Redactado por María Arranz Burón.

INTRODUCCIÓN 

La Piruvato quinasa (PK) es una enzima que se encuentra al final de la ruta metabólica conocida como glucólisis y su función es permitir la salida del piruvato a la siguiente vía metabólica con el fin de obtener energía. Para entender la relevancia de esta molécula, quizás es conveniente explicar de forma concisa el recientemente popular término, conocido como “metabolismo”.  

El metabolismo, al que hacen referencia desde dietistas y entrenadores hasta profesores de bioquímica, es quizás un proceso que para el ciudadano de a pie resulta abstracto en su relación con la ingesta de comida. Brevemente, se trata de un conjunto de reacciones que consisten en tomar una molécula grande (glucosa) con alto potencial energético y dividirla en paquetes más pequeños (piruvatos, en el caso de la glucólisis) con el fin de distribuir la energía por los distintos sistemas celulares y permitir que los organismos vivos se sigan considerando como tales. Esa glucosa, llega a las células por medio de la alimentación y se convierte en energía química útil mediante las distintas rutas metabólicas. De modo, que el correcto funcionamiento de la PK, es fundamental para que estos pequeños paquetes se introduzcan en la siguiente ruta metabólica (el ciclo de Krebs) que se encargará de distribuir la energía.  De hecho, modificaciones de esta molécula podrían degenerar en condiciones tan serias como el Cáncer o el Alzheimer, dado que impediría que la energía alcanzase los destinos pertinentes. 

PAPEL BIOLÓGICO 

El rol que asume la PK a nivel biológico se traduce a la función que tiene por ejemplo el personal de seguridad a la entrada de un museo. Éste, en caso de que el turista no presente ninguna irregularidad (posesión de armas, comida, etc), procede a concederle la entrada al establecimiento; del mismo modo la PK permite el acceso al piruvato a la siguiente ruta, siempre que no suponga una amenaza contra el correcto funcionamiento de la célula. Al tratarse la PK de una quinasa, esto la convierte en una molécula con la capacidad de fosforilar (añadir grupos fosfato a otras moléculas). De modo que para concederle el acceso a la siguiente ruta, la PK retira los fosfatos de las triosas procedentes de la glucosa y los añade a moléculas de ADP, dando lugar a ATP (que es una molécula que transporta energía). Como resultado de este proceso, se sintetizan dos piruvatos, a los que finalmente les será concedido el acceso al ciclo de Krebs. 

La PK en humanos, aparte de la función biológica general descrita anteriormente, también tiene una serie de isoformas cuya función e importancia biomédica es más específica. Las cuatro isoformas de la PK (PKM, PKK, PKR, PKL) fueron descubiertas en 1965 y reciben su nombre a partir del nombre tejido donde se encuentra cada una. La PKM (actualmente denotada como PKM1) se encuentra en los tejidos musculares (muscle, M) del corazón y en el cerebro, la PKK (actualmente denotada como PKM2) se encuentra en los tejidos de los riñones (kidneys, K), el intestino y las células cancerosas; la PKR en el tejido sanguíneo (red blood cells, R) y la PKL en el tejido del hígado (liver, L) y en los riñones también. La diferenciación (que ocurre tras la fase fetal, ya que todas provienen de la isoforma PKM2) favorece la aparición de patologías mucho más especializadas debido a ligeros cambios en la conformación proteica. 

ESTRUCTURA Y CÓMO FUNCIONA 

• Desglose estructural 

Para entender el papel que desempeña la PK es fundamental comprender su estructura, dado que de ésta dependerá el funcionamiento de la misma. ¿Qué constituye a la PK? La piruvato quinasa es una proteína conformada por 531 aminoácidos que dan lugar a un tetrámero, cuyas cuatro subunidades son iguales. Éstos están organizados en motivos de hélices alfa, láminas beta y bucles.  

