Medmol  
Fibao Una perspectiva molecular en medicina
REVISIÓN
Estructuras de amiloide y enfermedad
Tratamiento
Etiopatogenia
Diagnóstico
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Fecha de Publicación: 8-12-2007 Última actualización : 8-12-2007
Resumen
Las fibrillas de amiloide pueden estar formadas por distintas proteínas. Un conjunto de enfermedades se asocian a las fibrillas de amiloide y en cada una de ellas las proteínas formadoras de amiloide y las características de estas fibras son específicas. Sin embargo todas comparten características estructurales comunes detectándose en todas ellas la presencia de la estructura llamada lámina beta cruzada formando columnas de amiloide (cross-beta spine). Recientemente se ha conseguido describir la estructura atómica de la columna (spine) de amiloide correspondiente al fragmento “GNNGGNY” del prion de levaduras Sup35 que es el responsable de la formación de fibrillas de amiloide. Esto se ha conseguido utilizando técnicas innovadoras de microcristalografía. La estructura muestra 2 láminas beta con las cadenas laterales de las dos láminas interconectadas y entrelazadas formando una especie de cremallera de tipo “dry steric zipper”. En esta revisión se recogen y describen otros 30 péptidos formadores de amiloide. Entre ellos se analizan los péptidos responsables de la formación de beta-amiloide de la enfermedad de Alzheimer, péptidos de las proteínas tau, de la alfa-sinucleína asociada a la enfermedad de Parkinson, de la proteína priónica PrP, de la insulina, de la lisozima, de la mioglobina, de la beta2-microglobulina y el polipéptido de amiloide de los islotes o IAPP (Islet Amyloid PolyPeptide). Existen características estructurales comunes a nivel molecular que son compartidas en los distintos tipos de enfermedades que presentan amiloide. Las estructuras analizadas comparten estructuras de tipo cremallera con distintas variaciones. Este análisis permite formular algunas hipótesis para explicar cómo un mismo péptido priónico puede plegarse de forma distinta originando distintas cepas de priones con idénticas secuencias.
Introducción
En la figura se muestra la estructura tridimensionald del péptido amiloidogénico LYQLEN de la cadena A de la insulina humana.
Las amiloidosis se caracterizan por el depósito de fibrillas proteicas, conocidas como fibrillas de amiloide, en la región extracelular. La enfermedad de Alzheimer es uno de los ejemplos de amiloidosis más conocidos. Las fibrillas de amiloide tienen una serie de características en común aunque estén formadas por distintas proteínas. Todas presentan una morfología alargada, se tiñen con Rojo Congo y presentan un patrón de difracción de rayos X característico, llamado patrón “cross-beta”. Las fibrillas se forman por la unión cooperativa de moléculas con una cinética de formación característica que incluye una fase inicial más lenta de nucleación y una fase posterior más rápida de elongación o crecimiento. Los primeros fragmentos formadores de fibrillas que se cristalizaron fueron el péptido “GNNGGNY” y el péptido “NNQQNY” del prion de levaduras Sup35.

En esta revisión se describirán los estudios realizados sobre otros 30 fragmentos formadores de fibrillas de amiloide presentes en proteínas asociadas con distintas enfermedades.

Estado actual
En la figura se muestran las distintas posibilidades de combinarse las láminas beta en las estructuras de amiloide.
Ya se había comprobado la capacidad de los péptidos “GNNGGNY” y “NNQQNY” de formar fibrillas y microcristales relacionados con la estructura de las fibrillas cuya estructura a nivel atómico se consiguió describir. En estos microcristales se vio que la columna beta cruzada (cross-beta spine) estaba formada por 2 láminas beta perpendiculares al eje de la fibrilla que interactuaban fuertemente en una interfaz sin agua con una estrecha complementariedad entre ellas en una estructura de tipo cremallera (steric zipper). Estas láminas beta interactuantes se apilaban unas encima de otras a lo largo del microcristal que tenía forma de aguja.

En este estudio se seleccionaron un conjunto de proteínas con capacidad de formar fibras de amiloide y se buscaron los péptidos responsables de la formación de la “columna beta cruzada”. Para ello se utilizaron métodos bioinformáticos, métodos experimentales y datos de publicaciones. Finalmente en este estudio se consiguieron 30 péptidos formadores de amiloide procedentes de 14 proteínas distintas. La mayoría de ellos formaron microcristales en forma de aguja de unas 2x2 micras de sección. Los péptidos formadores de amiloide eran muy variados en sus características incluyendo péptidos muy polares como “NNQQ”, otros no polares como “MVGGVV”, péptidos con cadenas laterales cortas como “SSTSAA” y otros con abundancia de cadenas laterales largas como “FYLLYY”. A pesar de su variedad todos compartían la autocomplementariedad en la interfaz de interacción consigo mismos.

