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42 - MJ Scolari - Febrero 2007

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D-serina: una nueva palabra en el lenguaje neuro-glial glutamatérgico

Psicofarmacología

Psicofarmacología 7:42, febrero 2007 Generalidades sobre el metabolismo y las acciones de la D- serina Introducción Por mucho tiempo, los D-aminoácidos (D-aac) quedaron fuera de la atención de los investigadores, debido a que pertenecen a la conformación biológicamente menos activa de los aminoácidos. A pesar de que se conoce la existencia de los D-aac en bacterias, gusanos e insectos, desde hace tiempo (1), solo unos pocos años atrás se detectaron elevados niveles de D-aac en tejidos mamíferos, especialmente en el cerebro (2, 3). Uno de los primeros en ser detectado en elevada concentración, fue el D-aspartato en el cerebro de rata (4). Pocos años después, otro importante ejemplo de estos D-aac, la D-serina (D-ser), fue hallado en grandes cantidades en el cerebro de mamíferos (2). Desde su descubrimiento, la información obtenida acerca de las funciones de la D-ser ha crecido considerablemente y, actualmente, es objeto de investigación de múltiples líneas científicas. Si bien, este D-aac puede encontrarse en tejidos periféricos, su elevado contenido cerebral, especialmente en los astrocitos, lo hacen objeto de interés para entender la neuromodulación (5). Clásicamente, las sinapsis químicas son consideradas como elementos polarizados donde las sustancias neurotransmisoras son liberadas de la célula presináptica y actúan sobre sus receptores localizados en la postsinapsis. Sin embargo, el sistema nervioso central (SNC) no está constituido solo de neuronas, sino también de células gliales, siendo estas últimas las más abundantes (6). Las células gliales están estrechamente posicionadas con las neuronas en las sinapsis, lo que permite una comunicación bidireccional neuro-glial (7, 8, 9). El complejo formado por las células sinápticas y la glia circundante constituyen la base de un nuevo concepto que contempla a la sinapsis como un elemento tripartito, es decir, que la glia es un elemento dinámico de la sinapsis capaz de regular la sinaptogénesis (10) y la transmisión sináptica (11). Estas acciones llevadas a cabo por los astrocitos son posibles gracias a neuromoduladores y gliotransmisores liberados por ellos. Si bien el glutamato (glu) y el ATP son los gliotransmisores más conocidos, hoy en día, es evidente que la D-ser puede ser agregada a la lista (12). Síntesis y distribución de la D-serina La D-ser, se sintetiza a partir de la L-serina (L-ser) en un solo paso enzimático catalizado por la enzima serina racemasa (SR) (13). Esta enzima, sería la fuente endógena principal de D-ser. La SR puede convertir la D-ser en L-ser, aunque lo hace con menor afinidad (14, 15). La distribución de la SR es análoga a la de la D-ser, teniendo su máxima expresión en el cerebro anterior (14, 16). En el SNC, la SR es una enzima casi exclusiva de los astrocitos positivos para la proteína ácida fibrilar glial (GFAP +) (14, 16, 17), aunque también se la ha encontrado en neuronas glutamatérgicas de la corteza y el romboencéfalo (17). En el sistema nervioso periférico se encuentra localizada en las células de Schwann (18). Los niveles de D-ser en el SNC varían durante el desarrollo. En el animal adulto, el nivel más alto se encuentra en el cerebro anterior, mientras que en el neonato se halla en el cerebelo (19, 20). Es notable que los niveles cerebelares de D-ser sean prácticamente indetectables en el animal adulto (19). Además, la distribución