Estas subunidades se organizan a su vez en tres grandes dominios rotulados como A, B y C junto con un dominio N-terminal. El dominio A está conformado por un barril TIM α₈/β₈ cuyo centro activo se ubica entre el dominio A y el B, éste es además el dominio más grande de la subunidad. El dominio B sin embargo es móvil y bloquea el centro activo una vez que se le une el sustrato ADP-Mg²⁺. Finalmente, el dominio C contiene la fructosa-1,6-bifosfato (FBP) que es un potente activador alostérico.  

Esto significa, que a través de la unión de la FBP al dominio C, se facilitará la unión del fosfoenolpiruvato (PEP) que es fundamental para la regulación de la actividad de la PK, ya que ésta depende de la afinidad con el PEP. En ausencia de activadores alostéricos como la FBP, la PK tiene poca afinidad con el PEP. O sea, si la PK fuera un niño pequeño y su voluntad para realizar los deberes fuera análoga a la actividad de la quinasa, éste necesitaría una motivación para realizarlos. Si se impone la condición de recibir un caramelo a cambio de la tarea, éste cumplirá. De igual forma si la PK presenta la FBP unida al dominio C, ésta aumentará su afinidad a la PEP alterando su actividad. Además, la unión de FBP estabiliza la molécula en estado activo y promueve la tetramerización. Cabe destacar, que todas las isoformas de la PK se unen con la FBP exceptuando la PKM1 que debido a una discrepancia estructural es suficientemente estable por si sola (siendo además insensible a los moduladores alostéricos) y no presenta ni la región de unión a la FBP ni el interfaz dímero-dímero debido a éstas se expresan en los exones específicos de las isoformas. 

Otro detalle que cabe mencionar de la estructura de la PK es su capacidad de unión a cofactores (K⁺ y Mg ²⁺) cuya intervención en la activación de la molécula es esencial. En el caso del Mg ²⁺, se ha mencionado que está involucrado en bloquear el acceso al centro de activo (gracias al cambio conformacional que desplaza al dominio B) cuando éste forma un complejo de sustrato al unirse al ADP (formando el sustrato ADP-Mg²+). En el caso del K⁺ sin embargo, se ha observado que ante su presencia, el mecanismo cinético de la PK se mantiene desordenado (forma natural), esto supone que favorece la forma activa de la PK y permite que se unan el PEP o el complejo ADP-Mg²⁺ de forma independiente (mecanismo aleatorio). En ausencia de K+, por el contrario, el ADP no se pude unir al centro activo hasta que el PEP no haya terminado de formar un centro activo completamente funcional. De forma, que se deduce que el K⁺ es el encargado de inducir el cierre del centro activo y de que los residuos encargados de la unión al nucleótido adopten la conformación correspondiente. 

• Función ¿Qué hace?

Entonces, ¿Qué función tiene? Una vez conocida la estructura, es posible dilucidar qué función lleva a cabo, y cómo. La función catalítica de la PK consiste en fosforilar moléculas, debido a su condición de quinasa; en concreto, moléculas de ADP a partir de moléculas de PEP de la etapa anterior de la glucólisis. Todo ello para dar lugar a dos productos. Por un lado, piruvatos estables a partir de sus precursores PEP y por otro, obtener energía en forma de moléculas de ATP a través de la fosforilación del ADP. De modo, que el nombre surge del producto (piruvato) + tipo de enzima (quinasa). Para ello, al centro activo del dominio A se unen el PEP y el complejo ADP-Mg²⁺ dado que los cationes de Mg²⁺ median y facilitan la transferencia del grupo fosfato del PEP al ADP dando lugar al ATP y a los piruvatos. Todo ello es posible debido a la alta energía que libera PEP al ser hidrolizada. Al perder el fosfato, el PEP pasa a su forma de enolpiruvato que es menos estable, de modo que se llevará a cabo un proceso de tautomerización que consiste en que el enolpiruvato acepte un protón procedente de una molécula de agua convirtiéndose así en un piruvato estable y favoreciendo la fosforilación del ADP. 

