LAS AMILOIDOSIS HUMANAS: CUANDO LAS PROTEÍNAS

Bustos Jaimes I, Castañeda Patlán C, Oria Hernández J,
Rendón Huerta E, Reyes Vivas H, Romero Álvarez I,
(eds). Mensaje Bioquímico, Vol XXXII. Depto de
Bioquímica, Fac de Medicina, Universidad Nacional
Autónoma de México. Cd Universitaria, México, DF,
MÉXICO (2008).
(http://bq.unam.mx/mensajebioquimico)
(ISSN-0188-137X)
LAS AMILOIDOSIS HUMANAS: CUANDO LAS PROTEÍNAS
MUESTRAN SU LADO OSCURO
Luis Del Pozo Yauner1,2*, Sandra Leticia Rodríguez Ambriz3 y Baltazar
Becerril1**
1. Instituto de Biotecnología, UNAM. Av. Universidad #2001, Col. Chamilpa C.P. 62210
Cuernavaca, Morelos
2. Instituto Nacional de Medicina Genómica, Periférico Sur No. 4124, Torre Zafiro II, Piso 6 Col.
Ex Rancho de Anzaldo, Álvaro Obregón, C.P. 01900, México, D.F.
3. Centro de Desarrollo de Productos Bióticos /IPN. San Isidro Km. 8.5 Carretera YautepecJojutla, Yautepec. C.P. 62730, Morelos
*[email protected], **[email protected]
Resumen
Las proteínas son esenciales para la vida debido a que ejecutan la mayoría de las
funciones que le dan soporte. Para cumplir estas funciones, las proteínas deben plegarse en su
correspondiente estructura nativa y conservar este estado, aun en las condiciones de estrés
físico, químico y funcional que enfrentan tanto en el interior como en el exterior de la célula. Se
ha demostrado que numerosas enfermedades humanas y de los animales, reunidas bajo el
término de amiloidosis, están asociadas a alteraciones del plegamiento de un grupo particular de
proteínas que se depositan en el espacio extracelular en forma de agregados fibrilares
insolubles. Los factores y condiciones que determinan este comportamiento patológico son muy
diversos, como diversas en secuencia y estructura son las proteínas implicadas. Sin embargo,
los agregados fibrilares que forman, denominados amiloides, comparten numerosas propiedades
biofísicas y estructurales. Este trabajo trata de los fundamentos de la agregación amiloide de las
proteínas y de las características generales de esta clase de agregados. Se analizan las
condiciones y factores relacionados con su formación y se describen los elementos básicos de
los diferentes modelos estructurales propuestos para explicar las propiedades de las fibras
amilolides.
Palabras clave: amiloidosis, plegamiento de proteinas, agregación de proteínas.
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MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXXII (2008)
Abstract
Proteins are essential for life because they carry out most of the cellular functions. In
order to display its structural or catalytic roles, proteins must fold to its native structural state and
keep this conformation, even in the adverse physicochemical conditions that may face either
inside or outside the cell. It is well known that many human and animal diseases, classified
together as amyloidosis, are produced by defects in the folding of proteins. These misfolded
proteins accumulate as aggregates as insoluble fibrils in the extracellular space. The conditions
that determine this pathological behaviour are diverse as is the nature of proteins. However,
these fibrils aggregates, also called amyloids, share many biophysical and structural properties.
In this work we review the fundamentals of amyloid aggregation of proteins as well as the general
properties of the amyloid state. The conditions and factors promoting the amyloid formation are
also reviewed in addition to the current structural models and theories to explain the
physicochemical properties of amyloid fibrils.
Keywords: amyloidosis, protein folding, protein aggregation.
Introducción
Las proteínas, protagonistas fundamentales de la vida: propiedades estructurales
generales
Las proteínas son polímeros lineales constituidos por subunidades o bloques menores
denominados aminoácidos. Aunque en la naturaleza se han identificado cientos de aminoácidos
diferentes, sólo veinte de estos, todos -aminoácidos de la serie L, forman parte de las proteínas
[1]. La característica distintiva de una proteína es su estructura primaria, que es el orden lineal o
secuencia de sus aminoácidos; ésta representa un código esencialmente unidimensional en el
que, sin embargo, está contenida la información necesaria para que la molécula adopte la
estructura tridimensional estable y funcional [2,3]. Tanto en las proteínas como en los ácidos
nucleicos se convierte la información unidimensional de la estructura primaria en un tipo de
información cualitativamente diferente, que es la contenida en la estructura tridimensional de la
molécula y que apreciamos en forma de sus propiedades funcionales [2-5]. Sin embargo, es en
las proteínas donde este fenómeno, denominado plegamiento, alcanza el más alto grado de
complejidad, característica que se sustenta en la mayor diversidad estructural de sus elementos
constituyentes y que se corresponde con la gran diversidad de sus funciones [1-3,6]. Las
proteínas son las moléculas efectoras por excelencia y ejecutan todas las funciones que
requieren carácter informacional, con excepción de la de almacenar y transferir información
sobre la secuencia de otras proteínas, función privativa de los ácidos nucleicos [1].
