Información estructural y funcional sobre el polimorfismo de fibrillas de -sinucleína, parte 2

Las proteínas -sinucleína ( -syn) y -sinucleína ( -Syn) también pertenecen a la familia de las sinucleínas [165] (Figura 1C). -Syn es una proteína de 134 aminoácidos, identificada anteriormente como el homólogo humano de la fosfoneuroproteína 14 bovina (PNP14).

A medida que envejecemos, la memoria disminuye gradualmente. Sin embargo, podemos mejorar la memoria mediante una buena nutrición. La proteína de aminoácidos es uno de los nutrientes más importantes.

Las proteínas de aminoácidos pueden aumentar la cantidad y las conexiones de las neuronas en el cerebro, desempeñando un papel vital en el aprendizaje y la memoria. Además, las proteínas de aminoácidos pueden promover el crecimiento y la reparación de los vasos sanguíneos del cerebro y aumentar el suministro de oxígeno al cerebro, ayudando así a mejorar la capacidad cognitiva y la memoria del cerebro.

Algunos alimentos ricos en proteínas de aminoácidos incluyen el pollo, la carne de res, el pescado y los huevos. Al mismo tiempo, algunos alimentos de origen vegetal como los frijoles, las semillas de girasol, etc. también aportan proteínas ricas en aminoácidos. Podemos mejorar la memoria llevando una dieta equilibrada y consumiendo aminoácidos y proteínas adecuados.

Además, debemos prestar atención a la ingesta de cantidades adecuadas de proteínas de aminoácidos y mantener hábitos alimentarios y estilos de vida saludables. El ejercicio regular, dormir lo suficiente y reducir el estrés pueden ayudar a mejorar el desarrollo y la función del cerebro.

En definitiva, los aminoácidos y las proteínas son nutrientes importantes para mejorar la memoria. Mediante ajustes razonables en la dieta y el estilo de vida, podemos ayudar a que nuestro cerebro funcione mejor, mejorar nuestra capacidad de aprender y recordar y tener una vida más sana y feliz. Se puede ver que necesitamos mejorar la memoria, y Cistanche deserticola puede mejorar significativamente la memoria, porque Cistanche deserticola tiene efectos antioxidantes, antiinflamatorios y antienvejecimiento, que pueden ayudar a reducir la oxidación y las reacciones inflamatorias en el cerebro, protegiendo así la salud del sistema nervioso. Además, Cistanche deserticola también puede promover el crecimiento y la reparación de las células nerviosas, mejorando así la conectividad y la función de las redes neuronales. Estos efectos pueden ayudar a mejorar la memoria, el aprendizaje y la velocidad del pensamiento, y también pueden prevenir el desarrollo de disfunciones cognitivas y enfermedades neurodegenerativas.

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Falta el tramo 11-aminoácido (residuos 73–83) en su dominio NAC (Figura 1C), por lo que no puede fibrilar [11,176,177]. Anteriormente, se creía que -Syn es un inhibidor de la agregación de -Syn y prevenía su neurotoxicidad [11,176]. Sin embargo, esta noción cambió después de descubrir mutaciones sin sentido en el gen -Syn, P123H (familiar) y V70M (esporádica), que se sabe que causan DLB [178].

Los efectos nocivos de estas mutaciones han sido demostrados mediante estudios en células y animales [179,180]. Nuestro grupo demostró recientemente que, en condiciones fisiológicas normales, no se producía fibrilización y agregación de -Syn y sus mutaciones asociadas a la enfermedad, pero un microambiente alterado, como una disminución del pH y/o la presencia de heparina, hacía que se polimerizaran [181].

-Syn, que comparte ~55% de homología de secuencia con -Syn, se identificó inicialmente en tumores malignos de cáncer de mama codificados por un gen específico del cáncer de mama, BCSG1 [182]. Se informó en el sistema nervioso central periférico y en los tejidos del cáncer de mama [182,183]. Se agrega y forma fibrillas in vitro [177] e incells [184], pero es comparativamente más lento que -Syn [91].

El plegamiento incorrecto y la fibrilación de -Syn es un acontecimiento importante en varios trastornos neurodegenerativos [185]. Los agregados de -Syn mal plegados son amiloidogénicos, se acumulan de manera aberrante en el cerebro y, como resultado, el paciente sufre anomalías del movimiento que empeoran con el tiempo.

La agregación de -Syn es un fenómeno complejo e implica la conversión de monómeros en estructuras ricas en láminas cruzadas altamente ordenadas mediante la formación de varias especies oligoméricas solubles dentro y fuera de la ruta [185,186]. La formación de amiloide de -Syn generalmente se controla mediante un tinte fluorescente de tioflavina T [187].