En cuanto a la capacidad alostérica de la PK, aparte de la FBP, que favorece la unión del sustrato PEP, hay otras moléculas que alteran la actividad de la enzima. Por ejemplo, un inhibidor alostérico de esta enzima (PKM1,  PKM2) sería la fenilalanina (Phe) cuya unión supone la disminución de afinidad con la PEP mediante la estabilización de la estructura inactiva de la PK. El lugar de unión de Phe también puede albergar a la alanina que actúa como inhibidor, pero solo ante la isoforma PKM2, y esto lo lleva a cabo favoreciendo la conformación dimérica, contraria a la tetramérica a la que se une FBP. A pesar de que en presencia de concentraciones normales de FBP la inhibición de la alanina queda mitigada. La serina sin embargo, también puede ocupar este centro de unión, pero con función activadora no inhibidora, en la PKM2. Dejando a un lado los aminoácidos, hormonas ,como la hormona tiroidea triyodo-L-tironina (T3), actúan también como inhibidor alostérico favoreciendo la conformación monomérica inactiva de la PK. Mientras que el oxalato puede actuar como activador de la PK mediante su interacción con el centro activo por ser análogo al enolpiruvato, en caso de que la concentración de PEP sea baja. 

¿PORQUÉ PODRÍA ACABAR CONTIGO?

• EL PELIGRO RESIDE EN LA ISOFORMA 

Las isoformas de una proteína son proteínas que provienen del mismo gen que la proteína original, dicho gen se duplica y comienza a acumular mutaciones para dar lugar a las distintas isoformas. En el caso de la PK, tras este proceso de duplicación y modificación  por mutaciones se han obtenido 4 isoformas distintas: PKM1, PKM2, PKR y PKL. La importancia de las isoformas recae en que a pesar de realizar la misma función que la proteína inicial, cada una presenta ligeramente distintas: propiedades cinéticas, estructurales, de regulación o de localización en la célula. Estas ligeras diferencias atienden a las necesidades metabólicas del tejido al que pertenecen. O sea, las modificaciones que sufra PKL (L hace referencia a liver, hígado en inglés) afectarán en principio al hígado dado que la estructura de la PKL ha resultado ser la más eficaz a la hora de catalizar las reacciones que precisa este órgano. A pesar de esto, existe una isoforma que destaca en su implicación en numerosas patologías inflamatorias (como la Sepsis, IBD o Arterosclerosis) o enfermedades como el Cáncer o el Alzheimer. Ésta es la PKM2. 

• PKM2 Y UN COMPENDIO DE LO QUE PUEDE SALIR MAL 

• PKM2 en el Cáncer  

Ante el desarrollo de células neoplásicas, la PKM2 tiene un comportamiento que podría clasificarse como moonlighting. Esto se debe a que en condiciones normales la PK transforma PEP en piruvato y este sigue la ruta metabólica normal hacia el ciclo de Krebs, mientras que, ante una situación de estrés, como puede ser el desarrollo de células cancerígenas, ésta altera su forma tetramérica natural y pasa a su forma dimérica. Al dimerizarse  mediante la fosforilación de su tirosina 105 la proteína deja de realizar su función natural y divierte el proceso de la glucólisis hacia la síntesis de metabolitos necesarios para la síntesis de serina. Esto se debe a que dicho aminácido regula a mTORC1 ( mammalian target of rapamacyn complex 1), que es fundamental para favorecer la proliferación celular, característica de las células cancerígenas. Otra de las modificaciones que sufre, es la acetilación de su lisina 305, junto con la oxidación de su cisteína 358 que provoca una alteración en la ruta de la glucólisis haca la PPP (pentose phosphate pathway, vía de la pentosa fosfato) que favorece la síntesis de nucleótidos para sufragar los efectos de la interrupción de la ruta glucolítica.  