Algunas proteínas pueden plegarse de forma correcta in vitro si se establecen las
condiciones adecuadas de pH, temperatura, fuerza iónica, balance redox, concentración de
ligandos específicos, entre otras [2,3,6,7]. El plegamiento in vitro de las proteínas ha sido
extensamente estudiado mediante el empleo de una amplia variedad de métodos
espectroscópicos y bioquímicos, así como mediante simulaciones computacionales [8-10]. Estos
estudios han permitido identificar las fuerzas que estabilizan la estructura nativa de las proteínas
y describir, en lo general, sus mecanismos de plegamiento [7-14].
Notablemente, se ha observado que muchas proteínas tienden a formar agregados
cuando se intenta plegarlas in vitro. Dado que los agregados que forman carecen generalmente
de actividad, se concluye que están formados por moléculas que no están plegadas, o que
80
Del Pozo Yauner y cols.
poseen un plegamiento diferente del nativo, lo cual sugiere una relación entre los estados de
plegamiento no nativo y la proclividad a la agregación [15,16]. La agregación de las proteínas no
ocurre únicamente en las condiciones in vitro, ni es una propiedad de un grupo particular de
estas moléculas. Abundante evidencia experimental indica que es un fenómeno frecuente, que
puede ocurrir tanto dentro como fuera de la célula y que puede afectar, en mayor o menor
medida, a casi cualquier proteína [17]. La tendencia de las proteínas a agregarse ha jugado un
papel relevante en la evolución y su huella puede observarse a nivel de la estructura de las
proteínas mismas y en los numerosos sistemas y grupos de factores, presentes en todos los
tipos celulares, cuya función primaria es la de evitar la formación y/o acumulación de agregados
proteicos en el interior de la célula, así como fuera de esta [17-20].
El análisis comparativo de la secuencia de cientos de proteínas y los estudios
estructurales y biofísicos han aportado evidencias que sugieren que, a través de la evolución,
estas moléculas han incorporado elementos de secuencia y/o motivos estructurales cuya función
es la de protegerlas de la agregación [18,21]. El efecto protector de estos elementos puede
ejercerse tanto durante el plegamiento como luego de que la molécula ha adquirido su estado
nativo. En algunas proteínas se ha demostrado que la sustitución de ciertos aminoácidos se
asocia a la acumulación de intermediarios estables con plegamiento no nativo que muestran
tendencia a la agregación. Estas especies pueden ser componentes de la vía cinética normal o
encontrarse fuera de ella, y su acumulación puede responder tanto a variaciones de las
constantes cinéticas del plegamiento como de sus equilibrios termodinámicos [14,22,23]. Estos
hallazgos pueden interpretarse en términos de cómo las proteínas evolucionaron no sólo para
plegarse en forma funcional y estable, sino también para asegurar que este estado se alcance a
través de una vía que no represente riesgo de acumulación de formas no nativas con
propiedades potencialmente perjudiciales para la célula [24]. Por otra parte, se han identificado
motivos estructurales comunes en las proteínas con estructura de tipo a los que se les atribuye
función inhibidora de la agregación, debido a su potencial capacidad para impedir o desfavorecer
las interacciones intermoleculares que pueden causarla [18,21,25].
Los sistemas de control del plegamiento
Todos los organismos vivos poseen complejos sistemas multiproteicos, presentes en los
diferentes compartimientos celulares donde ocurre síntesis de proteína, los cuales controlan y
asisten el plegamiento de estas moléculas y eliminan a las que no consiguen plegarse
correctamente, así como a las que habiendo alcanzado previamente su estado nativo, lo han
perdido por el efecto de condiciones ambientales adversas [19,20,26]. Estos sistemas de control
del plegamiento de las proteínas se caracterizan por ser redundantes y muy dinámicos, pudiendo
responder a los cambios en el microambiente intracelular, ajustando la concentración de varios
de sus componentes de acuerdo a la demanda de la célula. Aunque varias de las proteínas que
componen estos sistemas son expresadas constitutivamente a alta concentración aún en
condiciones fisiológicas, la expresión de otras es inducida intensamente cuando la cantidad de
moléculas de proteínas que no pueden alcanzar su plegamiento nativo tiende a incrementarse.
Esto último ocurre bajo ciertas condiciones de estrés celular. Este complejo proceso de ajuste de
ciertos componentes en respuesta a condiciones de estrés celular se denomina “respuesta a las
proteínas no plegadas” [27,28].
Uno de los componentes fundamentales de los sistemas de control del plegamiento son
las chaperonas moleculares [20]. Esta clase de proteínas, muy conservadas entre las diferentes
especies, unen reversiblemente a las moléculas de proteína de reciente síntesis y, mediante
mecanismos diversos que pueden requerir la hidrólisis de ATP, las ayudan a plegarse en su
estado nativo [29-31]. Algunas chaperonas pueden revertir el plegamiento de las moléculas que
están plegadas incorrectamente, dándoles una nueva oportunidad de iniciar el proceso y
potencialmente alcanzar su estado nativo funcional [32].
