Microglia en la neurotoxicidad inducida por manganeso: vías de muerte celular y respuesta neuronal

Main Author: Porte Alcon, Soledad
Other Authors: Kotler, Mónica Lidia
Format: Tesis Doctoral
Language: Castellano
Published: Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2018-03-26
Subjects:
Online Access: http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6340_PorteAlcon
http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n6340_PorteAlcon_oai
building UBARDI
institution Repositorio Digital de la Universidad de Buenos Aires (UBA)
id UBARDI--oai:RDI UBA:aextesis:tesis_n6340_PorteAlcon_oai
author Porte Alcon, Soledad
spellingShingle Porte Alcon, Soledad
MANGANESO
MANGANISMO
MICROGLIA
NECROSIS REGULADA
PARTHANATOS
NEUROINFLAMACION
MUERTE NEURONAL
MANGANESE
MANGANISM
MICROGLIA
REGULATED NECROSIS
PARTHANATOS
NEUROINFLAMMATION
NEURONAL DEATH
Microglia en la neurotoxicidad inducida por manganeso: vías de muerte celular y respuesta neuronal
El manganismo es un desorden neurológico originado por exposición crónica al manganeso (Mn) que presenta características clínicas y vías de señales similares a las de la enfermedad de Parkinson Idiopática. Dentro del sistema nervioso central (SNC), el Mn se acumula preferentemente en los ganglios basales, generando una pérdida progresiva de las neuronas dopaminérgicas. A nivel celular, el Mn se acumula en las mitocondrias y los lisosomas, donde genera especies reactivas de oxígeno (ROS) que alteran la integridad de estas organelas. Como resultado final, el Mn activa mecanismos de muerte celular. Las células gliales pueden resultar activadas en respuesta a insultos en el SNC, entre los cuales se encuentra la acumulación de Mn. En particular, la microglia puede producir y liberar altos niveles de especies reactivas del oxígeno y nitrógeno (RNS), y citoquinas proinflamatorias. En este sentido, la neuroinflamación puede exacerbar el daño neuronal. En el contexto del manganismo, la activación de la microglia jugaría un papel importante en la neurotoxicidad inducida por Mn. En el presente trabajo se investigó la activación y vulnerabilidad de la microglia expuesta a Mn, las vías de muerte celular involucradas y el rol de la autofagia en la supervivencia celular. Adicionalmente se estudió el efecto de los factores liberados por la microglia desafiada con Mn sobre la viabilidad de neuronas dopaminérgicas. Los estudios realizados en la línea BV-2 de microglia murina demostraron que la exposición a Mn2+ induce cambios morfológicos, moleculares y funcionales consistentes con la activación microglial. En particular, el Mn2+ promueve la producción de óxido nítrico (NO) y activa la síntesis de las citoquinas pro-inflamatorias TNF-α e IL-1β. En las mismas condiciones, el Mn2+ ejerce un efecto citotóxico mediado, en parte, por la generación de ROS. Se demostró que el Mn2+ actúa sobre distintos blancos celulares, promoviendo la activación de distintas vías relacionadas con la muerte celular: i) genera daño al ADN; ii) induce la permeabilización de la membrana lisosomal conduciendo a la liberación de catepsinas al citosol; iii) actúa sobre la mitocondria desencadenando la liberación de AIF y de citocromo c al citosol. En su conjunto, estos eventos favorecen la ejecución de la necrosis regulada (NR). En particular, se demostró que las vía lisosomal y parthanatos constituyen los principales mecanismos intervinientes en la muerte inducida por Mn2+. Si bien en este contexto las caspasas resultan activadas, no desempeñan un rol en la muerte celular. Además, la exposición a Mn2+ promovió la activación de la autofagia. No obstante, en las condiciones ensayadas, este proceso no cumpliría un rol en la supervivencia celular. Por su parte, los estudios realizados en la línea de neuroblastoma humano SH-SY5Y demuestran que los factores solubles producidos por las células BV-2 expuestas a Mn2+ son citotóxicos, sugiriendo que la microglia activada contribuye a la muerte neuronal inducida por el metal. En conjunto, nuestros resultados demuestran por primera vez que el Mn2+, además de inducir la activación de la microglia, promueve la ejecución de la muerte celular necrótica regulada con la participación de las vías lisosomal y parthanatos. Además, la microglia expuesta al metal produciría factores neurotóxicos que favorecen la muerte de las neuronas. Los hallazgos obtenidos contribuyen al conocimiento de los efectos citotóxicos del Mn, poniendo en evidencia la necesidad de investigar con mayor profundidad la compleja relación que existe entre los mecanismos que desencadenan la activación y la muerte microglial. A su vez, resulta fundamental comprender la interacción glia-neurona durante la progresión del manganismo, con el fin de realizar una propuesta terapéutica que contemple los mecanismos que subyacen a la muerte neuronal.
