Proteína priónica: la molécula de muchas formas y caras, parte 1
Sep 04, 2024
Resumen: La proteína priónica celular (PrPC) es una proteína anclada a glicosilfosfatidilinositol (GPI) que se encuentra más abundantemente en la membrana externa de las neuronas. Debido a sus características estructurales (una cola flexible y un núcleo estructurado), PrPC interactúa con una amplia gama de socios.
En los últimos años, muchos estudios han demostrado que las proteínas priónicas celulares tienen una relación importante con el desarrollo y mantenimiento de la memoria animal.
El prión celular (virus del herpes simple, HSV) es un virus ampliamente presente en la población humana y se considera uno de los patógenos más importantes de enfermedades neurológicas y de la piel. HSV-1 y HSV-2 son los dos tipos de virus más comunes en humanos.
Un estudio reciente demostró que la proteína viral HSV-1 puede promover el desarrollo y mantenimiento de la memoria en humanos y animales. Los resultados de este estudio mostraron que la infección por HSV-1 ocurre principalmente en las primeras etapas de la vida humana, y las proteínas virales se acumulan en el sistema nervioso humano y regulan la liberación de neurotransmisores y la transmisión sináptica. Estos efectos reguladores ayudan a mejorar la función de la memoria cerebral y mejoran la cognición espacial y la atención.
Además, la proteína viral HSV-1 también tiene cierta relación con la respuesta inmune y la respuesta antiviral del cuerpo. Los estudios han demostrado que la influencia de la proteína viral HSV-1 activa la respuesta inmune del cuerpo y actúa activamente sobre las "células T de memoria" del cuerpo, fortaleciendo así las defensas antivirales del cuerpo. Este descubrimiento tiene una importancia de gran alcance para explorar la relación entre HSV-1 y la inmunidad animal.
En resumen, la relación entre la proteína del virus priónico celular y la memoria proporciona un amplio espacio de investigación para futuras investigaciones sobre la memoria, la función del sistema nervioso y la respuesta inmune, y se espera que desempeñe un papel importante en la prevención y el tratamiento de enfermedades relacionadas. Se puede ver que necesitamos mejorar la memoria, y Cistanche puede mejorar significativamente la memoria porque Cistanche también puede regular el equilibrio de los neurotransmisores, como aumentar los niveles de acetilcolina y factores de crecimiento, que son muy importantes para la memoria y el aprendizaje. Además, Cistanche también puede mejorar el flujo sanguíneo y promover el suministro de oxígeno, lo que puede garantizar que el cerebro obtenga suficiente nutrición y energía, mejorando así la vitalidad y la resistencia del cerebro.
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Aunque se ha propuesto que la PrPC participa en muchas funciones fisiológicas, hasta el momento sólo se ha confirmado que la homeostasis de la mielinización de los nervios periféricos es una función auténtica.
El plegamiento incorrecto de PrPC causa enfermedades priónicas y se ha demostrado que la PrPC media en la neurotoxicidad inducida por oligómeros ricos en alzhéimer y la enfermedad de Parkinson, así como en la neuroprotección en la isquemia.
Tras la escisión proteolítica, la PrPC se transforma en formas liberadas y adheridas de PrP que pueden, dependiendo de las características estructurales contenidas en la PrPC, mostrar propiedades protectoras o tóxicas.
En esta revisión, describiremos las propiedades de la proteína priónica y de los fragmentos de proteína priónica, así como también resumiremos su participación con los socios que interactúan y las vías de señalización en la mielinización, la neuroprotección y las enfermedades neurodegenerativas.
Palabras clave: proteína priónica; fragmentos de proteínas priónicas; neuroprotección; mielinización; accidente cerebrovascular isquémico; enfermedad neurodegenerativa.
1. Introducción
La proteína priónica (PrP) es una glicoproteína ubicua altamente conservada. Existe en dos formas; la isoforma normal o celular, PrPC, y la isoforma infecciosa asociada a enfermedad, PrP, PrPSc.
El papel patológico de la PrPSc se ha estudiado ampliamente en las prionpatías y se ha revisado en varios artículos [1–3]. PrPC se expresa en una variedad de órganos y tejidos diferentes con altos niveles de expresión en los sistemas nerviosos central y periférico.