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MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXXII (2008)
Además de las chaperonas moleculares, los sistemas de control del plegamiento se
componen de varias proteasas muy especializadas cuya distribución intracelular semeja a la de
las chaperonas. Estas proteasas, cuya función está coordinada con la de las chaperonas,
degradan a las moléculas de proteínas plegadas incorrectamente, generalmente una vez que
chaperonas específicas las han desplegado convenientemente [33]. La vía fundamental de
eliminación de las proteínas incorrectamente plegadas en el compartimiento citoplasmático es el
complejo del proteosoma. Este sistema degrada a las proteínas que han sido marcadas para tal
fin mediante la unión covalente a su estructura de un número variable de moléculas de ubiquitina
[33,34]. La vía del proteosoma es también el destino de algunas de las proteínas sintetizadas en
los ribosomas unidos al retículo endoplásmico y que por alguna razón no alcanzaron su estado
nativo [19,26,35].
Las enfermedades por plegamiento anormal de las proteínas
La existencia en todos los organismos vivos de complejos sistemas de control del
plegamiento es evidencia de que las proteínas enfrentan condiciones hostiles en el medio
intracelular, que con frecuencia impiden que se plieguen exitosamente. También sugieren la
magnitud de los riesgos que entraña para las células la acumulación de moléculas plegadas
incorrectamente [6,14,18,36]. El plegamiento incorrecto puede ser causado por mutaciones en la
proteína que, como se mencionó antes, pueden modificar la cinética del plegamiento o disminuir
la estabilidad del estado nativo [37,38]. Adicionalmente, pueden acumularse moléculas con
plegamiento incorrecto en ciertas condiciones de estrés celular que cursan con el incremento
sostenido de la síntesis de proteínas y/o provocan la disminución de la capacidad funcional de
los sistemas de control del plegamiento [36,39]. Los estados de plegamiento incorrecto
generalmente se asocian a la pérdida parcial o total de la función de la proteína involucrada, lo
cual puede ser causa de enfermedad; como en los errores congénitos del metabolismo
[36,40,41]. Además, como se comentó antes, estos estados se relacionan con frecuencia a la
acumulación de agregados en los diferentes compartimientos celulares, así como en el espacio
extracelular. En ciertas circunstancias, las proteínas pueden formar agregados que son muy
diversos, tanto por su morfología al microscopio electrónico como por su orden interno. Estas
diferencias se reflejan en sus propiedades bioquímicas y en su capacidad para interactuar, con
muy diversas consecuencias, con diferentes estructuras y componentes celulares
[6,14,17,18,24,36].
En los últimos 20 años se ha acumulado abundante evidencia que indica que numerosas
enfermedades humanas tienen su causa, o están relacionadas de alguna forma, con alteraciones
del plegamiento de proteínas específicas y su acumulación en forma de agregados insolubles.
Tanto la pérdida de la función debido al plegamiento incorrecto como la ganancia de propiedades
citotóxicas, una vez agregadas, son dos mecanismos patogénicos fundamentales de estas
enfermedades, que se reúnen bajo el término de “enfermedades por plegamiento incorrecto de
las proteínas” [17,24,36]. Al lector interesado en ampliar sus conocimientos sobre este grupo de
enfermedades se le recomienda leer tres magnificas revisiones recientemente publicadas [4244].
Dentro de este grupo de enfermedades, las amiloidosis han sido extensamente
estudiadas debido a que muchas de ellas representan problemas de salud de primer orden para
los humanos [45]. A continuación describiremos en sus características generales, a este grupo
de enfermedades.
Amiloidosis: características generales
Las amiloidosis son un grupo de enfermedades degenerativas del hombre y los
animales, clínica y bioquímicamente muy heterogéneas, que se caracterizan por la deposición
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Del Pozo Yauner y cols.
extracelular de agregados fibrilares insolubles de naturaleza proteica. A este grupo pertenecen
enfermedades muy relevantes de la patología humana como la diabetes mellitus tipo II, las
enfermedades de Parkinson y Alzheimer, la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob -variante en
humanos de la encefalopatía espongiforme bovina-, la polineuropatía familiar amiloidótica, la
amiloidosis asociada a la diálisis renal crónica y la amiloidosis derivada de las cadenas ligeras
(AL), entre otras [45,46].
La heterogeneidad clínica de las amiloidosis deriva de la amplia y diversa distribución
tisular de los depósitos amiloides. En las variantes localizadas, como el término lo indica, estos
se limitan a un único órgano o tipo de tejido; por ejemplo, en la diabetes mellitus tipo II y la
enfermedad de Alzheimer los órganos afectados son el páncreas y el cerebro, respectivamente.
En contraste, varios órganos están involucrados en las variantes sistémicas, como la amiloidosis
AL [45,46].
La deposición amiloide se asocia a la aparición de un conjunto de signos y síntomas que
reflejan el grado de disfunción del órgano u órganos involucrados, condición que generalmente
se profundiza con el tiempo si no se modifica mediante acciones terapéuticas. La distribución y
cuantía de los depósitos varían notablemente de un tipo de amiloidosis a otro, e incluso, pueden
diferir entre pacientes afectados por la misma variante, lo cual determina considerable
heterogeneidad en la evolución clínica de los pacientes afectados por estas entidades. Muchas
amiloidosis afectan órganos vitales, como el corazón, los riñones, el hígado y el cerebro, por lo
que su evolución suele ser generalmente fatal [45,46].
