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El procesamiento proteolítico de la proteína precursora del beta-amiloide (APP)
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Fecha de Publicación: 15-2-2011 Última actualización : 15-2-2011
Resumen
Para funcionar, muchas proteínas necesitan ser procesadas después de ser sintetizadas. La proteína precursora del beta-amiloide (APP) es una de esas proteínas. Este procesamiento no tendría nada de especial si no fuera porque la APP puede sufrir dos formas alternativas de procesamiento, liberando fragmentos casi idénticos a excepción de unos pocos aminoácidos. Sin embargo, esos aminoácidos de diferencia son capaces de dar lugar a una de las patologías neurodegenerativas de mayor incidencia en el mundo: la enfermedad de Alzheimer. Por lo tanto, la caracterización molecular del procesamiento de la APP tiene importantes implicaciones terapéuticas.
Concepto
La animación muestra esquemáticamente las dos posibles vías de procesamiento de la APP, junto con las proteasas implicadas y losproductos resultantes.

Introducción.

Algunas enfermedades se caracterizan por mostrar una transmisión familiar. En esos casos, se realizan estudios llamados de ligamiento, encaminados a localizar el gen o genes responsables de esta transmisión. Un ejemplo es la enfermedad de Alzheimer, una de las patologías neurodegenerativas de mayor incidencia y que en algunos casos es hereditaria. Las familias afectadas que transmiten la enfermedad lo hacen de forma autosómica dominante y los estudios genéticos en estas familias hicieron posible asociar la herencia de esa enfermedad al brazo largo del cromosoma 21. En términos genéticos se dice que la enfermedad de Alzheimer en su forma familiar está ligada a dicho cromosoma.
 

En el tiempo en que se descubrió este ligamiento ya se conocía una de las señas de identidad de la enfermedad a nivel forense: los cerebros de los individuos afectados presentaban una serie de acumulaciones proteicas de un mismo péptido, llamado beta-amiloide. Este péptido está codificado en el gen de una proteína mayor, la proteína precursora del beta-amiloide, o APP (del inglés, beta-Amyloid Precursor Protein), localizado en el cromosoma 21. De esta forma, la genética de la enfermedad de Alzheimer quedaba clara y el resultado de todos estos trabajos permitió descubrir una serie de mutaciones en la proteína APP directamente relacionadas con esta patología.


La mayoría de las mutaciones descritas para la proteína APP tienen que ver con su procesamiento, de forma que afectan al metabolismo normal de esta proteína. Este metabolismo anormal no sólo ocurre cuando hay mutaciones que lo afectan, sino que también es la principal causa de la forma más común de Alzheimer, la de desarrollo tardío. Por esta razón, el procesamiento de la proteína APP ha sido objeto de innumerables estudios, con la esperanza de obtener tratamientos que puedan ralentizar o curar la enfermedad de Alzheimer.


La APP es normalmente procesada de forma secuencial por distintas proteasas. Las proteasas son proteínas que fragmentan otras proteínas y se las puede encontrar en la digestión (como forma de procesar las proteínas ingeridas en la dieta) o ejerciendo funciones reguladoras (inactivando o activando las proteínas que procesan o liberando productos con función metabólica). En el caso de la APP encontramos tres actividades proteasas principales, llamadas alfa, beta y gamma secretasas. Estas tres actividades enzimáticas distinguen dos vías principales para su procesamiento. Una de estas vías es la que en última instancia es responsable de la formación de los depósitos amiloides característicos en los cerebros de los afectados por la enfermedad.


La vía no amiloidogénica comienza con la alfa-secretasa.

Al ser una proteína transmembrana, el procesamiento proteolítico de la APP tiene lugar en la membrana plasmática. La primera vía de procesamiento se conoce también como no amiloidogénica, ya que no produce depósitos almiloides. Esta vía comienza con la acción de la alfa-secretasa, la cual realiza un corte en la parte extracelular de la APP a nivel del aminoácido 687. Este corte libera casi todo ese extremo extracelular de la APP, el cual es soluble y se denomina sAPPalfa (la s es de soluble).


El fraccionamiento no amiloidogénico de la APP, junto con la consiguiente generación de sAPPalfa, puede ser tanto constitutivo como regulado. La alfa-secretasa concreta que procesa la APP no ha sido caracterizada de manera inequívoca. Sin embargo, se sabe que esta alfa-secretasa en una metaloproteasa. Existe una familia de metaloproteasas llamadas ADAM (del inglés “A Disintegrin And Metalloproteinase”), que al igual que la APP son proteínas transmembrana tipo I. Tres miembros de esta familia han sido propuestos como los responsables de  la actividad alfa-secretasa que procesa la APP. De ellos, ADAM10 es actualmente considerada como la actividad alfa-secretasa constitutiva, mientras que ADAM17 parece intervenir más en el procesamiento regulado de la APP. 
 

