se encuentra la isoforma SERC-A1; esta constituye el 90 % del total de proteínas de membrana y desempeña un papel muy importante en la contracción o relajación muscular, aunque con el tiempo se han descrito varias otras isoformas en diferentes tejidos ²⁷.

La proteína está constituida por unos 1.000 aminoácidos con un peso molecular de 110 kDa. Presenta los extremos N-terminal y C-terminal hacia el citoplasma (SERC-A1,2a y 3); ocasionalmente, el C-terminal se orienta hacia la luz (SERC-A2b), tiene 10 (SERC-A1,2a y 3) a 11 (SERC-A 2b) dominios transmembranales. Estos dominios transmembranales que también conforman el canal de calcio, presentan una cabeza globular constituida por dos dominios citoplasmáticos, uno de los cuales es el dominio catalítico, donde se encuentra un residuo de ácido aspártico que se fosforila durante la activación y el sitio de unión del ATP (figura 2) ^26-28.

Figura 2 La Ca²⁺-ATPasa de retículo sarcoendoplásmico. A) Representación esquemática de la estructura de SERC-A, que muestra los segmentos transmembranales numerados, el dominio catalítico y los extremos N y C-terminal para las distintas isoformas. B) Modelo tridimensional de la SERC-A1. 

Las isoformas 1, 2 y 3 se producen por tres genes muy conservados localizados en diferentes cromosomas que, además, generan diversidad adicional mediante el procesamiento alternativo de los ARN mensajeros a partir de tres dominios localizados en el extremo COOH-terminal ²⁶. Hasta la fecha, se han identificado hasta 10 isoformas de SERC-A a nivel de proteína con gran especificidad por tejido y por etapa del desarrollo ²⁷.

La isoforma SERC-A1 es específica de adultos, mientras que la forma B es propia de neonatos; ambas difieren en su región C-terminal ²⁸. Son específicas del músculo esquelético de contracción rápida, donde contribuyen al flujo del Ca²⁺ implicado en la contracción o relajación muscular; la SERC-A1a conforma el 90 % de la proteína total en el músculo estriado. Estas variantes son codificadas por el gen ATP2A1 localizado en la región cromosómica 16p12 ²⁹.

Las mutaciones autosómicas recesivas en el gen ATP2A1 se han asociado con la enfermedad de Brody en humanos ³⁰, una miopatía rara y hereditaria caracterizada por un aumento perjudicial de la relajación del músculo esquelético durante el ejercicio, y que produce rigidez y calambres. Llama la atención que la ataxia asociada con la enfermedad de Alzheimer tenga una sintomatología similar.

La SERC-A2b es la principal isoforma del tejido nervioso ³¹, aunque también se localiza en el músculo liso y en tejidos no musculares como la piel. Las mutaciones autosómicas dominantes están asociadas con la enfermedad de Darier en humanos ³², una alteración de la piel caracterizada por la pérdida de adhesión entre las células epidérmicas y una queratinización anormal. En algunas familias con esta enfermedad, se han descrito, además, problemas neuropsiquiátricos como epilepsia, esquizofrenia, trastorno bipolar y depresión ³³.

Llama la atención que los ARNm generados por recombinación alternativa de intrones para la isoforma SERC-A2a, son mucho menos estables que sus contrapartes del tejido muscular, por lo que se asume que el sistema de transporte del calcio es mucho más sensible en el tejido nervioso ³⁴.

Por otro lado, la disminución en la expresión de este canal induce dolor neuropático. La inhibición del canal causa hiperexcitación neuronal, lesión nerviosa, estrés del retículo endoplásmico, activación de las células gliales satélite y alodinia mecánica (dolor debido a estímulos que normalmente no son dolorosos). Por lo anterior, los activadores de SERC-A2b tienen el potencial para el tratamiento del dolor neuropático.

Lo más importante de esta propuesta es que la sobreexpresión de SERC- A-2b después de lesiones por constricción crónica, produce un alivio a largo plazo de la alodinia mecánica y térmica, acompañado de restauración morfológica y funcional del tejido nervioso mediante el alivio del estrés del retículo endoplásmico ³⁵; por ello, su uso en la enfermedad de Alzheimer permitiría la recuperación neurológica funcional, al menos parcialmente.

Estrategia terapéutica para la enfermedad de Alzheimer basada en la regulación de SERC-A

La disminución de la concentración de Ca²⁺ en el retículo endoplásmico se ha establecido como una de las principales causas de la apoptosis inducida por el estrés del retículo endoplásmico ³⁶. Aunque hay varios datos que muestran que la Aβ afecta a la homeostasis del Ca²⁺, los datos emergentes sugieren que los depósitos de Ca²⁺ del retículo endoplásmico están significativamente implicados en la producción de Aβ y en la fosforilación de tau durante la enfermedad de Alzheimer.