Los precursores de amiloide
El componente fundamental de los depósitos en cada tipo de amiloidosis son agregados
fibrilares insolubles de una proteína particular o sus fragmentos. Al presente, se han identificado
veinticuatro proteínas diferentes cuya agregación fibrilar se asocia a alguna forma clínica de
amiloidosis. A estas proteínas se les denomina precursores de amiloide y es notable que no
compartan similitud de función, secuencia ni estructura (Tabla I) (45-48). Algunos, como la
transtiretina, o prealbúmina, la cual está asociada a diversas formas de amiloidosis, tanto de
aparición esporádica como hereditaria [49], son proteínas con plegamiento estable en
condiciones fisiológicas (Figura 1). En contraste, otros, como el péptido insular amiloide, o
amilina, asociado a la diabetes mellitus tipo II, carecen de plegamiento estable, aun en
condiciones fisiológicas. A esta clase singular de proteínas se les denomina “péptidos
desordenados en condiciones nativas” [50].
Los precursores de amiloide también difieren en la proporción de elementos de
estructura secundaria que caracteriza su plegamiento. Por ejemplo, la insulina, sólo posee
estructura secundaria de tipo -hélice, mientras otros, como la 2-microglobulina, son moléculas
todo-; un tercer grupo, como la lisozima y la anteriormente mencionada transtiretina, se
caracterizan por una proporción diferente de ambas formas de plegamiento [45-49] (Figura 1).
Características generales de los amiloides
Al margen de la diversidad estructural de los precursores, los amiloides poseen
propiedades de apariencia microscópica y sub-microscópica, así como tintoreales y
espectroscópicas comunes, lo cual sugiere que comparten elementos estructurales
fundamentales [47]. Al microscopio óptico los depósitos tisulares de amiloide tienen aspecto
hialino y homogéneo y producen una característica birrefringencia verde manzana cuando son
observados al microscopio de luz polarizada, una vez teñidos con Rojo Congo [51]. La unión del
colorante rojo Congo a los amiloides determina un cambio en sus propiedades ópticas, lo cual
puede usarse para cuantificar los agregados mediante espectroscopia convencional [52] (Figura
83
MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXXII (2008)
2A). Otra característica común de los amiloides es la de unir al colorante tioflavina T, lo cual
modifica las propiedades de fluorescencia de esta molécula [53] (Figura 2B). Al microscopio
electrónico, los depósitos de amiloide están compuestos por manojos de fibras no ramificadas,
de aspecto recto y rígido, de longitud variable, pero con diámetro en el orden de los 75 a los 120
Å [54] (Figura 2C).
Tabla I. Amiloidosis humanas.
Precursor
Tipo de plegamiento
(Estructura secundaria)
Amiloide
Sistémica (S) o
localizada (L)
Cadena ligera de
inmunoglobulinas
Inmunoglobulinas (Todo-)
AL
S, L
Cadena pesada de
inmunoglobulinas
Inmunoglobulinas (Todo-)
AH
S, L
2 microglobulina
Inmunoglobulinas (Todo-)
A2M
S
¿L?
(Articulaciones)
Transtiretina
(Mutantes)
(Silvestre)
Prealbúmina (+)
ATTR
Apoproteína sérica
AA
Desconocido (Todo-)
AA
S
Secundario a
inflamación crónica
No estructurado en
condiciones nativas
AApoAI
S
Familiar
Desconocido
AApoAII
S
Familiar
Desconocido
AApoAIV
S
Esporádico,
asociado al
envejecimiento
Gelsolina (Mutantes)
No estructurado en
condiciones nativas
AGel
S
Familiar (Variante
finlandesa)
Lisozima (Mutantes)
Lisozima (+)
ALys
S
Familiar
Cadena del
Fibrinógeno
Desconocido
AFib
S
Familiar
Cistatina C
(Mutantes)
Cistatina (+)
ACys
S
Familiar
Polipéptido ABri
No estructurado en
condiciones nativas
ABri
S
Demencia familiar
(Variante Británica)
Polipéptido ADan
No estructurado en
condiciones nativas
ADan
L
Demencia familiar
(Variante Danesa)
Proteína precursora
A
No estructurado en
condiciones nativas
A
L
Enfermedad de
Alzheimer,
demencia senil
Proteína prion
No estructurado en
condiciones nativas
(segmento 1-120) y hélice (121-230)
APrP
L
Encefalopatías
espongiformes
transmisibles
Apolipoproteína AI
(Fragmento Nterminal)
Apolipoproteína II
(Fragmento Nterminal)
Apolipoproteína IV
(Fragmento Nterminal)
84
S
Síndrome
Primario y
secundario a
mieloma múltiple
Primario y
secundario a
mieloma múltiple
Asociado a
hemodiálisis
Familiar
Senil sistémico
Del Pozo Yauner y cols.