Sigue la cinética de crecimiento sigmoideo, que consiste en (i) la fase de retraso, que implica la formación de núcleos, que eventualmente crecen hasta formar la estructura agregada detectable en solución; (ii) la fase de alargamiento, la conversión y posterior crecimiento de especies oligoméricas en la estructura fibrilar; y (iii) la fase estacionaria, que representa el estado estacionario donde la concentración de monómero y fibrillas alcanza el equilibrio.

Al final de la agregación, -Syn se ensambla en fibrillas de amiloide largas atípicas, normalmente caracterizadas por microscopía electrónica y técnicas de imágenes de microscopía de fuerza atómica [9]. Estas fases de agregación no pueden atribuirse a un solo evento o proceso microscópico. En cambio, todos los procesos, a saber, nucleación primaria, elongación, nucleación secundaria y fragmentación, están activos en todas las fases de la curva de crecimiento, pero a diferentes ritmos [188,189] (Figura 2).

Estas velocidades de reacción se rigen por las constantes de velocidad de agregación y la concentración de las especies que reaccionan en un momento dado [190]. La formación de amiloide se inicia con la nucleación primaria de las especies monoméricas en la solución y el alargamiento mediante la adición de monómero a los extremos en crecimiento de los agregados [189]. Sin embargo, los procesos de nucleación primaria son de corta duración y rápidamente superados por los procesos de nucleación secundaria [191].

La fragmentación de las fibrillas en condiciones de agitación (o incluso en condiciones de reposo, dependiendo de la estabilidad de las fibrillas de amiloide) modifica el número de extremos en crecimiento y afecta significativamente la cinética de crecimiento general [188,189].

Además, la nucleación secundaria por catálisis superficial también es uno de los principales contribuyentes al crecimiento de amiloide en varios sistemas, especialmente en condiciones de reposo [189,190]. El autoensamblaje y la agregación de -Syn es un fenómeno complejo e implica múltiples procesos paralelos. Por lo tanto, es crucial comprender los eventos moleculares subyacentes para delinear su conexión fundamental con las enfermedades humanas.

4. Fenómenos de cepas similares a priones en -Syn

Desde el descubrimiento de -Syn como el componente principal de la patología de los cuerpos de Lewy en 1997, el enfoque principal se ha desplazado a delinear el mecanismo patogénico subyacente de la EP.

Heiko Braak [192] presentó un sistema de estadificación de la patología de Lewy en 2003 basado en los patrones específicos de propagación de -Syn. Según la hipótesis de Braak, la patología de Lewy se inicia en el bulbo olfatorio y el DMV y luego se propaga progresivamente a otras regiones del cerebro.

Aunque existe evidencia experimental y clínica que respalda la hipótesis de Braak, no está claro si es aplicable y/o describe con precisión la progresión de la EP en todos los pacientes. Por ejemplo, hay casos en los que los pacientes no muestran patología de Lewy en DMV o ENS, mientras que otras regiones del cerebro están gravemente afectadas [193-198].

Incluso en algunos casos, no se ha observado ningún vínculo entre la gravedad de la patología de Lewy y los síntomas clínicos de la EP [195]. Por lo tanto, se sugiere aplicar la hipótesis de Braak sólo a un subconjunto de la población [198] ya que no todos los pacientes con EP cumplen el sistema de estadificación propuesto por Braak [199]. Curiosamente, los informes sobre la patología de Lewy en injertos neuronales fetales después de catorce años de trasplante en el cuerpo estriado de un paciente con EP proporcionaron pruebas directas de la transmisión de célula a célula y de la difusión de la sinpatología propuesta por Braak [200,201].

Los estudios que utilizaron sistemas de modelos celulares y in vitro sugirieron posteriormente que los agregados Syn son infecciosos, pueden moverse de una célula a otra y germinar la agregación de su contraparte endógena soluble en las células receptoras, lo que explica el fenómeno observado en las neuronas injertadas [18,21,23]. . Esta transmisión similar a un prión del agregado -Syn de una región a otra también está implicada en pacientes con DCL y PDD, lo que sugiere que la propagación de la patología de Lewy es propiedad compartida de los agregados -Syn en las sinucleinopatías [202-205].

Sin embargo, las características clínicas y patológicas de estas sinucleinopatías son muy variables y heterogéneas [206,207], [146,208]. Uno podría preguntarse por qué, a pesar de estar vinculadas a la agregación de la misma proteína, la distribución de la patología -Syn y la manifestación de los síntomas de la enfermedad son diferentes entre las sinucleinopatías.

