Human postmitotic neurons derived from NTERA2/D1 cells by short exposure to cytosine-b-D-Arabinofuranoside: characterization of neurotransmitter phenotypes and role of phospholipase C b1 in differentiation

Abstract

Caracterización fenotípica de neurotransmisores y papel de la fosfolipasa C ß1 en la diferenciación neuronal de células NT2 de teratocarcinoma humano mediante tratamiento con citosina-ß-D-arabinofuranosido (AraC). Antecedentes y objetivos. Aunque, está bien demostrado el papel de la isoforma PLCß1 a nivel de membrana plasmática y citoplasma en el metabolismo de fosfoinosítidos activado por muchos estímulos extracelulares, desde hace algunos años se conoce la existencia de esta actividad enzimática también en el núcleo (Neri y cols., 1999; D¿Santos y cols., 2000). En ciertos modelos celulares de origen no neuronal (mioblastos C2C12), la transfección de mutantes de PLCß1 que carece de la señal de localización nuclear (NLS), inhiben la diferenciación celular, otorgando así, un papel importante a la PLCß1 nuclear en dicho proceso (Faenza y cols. 2003; Faenza y cols., 2007). En cuanto al proceso de diferenciación neuronal, aunque escasas, existen evidencias que apuntan a la participación de la PLCß1a/b en el proceso. En primer lugar, el análisis de la expresión y actividad funcional de la PLCß1 (ARNm y proteína) en la corteza de cerebro humano adulto y fetal, muestra una elevada presencia de esta proteína en adultos, mientras que prácticamente no se expresaría en la corteza cerebral fetal (Caricasole y cols., 2000; Peruzzi y cols., 2002; Ruiz de Azúa y cols., 2006). Por otro lado, tanto ratones ¿knock-out¿ PLCß1 (-/-) como mGluR5 (-/-) exhiben alteraciones en la formación de los denominados ¿barrels¿ de la corteza somatosensorial, demostrando así la implicación de la vía de señalización de PLCß1, activada a través de receptores mGluR1, en el desarrollo de la corteza cerebral (Hannan y cols., 2001; Böhm y cols., 2002; Spires y cols., 2005). Finalmente, en modelos celulares de diferenciación neuronal, como las células NT2/D1 de teratocarcinoma humano, se ha descrito cómo su proceso de diferenciación hacia neuronas maduras NT2N se acompaña de un incremento de los niveles de expresión de las proteínas G¿q/11, de la isoforma PLCß1 y de la actividad fosfolipasa C (Novak et al, 2000). Por lo tanto, a pesar de haberse demostrado la participación de la PLCß1 en los procesos de diferenciación neuronal, aún dicho conocimiento, ha sido únicamente descrito desde un punto de vista fenomenológico, encontrándose aún por definir los mecanismos subyacentes a dicha participación. Así, hasta la fecha no se ha descrito la importancia de cada una de las variantes de expresión de la PLCß1 (variantes 1a y 1b), ni tampoco ha podido atribuirse a alguna de las localizaciones subcelulares de PLCß1 dicha participación. Por ello, en este trabajo proponemos el estudio de la implicación de la PLCß1 en los procesos de plasticidad y diferenciación neuronal empleando un modelo celular de diferenciación neuronal, la línea celular humana NT2/D1.Obtención, Validación y Caracterización de un modelo de diferenciación de neurona humana: línea celular NT2 de teratocarcinoma humano.Para llevar a cabo este estudio, en primer lugar, han sido desarrollados, validados y caracterizados dos protocolos de diferenciación de las células NT2 a NT2N, mediante el empleo de dos inductores, el ácido retinoico (RA) o el antimitótico análogo de la citosina (AraC), basándonos en los trabajos de Andrews y cols., 1984 y Musch. y cols., 2010, respectivamente.De acuerdo a lo descrito ampliamente en la literatura, las células neuronales obtenidas con el ácido retinoico (RA/NT2N) desarrollaron una citoarquitectura polar y forman axones y dendritas identificables morfológicamente. Sin embargo, este protocolo presenta una serie de limitaciones: el tiempo de tratamiento es largo (2 meses), se obtiene un bajo rendimiento de células NT2N (sólo el 5% de las celúlas NT2 sembradas diferencian a NT2N) y por último, y debido a ello, es difícil aplicar en ellas estrategias de biología molecular. Siguiendo el trabajo de Musch y colaboradores, hemos desarrollado otro protocolo de diferenciación, en el que tratando las células con AraC durante tan sólo 6 días, realizando un pase a las 72h y siembra en mayor confluencia, se obtuvieron tres veces más neuronas diferenciadas (AraC/NT2N) que con RA.Mediante técnicas