Pro-Calcitonina
No estructurado en
condiciones nativas
ACal
L
Carcinoma medular
del tiroide
Polipéptido amiloide
insular (Amilina)
No estructurado en
condiciones nativas
AIAPP
L
Diabetes mellitus
tipo II
Polipéptido atrial
natriurético
No estructurado en
condiciones nativas
AANF
L
Deposición en
Aurículas (Atrios)
Prolactina
Cuatro hélices de
citoquinas (Todo-)
APro
L
Senil (Glándula
pituitaria)
Prolactinomas
Insulina
Insulina (Todo-)
AIns
L
Iatrogénico (Sitio
de inyección)
Lactaderina (Medina)
Desconocido
AMed
L
Senil aórtico
Keratoepitelina
Desconocido
AKer
L
Familiar (Córnea)
Lactoferina
Proteína periplásmica de
unión (+)
ALac
L
Córnea
Figura 1. Estructura tridimensional de precursores de amiloide. A) Transtiretina o
prealbúmina (PDB 1G1O). B) Lisozima (PDB 1LYY). C) 2 microglobulina (PDB 2F8O) y
D) Insulina (PDB 2C8Q). Las regiones plegadas en hebras y hélice se representan en
forma de cintas, en color amarillo y rojo, respectivamente. El resto de la molécula,
incluyendo las regiones plegadas en asa, se representa como cordones. Nótese que las
moléculas se representan con diferente escala.
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MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXXII (2008)
El carácter insoluble y la talla de las fibras amiloides ha impedido hasta el presente
dilucidar su estructura interna a nivel atómico, pues no son aplicables en su análisis los métodos
estructurales convencionales como la difracción de rayos X de monocristales y la resonancia
magnética nuclear (RMN) en fase líquida. Los estudios de difracción de rayos X de fibras
alineadas, obtenidas tanto de muestras ex vivo como producidas in vitro, dan un patrón común
aunque poco informativo que se caracteriza por reflexiones perpendiculares, situadas alrededor
de los 4.7 Å en la dirección meridional y alrededor de los 10-12 Å en la dirección ecuatorial. Este
patrón denominado “ cruzado”, indica que las fibras amiloides están formadas por hojas extensas orientadas paralelamente al eje longitudinal de la fibra, mientras las hebras que las
forman se disponen perpendicularmente a éste eje. Las reflexiones meridionales en 4.7 Å
corresponden al espaciado de las hebras adyacentes, mientras que las reflexiones ecuatoriales
a los 10-12 Å corresponden a la separación cara-cara de las hojas y sólo se presentan si la
unidad estructural menor de la fibra posee dos o más de estas hojas [55] (Figura 3). El estudio,
mediante diversos métodos bioquímicos y espectroscópicos, incluyendo la RMN en fase sólida,
de los agregados fibrilares producidos in vitro por varios precursores ha aportado información
que soporta este modelo estructural de la fibra amiloide [56-59].
Figura 2. Propiedades espectroscópicas y morfológicas de los agregados fibrilares
obtenidos in vitro. Espectro de absorción de luz de rojo Congo (A) y de emisión de
fluorescencia de tioflavina T (B) en presencia de agregados fibrilares () y de la forma
soluble () de un dominio variable recombinante de cadena ligera. Nótese en (A) el
incremento de la absorción del colorante en presencia de las fibras, con el característico
corrimiento del máximo de absorción de 500 nm a 550 nm. En (B) es evidente el
aumento de la emisión de fluorescencia de tioflavina T unido a las fibras, con un máximo
en 482 nm. En (C) se muestra micrografía electrónica de los agregados fibrilares
analizados en (A) y (B).
Además del péptido o la proteína precursora respectivos, otras proteínas y compuestos
de naturaleza no proteica están generalmente asociados a las fibras amiloides, por lo que son
parte integral de los depósitos. A estas sustancias, entre las que destacan la polipoproteína E, la
proteína sérica del amiloide (SAP, por sus siglas en inglés) y los glicosaminoglicanos, entre
otros, se les denomina “moléculas accesorias” y se les han atribuido diversas funciones. Se cree
que algunos pueden actuar como moduladores de la cinética de agregación, aportando sitios de
86
Del Pozo Yauner y cols.
anclaje en la matriz extracelular para los agregados fibrilares. Otros, pueden estabilizar de los
agregados, incrementando su resistencia a la acción de las proteasas extracelulares. También
se ha sugerido que pueden contribuir a su citotoxicidad [60].
Figura 3. Patrón de difracción de rayos X y estructura cruzada de las fibras amiloides.
(A) Bosquejo simple del patrón de difracción de rayos X cruzado. Los componentes
típicos del patrón son reflecciones perpendiculares, situadas a aproximadamente 4.7 Å y
10 Å en las direcciones meridional y ecuatorial, respectivamente. La flecha vertical indica
el eje longitudinal de la fibra. (B) Representación esquemática de la estructura -cruzada
de las fibras amiloides. Ver texto para descripción más detallada.
En el caso particular de las moléculas accesorias de naturaleza glucídica glucosaminoglicanos y proteoglicanos- su presencia en los depósitos indujo de inicio a una
apreciación errónea sobre la naturaleza química de los amiloides. Por su naturaleza, estos
componentes confieren propiedades tintoreales similares a los depósitos de almidón, como la de
colorearse de azul pálido cuando se les trata con soluciones de iodo y cambiar
subsecuentemente esta coloración a violeta cuando se les adiciona ácido sulfúrico. Esta
propiedad llevó al médico alemán Rudolph Virchow a introducir el término “amiloide” –derivado
del Latín “amylum” y del Griego “amylon”- para identificar los depósitos anormales, con las
propiedades antes descritas, que él observó en lesiones del cerebro de pacientes afectados de
enfermedades neurodegenerativas, no bien identificadas entonces. Él supuso que la sustancia
responsable de tales propiedades era del tipo de la celulosa o el almidón [61,62].
