El potencial diagnóstico de las proteínas amiloidogénicas, parte 1

Abstracto:

Los trastornos neurodegenerativos son una clase de enfermedades muy prevalentes, cuyos mecanismos patológicos comienzan antes de la aparición de cualquier síntoma claro. Este hecho ha llevado a los científicos a buscar biomarcadores que puedan ayudar al tratamiento temprano.

Estas patologías actualmente incurables comparten la presencia de agregados aberrantes llamados amiloides en el sistema nervioso, que están compuestos por proteínas específicas.

En esta revisión, discutimos cómo estas proteínas, sus conformaciones y modificaciones podrían explotarse como biomarcadores con fines de diagnóstico.

La proteína es una de las sustancias importantes para mantener una buena salud y también tiene un impacto importante en la memoria. La proteína está compuesta de aminoácidos, que son la materia prima de las células cerebrales y los neurotransmisores. Por tanto, la ingesta de proteínas está estrechamente relacionada con la memoria.

En primer lugar, la proteína es una sustancia esencial para que el cuerpo construya y repare tejidos. Las células cerebrales son ricas en enzimas y sustancias reguladoras, que requieren proteínas como componente para funcionar normalmente. Un contenido demasiado bajo de proteínas en el cuerpo hará que las células cerebrales no funcionen normalmente, afectando así la memoria. Por tanto, mantener una ingesta adecuada de proteínas juega un papel importante en el desarrollo del cerebro y el mantenimiento de la memoria.

En segundo lugar, las proteínas tienen el efecto de mejorar la actividad de las células cerebrales. El cuerpo humano necesita una gran cantidad de neurotransmisores cerebrales para mantener el funcionamiento normal de funciones como el pensamiento, la memoria y el comportamiento. Los neurotransmisores cerebrales se sintetizan a partir de aminoácidos en el cuerpo y la fuente de estos aminoácidos es la proteína. Por tanto, elegir alimentos ricos en proteínas de alta calidad puede aumentar la síntesis de neurotransmisores cerebrales, mejorando así la actividad de las células cerebrales y ayudando a mejorar la memoria.

Además, las proteínas también ayudan a mantener la estabilidad del organismo y a prevenir las fluctuaciones de azúcar en sangre. Los niveles bajos de azúcar en sangre pueden provocar síntomas como falta de atención, mareos y fatiga en el cuerpo, que a menudo afectan el rendimiento de la memoria. Manteniendo una ingesta moderada de proteínas, se pueden evitar eficazmente las fluctuaciones de azúcar en sangre, lo que ayuda a mantener la estabilidad del cuerpo y mejorar la memoria.

En definitiva, las proteínas están estrechamente relacionadas con la memoria. Una ingesta moderada de proteínas puede mantener la estabilidad del cuerpo, mejorar la actividad de las células cerebrales y así mejorar la memoria. Deberíamos intentar comer más alimentos ricos en proteínas de alta calidad, como pescado, carne, frijoles y productos lácteos, y evitar eliminar por completo las proteínas de la dieta. Esto nos ayudará a mantenernos saludables, mejorar nuestra memoria y disfrutar de una vida mejor. Se puede ver que necesitamos mejorar nuestra memoria, y Cistanche puede mejorar significativamente la memoria porque Cistanche es una medicina tradicional china con muchos efectos únicos, uno de los cuales es mejorar la memoria. La eficacia de Cistanche proviene de los diversos ingredientes activos que contiene, incluidos ácido tánico, polisacáridos, glucósidos flavonoides, etc., que pueden promover la salud del cerebro de muchas maneras.

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Nos centramos en proteínas asociadas con los trastornos neurodegenerativos más prevalentes, incluidas las enfermedades de Alzheimer y Parkinson, la esclerosis lateral amiotrófica y la demencia frontotemporal.

También describimos los retos actuales en la detección, las técnicas más recientes con potencial diagnóstico y los posibles desarrollos futuros en el diagnóstico.

Palabras clave: enfermedades neurodegenerativas; biomarcador; amiloide; oligómero; modificación postraduccional.