Está presente en abundancia en la superficie celular de las neuronas [4-6] y participa en muchos mecanismos fisiológicos. La función de la proteína queda por dilucidar; sin embargo, estudios intensivos vinculan la PrPC con la homeostasis de la mielina [7], la neuroprotección [8,9], el ritmo circadiano [10,11], la homeostasis de los iones metálicos [12,13], la homeostasis mitocondrial [14] y la señalización intercelular [6,15]. ,16].
En las neuronas, la PrPC está presente en los compartimentos presinápticos y postsinápticos de las terminales de los axones, donde participa en el transporte axonal anterógrado y retrógrado [17-20]. La PrPC se escinde en la membrana celular mediante proteasas, formando formas liberadas y adheridas.
En los últimos años, la proteína priónica y las formas liberadas de proteína priónica han recibido atención en correlación con la neuroprotección en enfermedades neurodegenerativas.
En esta revisión, presentamos la proteína priónica y sus formas liberadas, resumimos su participación en la mielinización, la neuroprotección y las enfermedades neurodegenerativas, y discutimos los descubrimientos más recientes en este campo.
2. Proteína priónica
La PrPC humana madura está compuesta por un dominio N-terminal no estructurado flexible (residuos de aminoácidos 23 a 120) y un dominio C-terminal estructurado (residuos de aminoácidos 121 a 231).
Está anclado a la membrana celular con un anclaje de glicosilfosfatidilinositol (GPI) [21,22]. El dominio N-terminal flexible contiene una región octarepetida, mientras que el dominio estructurado consta de tres hélices, dos láminas, un enlace disulfuro que conecta las cisteínas 179 y 214, y dos N-glicanos en los residuos de aminoácidos 181 y 197 [23,24] (Figura 1).
PrPC puede transformarse en una isoforma PrPSc rica en láminas, que es propensa a la conversión autocatalítica y la agregación en agregados insolubles [22,25,26]. Una acumulación anormal de la proteína patológica en el cerebro puede provocar el desarrollo de encefalopatías espongiformes transmisibles (EET), también conocidas como enfermedades priónicas.
Las enfermedades priónicas incluyen la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (CJD), el síndrome de Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS), el insomnio familiar fatal (FFI) y el kuru en humanos, la encefalopatía espongiforme bovina en el ganado vacuno, la tembladera en cabras y ovejas y la emaciación crónica en cérvidos.
Todas las enfermedades priónicas son trastornos neurodegenerativos mortales poco frecuentes. Las características clínicas y neuropatológicas de las enfermedades priónicas en humanos son similares a las de la enfermedad de Alzheimer (EA), como pérdida rápida de memoria y pérdida de función cerebral, así como demencia, deformación espongiforme del cerebro, cambios de personalidad y dificultades con el movimiento [15,27]. .
Aunque las enfermedades priónicas ocurren debido a la acumulación de agregados tóxicos de PrPSc en el cerebro, el mecanismo que subyace a la conversión de PrPC en PrPSc y el desarrollo de la enfermedad priónica sigue siendo desconocido.
Además de ser un sustrato para el desarrollo de enfermedades priónicas, la PrPC puede servir como receptor de oligómeros de amiloide (A) citotóxicos [20,28] y agregados tóxicos solubles de proteína tau en la EA y otras tauopatías [29,30].
También hay estudios opuestos sobre la unión de los oligómeros de -sinucleína (-syn) a la PrPC en la enfermedad de Parkinson (EP) y otras sinucleinopatías, lo que abre el debate sobre el papel de la PrPC en la toxicidad de la -sinucleína [30-33].
3. Fragmentos de proteína priónica
PrPC puede sufrir cuatro escisiones postraduccionales, formando fragmentos de PrP (Figura 1). La escisión y la escisión ocurren dentro del dominio N-terminal no estructurado, mientras que la escisión y la eliminación de PrP ocurren dentro del dominio C-terminal estructurado.
