Estudio en Drosophila melanogaster del efecto de la reducción y la sobreexpresión de la proteína deficitaria en la ataxia de Friedreich

Abstract

La ataxia de Friedreich (FA) es una enfermedad neurodegenerativa autosómica recesiva con una prevalencia en la población de 1- 4 casos cada 100.000 habitantes. La mutación más común que provoca la ataxia de Friedreich es la expansión de la repetición del microsatélite GAA situado en medio de una secuencia Alu-Sx en el primer intrón del gen FXN. Las repeticiones asociadas a la enfermedad se encuentran en el intervalo desde 70 a más de 1000 repeticiones del triplete. El gen produce una proteína llamada frataxina cuya síntesis se ve comprometida en los pacientes ya que las expansiones del triplete GAA interfieren en la transcripción del gen. La función de la proteína no está del todo clara aunque se conoce que desempeña dicha función en la mitocondria. Así, se barajan varias hipótesis, (1) la frataxina sería una proteína que participaría en el sistema de almacenaje del hierro en la mitocondria; (2) otra posible función que podría desempeñar la frataxina es que actuase como transportador de hierro; (3) como tercera posible función, la frataxina estimularía la actividad de la cadena de transporte de electrones activando la formación de ATP; (4) además se ha descrito que la frataxina actuaría como antioxidante mitocondrial, cuya función sería eliminar los productos oxidativos como son las especies reactivas del oxigeno (ROS); o por último (5) la frataxina actuaría como una proteína chaperona para la formación de los centros Fe-S de proteínas mitocondriales. En este trabajo se ha abordado el estudio de la función del gen fh en Drosophila melanogaster empleando la técnica del ARN de interferencia, así como la confirmación de la localización mitocondrial de la frataxina. El sistema de la ARN de interferencia fue complementado con el uso del sistema UAS-GAL4 que permite la interferencia del gen fh en un patrón concreto. En este caso se han realizado estudios a nivel bioquímico de individuos que interfieren el gen fh de forma ubicua. Además estos estudios se realizaron modificando las condiciones de estrés oxidativo. Los resultados obtenidos apoyan el hecho de que, al menos en nuestro modelo, este factor sería importante en el desarrollo de la enfermedad así como que, en estas condiciones de alto estrés oxidativo y con reducción de la proteína frataxina, la aconitasa sería la enzima más sensible. Por otra parte, se ha comparado el patrón de desarrollo embrionario de individuos que sobreexpresaban el gen fh y que expresan el gen humano FXN. Los tejidos que se han comparado son los más afectados en los pacientes con ataxia de Friedreich, y son el sistema nervioso periférico (SNP), el sistema muscular en el cual se incluye el corazón, así como también el sistema nervioso central (SNC). En este estudio hemos observado que se produce una falta de fusión entre algunos músculos del embrión de Drosophila melanogaster,. Además, se ha observado una gran desestructuración de las fibras nerviosas que forman SNP. Por otra parte, no se ha observado ningún defecto ni en el SNC, que concuerda con los resultados obtenidos con la sobreexpresión del propio gen fh, ni en el corazón, el cual sí se veía afectado en el desarrollo de los individuos que sobreexpresaban el gen fh. A nivel bioquímico, tanto la sobreexpresión del gen fh como la sobreexpresión del gen FXN tienen como resultado la reducción de la actividad de la enzima aconitasa. Estos resultados nos permiten afirmar que las funciones de la frataxina humana y la de Drosophila melanogaster están conservadas, apoyando el uso de este organismo como modelo tanto para el estudio de la función de la frataxina.

Friedreich ataxia (FA), the most common form of hereditary ataxia, is caused by a deficit in the mitochondrial protein frataxin. While several hypotheses have been suggested, frataxin function is not well understood. Oxidative stress has been suggested to play a role in the pathophysiology of FA, but this view has been recently questioned, and its link to frataxin is unclear. We report the use of RNA interference (RNAi) to suppress the Drosophila frataxin gene (fh) expression. This model system parallels the situation in FA patients, namely a moderate systemic reduction of frataxin levels compatible with normal embryonic development. Under these conditions, fh-RNAi flies showed a shortened life span, reduced climbing abilities, and enhanced sensitivity to oxidative stress. Under hyperoxia, fh-RNAi flies also showed a dramatic reduction of aconitase activity that seriously impairs the mitochondrial respiration while the activities of SDH, respiratory complex I and II, and indirectly complex III and IV are normal. Remarkably, frataxin overexpression also induced the oxidative-mediated inactivation of mitochondrial aconitase. This work demonstrates, the essential function of frataxin in protecting aconitase from oxidative stress-dependent inactivation in a multicellular organism. Moreover our data support an important role of oxidative stress in the progression of FA and suggest a tissue-dependent sensitivity to frataxin imbalance. We propose that in FA, the oxidative mediated inactivation of aconitase, which occurs normally during the aging process, is enhanced due to the lack of frataxin. Moreover we carried out studies comparing the development between flies overexpressing fh and flies overexpressing the frataxin human gene FXN. We have seen structural abnormalities in the muscular and nervous systems in flies interfering and overexpressing fh in an ubiquitous way or in a tissue-specific patterns (PNS and heart). Flies expressing human frataxin showed the same abnormalities in the PNS although these defects were stronger than those observed for fly frataxin overxpression. However the heart developed normally in the transgenic flies carrying the FXN gene. Concerning the biochemical studies, we have seen significant reduction of the aconitase activity being similar in all scenarios. Moreover, in all cases flies showed reduction of lifespan and defects in behaviour as climbing.