1. La necesidad de nuevos enfoques de diagnóstico para la neurodegeneración

Las enfermedades neurodegenerativas son trastornos mortales e incurables, caracterizados por la pérdida progresiva de neuronas en regiones específicas del sistema nervioso. Son un grupo de patologías muy heterogéneo, que incluye la enfermedad de Alzheimer (EA), la enfermedad de Parkinson (EP), la demencia frontotemporal (DFT) y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA).

Actualmente, en todo el mundo, más de 50 millones de personas padecen diversas formas de neurodegeneración [1]. El curso clínico de las enfermedades neurodegenerativas suele durar varios años y conduce a déficits progresivos en la memoria, la cognición y el movimiento en diferentes grados dependiendo de la patología específica [2]. . Los tratamientos farmacológicos existentes se centran en el alivio de estos síntomas [3].

Además, la evaluación neuropsicológica todavía se considera crucial en el diagnóstico de la neurodegeneración asociada con la demencia [4]. Sin embargo, los mecanismos moleculares clave de la enfermedad ocurren antes de la aparición de cualquier síntoma significativo.

El desarrollo de enfoques de diagnóstico precisos facilitaría intervenciones terapéuticas oportunas para restaurar la fisiología neuronal antes de que ocurra un daño irreversible.

También promovería el establecimiento de nuevas terapias y la revalorización de las actuales que podrían ser más efectivas si se administraran en etapas más tempranas. A pesar de la necesidad urgente de enfoques de diagnóstico para la neurodegeneración, su desarrollo sigue siendo un desafío enorme, debido a la accesibilidad limitada del cerebro para el examen físico y la complejidad de las pruebas clínicas basadas en las capacidades cognitivas [2].

Los avances tecnológicos recientes han permitido la caracterización de nuevas vías, biomoléculas y estructuras en el sistema nervioso y otras regiones del cuerpo que podrían usarse como marcadores de enfermedades de neurodegeneración [5,6].

Aunque las diferentes enfermedades neurodegenerativas tienen algunos fenotipos distintos, también comparten algunas características moleculares clave. En particular, en muchos de estos trastornos, proteínas y péptidos específicos, que normalmente serían solubles, experimentan un proceso de autoensamblaje que conduce a la formación de grandes agregados fibrilares, llamados amiloides [7,8].

Este proceso también implica la generación de intermediarios oligoméricos más pequeños, que son altamente tóxicos y actualmente se consideran actores importantes en los mecanismos de la enfermedad [8]. La agregación de amiloide también está relacionada con otros procesos de agregación, como la formación de condensados ​​[9]. Sin embargo, estos no serán el foco de la presente revisión.

Aquí describimos algunas de las proteínas amiloidogénicas más conocidas y su relevancia diagnóstica.

Nos centramos en la beta amiloide (A) y la tau para la EA, la -sinucleína (-syn) para la EP, fusionada en el sarcoma (FUS), y la proteína 43 de unión al ADN TAR (TDP-43) para la ELA y la DFT. También analizamos los avances más recientes en los enfoques de detección para monitorear la agregación de estas proteínas.

2. Agregación de amiloide como fuente potencial de biomarcadores

Los amiloides son agregados fibrilares insolubles enriquecidos en una estructura cruzada y su formación se ha caracterizado ampliamente in vitro [7,8].

La agregación amiloide consiste en una red compleja de eventos de nucleación. Inicialmente, las proteínas monoméricas solubles interactúan y forman oligómeros mediante nucleación primaria. La nucleación primaria también puede desencadenarse por la presencia de otras biomoléculas, como otras proteínas [10], ácidos nucleicos [11,12] y membranas [13].

Luego, los oligómeros se convierten en agregados de orden superior y, finalmente, en fibrillas de amiloides. Una vez que se ha formado una concentración crítica de fibrillas, la superficie de estas fibrillas cataliza la formación de oligómeros adicionales mediante nucleación secundaria [7,8]. Las fibrillas también pueden alargarse mediante la adición de monómeros en sus extremos y sufrir fragmentación [7,8]. Las fibrillas de amiloide son especies de proteínas extremadamente estables debido a su rico contenido en láminas cruzadas [8,14-16].