de la D-ser se corresponde con la de los receptores para glu del subtipo NMDA (N-metil - D- aspartato). Por el contrario, la distribución de la glicina (gly), que al igual que la D-ser es un coagonista del receptor NMDA, no se corresponde con la de dichos receptores, excepto en el romboencéfalo, el cerebelo adulto y el bulbo olfatorio, donde la D-ser también está presente (19). En el tallo cerebral, donde los niveles de gly son máximos, se observa un paralelismo entre estos y la distribución de los receptores NMDA (19). Notablemente, donde los niveles de D-ser son prácticamente indetectables (cerebelo y la médula espinal), los de gly son elevados (20). Regulación de la síntesis de D-serina Los niveles de D-ser están controlados por el grado de actividad de la SR. La actividad de esta enzima está sujeta a múltiples factores reguladores (21, 22, 23). El piridoxal 5´ fosfato (PLP) es el principal cofactor que estimula el funcionamiento de la SR. Además del PLP, compuestos como el Mg 2+ y el ATP son capaces de funcionar como cofactores enzimáticos aumentando la actividad de la enzima (24, 25, 26). Otro factor, que regula positivamente la actividad de la enzima, es el Ca 2+ debido a que se une a la SR y estimula la síntesis de D-ser en astrocitos (21). Además, la actividad de la SR está controlada por interacciones proteína-proteína. La SR se une a la proteína de interacción con el receptor de glutamato (GRIP), que funciona como proteína de anclaje para los receptores AMPA (ácido−α− amino− 3− hidroxi− 5− metil− 4− isoxalzol propiónico). La GRIP contiene seis dominios PDZ, que es un motivo asociado a las interacciones proteina-proteina. La SR se une de forma selectiva al PDZ-6 a través de su extremo carboxilo terminal que contiene una secuencia de unión a PDZ, valina - serina - valina (VSV). La interacción de GRIP con la SR, determina un incremento de la actividad de esta última (27). Kim y colaboradores (2005), transfectaron dos grupos de células C6 glioma, que contienen GRIP endógena, con SR wild type o con SR mutante en su secuencia carboxilo terminal de unión a PDZ (VSV). Observaron que la formación de D-ser se redujo en un 65% en las células transfectadas con la variante mutante de la SR, sugiriendo que la activación de la enzima depende de su interacción con GRIP (27). La relevancia fisiológica de esta interacción está sustentada en el hecho de que la activación del receptor AMPA, muestra un fuerte aumento en la síntesis de D-ser (27). La activación AMPA lleva a la fosforilación del receptor con la consiguiente disociación de GRIP del mismo, la cual finalmente se une a la SR. Por otro lado, la gly y ciertos metabolitos del ácido L− aspártico (ácido L− aspártico, L− asparagina y el ácido α, β− threo− 3− hidroxiaspártico), inhiben de forma competitiva la actividad de la SR (22, 23). Recientemente, se ha demostrado que el óxido nítrico (NO) disminuye la actividad enzimática de la SR (28). Una visión resumida de los diferentes reguladores de la SR, se detalla en la siguiente tabla: Tabla 1 Regulación de la SR. Reguladores positivos PLP, ATP, Mg 2+ , Ca 2+ , GRIP, estimulación AMPA Reguladores negativos Gly, metabolitos del ácido L - aspártico, NO Ciclo metabólico de la D y L-serina La SR constituye el eje de una importante maquinaria metabólica astrocitaria. Como se mencionó anteriormente la SR puede convertir la D-ser en L-ser y viceversa. Sin embargo, esta enzima es capaz, además, de promover la eliminación de agua tanto a partir de la D como de la L-ser, formando piruvato y amonio (24, 25, 26, 29). Una característica EDITORIAL SCIENS // 15