Infortunadamente, hasta el momento no hay cura para la enfermedad de Alzheimer. Los únicos tratamientos aprobados son los moduladores de neurotransmisores, que consisten en inhibidores de la colinesterasa, y el antagonista de los receptores de N-metil-D-aspartato, la memantina. Aunque estos tratamientos se dirigen a los síntomas de la enfermedad de Alzheimer y pueden proporcionar cierto alivio y comodidad a los pacientes, no detienen la progresión de la enfermedad en sí. La única característica que se ha correlacionado sistemáticamente con la progresión de la demencia es la pérdida de neuronas en los cerebros de los pacientes con la enfermedad de Alzheimer ³⁷.

De hecho, los cerebros de las personas con enfermedad de Alzheimer muestran un recuento de neuronas tres veces menor en el hipocampo, en comparación con los cerebros de quienes no presentan esta alteración antes de los cincuenta años ³⁸.

Por lo tanto, existe una clara necesidad de tratamientos que puedan dirigirse a este mecanismo de progresión de la enfermedad de Alzheimer. Recientemente, se ha informado sobre la capacidad del activador alostérico de SERC-A, CDN1163, para aliviar la acinesia parkinsoniana en ratas ³⁹, y se reporta una eficacia convincente en el modelo de ratón transgénico para el precursor de la proteína amiloide y para la presenilina-1 (APP/PS1), con enfermedad de Alzheimer ⁴⁰. Ambas proteínas se encuentran implicadas en la secreción del complejo gamma y la producción de Aβ en respuesta al estrés del retículo endoplásmico que, además, induce una reacción inflamatoria relacionada con la patogénesis de varias enfermedades ⁴¹. Recientemente, la administración de terapia génica a la SERC-A ha aliviado el estrés del retículo endoplásmico en varios modelos animales ^42,43.

El mencionado estrés induce la modificación del plegamiento de varias proteínas que implica tanto reacciones inmediatas en los patrones de fosforilación celular, así como como cambios posteriores en la expresión de cientos de genes diana ⁴⁴. El propósito de estos efectos adaptativos es restaurar la homeostasis celular o, al menos, intentarlo. Sin embargo, si el estrés provocado es prolongado, la modificación del plegamiento de varias proteínas puede desencadenar el programa de muerte celular apoptótica dentro de la célula que, en el caso de las neuronas, antecede incluso a la acumulación de Aβ y está directamente relacionado con la señalización proinflamatoria ^45,46. En todo caso, la vía afectada se inicia con SERC-A y termina con dos vías de muerte neuronal.

El aumento de la actividad de la SERC-A mantiene el calcio del retículo endoplásmico y, por tanto, su función, a pesar de los factores de estrés. Además, la activación de la SERC-A puede secuestrar más Ca²⁺ citosólico y evitar la apoptosis inducida por la señalización mitocondrial. Todos estos factores apuntan a que la activación farmacológica de la SERC-A tendrá un impacto significativo en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer ⁴².

Esto ya ha sido probado en líneas celulares CSM14.1, obtenidas a partir de neuronas progenitoras estriatales de ratas previamente tratadas con tapsigargina, un inductor conocido de estrés del retículo endoplásmico que descarga los depósitos de la luz en el retículo endoplásmico por inhibición específica de SERC-A ⁴⁷. Un pretratamiento con el compuesto de quinolina-amida CDN11163, fármaco inductor de la actividad de SERC-A, demostró la capacidad de rescatar las células del proceso apoptótico al reiniciar la función de la ATPasa.

Este resultado se ha obtenido también en células HEK, HeLa y BMGK expuestas a tapsigargina y peróxido de hidrógeno, como inductores de estrés del retículo endoplásmico cuando se usa CDN1163 ^47-49. De igual manera, al proporcionar el fármaco a ratas mutantes de SERC-A, que en un principio aceleraron la pérdida de Ca²⁺ por excitotoxicidad inducida por glutamato (un neurotransmisor estimulante de los canales NMDA), se logró atenuar el estrés del retículo endoplásmico por agotamiento del ion ⁵⁰. Por tanto, la estrategia terapéutica es clara: la activación de la SERC-A con CDN1163 o similares rellenará las reservas de Ca²⁺, aliviando el estrés del retículo endoplásmico, y rescatará eficazmente a las neuronas lesionadas de la apoptosis.

Conclusión

El estrés ocasionado por una desregulación de los niveles de Ca²⁺ en el retículo endoplásmico de las neuronas, ocasiona su apoptosis, por lo cual es un factor determinante asociado con la enfermedad de Alzheimer. Por lo tanto, la estimulación de la ATPasa dependiente de Ca²⁺ del retículo sarcoendoplásmico (SERC-A), podría ser un posible blanco terapéutico en dicha enfermedad, al reducir los niveles de Ca²⁺ en el citosol de las neuronas del hipocampo.