Manganism is a neurological disorder induced by chronic manganese (Mn) overexposure with symptoms and signaling pathways resembling those of Idiopatic Parkinson’s Disease. In the central nervous system (CNS), Mn preferentially accumulates in the basal ganglia promoting the progressive loss of dopaminergic neurons. At the cellular level, Mn accumulates in mitochondria and lysosomes generating high levels of reactive oxygen species (ROS). This ROS accumulation induces organelle dysfunction leading to cell death. Glial cells become activated in response to several insults in the CNS, including Mn accumulation. Particularly, microglia produce and release pro-inflammatory cytokines and high levels of reactive oxygen and nitrogen species (RNS). Thus, neuroinflammation could exacerbate neuronal damage. In the context of manganism, microglial activation seems to play an important role in manganese-induced neurotoxicity. In the present work, we investigated the activation and vulnerability of microglia exposed to Mn, the cell death pathways involved in cytotoxicity and the role of autophagy in cell survival. Additionally, we studied the effect of Mn-exposed microglia-derived factors on dopaminergic neuron viability. Results obtained employing the murine microglial BV-2 cell line shown that Mn2+ exposure induced morphological, molecular and functional changes consistent with microglial activation. Particularly, Mn2+ promotes nitric oxide production and activates the synthesis of pro-inflammatory cytokines TNF-α and IL-1β. In the same conditions, Mn2+ exerts a cytotoxic effect partially due to ROS generation. We demonstrated that Mn2+ influences different cellular structures promoting the activation of several cell death pathways: i) induces DNA damage; ii) promotes lisosomal membrane permeabilization leading to cathepsins release into the cytosol; iii) acts on mitochondria causing AIF and cytochrome c release. Altogether these events contribute to the execution of regulated necrosis (NR). Particularly, we demonstrated that lysosomal cell death pathway and parthanatos are the main mechanisms involved in Mn2+-induced cytotoxicity. Although caspases are activated in our model, they play a non-apoptotic role. Furthermore, Mn2+ exposure activates autophagy; however, this process is not functional to cell survival. On the other hand, results obtained with the human neuroblastoma SH-SY5Y cell line shown that Mn2+-induced microglia-derived soluble factors are cytotoxic, suggesting that activated microglia contributes to Mn2+-induced neuronal cell death. Taken together, our results demonstrate for the first time that, in addition to induce microglial activation, Mn2+ also promotes the execution of NR in which lysosomal and parthanatos cell death pathways are involved. In addition, we show that microglia exposed to Mn2+ release neurotoxic factors that enhance neuronal cell death. These findings contribute to the knowledge of the mechanisms involved in Mn toxicity. The relevance of understanding both the complex relationship between microglial activation and cell death and glia-neuron interaction in manganism, is highlighted. This comprehension will make it possible to propose novel therapeutic strategies for the treatment of manganism and possibly other associated neurodegenerative diseases.
Fil:Porte Alcon, Soledad. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.
author2 Kotler, Mónica Lidia
topic MANGANESO
MANGANISMO
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NECROSIS REGULADA
PARTHANATOS
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contents El manganismo es un desorden neurológico originado por exposición crónica al manganeso (Mn) que presenta características clínicas y vías de señales similares a las de la enfermedad de Parkinson Idiopática. Dentro del sistema nervioso central (SNC), el Mn se acumula preferentemente en los ganglios basales, generando una pérdida progresiva de las neuronas dopaminérgicas. A nivel celular, el Mn se acumula en las mitocondrias y los lisosomas, donde genera especies reactivas de oxígeno (ROS) que alteran la integridad de estas organelas. Como resultado final, el Mn activa mecanismos de muerte celular. Las células gliales pueden resultar activadas en respuesta a insultos en el SNC, entre los cuales se encuentra la acumulación de Mn. En particular, la microglia puede producir y liberar altos niveles de especies reactivas del oxígeno y nitrógeno (RNS), y citoquinas proinflamatorias. En este sentido, la neuroinflamación puede exacerbar el daño neuronal. En el contexto del manganismo, la activación de la microglia jugaría un papel importante en la neurotoxicidad inducida por Mn. En el presente trabajo se investigó la activación y vulnerabilidad de la microglia expuesta a Mn, las vías de muerte celular involucradas y el rol de la autofagia en la supervivencia celular. Adicionalmente se estudió el efecto de los factores liberados por la microglia desafiada con Mn sobre la viabilidad de neuronas dopaminérgicas. Los estudios realizados en la línea BV-2 de microglia murina demostraron que la exposición a Mn2+ induce cambios morfológicos, moleculares y funcionales consistentes con la activación microglial. En particular, el Mn2+ promueve la producción de óxido nítrico (NO) y activa la síntesis de las citoquinas pro-inflamatorias TNF-α e IL-1β. En las mismas condiciones, el Mn2+ ejerce un efecto citotóxico mediado, en parte, por la generación de ROS. Se demostró que el Mn2+ actúa