Estas modificaciones de la PK se conocen como el efecto Warburg o Glucólisis Aeróbica. El efecto Warburg supone que las células cancerígenas conviertan el piruvato en lactato, disminuyendo su producción de ATP. La disminución de síntesis de ATP se soluciona mediante los procesos mencionados anteriormente, mientras que el aumento de lactato supone la aparición de un ambiente tumorigénico dado que es excretado, reduciendo así el pH extracelular (esto favorece las condiciones para la proliferación celular) y provocando inflamación. El aumento de lactato también se utiliza para acceder a un recurso de energía alternativo, como es la glutamina. Esto es posible, dado que se disminuye la entrada de piruvato en el ciclo de Krebs, por lo que comienzan a introducirse metabolitos de glutamina en su lugar y aumenta por lo tanto la síntesis de lípidos y aminoácidos. Finalmente, la PKM2 es translocada al núcleo donde se une a HIF1-α (hypoxia-inducible factor-1 alfa) promoviendo la transactivación de HIF1 que favorece la aparición de un ambiente tumorigénico y la desviación de la glucólisis hacia la vía de la pentosa fosfato.  

• PKM2 en el Alzheimer 

Debido a que el origen y funcionamiento del Alzheimer todavía no se ha esclarecido, se están explorando nuevas vías de investigación. Entre ellas, destacan factores como el estrés oxidativo, fallos en el transporte y metabolismo de la glucosa, y la inflamación. Dado que la piruvato quinasa juega un papel central en el metabolismo de la glucosa, su función se ve afectada por la enfermedad. Como consecuencia de la alteración de la ruta metabólica de la glucosa (debida a la acumulación de β-amiloides), se da la inactivación HIF1-α lo que supone que la PKM2 en dímero no puede unirse a ella, quedando inhibida. Otra forma en la que la PKM2 queda inhibida (en presencia de esta enfermedad) es mediante la inactivación o la regulación insuficiente de PPIasa (peptidil-prolil cis-trans-isomerasa) o la elevada concentración de ROS (especies reactivas de oxígeno), ya que ambas impiden la translocación de la PKM2 al núcleo, y consecuentemente esta no se une a HIF1-α, dando lugar en este caso a un desequilibrio en el metabolismo mediante una cascada de PEP. Respecto al papel de la PKM2 en la respuesta inflamatoria, la PKM2 regula la respuesta de los macrófagos, que son esenciales a la hora de retirar los amiloides para evitar la formación de placas. Esto se debe a que ante la inflamación, los macrófagos adoptan un fenotipo que favorece la síntesis de ATP y se ha observado que algunos incluso activan la Glucólisis Aeróbica (efecto Warburg), que se da cuando hay una sobreactivación de la PKM2. La Glucólisis Aeróbica mediada por PKM2 también promueve la activación de inflamasomas mediante la fosforilación de EIF2AK2 (factor 2 de iniciación de traducción de la α quinasa 2). Por otro lado, mediante la interacción con HIF1-α se promueve la transcripción de genes que activan la glucólisis en macrófagos. Finalmente, la PKM2 también es responsable de la glucólisis de la α-sinucleína que es una proteína presináptica asociada a la fisiopatología del Alzheimer. 

• PKM2 en diversas enfermedades inflamatorias 

La respuesta inflamatoria, como se ha expuesto en los dos casos anteriores, requiere de un alto consumo de energía. Células del sistema inmune, como los macrófagos, activan mecanismos similares al denominado efecto Warburg en el cáncer para aumentar la síntesis de energía y poder responder de manera eficaz. Esto está íntimamente relacionado con la glucólisis por lo que la implicación de la PK es crucial. En el caso de la Sepsis la implicación de la PKM2 en la glucólisis anaeróbica que adoptan las células bajo la patología supone un perjuicio para la supervivencia del individuo. Esto se ha observado tras inhibir su actividad comprobando que de este modo también quedaban inhibidas moléculas como el inflamasoma NLRP3 y HMGB1 (proteína de alta movilidad del grupo 1) cuya represión favorece la supervivencia del individuo. En el caso de la Arterosclerosis se ha observado que la inhibición de PKM2 en linfocitos B y T favorece la atenuación de la inflamación. Esto está unido a que parte de los productos que se sintetizan durante la glucólisis aeróbica (adoptada por las células del sistema inmune bajo condiciones de estrés) producen inflamación como se expone en la segunda imagen de la PKM2 en el cáncer. Incluso en la IBD (enfermedad inflamatoria de Bowel) la PKM2 se está valorando como posible bioindicador de la enfermedad según estudios recientes. Una vez más, la supresión de la PKM2 favoreció el control sobre la inflamación ya que en su versión nuclear dimérica contribuye a la adaptación de las necesidades metabólicas de los linfocitos. Esto significa que la presencia (en muestras) de esta proteína en estado dimérico podría ayudar a identificar la enfermedad. También cabe mencionar, que se ha observado que la PKM2 regula a Bcl-xL impidiendo la apoptosis de las células del epitelio intestinal.