La vía amiloidogénica comienza con la beta-secretasa.

Los fragmentos liberados por la actividad alfa-secretasa no son patogénicos. Pero hay otra vía de procesamiento de la APP menos común aunque también fisiológica, en la que es la beta-secretasa la encargada de realizar el primer corte. La beta-secretasa realiza el corte en la APP algo antes en la secuencia de aminoácidos, concretamente a nivel del aminoácido 671, liberando de esta forma una porción extracelular 16 aminoácidos más corta que la sAPPalfa, llamada sAPPbeta.


Hace relativamente poco tiempo que los investigadores han puesto nombre propio a la actividad beta-secretasa: las principales responsables son las proteasas BACE (del inglés Beta-site APP Cleaving Enzyme). BACE1 parece ser la más importante y es una proteasa anclada a la membrana mediante un dominio transmembrana. Posee un dominio aspartil-proteasa (utiliza un aspartato para la reacción de catálisis) en su porción extracelular, que es el que realiza el corte. Los estudio in vitro con APP sintética confirman este procesamiento por BACE1.


Actualmente, se asume que la actividad de BACE1 es el factor limitante a la hora de generar Abeta y por lo tanto, no es de extrañar el interés suscitado por esta proteasa como diana terapéutica para tratar la enfermedad de Alzheimer. Varios trabajos muestran que los niveles de esta proteína y su actividad están incrementados en los cerebros afectados por la enfermedad de Alzheimer. Sin embargo, a pesar de que en un principio parecía seguro inactivar la actividad de BACE1, han sido caracterizados otros sustratos fisiológicos naturales de esta proteasa además de la APP, que podrían generar efectos colaterales no deseados si no fueran procesados por haber inhibido la actividad de BACE1. Además, el estudio profundo de los ratones deficientes en BACE1 muestra diversas anomalías en la neurofisiología de estos animales, incluyendo fallos en el desarrollo de los nervios periféricos, comportamientos alterados y mayor sensibilidad al dolor.


El procesamiento proteolítico de la APP por BACE genera también un fragmento soluble, el sAPPbeta, más corto que sAPPalfa.
 

La actividad gamma-secretasa.


El segundo evento proteolítico es común a ambas vías y es llevado a cabo por una actividad gamma-secretasa, la cual procesa el fragmento que queda anclado en la membrana a la altura de los aminoácidos 712, 714 o 715. En el caso de la vía no amiloidogénica, se libera el péptido p83, el cual es soluble y no parece tener una función importante. Pero en la vía amiloidogénica, el fragmento que queda anclado a la membrana es algo más pequeño y como resultado de la acción de la gamma-secretasa, se libera un péptido de 40, 42 o 43 aminoácidos, dependiendo del corte de esta enzima. Ese péptido es el beta-amiloide (Abeta), el cual es insoluble y tiene la mala costumbre de formar agregados, siendo el componente mayoritario de las placas amiloides. Esto hace de la actividad gamma-secretasa otro candidato para diseñar terapias que inhiban o reduzcan su función.


La gamma-secretasa es bastante peculiar como proteasa, en el sentido de que realiza su corte dentro de la membrana plasmática. Los científicos continúan trabajando duramente para identificar completamente las características estructurales y funcionales de la gamma-secretasa. En la actualidad se sabe que la actividad forma parte de un gran complejo enzimático que tiene al menos cuatro componentes. De ellos, los más importantes son las presenilinas.


Hasta ahora se han identificado tres presenilinas (PS, PS1 y PS2). Las presenilinas son proteínas transmembrana, aunque en este caso no se conoce todavía el número de dominios transmembrana que tienen. Actualmente se consideran los principales componentes catalíticos del complejo. Los otros componentes del complejo gamma-secretasa son necesarios para la actividad enzimática, ya sea proporcionado un armazón o actuando como agentes encargados de la maduración y ensamblaje de las presenilinas. En su conjunto, las mutaciones en presenilinas son responsables de entre un 20 y un 60% de los casos de Alzheimer familiar.
 

La gamma-secretasa también procesa otras proteínas transmembrana importantes, como Notch, cadherina, ErbB4, CD44, etc. Se ha observado que la elección de sustrato depende de la localización del mismo, por lo que se ha propuesto que una localización errónea de la gamma-secretasa podría ser responsable de ciertos procesamientos erróneos de la APP.


La actividad gamma-secretasa puede liberar también dominios intracelulares de sus sustratos. En el caso de la APP se puede liberar AICD (del inglés, APP Intra Cellular Domain).


La APP puede ser procesada por caspasas.


