Estudio de la expresión de proteínas relacionadas con la homeostasis del calcio en cardiomiocitos diferenciados a partir de iPSCs derivados de pacientes con ataxia de Friedreich

Abstract

[ES] La ataxia de Friedreich es una enfermedad neurodegenerativa hereditaria recesiva, que es la forma más común de ataxia hereditaria, afectando principalmente el sistema nervioso central y el corazón. Está causada por una expansión del triplete GAA en el intrón 1 del gen FXN (9q21.11), que conduce a la disminución de la expresión de la frataxina, una proteína implicada en la función mitocondrial. La deficiencia de frataxina resulta en una disfunción mitocondrial y en la producción de especies reactivas de oxígeno, provocando estrés oxidativo, daño celular y una alteración de la homeostasis del calcio, especialmente en los tejidos con alta demanda energética como las neuronas y las células cardíacas. Esta acumulación de daño celular desencadena una serie de procesos patológicos que contribuyen a los síntomas característicos de la enfermedad, como la ataxia progresiva, la disartria, la neuropatía periférica y la cardiomiopatía, siendo esta última la causa principal de muerte entre los pacientes.

Estudios recientes han demostrado que los miARN participan en perfiles de expresión genética alterados que desencadenan el desarrollo de enfermedades mitocondriales y la homeostasis redox celular. Se ha confirmado la participación de los miARN en la regulación de los niveles de frataxina y se han propuesto como marcadores de pronóstico tempranos de la enfermedad. Para ello, un estudio previo desarrolló una firma de siete miARN diferencialmente expresados entre pacientes y controles, que fue posteriormente validada por qPCR.

Para este estudio se ha seleccionado genes diana de dos de los miRNAs diferencialmente expresados, hsa-miR-323a-3p y hsa-miR-142-3p, debido a su asociación con alteraciones cardiacas. Se eligieron dianas relacionadas con la homeostasis de calcio, pues la frataxina desempeña un papel importante en el manejo adecuado del calcio (Ca2+), un segundo mensajero fundamental para generar el potencial de acción en neuronas y cardiomiocitos. La deficiencia de frataxina en los cardiomiocitos produce una pérdida de la capacidad de amortiguación de Ca2+ en las mitocondrias que conduce a un aumento de los niveles de Ca2+ en el citosol y una reducción del contenido en el retículo sarcoplásmico (RS).

Se ha elegido como modelo de estudio los cardiomiocitos diferenciados a partir de iPSCs debido la implicación de la disfunción cardiaca en la enfermedad y a la limitada disponibilidad de tejido cardiaco humano.

Así pues, el objetivo de este trabajo es el estudio de la expresión de proteínas relacionadas con la homeostasis del calcio y reguladas por los miRNAs diferencialmente expresados en los cardiomiocitos, con el propósito de profundizar en la comprensión de la enfermedad y potencialmente contribuir al desarrollo de terapias efectivas.

[EN] Friedreich's ataxia is a recessive hereditary neurodegenerative disease, which is the most common form of hereditary ataxia, mainly affecting the central nervous system and the heart. It is caused by an expansion of the GAA triplet in intron 1 of the FXN gene (9q21.11), leading to decreased expression of frataxin, a protein involved in mitochondrial function. Frataxin deficiency results in mitochondrial dysfunction and reactive oxygen species (ROS) production, causing oxidative stress, cellular damage, and alteration of calcium homeostasis, especially in tissues with high energy demand such as neurons and cardiac cells. This cellular damage accumulation triggers a series of pathological processes contributing to the characteristic symptoms of the disease, such as progressive ataxia, dysarthria, peripheral neuropathy, and cardiomyopathy, with the latter being the leading cause of death among patients.

Recent studies have shown that miRNAs are involved in altered gene expression profiles that trigger the development of mitochondrial diseases and cellular redox homeostasis. The involvement of miRNAs in regulating frataxin levels has been confirmed, and they have been proposed as early prognostic markers of the disease. To this end, a previous study developed a signature of seven differentially expressed miRNAs between patients and controls, which was subsequently validated by qPCR.

For this study, target genes of two differentially expressed miRNAs, hsa-miR-323a-3p and hsa-miR-142-3p, were selected due to their association with cardiac alterations. Targets related to calcium homeostasis were chosen because frataxin plays a significant role in proper calcium (Ca2+) management, a fundamental second messenger for generating action potential in neurons and cardiomyocytes. Frataxin deficiency in cardiomyocytes leads to a loss of Ca2+ buffering capacity in mitochondria, resulting in increased cytosolic Ca2+ levels and reduced content in the sarcoplasmic reticulum (SR).

iPSC-derived cardiomyocytes were selected as the study model due to the involvement of cardiac dysfunction in the disease and the limited availability of human cardiac tissue.

Therefore, the aim of this study is to investigate the expression of proteins related to calcium homeostasis and regulated by differentially expressed miRNAs in cardiomyocytes, aiming to deepen the understanding of the disease and potentially contribute to the development of effective therapies.