La amiloidogénesis como consecuencia del plegamiento anormal de las proteínas
Las evidencias aportadas por numerosos estudios acerca de los factores y condiciones
que modifican la fibrilogénesis in vitro de las proteínas globulares, unido al conocimiento sobre
las características clínico-biológicas de los pacientes con amiloidosis, han dado lugar a la
“hipótesis conformacional”. El postulado fundamental de esta hipótesis refiere que la agregación
amiloide implica la ganancia de un estado de plegamiento total o parcialmente diferente del
nativo, el cual puede ser alcanzado a través de vías diferentes dependiendo de la proteína
implicada [6,18,24,45-48]. En soporte de esta hipótesis, se ha demostrado que la fibrilogénesis
de ciertas proteínas puede promoverse in vitro si se les somete a condiciones que desestabilizan
su estructura nativa, como la adición de sustancias de efecto desnaturalizante (cloruro de
guanidinio y urea), altas temperaturas, pH extremos, proteólisis parcial, presencia de iones
metálicos, etc. [64-68]. Además, se han identificado numerosas mutaciones que están asociadas
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MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXXII (2008)
a formas prematuras y/o de evolución más grave de ciertas amiloidosis, las cuales, como regla
general, desestabilizan de la estructura nativa de la proteína precursora. Se propone que estas
mutaciones favorecen formas de plegamiento no nativo que pueden ser proclives a la agregación
fibrilar [14,17,24,69-71]. Como cabría esperase, las mutaciones que estabilizan el plegamiento
nativo de la proteína precursora, así como la unión de ligandos específicos o la presencia de
ciertos solutos que ejercen el mismo efecto, por lo general disminuyen su tendencia a agregarse
en forma fibrilar in vitro [72-75].
El estudio sistemático del efecto de las mutaciones sobre las propiedades biofísicas de
los precursores de amiloide permitió reconocer la relación entre la estabilidad termodinámica y la
amiloidogénesis. Algunas observaciones sugieren que las mutaciones también podrían promover
la agregación a través de su influencia en otras propiedades de la molécula como la solubilidad,
las propiedades ácido-básicas, la distribución de cargas de su superficie y la propensión de
ciertas regiones a adoptar estructura secundaria de tipo [76].
En algunas formas de amiloidosis los agregados fibrilares están compuestos exclusiva o
mayoritariamente por fragmentos de la proteína precursora. Por ejemplo, en la amiloidosis AL, si
bien la cadena ligera monoclonal puede estar formando parte de los depósitos fibrilares, es más
frecuente encontrar que el componente fundamental de estos son fragmentos de la proteína que
incluyen el dominio variable (VL), o este más una porción del dominio constante (CL) [77]. Se ha
demostrado, mediante experimentos en un modelo in vivo, que el potencial fibrilogénico de las
cadenas ligeras reside en el VL y que los fragmentos que incluyen este dominio poseen
generalmente mayor propensión a la agregación fibrilar in vitro que la molécula íntegra [78].
Estos hallazgos sugieren que, en el caso de la amiloidosis AL, la escisión del precursor podría
ser un evento importante en el mecanismo de agregación. Sin embargo, al presente no se
demostrado inequívocamente el origen de estos fragmentos, o si resultan de la acción de alguna
proteasa sobre el precursor.
Otro caso en el que la proteólisis del precursor parece jugar un papel trascendental es en
la enfermedad de Alzheimer. Acorde a la hipótesis de la cascada amiloide [79], el complejo
proceso patológico que da lugar a esta enfermedad se inicia con la deposición extracelular
amiloide de los péptidos A, fundamentalmente el A42. Estos depósitos forman el núcleo de la
placa senil, lesión que caracteriza la neocorteza y el hipocampo de los pacientes afectados por
esta enfermedad neurodegenerativa. Los péptidos A se producen durante el procesamiento
proteolítico secuencial de la proteína precursora APP, por las y secretasas, complejos
proteicos asociados a la membrana de las células de los mamíferos [80]. APP es una proteína
de membrana de 695 residuos de aminoácidos que es escasamente amiloidogénica in vitro, en
contraste con la alta tendencia de los péptidos A a formar agregados fibrilares [81]. Se propone
que el incremento en la concentración local de los péptidos A, particularmente el A42, el de
mayor potencial fibrilogénico, inicia la cadena de eventos que causan la enfermedad [79,80]. En
apoyo de esta hipótesis, se ha observado que mutaciones cerca de los sitios de procesamiento
de la APP y/o en los genes de las presenilinas 1 y 2, componentes catalíticos del complejo de la
secretasa , se asocian al incremento en la producción del péptido A42 y causan una forma
hereditaria, autosómica dominante, de la enfermedad de Alzheimer [82-84]. Similarmente, los
individuos con síndrome de Down, causado por trisomía del cromosoma 21, donde se localiza en
gen de APP, sufren de enfermedad de Alzheimer de inicio temprano, debido a la sobreexpresión del precursor [85].
En algunas formas de amiloidosis de aparición esporádica, la proteína precursora
posee mutación alguna ni ha sufrido escisión proteolítica, lo cual indica que este tipo
modificaciones no son la única causa de agregación amiloide. En algunas de estos estados,
la alteración de la vía normal de catabolismo del precursor y el subsecuente incremento de
concentración sistémica, lo que parece exacerbar su propensión a la agregación fibrilar [46].