Otras proteasas que pueden procesar la APP, en este caso directamente en la porción intracelular, son las caspasas. Estas pertenecen al grupo de las cisteín-proteasas, ya que utilizan una cisteína en su centro activo para realizar la catálisis. Las caspasas cortan a las proteínas que son sus sutrato por residuos de aspartato. En el caso de la APP, esta rotura se realiza en al Asp664 y la proteólisis libera un fragmento de 31 aminoácidos conocido como C31. Si además actúa la gamma-secretasa, se genera otro fragmento denominado Jcasp.


Significado biológico del procesamiento de la APP.


Obviamente, la pregunta fundamental es ¿porqué la APP ha de ser procesada para ejercer sus funciones? Una respuesta puede estar en los productos derivados de ese procesamiento. De los estudios con ratones deficientes en el gen APP se deriva que el sAPPalfa parece tener un importante papel en la supervivencia y plasticidad neuronal, y parece proteger a las neuronas de la exocitotoxicidad. También parece ser fundamental en el desarrollo temprano del sistema nervioso central y en la regulación de la proliferación de las células madre neuronales. Por otra parte, la expresión de sAPPalfa parece revertir o rescatar a los ratones deficientes en APP de las anormalidades derivadas de la falta de este gen, sugiriendo que la mayor parte de las funciones fisiológicas de la APP están mediadas por este fragmento soluble.


El fragmento sAPPbeta liberado tras la acción de BACE parece funcionar como ligando del DR6 (del inglés, Death Receptor 6), un receptor de la familia del TNFR. Estos receptores de la superficie celular transmiten señales de apoptosis (muerte celular) al unirse a ligandos específicos, mediando la destrucción axonal y la muerte de las neuronas.


Los dominios intracelulares que pueden liberarse como consecuencia del procesamiento de la APP también pueden tener importantes funciones. Una función importante del AICD en la APP es facilitar la interacción de la proteína con distintos factores citosólicos que regulan el tráfico intracelular de la APP o la transducción de señales, por lo que el procesamiento de la APP para liberar este fragmento podría ser una forma de regular estas funciones. El fragmento AICD ha mostrado actividad transactivadora y puede regular la transcripción de muchos genes. En su forma libre, puede inducir apoptosis y jugar un papel importante en la sensibilización de neuronas a estímulos tóxicos.
 

La neurotoxicidad inducida por el péptido Abeta produce la activación de la vía proteolítica de las caspasas, las cuales fragmentan la APP y liberan C31 y Jcasp. Estos dos péptidos son también neurotóxicos, por lo que se inicia de esta forma una cascada degradativa que lleva a la muerte neuronal. Parece ser que es C31 el principal agente de esta vía neurotóxica. Este procesamiento de la APP por las caspasas parece ser crucial en la neurotoxicidad promovida por Abeta.


Por qué existe una forma de producir Abeta.


Como vemos, son muchos los posibles procesos que tienen lugar a raíz del procesamiento de la APP. Sin embargo, quizá lo más interesante es la existencia de una vía fisiológica natural que produce Abeta. Si este péptido es tan dañino… ¿cómo es que no sólo lo producimos, sino que poseemos mecanismos específicos para ello?


Hay muchísimos estudios que muestran que la sobreproducción de Abeta resulta en una cascada neurodegenerativa que lleva a la pérdida de función en las sinapsis, la formación de ovillos neurofibrilares y eventualmente la pérdida neuronal característica de la enfermedad de Alzheimer. Sin embargo, el descubrimiento de formas solubles de Abeta en los fluidos corporales de diferentes especies, así como en el medio condicionado de células cultivadas, parece apuntar a una función fisiológica de Abeta. La respuesta parece estar en los niveles de producción. Una cantidad excesiva produce en efecto la pérdida neuronal, pero también se ha descrito que niveles bajos de Abeta aumentan la potenciación a largo plazo del hipocampo y mejoran la memoria, indicando un papel positivo y regulador de Abeta en la neurotransmisión y la memoria.


Según este razonamiento, la enfermedad de Alzheimer podría ser el resultado de un cambio en los eventos de procesamiento de la APP que llevaría a la producción excesiva de Abeta, su agregación en placas insolubles y la inducción de la muerte de las neuronas en las áreas afectadas.


Conclusiones


No hay muchas dudas de que la sobreproducción y acumulación de Abeta en el cerebro es la clave de la patogenicidad y de la progresión de la enfermedad de Alzheimer. Dado que la producción de Abeta depende de la regulación del procesamiento de la APP, los esfuerzos científicos hacia la caracterización completa del metabolismo de la APP seguirán ofreciendo potenciales dianas terapéuticas para frenar esta acumulación de Abeta y combatir esta patología. En este sentido, tanto los agentes procesadores (las diferentes secretasas y caspasas) como los productos derivados de este procesamiento, son objetivos terapéuticos a tener en cuenta para futuros tratamientos.