Esto podría explicarse por el fenómeno de cepa priónica de -Syn, en el que la misma proteína precursora forma diferentes fibrillas que dan lugar a distintas patologías.

4.1. Concepto de cepas priónicas

Las últimas décadas de investigación han sugerido que las proteínas/péptidos con diversas estructuras y secuencias pueden formar un pliegue común de estructura de amiloide rica en láminas cruzadas- -[209-213]. Estas proteínas/péptidos forman amiloides con una estructura de agregación común, es decir, a través de un mecanismo de polimerización dependiente de la nucleación [214,215].

Sin embargo, cada proteína/péptido también puede pasar por una vía de agregación distinta para formar una estructura amiloide única. Estudios estructurales recientes de alta resolución con ssNMR y crio-EM han sugerido que cada proteína se empaqueta de manera única y forma estructuras diferentes para el pliegue transversal de la hoja [56–58,61,216]. No sólo eso, sino que, sorprendentemente, una proteína puede formar múltiples pliegues estructurales diferentes [40,59].

Así, estas proteínas pueden adoptar varias conformaciones a partir de la misma secuencia de aminoácidos, dando lugar a varias proteinopatías y, por tanto, no confirmando la hipótesis de una proteína-una estructura [217]. Por ejemplo, tau se pliega de forma diferente en la enfermedad de Alzheimer y en la de Pick [40,218,219]. . Existen diferentes agregados de proteína de unión al ADN TAR (TDP-43) en los cerebros de los subtipos de degeneración lobarde frontotemporal (FTLD-TDP), que muestran diferencias morfológicas entre los subtipos [220].

La capacidad de esta proteína para plegarse mal y mostrar diversidad conformacional puede tener consecuencias graves, como la neurodegeneración [221]. Este fenómeno de una proteína que forma diferentes amiloides asociados con diversas propiedades fenotípicas es bien conocido en el caso de los priones [46,222]. Los priones son partículas proteicas infecciosas que muestran heterogeneidad conformacional y pueden transmitirse de un individuo a otro [223].

Existe una gran cantidad de evidencia que muestra la diversidad epidemiológica y clínico-patológica de las enfermedades priónicas humanas, como la enfermedad de Kuru, el síndrome de Gerstmann-Straussler-Scheinker y la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob [224], así como las enfermedades priónicas no humanas, como la encefalopatía espongiforme bovina (EEB). en bovinos, scrapie en ovinos y caprinos, etc. [225].

La proteína priónica celular normal (PrPC) sufre una conversión de conformación helicoidal a rica en láminas (PrPSc), que es una forma insoluble, resistente a PK e infecciosa. PrPSc se propaga y agrega siguiendo dos mecanismos/modelos ampliamente aceptados, es decir, el modelo de polimerización asistida por plantilla y el de nucleación.

Un prión patógeno actúa como plantilla en el modelo asistido por plantilla y proporciona una superficie para convertir una proteína priónica normal endógena a su forma patógena mal plegada [226]. En el modelo de nucleación-polimerización, las PrPSc monoméricas se combinan y forman un núcleo estable, también llamado semilla. Estas semillas siguen reclutando PrPC y las convierten en sus homólogos patógenos [226].

Una de las propiedades notables de los priones es que pueden plegarse erróneamente en diversas conformaciones, dando lugar cada una a perfiles clínicos, histológicos y patológicos distintos. Estos agregados con diferentes conformaciones y comportamiento patológico se denominan "cepas" [45,227]. Las observaciones pioneras sobre la presencia de cepas de priones provinieron del estudio de Pattison y Milson, 1961 [228], en el que produjeron experimentalmente scrapie en cabras y observaron distintas manifestaciones clínicas de la enfermedad debido a diferentes cepas.

En otro estudio, Fraser y Dickinson pudieron distinguir diferentes cepas de scrapie en modelos de ratones infectados dependiendo del grado de daño en diferentes regiones del cerebro [229]. Posteriormente, una gran cantidad de informes mostraron la existencia de cepas de PrPSc [227,230–233] y métodos para distinguirlas, como la digestión con proteinasa K (PK) [234,235], la resonancia paramagnética electrónica (EPR) y la espectroscopia de RMN [43].

Estas conformaciones de PrPSc varían en términos de diferentes tipos de elementos de estructura secundaria, como hélice, hebra, giro o diferentes pliegues estructurales o empaquetamiento diferente [227,230,232,235,236]. Por ejemplo, la proteína priónica del hámster sirio se repliega en estructuras helicoidales y laminares, así como en varios intermediarios en solución acuosa [236].