Aparte de las escisiones mencionadas, la PrPC se escindió en condiciones experimentales con fosfolipasa C, que escindió la PrPC dentro del anclaje GPI [34,35]. El sitio de escisión, la longitud del fragmento y la unión de la membrana permiten que los fragmentos participen en varios mecanismos.
3.1. -Escisión
La escisión - es la escisión más estudiada de PrPC. Ocurre en condiciones fisiológicas en la región hidrofóbica central de la PrPC madura (residuos de aminoácidos 105-120 en la secuencia humana 111/112) [36-38] (Figura 1).
La escisión libera un fragmento N1 de ~ 11 kDa, mientras que la parte C1 de ~ 18 kDa permanece unida a la membrana celular mediante el GPIanchor [36,39]. Por ahora, no existe una enzima única responsable de la escisión [24,40].
Aunque los sitios de escisión se han determinado con respecto a las especies, la escisión es tolerante a la variación de secuencia en esta región siempre que se mantenga su hidrofobicidad [38].
Los estudios han demostrado que la escisión en el cerebro humano, modelos de ratón y cultivos neuronales se produce en presencia de las enzimas ADAM10 y ADAM17 [41–43]. ADAM10 contribuye a la producción constitutiva de N1, mientras que ADAM17 participa principalmente en la formación de N1 tras la estimulación [44 ,45]. También se ha demostrado que ADAM8 escinde PrPC para formar N1 y C1 en los músculos [46].
El papel de ADAM8, ADAM10 y ADAM17 en la escisión también ha sido respaldado en un estudio biofísico [47]. El fragmento N1 tiene una estabilidad relativamente baja; sin embargo, se encontró que estaba presente en fluidos corporales, homogeneizados de tejidos o sobrenadantes de cultivos celulares [39,48,49].
Inicialmente se pensó que la escisión tenía lugar en compartimentos endosómicos ácidos [50,51] pero estudios posteriores demostraron que la escisión se produce durante el tráfico vesicular de PrPC a lo largo de la vía secretora [52,53].
La escisión utiliza PrPC como sustrato, lo que lleva a la reducción de la superficie celular. Como PrPC también es un sustrato para la replicación de priones y un mediador clave de la toxicidad en enfermedades priónicas, EA y otras enfermedades neurodegenerativas, la escisión tiene un efecto biológico positivo.
La parte N-terminal flexible de PrPC es esencial para la interacción de la proteína con los socios de unión que regulan la absorción de PrPC en el tráfico [54,55]. Al carecer de N1, C1 forma complejos en la membrana celular [56] y es más estable y persistente en la superficie celular que PrPC [50].
El fragmento C1 puede escindirse en la superficie celular y liberarse en el espacio extracelular [57]. Se descubrió que C1 inhibe la replicación de priones en ratones [58,59], mientras que el fragmento N1 es neuroprotector [60,61]; la ausencia de escisión es tóxica tanto para las células como para los ratones [47,62].
3.2. -Escisión
La escisión tiene lugar al final de la región de repetición del octapéptido N-terminal del sitio de escisión. La escisión se observa principalmente en condiciones patológicas y es similar a la escisión. Parece actuar de forma protectora.
Tiene lugar alrededor del residuo de aminoácido 90, formando el fragmento N2 (~9 kDa) y el fragmento C2 (~20 kDa) [36,37,48,63](Figura 1). La escisión de PrPC está mediada por especies reactivas de oxígeno (ROS) [37,63–66].
Al eliminar ROS, la escisión protege a las células del estrés oxidativo [65]. Además de ROS, la escisión es inducida por calpaínas [67], proteasas lisosomales [68,69] o incluso ADAM8 [47].
La proteinasa K escinde el núcleo resistente a proteasas de PrPSc (PrP27-30) cerca de la posición 90, creando un fragmento con una longitud similar a C2. De manera similar al fragmento C1, el fragmento C2 también puede desprenderse de la superficie celular [70].
La formación de dicho fragmento indica que las proteasas implicadas en la escisión también podrían estar implicadas en los intentos celulares de descomponer la PrPSc [71, 72].