de inmunofluorescencia y western blot, observamos que las células neuronales NT2N obtenidas con ambos protocolos, expresaban marcadores neuronales tales como NF200, DCX y ß-III-Tubulina, los cuales muestran un incremento en la immunoreactividad a lo largo de los protocolos de diferenciación con RA y con AraC. Incrementos en concordancia con lo observado en estudios previos para el modelo de RA/NT2N (Pleasure y cols., 1992; Couillard-Despress y cols 2008; Megiorni y cols., 2005). Como aproximación al estudio de la funcionalidad neuronal, se ha realizado un análisis morfométrico de las células neuronales obtenidas con ambos protocolos. Para ello, se tomó como referencia el trabajo de Haile y cols (2014) analizándose parámetros como área total de la célula, área del núcleo y soma, así como el número de neuritas que presenta cada célula y la longitud de éstas. Los resultados indican un soma y núcleo mayor en el caso de las AraC/NT2N, y una relación menor del área del núcleo respecto al soma de la célula con respecto al obtenido con RA/NT2N. El análisis morfométrico de las neuritas mostró que las célulasAraC/NT2N presentaban una longitud total de neuritas por célula muy por debajo de los valores descritos en la literatura para el modelo RA/NT2N (Haile y cols., 2014). Quizá periodos de tratamiento más largos, el uso de factores de crecimiento o incluir cultivos con astrocitos promoverían la obtención de un cultivo de células AraC/NT2N con unas proyecciones de mayor longitud. En cualquier caso, los resultados experimentales aquí presentados revelan que los progenitores NT2 pueden ser inducidos a diferenciarse en un corto período de tiempo y con una alta eficiencia en células que cumplen los criterios generalmente aceptados para las neuronas postmitóticas, y subrayar que la diferenciación inducida por AraC de células NT2 representa un valioso modelo para estudiar los mecanismos moleculares de diferenciación neuronal subyacentes.Finalmente, el estudio del fenotipo neurotransmisor de ambos modelos, mediante técnicas de inmunofluorescencia y western blot, reveló fenotipos perfectamente diferenciados para cada modelo. Así, las células RA/NT2N obtenidas resultaron mayoritariamente gabaérgicas, mientras que las células tratadas con AraC dieron lugar a un fenotipo neurotransmisor caracterizado por la co-expresión de marcadores tanto glutamatérgicos como colinérgicos. Este fenómeno ha sido descrito recientemente para progenitores neurales embrionarios del hipocampo (Bhargava y cols., 2010), lo que sugiere que el fenotipo de las células AraC/NT2N, quizá no se encontraría completamente definido. Papel de la PLCß1a/b en el proceso de diferenciación neuronal. Estudio en células PC12, NT2, y corteza cerebral de rata.Con el fin de abordar el estudio de la implicación de la PLCß1a/b en el proceso de diferenciación neuronal, en primer lugar, se valoró la localización subcelular de cada una de las variantes de expresión de la PLCß1 en células NT2 y en corteza cerebral de rata. Los resultados de immunofluorescencia en núcleos aislados de corteza cerebral de rata, indicaron que la PLCß1 solo se encontraba en núcleos positivos para el marcador de neurona madura NeuN/Fox-3, demostrándose a su vez su localización en la parte interna de la membrana nuclear, donde el immunomarcado fue además positivo para el marcador de ¿nuclear speckles¿ sc-35. En cuanto a la distribución de ambas variantes, tanto en las fracciones celulares obtenidas a partir de corteza cerebral de rata, como en las células NT2 progenitoras, la inmunoreactividad de PLCß1a fue mayor a la de PLCß1b en todas las fracciones estudiadas, aunque la contribución relativa de cada variante a la señal total difería entre compartimentos subcelulares, siendo a nivel nuclear donde la diferencia era menor. Posteriormente, se valoró la participación de la PLCß1a/b en el proceso de diferenciación, no sólo en los modelos de neurona humana bien caracterizados RA/NT2N y AraC/NT2N NT2, sino que también se utilizó el modelo celular neuronal de feocromocitoma suprarrenal PC12 (Greene y cols., 1976; Yang y cols., 2011). Cuando las células PC12 son tratadas con NGF (Factor de crecimiento nervioso) adquieren características de neuronas simpáticas, como cambios en la morfología; desarrollan excitabilidad eléctrica y desarrollan largas neuritas (Connolly y cols., 1979). El protocolo de diferenciación de NT2 a NT2N con RA o