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no
de
es
su
Del Pozo Yauner y cols.
En los pacientes que sufren de insuficiencia renal crónica que han sido sometidos a
hemodiálisis por muchos años, es frecuente encontrar depósitos amiloides que se localizan
preferentemente en la membrana sinovial y los tejidos periarticulares, aunque eventualmente
puede detectarse deposición en algunos órganos [86,87]. El componente fibrilar de estos
depósitos es la 2 microglobulina, proteína que forma parte del antígeno mayor de
histocompatibilidad de clase I (MHC-I) y que es catabolizada en los riñones, por lo que su
concentración se incrementa varias veces la normal en estos pacientes [86,87]. Algunos
hallazgos sugieren que, además del incremento en su concentración, la interacción de la 2
2+
microglobulina con iones de Cu presentes en las membranas y las soluciones de diálisis y
probablemente con componentes específicos de la sustancia extracelular, como
glucosaminoglicanos y el colágeno, podrían promover la agregación [88-91]. En el caso de los
2+
iones de Cu , se ha demostrado que disminuyen la estabilidad del estado nativo del precursor,
lo cual se propone como base molecular de su efecto [88,89].
La amiloidogénesis es un proceso complejo en el que, además de las causales antes
mencionadas, influyen probablemente muchos otros factores como los estados que cursan con
insuficiencia de los mecanismos celulares de control del plegamiento de las proteínas y de
remoción de los agregados que estas tienden a formar cuando no se pliegan correctamente. Las
mutaciones que alteran el funcionamiento de proteínas relacionadas al metabolismo y/o la
fisiología de los precursores de amiloide también han sido señaladas como parte de las causas
moleculares de este grupo de enfermedades [17,24,36,39,46,48].
La demostración de que algunos precursores pueden adoptar estados de plegamiento no
nativo bajo condiciones que disminuyen su estabilidad termodinámica y promueven su
agregación fibrilar in vitro ha dado lugar a la teoría sobre los intermediarios semi-plegados como
componentes claves de la cinética de agregación amiloide, la cual ha constituido el paradigma
central en este campo en los últimos 15 años [65-68,92-94].
Modelos moleculares de los amiloides
No existe un modelo estructural único que explique las propiedades individuales de todas
las fibras amiloides. En base a la información estructural obtenida mediante diversos métodos
biofísicos, se propusieron tres modelos básicos, con sus variantes, que explican las propiedades
identificadas en algunos tipos particulares, desde la perspectiva de los posibles mecanismos de
conversión del estado de plegamiento inicial, representado por el estado nativo del precursor, en
el estado fibrilar [95]. Uno de estos modelos, denominado “de replegamiento”, postula que el
estado nativo y el fibrilar del precursor son esencialmente diferentes, siendo el primero una
entidad definida por las interacciones mediadas por las cadenas laterales de sus residuos
constituyentes, mientras que en el segundo son las interacciones intra e intermoleculares,
dependientes del esqueleto peptídico, las determinantes. Para que esta transición ocurra, la
proteína debe desplegarse totalmente para luego adoptar el estado fibrilar, rico en estructura .
En algunos casos, como en el de la proteína prion, se cree que el proceso de replegamiento sólo
afecta una región de la molécula [96]. Este modelo también se ha propuesto también para
explicar la estructura de la fibra amiloide de la insulina, cuya deposición amiloide se ha
observado en el sitio de inyección en pacientes con diabetes mellitus [97,98]. La insulina posee
plegamiento mayoritariamente de tipo hélice- (Figura 1C), sin embargo, forma agregados
fibrilares de naturaleza amiloide cuando es incubada in vitro a altas temperatura y pH ácido [99].
El análisis de estos agregados mediante espectroscopia de infrarrojo (FTIR) indica que su
contenido de estructura alcanza el 90% [100]. Como se aprecia en la Figura 4A, a pH 2.0 y
o
60 C, condiciones que promueven su agregación fibrilar, la insulina adopta una conformación
parcialmente desplegada caracterizada por pérdida del plegamiento en hélice- del extremo Nterminal de ambas cadenas, fundamentalmente de la A [99]. Fink y cols. han obtenido evidencias
sobre la presencia de al menos dos poblaciones de intermediarios no nativos, enriquecidos en
89
MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXXII (2008)
estructura que participan en la vía cinética de formación de las fibras de insulina [101]. Estos
hallazgos en su conjunto dan soporte al modelo de fibrilogénesis por replegamiento de esta
proteína.
Algunos de los péptidos y proteínas que clasifican como desordenados, o de estructura
no definida en condiciones nativas, como el péptido A, la amilina, la huntintina y los priones de
levadura Ure2p y Sup35p, forman amiloides in vivo. Se ha propuesto que la incorporación en la
estructura -cruzada fibrilar implica que las regiones desordenadas de esta clase de moléculas,
o parte de ellas, adopten previamente un plegamiento compacto [95]. En los modelos propuestos
para la estructura de las fibras A40 y A42 , basados en datos aportados por diferentes
métodos, incluyendo la RMN en fase sólida, ambos péptidos adoptan una conformación
denominada “hebra - giro -hebra ”, diferente a la colapsada, pero poco definida que los
caracteriza en solución acuosa [56,57]. Estudios experimentales indican que una especie de
estructura relativamente compacta, con plegamiento de hélice , es un intermediario clave en la
transición entre la forma desordenada en solución y la fibrilar [102]. En el caso de la amilina, los
estudios in vitro sugieren que su agregación fibrilar cursa a través de intermediarios oligoméricos
ricos en estructura , sin embargo, se ha propuesto que la interacción del precursor con las
membranas lipídicas puede modificar la cinética, con la participación de intermediarios ricos en
estructura [103].