Por el contrario, los oligómeros se convierten rápidamente en agregados de amiloide de orden superior (Figura 1). La naturaleza transitoria de los oligómeros hace que sea difícil aislarlos y caracterizarlos a nivel estructural.

Sólo recientemente, gracias a nuevos enfoques como la fluorescencia de una sola molécula y la microscopía electrónica [14,17,18], se ha demostrado que los oligómeros son altamente heterogéneos en sus propiedades y estructuras fisicoquímicas, con un contenido de estructura secundaria variable [16,19,20]. .

Los oligómeros son tóxicos por multitud de mecanismos, incluidas interacciones hidrofóbicas aberrantes. Se ha demostrado que, en tejidos y células aisladas, los oligómeros pueden afectar la permeabilidad de la membrana y la homeostasis de los iones e inducir estrés oxidativo [16, 21-23].

Los radicales libres inducidos por oligómeros pueden desencadenar un plegamiento incorrecto de las proteínas, disfunción mitocondrial y, finalmente, apoptosis [24]. Los oligómeros de A y -syn también se han asociado con neuroinflamación [22] y pérdida de sinapsis [25,26].

Varios factores pueden afectar la formación de fibrillas y oligómeros de amiloide. Estos incluyen mutaciones genéticas, estrés celular y la presencia o ausencia de biomoléculas específicas.

Además, los amiloides se modifican ampliamente postraduccionalmente in vivo [27–29] y las modificaciones postraduccionales (PTM) alteran significativamente la formación y la toxicidad de las fibrillas de amiloides in vitro [27–31].

3. Proteínas amiloidogénicas implicadas en la neurodegeneración

En el contexto de la neurodegeneración, los marcadores de enfermedad se pueden dividir en marcadores neuropsicológicos, de neuroimagen, genéticosc y bioquímicos [2]. En particular, los marcadores bioquímicos (o biomarcadores) son moléculas mensurables en nuestro cuerpo (p. ej., proteínas, ácidos nucleicos, metabolitos), que informan el estadio de una enfermedad [32].

Las proteínas amiloidogénicas son biomarcadores prometedores, ya que informan sobre el perfil bioquímico de la disfunción del sistema nervioso [2]. A continuación, destacamos las proteínas amiloidogénicas relevantes y sus modificaciones patológicas que pueden servir como biomarcadores de enfermedades neurodegenerativas.

3.1. A y Tau en AD

La EA es la forma más frecuente de demencia. Las lesiones características en los cerebros con EA son placas seniles extracelulares compuestas por agregados amiloides de A y ovillos neurofibrilares (NFT) intracelulares formados por filamentos amiloides helicoidales (PHF) pares de proteína tau hiperfosforilada (p-tau) [2,27].

A es un péptido corto generado por la escisión de un precursor transmembrana más grande, llamado proteína precursora de amiloide (APP), mediante la escisión secuencial de las secretasas - y - y liberado en el espacio extracelular [2,33].

Este proceso puede generar isoformas A de varias longitudes (Tabla 1), que tienen diversos grados de toxicidad en el contexto de la EA [34]. Las isoformas A más comunes son los longones residuales 40- y 42-, generalmente denominados A 40 y A 42, respectivamente. A 40 es la variante más abundante en las placas (~80% a 90%) y también está presente en el cerebro de personas sanas.

El A 42 tiene una propensión mucho mayor a agregarse, y un aumento en las proporciones A 42/A 40 se asocia con la EA y otras formas de demencia [30,34] (Tabla 2). Además de la escisión, las mutaciones genéticas (A692G, E693Q en el gen APP [35,36], Tabla 2) y muchas otras PTM de A se han asociado con la EA, incluida la oxidación, la fosforilación, la glicosilación y la isomerización [30].

Los estudios muestran la aparición de acetilación (p. ej., Lys16 y Lys28), fosforilación (p. ej., Ser8 y Ser26), nitración (p. ej., Tyr10), piroglutamato (p. ej., Glu3 y Glu11), isomerización (p. ej., Asp1 y Asp7) y racemización (p. ej. , Asp1, Asp23 y Ser26) en el contexto de la enfermedad [30,37–39] (Tabla 1).

