Papel de la autofagia y su regulación por mTOR en los mecanismos moleculares implicados en la plasticidad sináptica en el consumo de alcohol durante la adolescencia

Abstract

[ES] La adolescencia es un período de maduración del cerebro, en el que tienen lugar cambios plásticos y dinámicos, que hacen que el cerebro adolescente se especialice para llevar a cabo funciones superiores. Algunas áreas en las que se producen estos cambios estructurales son el hipocampo y la corteza prefrontal. La correcta maduración del cerebro es importante para llevar a cabo funciones como la memoria y el aprendizaje. Diferentes estudios demuestran la implicación de la autofagia en los procesos de maduración sináptica. La autofagia es un mecanismo celular que elimina material residual o componentes no funcionales y, su principal regulador es mTOR (mammalian target of rapamycin). En el sistema nervioso central, la autofagia es importante para el mantenimiento de las funciones neuronales y, las alteraciones en este proceso participan en enfermedades neurodegenerativas e inflamatorias. Inhibidores de mTOR, como la rapamicina, se han utilizado como tratamiento puesto que disminuyen la inflamación y la progresión de la enfermedad. El alcohol es un compuesto neurotóxico y, se ha demostrado que su abuso durante la adolescencia produce neuroinflamación, alteraciones sinápticas y de mielina, daño neural y, cambios en la memoria y aprendizaje. Hay que destacar, que la autofagia tiene lugar en diferentes regiones cerebrales (ej. corteza prefrontal, hipocampo), donde participa durante la remodelación cerebral hasta llegar al cerebro adulto (Pascual et al.,2019). Estudios del laboratorio de Patología Celular del CIPF han sido pioneros en demostrar que el abuso de alcohol en forma de atracón o “binge drinking” durante la adolescencia altera los procesos de autofagia que se asocian con cambios en los niveles de proteínas sinápticas estructurales excitatorias, como PSD-95 y SHANK3 (Montesinos et al.,2018). Considerando la participación de la autofagia en la plasticidad sináptica y el papel del factor de transcripción CREB (cAMP-responsive element-binding protein) en mecanismos implicados en procesos cognitivos, la hipótesis de este trabajo es evaluar si el abuso de alcohol durante la adolescencia altera la vía de CREB y, si estos efectos están mediados a través de mTOR. Metodología: se usaron ratones adolescentes hembras y machos tratados con o sin alcohol en presencia o ausencia del inhibidor de mTOR, rapamicina, administrado previamente a la dosis de alcohol. El etanol (3g/kg) se administra intraperitonealmente a ratones de 30 días de edad durante 2 días consecutivos seguidos de 2 días de descanso durante 14 días. En estos animales, se evaluó la expresión de p-CREB, p-ERK y p-Akt en hipocampo y corteza prefrontal mediante western-blot.Los resultados demuestran que el tratamiento de etanol disminuyó la fosforilación de CREB y ERK en hipocampo y corteza prefrontal en ratones adolescentes hembras y machos, mientras que no observaron cambios en Akt. Además, la administración de rapamicina fue capaz de revertir estos cambios inducidos por el consumo de alcohol durantela adolescencia. Por tanto, nuestros resultados sugieren que el mecanismo de la autofagia a través de mTOR podría estar participando en las alteraciones producidas por el consumo de alcohol durante la adolescencia en la vía de señalización de CREB, lo que podría conllevar a cambios en la plasticidad sináptica y en la memoria y el aprendizaje.

[EN] Adolescence is an important brain maturation period in which plastic and dynamic processes take place, allowing the adolescent brain to specialize to perform more complex functions. Structural remodeling occurs in a variety of brain regions, including the hippocampus and the prefrontal cortex. The correct brain maturation is critical for a correct development of learning and memory processes. Increasing evidence demonstrates the role of the autophagy machinery in the synaptic pruning. Autophagy is a cellular mechanism that removes residual or dysfunctional components and its main regulator is mTOR (mammalian target of rapamycin). In the central nervous system, autophagy is critical for maintaining several neuronal functions, and dysfunction of this pathway take part in several inflammatory and neurodegenerative diseases. Thus, modulators of mTOR, such as rapamycin, have been used as treatment by reducing the inflammation and ameliorating the progression of the disease. Alcohol is a neurotoxic compound and it has been demonstrated that its abuse in adolescence induces neuroinflammation, synaptic and myelin alterations, neural damage and changes in memory and learning. Indeed, autophagy takes place in different brain regions (e.g., prefrontal cortex, hippocampus), where it participates during brain remodeling until adulthood (Pascual et al., 2019). Studies from the Cell Pathology laboratory of CIPF have been pioneered in proving evidence that alcohol abuse in the form of binge drinking in adolescence alters the autophagy mechanisms associated with changes in the levels of excitatory scaffolding synaptic proteins, PSD-95 and SHANK3 (Montesinos et al., 2018). Taking into consideration the involvement of the autophagy pathway in the synaptic plasticity as well as the role of the transcriptional factor CREB (cAMP-responsive element-binding protein) in mechanisms involved in cognitive processes, the hypothesis of this study is to evaluate whether binge alcohol drinking in adolescence is able to alter the CREB pathway and if these effects are mediated by mTOR. Methodology: We use female and male adolescent mice treated with or without alcohol in presence or absence of the mTOR inhibitor, rapamycin, administered previously to the alcohol dose. The ethanol (3 g/kg) is given intraperitoneally to 30-day-old mice on 2 consecutive days with 2-day gaps during 14 days. The expression of p-CREB, p-ERK and p-Akt was evaluated in these animals in hippocampus and prefrontal cortex by western-blot. Results show that ethanol treatment decreases the levels of CREB and ERK phosphorylation in hippocampus and prefrontal cortex of female and male adolescent mice, whereas no changes were observed in Akt. Moreover, the administration of rapamycin was able to restore these changes induced by the use of alcohol in adolescence. Therefore, our results suggest that the mTOR-regulated autophagy could participate in the alterations induced by the alcohol abuse in adolescence in the CREB signaling pathway, which could lead to synaptic plasticity dysfunctions and memory and learning impairments.