Un tercer grupo de modelos, reunidos bajo la denominación común de “modelos de
ganancia de interacciones”, propone que la formación de la fibra amiloide requiere un reajuste
estructural en el precursor que se limita a un segmento menor de su estructura, mientras que el
resto de la molécula conserva su estado nativo [95].
Figura 4. Estructura de intermediario proamiloidogénicos de la insulina (A) y la 2microglobulina (B). Ver explicación en el texto para mayor detalle. La estructura en A fue
determinada mediante RMN (PDB 1SF1) y en B mediante cristalografía de rayos X (PDB
2F8O). Las regiones con diferente tipo de plegamiento de ambas moléculas se
representan como se describe en la Figura 1. La flecha horizontal en B señala la región
de la molécula que adopta un plegamiento diferente.
Se ha propuesto que la consecuencia es la exposición de regiones de la cadena
polipeptídica que normalmente no son accesibles en el estado nativo y que, por la naturaleza de
su secuencia, pueden establecer interacciones autocomplementarias, caracterizadas por la
interdigitación estrecha de las cadenas laterales de los residuos implicados, formándose un
90
Del Pozo Yauner y cols.
“zipper estérico”. Se afirma, basado en datos cristalográficos, que interacciones de esta
naturaleza, denominadas “espina ”, son la base de la estructura -cruzada [104]. La ganancia
de interacciones parece ser importante en la agregación amiloide de la 2-microglobulina. Se
demostró, mediante RMN y cristalografía de rayos X, que dos mutantes altamente fibrilogénicas
de este precursor poseen plegamiento muy similar al nativo pero con reajustes locales que
implican la eliminación de un motivo protector de la agregación, denominado bulbo-, y la
formación de una nueva región de interacción potencial en forma de una hebra externa
[93,105,106] (comparar Figuras 1C y 4B). Un mecanismo similar ha sido propuesto para la
transtiretina [107].
Se ha demostrado que otras proteínas no asociadas a las enfermedades por deposición
amiloide también forman agregados in vitro que por sus propiedades son indistinguibles de los
agregados amiloides recuperados ex vivo y post-mortem. Este descubrimiento ha llevado a
sugerir que la formación de este tipo de agregados es una propiedad intrínseca de la cadena
polipeptídica [108,109].
Consideraciones finales
Aunque se ha avanzado en la comprensión de los factores que se asocian a la
agregación amiloide de las proteínas, aún no se han esclarecido en detalle el, o los mecanismos
moleculares de formación de las fibras y tampoco se ha determinado la estructura a nivel
atómico de estos agregados. Esta carencia de información ha dificultado el desarrollo de
estrategias terapéuticas eficaces que modifiquen el carácter crónico y el pronóstico sombrío que
típicamente acompaña a este grupo de enfermedades. Los aspectos clínicos y moleculares de
las amiloidosis y los fenómenos asociados a la amiloidegénesis son, en el presente, campos muy
activos de investigación científica. Esto se debe, como se menciona, a que la evolución de la
mayoría de estas enfermedades es irremediablemente mortal, o cuando no, provocan un alto
grado de invalidez. Ambas características las convierte en una prioridad para los sistemas de
salud y estimulan la inversión de cuantiosos recursos en su investigación. Algunas de estas
enfermedades, como la diabetes mellitus tipo II, la enfermedad de Alzheimer y la encefalopatía
espongiforme bovina son además causa de pérdidas económicas de consideración. Por otra
parte, el reconocimiento de las alteraciones del plegamiento como parte fundamental del
mecanismo molecular de amiloidogénesis y el reto que el mismo estado amiloide -como forma
alternativa de plegamiento- implica para la conceptos tradicionales en el campo, han atraído la
atención de muchos investigadores interesados en desentrañar las causas que llevan a una
proteína a adoptar un plegamiento diferente del nativo, condición última que se supone es la
favorecida por la evolución.
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MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXXII (2008)
Semblanza del Dr. Baltazar Becerril
El Dr. Baltazar Becerril se tituló de la licenciatura en
Biología en la Universidad Autónoma de México en 1979.
Posteriormente hizo estudios de Maestría y Doctorado en la
misma institución. Es autor de más de 30 artículos científicos y
patentes. Durante varios años ha trabajado con anticuerpos para
la generación de sistemas de diagnóstico y terapéuticos
basados en estas proteínas. El Dr. Becerril también ha
estudiado la estabilidad termodinámica de la región variable de
anticuerpos con el fin de establecer correlaciones entre la
estabilidad y la capacidad de ciertas proteínas para producir
fibras amiloides, así como para estudiar las propiedades biofísicas de estas últimas. El Dr.
Becerril es investigador del Instituto de Biotecnología de la UNAM.
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