3.3. -Escisión
La escisión de proteasa descubierta más recientemente de PrPC es la escisión -. El sitio de escisión en PrPC aún no se ha determinado, pero los tamaños del fragmento N3 liberado (~20 kDa) y el fragmento C3 anclado a GPI (~5 kDa) sugieren que la escisión de la proteína ocurre en la región entre los residuos de aminoácidos 170 y 200 [73, 74] (Figura 1).
Los estudios indican que la escisión ocurre tardíamente en la vía secretora de una proteína no glicosilada en presencia de miembros de la familia de las metaloproteasas de matriz (MMP) [73].
Se propone que la razón por la que la escisión ocurre sólo en PrPC no glicosilada se debe al impedimento estérico de las proteasas por los glicanos en la proximidad del sitio de escisión propuesto [40,75].
Se ha descubierto que la escisión existe en diferentes especies, tejidos y modelos de cultivo celular. La determinación de su papel requiere más estudios, aunque una indicación de mayores cantidades de fragmento C3 en un cerebro con ECJ puede conducir a un posible significado patogénico [73].
3.4. Eliminación de proteína priónica
También hay una escisión importante de PrP cerca del extremo C-terminal. La escisión arroja PrP al espacio extracelular, dejando una pequeña cantidad de residuos de aminoácidos en la superficie celular.
La escisión se describió en investigaciones iniciales [35,39,76,77] pero ha recibido más atención en los últimos años debido a la implicación de la PrP desprendida en enfermedades [40,63,78–83].
De manera similar a la escisión, la eliminación de PrP se produce en presencia de enzimas de la familia ADAM. Los experimentos in vitro e in vivo sugieren que ADAM9 y ADAM10 están involucrados en el proceso de escisión y eliminación de PrP [47,84–86] donde ADAM10 es la principal desprendimiento de PrP y ADAM9 es el modulador de la actividad de ADAM10 [24 ].Shed PrP se determinó por primera vez en hámsteres.
En el cerebro de hámsteres infectados con priones, la PrP eliminada representaba aproximadamente el 15% de las moléculas de PrPSc [76]. Un análisis adicional mostró que ADAM10 escindió la PrP desprendida entre Gly228 y Arg229 y formó PrP desprendida que terminó en Gly228 [84].
Un análisis que explora el perfil del sitio de escisión de ADAM10 reveló que la escisión no es inducida por una secuencia única [87].
En consecuencia, la proteasa ADAM10 puede producir variantes de PrP liberada dependiendo de la secuencia y conformación de la proteína. Jansen y colaboradores describieron la existencia de formas PrP no ancladas que terminan en Tyr225 y Tyr226 en pacientes con enfermedad priónica [88].
Los autores caracterizaron a dos pacientes con enfermedad priónica que portaban mutaciones de parada en las posiciones Y226X y Q227X y expresaban las formas respectivas. Utilizando un anticuerpo monoclonal V5B2 [89] que se une específicamente a un fragmento de PrP que termina en Tyr226, describimos al mismo tiempo la existencia de una forma libre de PrP denominada PrP226* [90-94].
La distribución de PrP226* en el cerebro humano se ha asociado con la distribución de PrPSc [90,94]. Debido a la existencia de más de una forma desprendida, planteamos la hipótesis de que el sitio proteolítico en la secuencia humana no está ubicado exclusivamente entre los residuos de aminoácidos 228 y 229, sino que está ubicado en la proximidad del extremo C [95] (Figura 1).
Recientemente, Linsenmeier et al. publicó un estudio exhaustivo sobre el mecanismo que estimula la eliminación proteolítica de PrPC [81]. Utilizando modelos animales y controles, demostraron que la liberación de PrP se correlaciona negativamente con la conversión de priones y que la PrP liberada está abundantemente presente en las placas amiloides.
También estudiaron la influencia de la unión de los anticuerpos dirigidos por PrP a la PrPC sobre la propensión a la eliminación. La unión de anticuerpos anti-PrP completos al dominio estructurado C-terminal de PrPC o derivados de anticuerpos monocatenarios, dirigidos hacia epítopos repetitivos dentro de la región octarepetida del dominio N-terminal estimuló la descamación, cuando la unión de anticuerpos anti-PrP completos a la octarepetición La región del dominio N-terminal bloqueó la estructura del dominio N-terminal y evocó la agrupación de la superficie de PrPC, la endocitosis y la degradación en los lisosomas [81].