AraC, se vio acompañado de un incremento en la expresión de PLCß1a/b, que fue anterior al observado para los marcadores neuronales NF200 y ß-III tubulina. Resultados en concordancia con lo ya descrito por Novak y cols 2000 en el modelo RA/NT2N. Por el contrario, la diferenciación de las células PC12 no dio lugar a cambios en la expresión de PLCß1. A continuación, mediante estrategias de biología molecular, se modificó la expresión de la PLCß1a/b en las células PC12 y AraC/NT2N y se valoró el efecto que estos cambios producían en el proceso de diferenciación neuronal, en términos de morfología celular y la expresión de marcadores neuronales. En ambos modelos, el silenciamiento de la expresión proteica de la PLCß1a/b mediante el empleo de siRNAs, impidió los cambios morfológicos y de expresión de los marcadores neuronales NF200 y ß-III tubulina, inducidos por NGF o AraC. Además, la sobreexpresión de cualquiera de las variantes de expresión de la PLCß1 en células NT2, en ausencia de AraC, dio lugar a la aparición de proyecciones neuronales y un incremento en la expresión de ß-III tubulina y NF200. Resultados que junto con los derivados del empleo de siRNAs, demuestra que la PLCß1a y PLCß1b no sólo son indispensables para inducir la diferenciación de las células NT2 a NT2N con AraC, si no que serían suficientes.En cuanto al mecanismo por el cual la PLCß1a/b podría estar modulando estos efectos, tal y como introducimos al comienzo de este informe, estudios en líneas celulares no neuronales, implican a la PLCß1 nuclear en el mismo. Sin embargo, los resultados de western blot en fracciones subcelulares así como de immunofluorescencia, revelan que los cambios de expresión de la PLC ß1a/b inducidos por el AraC, se corresponden esencialmente a cambios significativos a nivel citosólico y de membrana plasmática, pero no nuclear. Si bien la participación de una proteína en un proceso no requiere necesariamente de cambios en su expresión proteica, esta observación podría estar indicándonos la existencia de un elemento a través del cual la PLCß1 citosólica podría actuar a nivel nuclear. Recientemente, utilizando como referencia el extremo C-terminal de la PLCß1, que contiene entre otros el sitio de unión primario de la subunidad ¿q de la proteína Gq, y una señal de localización nuclear, ha sido identificada una nueva proteína de interacción de la PLCß1, el factor X de asociación a Translin (TRAX) (Aisiku et al, 2010). La interacción entre estas dos proteínas ya ha sido descrita en cultivos celulares como las células HEK 293 o las PC12, donde usando técnicas como coimmunofluorescencia, immunoprecipitación y FRET, han demostrado una localización fundamentalmente citosólica del complejo TRAX-PLCß1a (Aisiku y cols., 2010; Philip y cols., 2012). En cuanto a la participación de TRAX en el proceso de diferenciación de las células PC12, cuando su expresión es silenciada con siRNAs, éstas no muestran cambios en su morfología cuando son tratadas con NGF, sugiriendo la participación de TRAX en el proceso de diferenciación. Respecto al modelo neuronal de AraC/NT2N humano, se observa un incremento en su expresión durante el proceso de diferenciación, incremento que desaparece cuando la expresión de PLCß1a/b es silenciada con siRNAs. Además, la sobreexpresión de PLCß1a, PLCß1b o ambas producen un incremento en la expresión de TRAX. Por lo que la expresión de TRAX, al igual que la de NF200 y ß-III-Tubulina, podría estar modulada por la PLCß1a/b. Sin embargo, el incremento de TRAX sería posterior al incremento observado para PLCß1a/b, y se localizaría a nivel nuclear, mientras que el de PLCß1a/b se daba a nivel citosólico y de membrana plasmática. Además, en nuestro modelo de diferenciación AraC/NT2N mediante la técnica de FRET se observa que la interacción de ambas proteínas sólo ocurre en el núcleo y a término del tratamiento de diferenciación. Por ello, en el modelo AraC/NT2N, los resultados no sugieren una mediación de TRAX en la diferenciación dirigida por PLC ß1 e inducida por AraC.En cuanto al rol que tendría el complejo TRAX-PLCß1a a nivel nuclear en el modelo de AraC/NT2N se encontraría aún por definir. Según nuestros resultados, TRAX podría encontrarse mediando en la actividad nuclear de la PLCß1 y en procesos que irían más allá de la diferenciación neuronal. Futuros estudios que analizasen la función de este complejo en el núcleo neuronal serían de gran interés.