• REFERENCIAS 

Boutet E, Lieberherr D, Tognolli M, Schneider M, Bairoch A.
UniProtKB/Swiss-Prot
Methods Mol. Biol. 406:89-112 (2007)

Encyclopedia of Cancer (Second Edition)2002Pages 535-547 Paschal A. Oude Weernink Gerard E. J. Stoal Gert Rijksen

February 2004, David Goodsell 

doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2004_2

Israelsen, W. J., & Vander Heiden, M. G. (2015). Pyruvate kinase: Function, regulation and role in cancer. Seminars in cell & developmental biology, 43, 43–51. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2015.08.004

June 2022, Faiza Ahmed, Jonathan Ash, Thirth Patel, Auriel Sanders, David Goodsell, Shuchismita Dutta 

doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2022_6

Oria-Hernández, J., Cabrera, N., Pérez-Montfort, R., & Ramírez-Silva, L. (2005). Pyruvate kinase revisited: the activating effect of K+. The Journal of biological chemistry, 280(45), 37924–37929. https://doi.org/10.1074/jbc.M508490200

Patel, S., Das, A., Meshram, P., Sharma, A., Chowdhury, A., Jariyal, H., … & Shard, A. (2021). Pyruvate kinase M2 in chronic inflammations: a potpourri of crucial protein–protein interactions. Cell Biology and Toxicology, 37(5), 653-678.

The RCSB PDB «Molecule of the Month»: Inspiring a Molecular View of Biology D.S. Goodsell, S. Dutta, C. Zardecki, M. Voigt, H.M. Berman, S.K. Burley (2015) PLoS Biol 13(5): e1002140. doi: 10.1371/journal.pbio.1002140

Yang, L., Venneti, S., & Nagrath, D. (2017). Glutaminolysis: a hallmark of cancer metabolism. Annual review of biomedical engineering, 19, 163-194.

Realizado por Leyre Navajo Gómez y Alejandro Muñoz Benito

INTRODUCCIÓN

La proteína p53 es conocida como el “guardián del genoma” por su papel en la regulación del ciclo celular, pero también participa en el mantenimiento de la homeostasis o en la respuesta al estrés. P53 es un factor de transcripción que en su forma activa va a unirse a secuencias del ADN para inducir o reprimir la expresión de genes, produciendo la inhibición del ciclo celular y la activación de la apoptosis.

De forma fisiológica, p53 solo se activa cuando se ha producido un daño en el ADN que los sistemas de reparación de ADN no pueden solucionar y conduce a la célula a procesos de muerte celular para evitar que los daños sean heredados por las células hija, de esta manera está involucrado en el mantenimiento de la integridad génica. Cuando las células no presentan daño en el ADN, p53 va a ser degradada por el proteosoma para impedir que células sanas entren en apoptosis y puedan continuar el ciclo celular.

P53 desarrolla funciones muy importantes dentro de las células, por eso cualquier fallo puede derivar en enfermedades graves como el cáncer. Se ha visto que el 50% de los tumores presentan mutada esta proteína lo que evidencia su importancia y el gran interés que hay en su estudio. Las mutaciones en p53 hacen que pierda su actividad supresora y comience a actuar como una oncoproteína cuya acción conduce a la aparición de células tumorales que escapan de la muerte celular y pierden la regulación del ciclo celular. Generalmente, los tumores con mutación en p53 tienen peor pronóstico, porque aunque se trate al paciente con radioterapia o quimioterapia la vía que conduce a la apoptosis está inhibida y las células pese a la acumulación de tumores seguirán proliferando. Por ello, existen muchos estudios centrados en esta proteína con el fin de entender su estructura, regulación y función para poder desarrollar mecanismos que puedan impedir el progreso de los tumores.