sobre distintos blancos celulares, promoviendo la activación de distintas vías relacionadas con la muerte celular: i) genera daño al ADN; ii) induce la permeabilización de la membrana lisosomal conduciendo a la liberación de catepsinas al citosol; iii) actúa sobre la mitocondria desencadenando la liberación de AIF y de citocromo c al citosol. En su conjunto, estos eventos favorecen la ejecución de la necrosis regulada (NR). En particular, se demostró que las vía lisosomal y parthanatos constituyen los principales mecanismos intervinientes en la muerte inducida por Mn2+. Si bien en este contexto las caspasas resultan activadas, no desempeñan un rol en la muerte celular. Además, la exposición a Mn2+ promovió la activación de la autofagia. No obstante, en las condiciones ensayadas, este proceso no cumpliría un rol en la supervivencia celular. Por su parte, los estudios realizados en la línea de neuroblastoma humano SH-SY5Y demuestran que los factores solubles producidos por las células BV-2 expuestas a Mn2+ son citotóxicos, sugiriendo que la microglia activada contribuye a la muerte neuronal inducida por el metal. En conjunto, nuestros resultados demuestran por primera vez que el Mn2+, además de inducir la activación de la microglia, promueve la ejecución de la muerte celular necrótica regulada con la participación de las vías lisosomal y parthanatos. Además, la microglia expuesta al metal produciría factores neurotóxicos que favorecen la muerte de las neuronas. Los hallazgos obtenidos contribuyen al conocimiento de los efectos citotóxicos del Mn, poniendo en evidencia la necesidad de investigar con mayor profundidad la compleja relación que existe entre los mecanismos que desencadenan la activación y la muerte microglial. A su vez, resulta fundamental comprender la interacción glia-neurona durante la progresión del manganismo, con el fin de realizar una propuesta terapéutica que contemple los mecanismos que subyacen a la muerte neuronal.
Manganism is a neurological disorder induced by chronic manganese (Mn) overexposure with symptoms and signaling pathways resembling those of Idiopatic Parkinson’s Disease. In the central nervous system (CNS), Mn preferentially accumulates in the basal ganglia promoting the progressive loss of dopaminergic neurons. At the cellular level, Mn accumulates in mitochondria and lysosomes generating high levels of reactive oxygen species (ROS). This ROS accumulation induces organelle dysfunction leading to cell death. Glial cells become activated in response to several insults in the CNS, including Mn accumulation. Particularly, microglia produce and release pro-inflammatory cytokines and high levels of reactive oxygen and nitrogen species (RNS). Thus, neuroinflammation could exacerbate neuronal damage. In the context of manganism, microglial activation seems to play an important role in manganese-induced neurotoxicity. In the present work, we investigated the activation and vulnerability of microglia exposed to Mn, the cell death pathways involved in cytotoxicity and the role of autophagy in cell survival. Additionally, we studied the effect of Mn-exposed microglia-derived factors on dopaminergic neuron viability. Results obtained employing the murine microglial BV-2 cell line shown that Mn2+ exposure induced morphological, molecular and functional changes consistent with microglial activation. Particularly, Mn2+ promotes nitric oxide production and activates the synthesis of pro-inflammatory cytokines TNF-α and IL-1β. In the same conditions, Mn2+ exerts a cytotoxic effect partially due to ROS generation. We demonstrated that Mn2+ influences different cellular structures promoting the activation of several cell death pathways: i) induces DNA damage; ii) promotes lisosomal membrane permeabilization leading to cathepsins release into the cytosol; iii) acts on mitochondria causing AIF and cytochrome c release. Altogether these events contribute to the execution of regulated necrosis (NR). Particularly, we demonstrated that lysosomal cell death pathway and parthanatos are the main mechanisms involved in Mn2+-induced cytotoxicity. Although caspases are activated in our model, they play a non-apoptotic role. Furthermore, Mn2+ exposure activates autophagy; however, this process is not functional to cell survival. On the other hand, results obtained with the human neuroblastoma SH-SY5Y cell line shown that Mn2+-induced microglia-derived soluble factors are cytotoxic, suggesting that activated microglia contributes to Mn2+-induced neuronal cell death. Taken together, our results demonstrate for the first time that, in addition to induce microglial activation, Mn2+ also promotes the execution of NR in which lysosomal and parthanatos cell death pathways are involved. In addition, we show that microglia exposed to Mn2+ release neurotoxic factors that enhance neuronal cell death. These findings contribute to the knowledge of the mechanisms involved in Mn toxicity. The relevance of understanding both the complex relationship between microglial activation and cell death and glia-neuron interaction in manganism, is highlighted. This comprehension will make it possible to propose novel therapeutic strategies for the treatment of manganism and possibly other associated neurodegenerative diseases.
Fil:Porte Alcon, Soledad. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.
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publishDate 2018-03-26
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