Vale la pena señalar que el deterioro cognitivo se correlaciona más con las formas intermedias solubles de A que con el grado de depósitos de amiloide [16]. La tau es una proteína importante asociada a los microtúbulos que estabiliza los microtúbulos en las neuronas [2,40]. En el cerebro humano, tau existe como seis isoformas diferentes que llevan tres o cuatro repeticiones de unión a microtúbulos (R). Estas isoformas se denominan 3R y 4R, respectivamente.

Se ha descubierto que la presencia de amiloides 3R o 4R o de amiloides 3R y 4R es específica de la enfermedad. Por ejemplo, en la EA, la ELA, la FT, la D y el parkinsonismo, están presentes los amiloides 3R y 4R, mientras que en las degeneraciones corticobasales y la enfermedad de Pick sólo se encuentran los amiloides 4R y 3R, respectivamente [41,42]. Tau sufre PTM, particularmente fosforilación [40].

La hiperfosforilación patológica reduce la afinidad de tau por los microtúbulos y provoca su desprendimiento de los microtúbulos, lo que resulta en la formación de PHF y NFT [2].

Hasta la fecha, se han identificado 85 sitios potenciales de fosforilación de tau [40]. Además, los estudios moleculares y celulares revelaron que la acetilación (p. ej., Lys174, Lys274 y Lys280), la oxidación (p. ej., Cys322), la nitración (p. ej., Tyr29), la glicación (p. ej., Lys87, Lys132 y Lys150), el truncamiento (p. ej., en Asp13 y Asp421 y Glu391) y la ubiquitinación (p. ej., Lys48 y Lys63) también afectan la agregación de tau [27] (Tabla 1).

3.2. -Sincronización en PD

A diferencia de la EA, la EP afecta principalmente al sistema motor y provoca temblores, rigidez, bradicinesia e inestabilidad postural [2]. La característica patológica de la EP es la aparición de inclusiones de amiloide citoplasmáticas, conocidas como cuerpos de Lewy (LB) y neuritas de Lewy (LN). Los LB y LN están compuestos por agregados de amiloide, cuyo componente principal es -syn [43].

-Syn contiene 140 residuos con una región N-terminal cargada positivamente, una región central de componente no amiloide (NAC) propensa a la agregación, n, n, y una región C-terminal cargada negativamente [44,45].

Duplicaciones o triplicaciones en la región del cromosoma -syn (4q21-23) y mutaciones que incluyen A53T, G51D, H50Q, E46K y A30P en la secuencia -syn, están asociadas con la EP de inicio temprano [46-48] (Tabla 2 ). -Syn pertenece a una familia de proteínas que también incluye - y -sinucleínas con una similitud del 55% al ​​62%. -La sinucleína tiene una propensión reducida a agregarse y se ha descubierto que suprime la agregación de -syn como inhibidor natural, mientras que la -sinucleína oxidada puede iniciar la agregación de -syn [49,50].

Se sabe que varios PTM afectan la agregación de -syn, están asociados con la EP [28,] y tienen potencial de diagnóstico [51] (Tabla 1).

Estos incluyen acetilación N-terminal, varios truncamientos en el extremo N (p. ej., -syn7-140, 14-140, 40-140 y 72–140 encontrados in vitro, 5–140 y 68 –140 encontrados in vivo y varios en ambos) y C-terminal (p. ej., -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}}, 1-133 y 1-135), fosforilación de Ser87 y Ser129, oxidación de Met1, Met5, Met116 y Met127, sumolición de Lys96 y Lys102, nitración de Tyr39, Tyr125 y Tyr133, y ubiquitinación de Lys6. , Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 y Lys96 [28,52,53] (Tabla 1).

3.3. TDP-43 y FUS en ALS y FTD

La ELA y la DFT son enfermedades neurodegenerativas con mecanismos superpuestos. La ELA afecta a las neuronas superiores e inferiores, provocando la pérdida del control muscular. La DFT es una forma de demencia relacionada con la degeneración de los lóbulos temporal frontal y anterior [54].