ESTRUCTURA

El gen TP53 se encuentra en el brazo corto del cromosoma 17 (17 p13) y codifica para la proteína nuclear p53, se trata de un homotetrámero donde cada monómero lo constituyen 393 aminoácidos con distintos dominios funcionales. En los tejidos humanos se encuentran 9 isoformas distintas de esta proteína siendo la expresión de cada una de ellas dependiente del tejido en el que se encuentra.

Las cuatro regiones que constituyen cada monómero son:

• Dominio aminoterminal.  p53 contienen dos dominios de transactivación (AD1, AD2) que son necesarios para activar la transcripción de los genes diana, una región rica en prolinas que participa en la regulación de la apoptosis Y una señal de exportación nuclear (NES). Ante diferentes señales, la proteína sufre modificaciones postraduccionales (fosforilaciones) que conducen a su separación de la proteína MDM2 permitiendo su activación. (2)

• Dominio de unión de ADN (Core). Localizado entre los aminoácidos 94-294, es un dominio resistente a proteasas y con una secuencia conservadas en otros miembros de su familia (p63 y p73) Este dominio se encarga de reconocer y unirse de manera específica a secuencias promotoras del ADN para regular la transcripción de los genes diana. Su estructura la constituyen dos láminas β antiparalelas, dos grandes “loops” (L2 y L3) que se estabilizan con Zinc y un motivo loop lámina-hélice al final del dominio. Este dominio tiende a ser rico en aminoácidos básicos que permiten la unión al ADN. (3)

• Dominio de tetramerización (Tet). Se encuentra entre los aminoácidos 320-360 y participa en la formación del tetrámero. Lo forma un dímero de dímeros, con dos laminas-β y dos α-hélices entrecruzadas (4). Consta de una región flexible de 30 aminoácidos aproximadamente, que conecta este dominio con cada uno de los dominios centrales.

• Dominio carboxiloterminal. Localizado entre los aminoácidos 363-393, presenta muchos residuos básicos (arginina y lisina) siendo capaz de unirse al ADN de forma inespecífica por interacciones electroestáticas. Ante diversas señales de estrés sufre modificaciones postraduccionales (glicosilación, fosforilación o ubiquitinación). (1)

REGULACIÓN

P53 sufre modificaciones postraduccionales que incluyen fosforilación, ubiquitinación, acetilación y metilación; todas ellas están implicadas en la estabilidad, conformación, localización e interacciones de p53. La desregulación de alguna de estas rutas aparecen entre las principales causas de enfermedades del desarrollo asociados con p53, especialmente en cánceres.

La estructura multimodular de p53 hace que presente múltiples sitios donde pueden realizarse modificaciones que influirán en su función, estas modificaciones pueden ser reversibles por la acción de otras enzimas.

Algunos ejemplos de modificación postraduccional son (5):