Mariano José Scolari, Dra. Gabriela Beatriz Acosta muy particular de la SR es que la capacidad de formar piruvato por eliminación de agua es mayor que la de racemizar la L-ser. De hecho de cada cuatro moléculas de L-ser atacadas por la SR, tres son convertidas en piruvato (23, 26, 29). El piruvato sintetizado puede ingresar al ciclo de Krebs y promover la síntesis de ATP, o bien convertirse en lactato por la enzima lactato deshidrogenasa (LDH). Si el piruvato ingresa al ciclo de Krebs, el ATP generado cierra un ciclo metabólico positivo, por estimular la SR, enzima que originó inicialmente al piruvato. Por otro lado, la entrada del piruvato al ciclo de Krebs puede promover la síntesis de diversos aminoácidos importantes para la glia y las neuronas (GABA, glu, glutamina), a partir del α-cetoglutarato. La conversión de piruvato en lactato por la LDH, constituye uno de los principales acoples metabólicos neuro-gliales, dado que el lactato sirve como precursor energético para las neuronas, sobre todo en condiciones de hiperactividad sináptica, estrés oxidativo o neurotoxicidad inducida por Zn 2+ (26). En los mamíferos, la D-ser es metabolizada por la flavoproteína oxidasa de D-aac peroxisómica (DAAO), enzima localizada en los astrocitos del romboencéfalo y del cerebelo (19, 30, 31), convirtiéndola en piruvato. Esta enzima es estereoselectiva pues no tiene acción sobre los L - aminoácidos ni sobre los aminoácidos dicarboxílicos (32). En concordancia con esta información, estudios llevados a cabo en ratones knock out para DAAO, mostraron un aumento significativo en los niveles de D-ser, especialmente en el tallo cerebral y el cerebelo, dos regiones con bajos niveles de D-ser en los animales wild type (33). Esto podría sugerir una activación constitutiva de la DAAO en las regiones mencionadas de los ratones wild type. Por el contrario, los niveles de D-ser no cambiaron significativamente en el cerebro anterior de los animales knock out, sugiriendo que en este área los niveles de D-ser estarían regulados por otro proceso (33). El mecanismo predominante de degradación, en ese área, sería la eliminación de agua para dar piruvato, catalizada por la SR, como se mencionó anteriormente (26). D-serina en la neurotransmisión glutamatérgica Los fundamentos necesarios para comprender como la D-ser se comporta como un verdadero gliotransmisor, son los mismos que rigen la neurotransmisión química típica (estimulación celular, liberación del transmisor, activación de receptores y terminación de la señal). Se sabe que la estimulación de receptores no NMDA (AMPA y kainato-KA-) es el estímulo principal que promueve el flujo de D-ser desde los astrocitos (19). Estudios in vitro, demostraron que la estimulación AMPA/KA e incluso de receptores metabotrópicos de glu, dispara la liberación de D-ser en forma Ca 2+ dependiente (34). Sorprendentemente, se ha demostrado que la inhibición de la protón ATPasa vesicular reduce los niveles de D-ser liberada. Este hallazgo postula la inhibición de la acumulación vesicular del gliotransmisor por una proteína transportadora aun no identificada. De hecho, estudios recientes han demostrado que los astrocitos pueden liberar D-ser y otros gliotransmisores, por exocitosis Ca 2+ dependiente (9, 35). Sin embargo, la D-ser puede liberarse por un mecanismo que no depende del Ca 2+ puesto que la mayor parte de la D-ser citoplasmática se encuentra en forma libre (27, 34). Esto determina que en condiciones de baja osmolaridad o escasa concentración de cationes divalentes en el medio extracelular, la D-ser se libere por hemicanales, canales de aniones o por medio de receptores P2X7 (9). Por otro lado, la D-ser puede ser liberada vía transportadores de membrana, muchas veces en contratransporte con la L-ser, a través del transportador de alanina-serina-cisteína (ASCT) en forma Na + - dependiente (36) (Figura 1). Si bien las células gliales constituyen la fuente primaria de liberación de D-ser, algunas neuronas también pueden liberarla tras la estimulación del receptor NMDA (37). Notablemente, se sugiere que la liberación neuronal de D-ser sería Ca 2+ independiente, a diferencia de la liberación glial que sería, principalmente Ca 2+ - dependiente (37). Figura 1 Mecanismos de liberación de la D-ser Estudios neurofisiológicos sobre receptores NMDA, indican que con ciertas combinaciones de las subunidades NR1 y NR2, de este receptor, la D-ser, luego de ser liberada, es capaz de unirse con el triple de potencia que la gly al sitio de gly del receptor NMDA (38, 39). Se ha demostrado que la D- ser se une al sitio de gly del receptor NMDA a través del mismo tipo de interacción que la gly (40). Este receptor, posee características sumamente particulares. Básicamente, consiste de un tetrámero de dos subunidades distintas (41, 42). Hasta la fecha se han clonado tres subunidades diferentes para este receptor: NR1, NR2 (ya mencionadas) y NR3 (43). La mayoría de los receptores NMDA están formados por combinaciones de las subunidades NR1 y NR2, conteniendo los sitios de reconocimiento de coagonistas y de glu, respectivamente. La subunidad NR3, menos común, puede ensamblarse tanto con NR1 o con NR2 para deprimir la activación NMDA (44). A pesar de toda la información detallada: ¿existe evidencia que demuestre la importancia de la D-ser como coagonista glutamatérgico? El hipocampo provee un modelo excelente para estudiar la función de la D-ser en la neurotransmisión glutamatérgica, debido a que contiene gran densidad de D-ser y de receptores NMDA, especialmente en las regiones CA1 y CA3 (45). El hipocampo es uno de los sitios donde ocurre la potenciación a largo plazo (LTP) a través de la activación NMDA (46). Debido a que la D-ser es un ligando endógeno del receptor NMDA, no sorprende el hecho de que la liberación de D-ser desde los astrocitos este implicada en la inducción de LTP en las sinapsis de las células piramidales del área CA1 (47). De hecho, la administración de DAAO inhibe esta LTP, lo cual sustenta la idea de que la D-ser, más que la gly, es el coagonista endógeno del receptor NMDA en este área del cerebro (48). En concordancia con esto último, se ha demostrado que el déficit de LTP no esta asociado con niveles bajos de gly, lo cual avala el rol de la D-ser como el principal modulador del sitio de gly de los receptores NMDA (49). De forma similar a otros neurotransmisores, la acción de la D-ser debe ser terminada por su remoción de la hendidura 16 // EDITORIAL SCIENS

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