Alrededor del 97% de los casos de ELA y el 45% de los casos de DFT se asocian con la presencia de inclusiones de agregados de TDP-43 ubiquitinado, hiperfosforilado y C-terminal truncado en el citoplasma de neuronas y células gliales [29].

TDP-43 es una ribonucleoproteína de 414 residuos capaz de formar agregados de tipo amiloide in vitro y condensados ​​(es decir, gránulos de estrés) [9] en condiciones patológicas. Se compone de un tracto N-terminal con una señal de localización nuclear, dos motivos de reconocimiento de ARN, una señal de exportación nuclear y una región C-terminal desordenada [29].

Se ha informado que todas estas regiones desempeñan un papel fundamental en la agregación de la proteína [55-57]. Se han identificado varias mutaciones de TDP-43 en casos esporádicos y familiares de ELA y DFT, incluidas G294A, Q331K, M337V [58] y K181E [59] (Tabla 2). Al igual que con A y -syn, los PTM de TDP-43 también desempeñan un papel clave en la agregación de la proteína y la progresión de la enfermedad.

Vale la pena señalar que los fragmentos C-terminales truncados de 25 kDa y 35 kDa se encuentran comúnmente en agregados patológicos en pacientes con ELA [29,31,54]. La ubiquitinación también es una modificación típica de las inclusiones TDP-43 [31]. Finalmente, la fosforilación, acetilación y oxidación aberrantes de TDP -43 a menudo se asocian con la mala localización y la agregación aberrante de la proteína [29] (Tabla 1).

La ELA y la FTD también están asociadas con otra proteína de unión a ARN/ADN, la FUS. FUS es una proteína de 526 residuos producida por un dominio de activación transcripcional N-terminal y un dominio C-terminal, que interactúa con factores transcripcionales y también incluye una señal de localización nuclear [60,61].

Ambos dominios contienen regiones de baja complejidad y desempeñan un papel en la formación de condensados ​​e hidrogeles [62]. Se informan más de 50 mutaciones (p. ej., R521C, R521H [63]) de FUS en casos de ELA/DFT.

A diferencia de TDP-43, FUS generalmente se encuentra como una proteína de longitud completa en los agregados [61]. La fosforilación ocurre en los dominios priónicos de FUS y se ha demostrado que afecta su separación de fases y patrón de agregación, mientras que las mutaciones y PTM (principalmente metilación y fosforilación) en su dominio C-terminal regulan su localización nuclear/citoplasma [61,64].

A pesar del claro papel patológico del FUS, los fenotipos de ELA/DFT se asocian con menos frecuencia con el FUS que con las disfunciones TDP-43 [61,65]. Por tanto, el papel de FUS como biomarcador aún está por determinar.

4. Potencial diagnóstico de las características genéticas, estructurales y químicas de las proteínas amiloidogénicas

Se han utilizado varios enfoques de detección para cuantificar proteínas amiloidogénicas en muestras biológicas y para determinar el vínculo entre estas proteínas y las enfermedades neurodegenerativas.

Algunas de estas estrategias tienen como objetivo cuantificar los cambios en los niveles de expresión/concentración de proteínas amiloidogénicas independientemente de su conformación o modificación (Tabla 2). Algunos otros enfoques, en cambio, se centran en sondear propiedades estructurales específicas (por ejemplo, estados agregados) o químicas (es decir, PTM) de proteínas amiloidogénicas (Tabla 1).

Todos estos enfoques analizan diferentes regiones del cuerpo. Técnicas como la tomografía por emisión de positrones (PET) pueden sondear proteínas directamente dentro del sistema nervioso central (SNC), por ejemplo, en el cerebro [2,44,66].

Sin embargo, las proteínas amiloidogénicas también se pueden detectar en otras regiones del cuerpo más accesibles. En esta sección, analizamos los hallazgos que se han obtenido a partir del análisis de tejidos cerebrales y fluidos corporales accesibles, principalmente mediante inmunoensayos, como inmunotransferencia y ensayos inmunoabsorbentes ligados a enzimas (ELISA).

Los líquidos considerados incluyen el líquido cefalorraquídeo (LCR), que está en contacto directo con la porción extracelular del cerebro y, como tal, es un líquido óptimo para medir el metabolismo cerebral [44].

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