• Ubiquitinación. La ubiquitina es una pequeña proteína que se une a las proteínas que van a ser degradadas, se trata de una cascada de reacciones enzimáticas donde participan ligasas (E1: activación, E2: ligación, y E3: conjugación) cuyo objetivo es generar proteínas marcadas con una cola de ubiquitinas que se dirigirán al proteosoma para ser degradadas. Mdm2 es la principal ubiquitina ligasa E3, puede modificar p53 en seis residuos de lisina dentro de CTD. Cuando en la célula hay niveles altos de mdm2 se conduce a la poliubiquitinación y degradación nuclear de p53; mientras que si los niveles son bajos se promueve la monoubiquitinación y exportación nuclear de p53, en el citoplasma p53 realiza funciones diferentes a las de un factor de transcripción. Por tanto, mdm2 es un regulador negativo de p53.
• Fosforilación. En p53 aparecen muchos sitios ricos en treonina y serina que pueden fosforilarse por acción de Ser-Thr quinasas, la mayoría se acumulan en el extremo N-terminal y se modifican como respuesta al estrés celular para iniciar la reacción de p53. Algunos sitios (como T55, S376 y S378) se fosforilan constitutivamente en células no estresadas, en condiciones normales de crecimiento celular el factor TAF1 fosforila p53 en T55 promoviendo su degradación a través del proteosoma. En respuesta al daño del ADN, la fosfatasa 2A puede desfosforilar T55, mejorando la estabilidad de p53 para promover la detención del ciclo celular. Cuándo ocurre la fosforilación (antes o después de la activación de p53) y qué efectos tiene la fosforilación en p53 (activación o represión) son muy variables en diferentes condiciones. Hay fosforilaciones que impiden la unión a mdm2 a p53 para mejorar su estabilidad, otras modificaciones como fosforilaciones en el dominio C-terminal que promueven la unión de p53 al ADN
• Acetilación. CBP/p300 podría acetilar p53 en varias lisinas C-terminales conduciendo a la unión de p53 con el gen diana para activar vías posteriores como detención del ciclo celular, senescencia o apoptosis. Además, la acetilación puede impedir la ubiquitinación de p53 y aumentar su estabilidad. Dos sitios modificados por CBP/p300 son K164 y K101, la acetilación de K164  promueve la inducción de la detención del ciclo celular mediante la expresión de p21 y la acetilación de K101 es fundamental para la regulación de la ferroptosis. En respuesta al daño del ADN, también se puede acetilar p53 en K320 para impedir la fosforilación de serinas en el extremo N-terminal de p53 y permitir la expresión de genes específicos que promueven la supervivencia celular, no la apoptosis . La p53 acetilada puede ser desacetilada por varias desacetilasas como la histona desacetilasa-1 (HDAC1), el cual puede ser reclutado por mdm2.
• Metilación. Al igual que la acetilación, es una marca epigenética importante en la lisina de las colas de histonas, también destaca la metilación de arginina. Esta modificación puede estabilizar p53 y restringirlo en el núcleo. También se asocia con una transcripción mejorada de algunos genes diana como p21. Destaca la proteína arginina metiltransferasa 5 (PRMT5) que se encarga de la metilación de p53 en R333, R335 y R337, esta reacción afecta a la especificidad del gen diana de p53 haciéndola más sensible a ciertos promotores o potenciadores.

FUNCIÓN

La proteína p53 en condiciones normales está presente en su forma inactiva a muy baja concentración, mientras que en situaciones de estrés celular, falta de nutrientes o de daño en el ADN, se produce su activación y estabilización. Si el daño es leve detiene la progresión del ciclo celular para permitir su reparación y posteriormente reiniciarlo. Ante un daño grave o irreparable, activa el proceso de apoptosis, reduciendo de esta manera la posibilidad de que células con mutaciones puedan sobrevivir y contribuir al proceso de carcinogénesis. (6)(7)

Por ello, dentro de las funciones más importantes de p53 encontramos la detención del ciclo celular y activación de la apoptosis además de otras funciones secundarias como regular ciertos procesos metabólicos, la respuesta antioxidante y la reparación del ADN. Todas estas funciones confluyen en la idea de que p53 tiene como misión principal ser un supresor de tumores. (6)(7)

DETENCIÓN DEL CICLO CELULAR

La detención del ciclo celular mediada por p53 (7)

Está mediada principalmente por la activación transcripcional de p21/WAF1. P53 se une a dos sitios aguas arriba del promotor de P21. El sitio 5′ en el promotor p21 es uno de los sitios de unión a p53 más fuertes analizados, con una constante de disociación muy baja (nM).

El ARNm de p21 es altamente inducido después de la activación de p53. p21 se une a los complejos ciclina E/Cdk2 y ciclina D/Cdk4 para causar la detención de G1 en el ciclo celular. La inhibición de Cdk2 y Cdk4 por p21 bloquea la fosforilación de pRb, promueve la unión de pRb a E2F1 y promueve el silenciamiento de la transcripción de los objetivos E2F1 imprescindibles para la replicación del ADN y la progresión del ciclo celular. p21 también interactúa con el antígeno nuclear celular proliferante (PCNA) e inhibe la replicación del ADN, lo que puede contribuir a su actividad de detención del ciclo celular. Se ha demostrado que la ausencia del factor p21 causa deficiencias en la detención del ciclo celular después del lo que indica que es un mediador importante por p53.