Estas no sólo son estructuralmente sino también funcionalmente distintas entre sí [43] y se han identificado en diferentes trastornos priónicos humanos y animales [233,237]. A pesar de que resultan de la agregación de la misma proteína priónica, las enfermedades priónicas difieren entre sí en cuanto al inicio de la enfermedad. período de incubación, progresión y lesiones histopatológicas en el cerebro infectado [224,225]. Esto se ha denominado colectivamente "fenómeno de cepa priónica" [45,46,238].

Uno de los principales contribuyentes a esta diversidad/variación de cepas es la capacidad de los agentes infecciosos/priones para infectar ciertas especies [44,239,240] y cruzar la "barrera de las especies", generando así una variedad de cepas con características bioquímicas y patológicas distinguibles. Uno de esos casos es la vCJD (variante de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob), resultante de la transmisión entre especies de EEBprion del ganado a los humanos [44,240], que es el único caso conocido de transmisión de priones no humanos a humanos.

Además, se sabe que diferentes cepas de priones coexisten entre sí, como se observa en el caso de la ECJs (enfermedad esporádica de Creutzfeldt-Jakob) [241,242], que muestran distintas propiedades bioquímicas en diferentes regiones del cerebro. También se sabe que las cepas de priones extienden su período de incubación tras la coinfección con otras cepas, mostrando así un fenómeno de "competencia", como se observa en varios estudios [243-245].

Todas las características antes mencionadas del fenómeno de las cepas priónicas y el potencial para la generación de nuevas cepas priónicas han surgido no sólo como un desafío científico serio sino también como una amenaza para la salud pública en general.

Sin embargo, estudios recientes han sugerido que esta propiedad de la cepa de amiloides no sólo se limita a los priones sino también a otros amiloides asociados con diversos trastornos neurodegenerativos como el Alzheimer y el Parkinson [19,246,247], [18,248]. Se han proporcionado diversas pruebas in vitro e in vivo. estudios para demostrar el comportamiento de tensión similar al prión de -Syn, como se analiza a continuación.

4.2. -Cepas Syn generadas in vitro

En los últimos años se ha informado de una creciente evidencia de cepas priónicas de -Syn asociadas con variaciones clínicas y patológicas observadas en las sinucleinopatías [29-35,249].

Estas cepas se han definido como conjuntos conformacionales distintos y estables de una única proteína que puede autorreplicarse y propagarse in vivo y dar lugar a diferentes fenotipos de enfermedades. Guo et al. descubrieron dos "cepas" de fibrillas preformadas (bocanadas) de -Syn, mediante fibrilización denovo, denominada "cepa A", y fibrilización por siembra repetitiva in vitro, denominada "cepa B".

Estas dos cepas exhibieron conformaciones distintas y diferencias sorprendentes en la siembra cruzada de la proteína tau en cultivos neuronales primarios e in vivo [30]. Además de documentar la evidencia de cepas de fibrillas -Syn por primera vez, estos hallazgos también identificaron el comportamiento de siembra cruzada de -Syn. Posteriormente, varios grupos aprovecharon la propiedad camaleónica de -Syn [9] y examinaron numerosas condiciones de crecimiento para generar cepas de -Syn in vitro. En diferentes condiciones de crecimiento, se observaron varios estados de proteína conformacionalmente estables e inestables [250].

Las conformaciones que no son termodinámicamente estables o que no pueden establecer interacciones intermoleculares estables no pueden crecer hasta convertirse en fibrillas de amiloide. Estos se conocen como estados incompetentes para el crecimiento (Figura 3). Por otro lado, los estados de crecimiento competentes de -Syn pueden crecer y formar diferentes fibrillas dependiendo de las condiciones de crecimiento (Figura 3).

Las fibrillas resultantes en diferentes condiciones de ensamblaje no solo poseen diferentes propiedades bioquímicas y biofísicas, como resistencia a proteasas, citotoxicidad, capacidad de siembra, etc. [29–32,34–36,51,53] sino que también imprimen su arquitectura en las fibrillas hijas dependiendo de la condición de crecimiento y la naturaleza de las semillas (Figura 3).

Bousset et al. de hecho generó dos cepas Syn estructural y funcionalmente diferentes, denominadas "fibrillas" y "cintas", utilizando diferentes concentraciones fisiológicas de sal [29]. Las fibrillas causaron más citotoxicidad, mientras que se encontró que las cintas eran más efectivas para inducir inclusiones -Syn in vivo [33]. Se obtuvieron diferencias similares con cepas generadas por Suzuki et al. [51], donde una cepa provocó la acumulación de abundantes agregados -Syn fosforilados y ubiquitinados en neuronas cultivadas y ratones debido a su capacidad para interactuar con complejos de proteasoma, mientras que la otra cepa no logró hacerlo [51].