4. Proteína priónica y mielinización
PrPC se expresa abundantemente en el sistema nervioso central (SNC) y el sistema nervioso periférico [4,5]. Los estudios en cerebros de primates, cerebros de roedores y ratones transgénicos demostraron que se enriquece a lo largo de los axones y en las terminales presinápticas, donde participa en el transporte axonal anterógrado y retrógrado [4,17,18,96–98].
Las deleciones en la región de escisión de PrPC mostraron una desmielinización severa tanto en la médula espinal como en la sustancia blanca cerebelosa in vivo [99,100]. Posteriormente, se confirmó que la PrPC axonal y su escisión son necesarias para la promielinización en el sistema nervioso periférico [101].
Utilizando un modelo de ratones knockout para PrP coisogénico, Kuffer et al. descubrieron que la PrPC axonal promueve el mantenimiento de la mielina en trans mediante la unión al receptor acoplado a proteína G de adhesión Adgrg6 en células de Schwann con una cola flexible N-terminal [7].
También confirmaron que los ratones que carecían de PrPC desarrollaron neuropatía desmielinizante crónica, lo que sugiere que la homeostasis de la mielinización en el sistema nervioso periférico es una función fisiológica genuina de la PrPC [7].
Se descubrió que el mantenimiento de la mielina estaba regulado mediante la unión de un fragmento de PrPC liberado en el extremo N (presumiblemente N1 o PrP desprendida) a Adgrg6 en las células de Schwann.
La interacción activó Adgrg6, aumentó los niveles celulares de AMPc y desencadenó una cascada de señalización que promovió la mielinización [7]. La regulación del mantenimiento de la mielina periférica por parte de PrPC se confirmó en cinco cepas diferentes de modelos de ratones con desactivación de PrP que desarrollaron neuropatía periférica de aparición tardía [101-103].
Recientemente, hubo un intento de desarrollar un tratamiento para las enfermedades desmielinizantes periféricas basado en la unión entre el dominio N-terminal de PrPC y Adgrg6 [104]. En este estudio, construyeron una molécula de inmunoadhesina que consta de dos dominios N-terminales flexibles de PrPC unidos a un fragmento cristalizable (Fc) de inmunoglobulina G1 (FT2Fc) [104].
La molécula mostró propiedades farmacocinéticas favorables y mostró potencial in vitro, pero no logró tener un efecto terapéutico sobre los primeros signos moleculares de desmielinización en ratones knockout para PrP [104].
La PrPC también se estudió en relación con el desarrollo y la regeneración de mielina periférica después de lesiones nerviosas [105]. Como se descubrió que la PrP es prescindible en este mecanismo, se podría suponer que la PrP no tiene un papel importante en el proceso de reparación del nervio periférico o que su ausencia podría compensarse con otros ligandos [105].
La mielinización y otras funciones fisiológicas de la PrPC se han estudiado intensamente en modelos animales con una expresión del gen PrP desactivada o desactivada.
Los estudios han demostrado efectos negativos limitados en ratones [102,106–109], ganado vacuno [110] y cabras [68,111,112], mientras que los estudios en ratones o cabras sin PrP mostraron defectos en el sistema nervioso y sensibilidad al estrés oxidativo [6,101,111,113]. Se generaron varios modelos de ratones knockout para PrP con antecedentes mixtos [106,109,114-116].
Como los estudios no son reproducibles entre modelos, esto podría plantear la cuestión de si algún fenotipo observado se debió en realidad a polimorfismos en los genes que flanquean a Prnp o al resultado de la ausencia de PrPC. Para evitar este problema, sería aconsejable repetir experimentos clave utilizando ratones coisogénicos PrPknockout.
Aunque es necesario dilucidar el papel de la PrPC en el SNC, la PrPC y los fragmentos liberados de PrPC son indispensables en la homeostasis de la mielina de los nervios periféricos, pero pueden ser prescindibles en la recuperación de los nervios.
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