Que sea posible extrapolar la estructura de las fibras de amiloide que forman estos péptidos en los microcristales a la estructura de las fibras de amiloide “in vivo” está fundamentado en 3 puntos:
  • Existe similitud entre las características estructurales de las fibrillas reales de amiloide y aquellas de los microcristales.
  • En experimentos de formación de fibras de amiloide con proteínas enteras, si se añade un agregado de péptidos como “semilla” se acorta la fase de nucleación.
  • Mutaciones en los segmentos correspondientes a los péptidos formadores de fibrillas afectan también a la formación de amiloide por la proteína completa.
Estudiando la estructura de los cristales y teniendo en cuenta su posible relación con la estructura de las cross-beta spine se cree que éstas tienen la siguiente estructura:
  • Están formadas por un par de láminas beta.
  • Cada lámina beta está formada por moléculas del fragmento peptídico extendidas a modo de hebra beta. Estas moléculas quedan unidas mediante puentes de hidrógeno.
  • Las hebras beta formadas por los fragmentos peptídicos extendidos se disponen perpendicularmente al eje de la cross-beta spine.
  • Las láminas beta interaccionan fuertemente entre sí a través de una superficie totalmente libre de agua, en esta zona las cadenas laterales de los aminoácidos de cada lámina beta se disponen alternándose con las cadenas laterales de los aminoácidos de la otra lámina de un modo que se conoce como cremallera estérica (steric zipper)
Este motivo formado por las dos láminas beta complementarias unidas a modo de cremallera estérica se repite a lo largo de un eje hasta formar la “columna beta cruzada” (cross-beta spine).

En las fibrillas formadas por proteínas completas determinadas regiones de cada proteína constituyen la cross-beta spine en el interior de la fibrilla, mientras que el resto de la proteína se dispone en la periferia.

Muchas proteínas que se asocian a enfermedades y que forman fibrillas pueden presentar varios de estos péptidos formadores de fibrillas en su secuencia. Por este motivo es posible encontrar distintos tipos de cremalleras estéricas dependiendo del fragmento que las forme. Tal es el caso de las proteínas tau asociadas a Alzheimer, las proteínas priónicas PrP y la insulina entre otras.

Analizando la estructura de los 11 cristales que se han obtenido recientemente y comparándola con las demás estructuras de proteínas almacenadas en las base de datos PDB (PDB: Protein Data Bank) y CSD (CSD: Cambridge Structural Database) se ha comprobado que el motivo conocido como cremallera estérica es específico del estado amiloide y no parece encontrarse en otro tipo de estructuras. Todos estos cristales comparten características con los cristales formados por los fragmentos “GNNGGNY” y el “NNQQNY” (descritos anteriormente).

A pesar de que todos los cristales tienen unas características en común se pueden definir hasta ocho tipos de cremalleras estéricas dependiendo de los siguientes factores:
  • Si las hebras beta que forman una lámina se disponen de forma paralela o antiparalela.
  • Si las dos láminas beta se unen por la misma cara (este caso se conoce como face-to-face) o se unen por caras diferentes (face-to-back)
  • Si las dos láminas beta se disponen de forma paralela o antiparalela una con respecto a otra
De los ocho tipos de cremalleras estéricas que pueden obtenerse combinando estos tres factores cinco se han encontrado en los cristales estudiados. Las cremalleras en las que las láminas beta se asocian de modo face-to-back permiten que varias láminas beta se apilen favoreciendo la formación de estructuras macroscópicas. Fragmentos encontrados en proteínas como la beta-amiloide y en proteínas priónicas generan este tipo de cremalleras.

Además de la complejidad estructural que supone que una proteína formadora de fibrillas contenga más de un fragmento formador de fibrillas, un mismo fragmento amiloidogénico puede dar lugar a distintas cremalleras estéricas según sea la forma en la que se asocia a otros fragmentos originando distintas estructuras de fibrillas. Este hecho explicaría el polimorfismo que se observa en las fibras de amiloide compuestas por un único tipo de proteína. También podría explicar el concepto de cepas de priones ya que un mismo péptido priónico podría originar estructuras distintas según el tipo de interfaz que adoptara.

Puesto que las fibrillas pueden llegar a ser muy complejas estructuralmente para poder conocer con detalle todas sus características sería necesario estudiar la estructura de los cristales de las fibrillas formadas por la proteína completa y no solamente por los fragmentos formadores de fibrillas.
Conclusiones
En la figura se muestra el péptido amiloidogénico MVGGVV de la estructura del amiloide beta del Alzheimer y la forma en que se combinan unas láminas beta con otras.
Según las estructuras analizadas los autores afirman:
  • Un fragmento de 4 a 7 aminoácidos es capaz de formar fibrillas de amiloide
  • El motif de cremallera estérica (steric-zipper) formado por 2 láminas beta interactuando entre sí es la unidad estructural fundamental en el amiloide. Las enfermedades por depósito de amiloide comparten similitud a nivel molecular.
  • El proceso de formación de amiloide sigue una cinética de 2 fases que podría corresponder a una primera fase de nucleación, en la que es necesario que coincidan un grupo de proteínas descubran su péptido amiloidogénico y una segunda fase más rápida en la que sólo es necesario que una proteína descubra su péptido amiloidogénico para que pase a incorporarse a la fibrilla.
  • El polimorfismo de las fibrillas en una misma enfermedad podría deberse a la presencia de varios péptidos amiloidogénicos en una misma proteína y a la posibilidad de que adopten distintos tipos de interfaz en la interacción consigo mismos.
  • Esta capacidad de interactuar de distintos modos podría explicar las distintas cepas con secuencias idénticas de un mismo prión.
Conocer la estructura molecular común de los depósitos de amiloide asociados a distintas enfermedades, muchas de ellas de gran repercusión, puede abrir nuevas vías de investigación tanto en su diagnóstico y su prevención como en su tratamiento
Bibliografía