Hoy en día, variar las condiciones experimentales se ha convertido en una estrategia común para generar cepas in vitro. En los casos en los que los criterios para ser llamado 'cepa', es decir, deben ser una variante estructural de los agregados proteicos, exhibir la capacidad de autopropagarse y transmitir en serie la enfermedad a lo largo de las próximas generaciones y causar variaciones clínicas y fenotípicas de la enfermedad, no se cumplen completamente. cumplido, sería más apropiado llamar a las fibrilsas 'polimorfos'.

Estos polimorfos pueden mostrar diferencias sorprendentes en su morfología y estructura [28,56,251], tasas de nucleación [252], capacidad de siembra y unión a membranas en las células [36], etc. Sin embargo, como consecuencia funcional de estas variaciones estructurales en los polimorfos, pueden o pueden no dan lugar a distintos subtipos clínicos de enfermedades. También hay casos de polimorfismo intramuestra, que puede surgir independientemente de si las fibrillas se generan in vitro [39,57,253–256] o se derivan de extractos cerebrales [40,257,258].

Si bien estos pueden poseer ciertos puntos en común, como un pliegue monomérico similar o una estructura común, también muestran marcadas diferencias en la morfología, la disposición de las hebras o las propiedades bioquímicas [57,256]. Por lo tanto, diferentes condiciones de ensamblaje pueden generar ensamblajes fibrilares estructural y funcionalmente distintos, que pueden propagarse como una cepa -Syn única o simplemente formar polimorfos.

Varios informes han afirmado la presencia de agregados -Syn en el tracto gastrointestinal [259-263] y un papel clave del nervio vago en la propagación de estos agregados desde el intestino hasta el cerebro [74,76,192,264,265]. Recientemente, se ha demostrado que E. coli que expresa curli promueve la patología -Syn en el intestino y el cerebro de ratones que sobreexpresan -Syn humano [78]. La exposición a amiloides microbianos puede inducir polimorfismo.

En cambio, sería interesante preguntar si las diferentes formas de -Syn (polimorfos) se originan en el intestino, se propagan a las regiones del cerebro a través del transporte vagal retrógrado y causan patología de una manera específica de la cepa. En este contexto, se han observado diferencias estructurales y funcionales entre las fibrillas -Syn formadas en presencia y ausencia de lipopolisacárido de endotoxina bacteriana (LPS) [31].

Se sabe que el LPS modula la agregación de -Syn al estabilizar los intermediarios helicoidales formados durante su vía de agregación, lo que da como resultado fibrillas con citotoxicidad variable y comportamiento de internalización alterado [266]. Además, se ha demostrado que -Syn sufre numerosos PTM, como fosforilación, oxidación de metionina, acetilación, nitración, etc., que están directamente asociadas con su agregación y citotoxicidad [94,115,267,268].

Como pS129 es el PTM más común y la forma principal de -Syn en los cuerpos de inclusión, puede provocar la formación de cepas en -Syn in vivo. Ma et al. demostró que la fosforilación en Ser129 permite que la proteína forme una cepa distinta que difiere estructuralmente con una mayor citotoxicidad y diferentes propiedades de propagación in vitro y en células en comparación con la contraparte de tipo salvaje (sin fosforilación) [269].

No solo la fosforilación sino también la acetilación N-terminal pueden impartir polimorfismo a las fibrillas [267], lo que sugiere que incluso una ligera modificación en la secuencia de aminoácidos -Syn puede afectar significativamente su estructura de fibrillas. La alteración en la estructura de las fibrillas puede influir aún más en la propagación de las fibrillas in vivo al dirigirse selectivamente a distintos tipos de células y poblaciones celulares dentro del cerebro [32].

Estas diferencias específicas de cepas se conservan fielmente a lo largo de las generaciones [28,29,52] y conducen a diferencias clínicas en el inicio de la enfermedad, la enfermedad neurológica, el perfil de la lesión, etc. [32]

En general, estos estudios sugieren que en un entorno complejo y abarrotado como el de una célula, sutiles cambios ambientales y celulares, la presencia de cofactores u otras proteínas y alteraciones en la secuencia primaria de la proteína pueden conducir a la formación de diferentes polimorfos o cepas. , lo que resulta en diferentes resultados de la enfermedad.

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