Sin embargo, estas células nulas de p21 no son completamente defectuosas para la detención de G₁, lo que se sugiere que otros genes diana de p53 también contribuyen a la detención del ciclo celular.

La activación de p53 también detiene las células en las fases G2/M. Aunque p21 también puede inhibir la ciclina B/Cdc2 para inhibir la progresión del ciclo celular a través de la mitosis, otros genes diana de p53, como el 14-3-3σ, pueden participar en el bloqueo de la transición G2/M.

También se ha demostrado que la represión p53 del promotor cdc25C promueve la detención de G₂ / M después del daño del ADN. Estudios recientes ex vivo sugieren que la inducción de micro ARN mir34a contribuye a la detención del crecimiento por p53. Sin embargo, la eliminación de la familia de genes mir34 en ratones no afectó la detención y la apoptosis mediadas por p53, lo que sugiere que la función de mir34 in vivo es limitada o redundante.

En las células de mamíferos, la detención del ciclo celular mediada por p53 proporciona importantes funciones como punto de control:

1. Las roturas de doble cadena de ADN que se producen por acción de la radiación ionizante activa la (ATM) quinasa que inhibe la actividad de la ligasa MDM2 E3 a través de la fosforilación, causando una rápida acumulación de p53 e inducción de p21. Al detener las células en la fase G1 se da tiempo a la reparación de roturas de doble cadena potencialmente letales.
2. P53 mantiene la integridad cromosómica y mejora la supervivencia de las células dañadas ya que además de forzar un punto de control del ciclo celular, p53 también regula un grupo de genes implicados en la recombinación y reparación del ADN.
3. P53 regula los genes implicados en la formación de heterocromatina para facilitar la reparación oportuna de las roturas de la cadena de ADN.

PROMOVER APOPTOSIS

La apoptosis se define como una forma de muerte celular programada en la que las células «se suicidan» fragmentándose en trozos empaquetados de membrana denominados cuerpos apoptóticos. (9)

En la activación de p53, ciertos tipos de células (leucemia o fibroblastos transformados) sufren predominantemente apoptosis en lugar de detención del ciclo celular. (7)

Las limitadas anomalías del desarrollo asociadas con la mayoría de los ratones p53-nulos indican que la proteína p53 puede ser prescindible, en gran medida, para los procesos apoptóticos que ocurren durante el desarrollo normal. (9)

Sin embargo, en condiciones de estrés celular que ponen en peligro la integridad del genoma, p53 se vuelve crucial para restringir la proliferación celular inapropiada. De esta manera, p53 evita la expansión clonal de las células que poseen defectos genéticos peligrosos, restringiendo así la neoplasia. Las situaciones de estrés celular que pueden inducir la apoptosis mediada por p53 incluyen daño en el ADN, hipoxia, escasez de ribonucleótidos y estrés oxidativo. (9)

Además, p53 puede inducir apoptosis sin detención aparente del crecimiento, por ejemplo, en células que tienen expresión desregulada de los protooncogenes c-myc o adenovirus 12S E1A, o el factor de transcripción E2F-1 entre otros, provocan una acumulación y estabilización de p53. (8)

La separación de las vías dependientes de p53 para la detención del crecimiento y la apoptosis puede basarse en la inducción selectiva de productos génicos específicos para cada vía. (8)

Se ha demostrado que p53 regula al alza genes proapoptóticos como Bax y suprime genes antiapoptóticos como BCL-2, mediante la activación transcripcional o represión, alterando así las proporciones relativas de Bax a Bcl-2 y cambiando el equilibrio hacia la apoptosis. (8)

p53 también induce directamente la transcripción de IGF-bp3, una proteína que puede inhibir la actividad antiapoptótica de IGF-1, a través de un motivo de consenso p53 en la región promotora. Esta proteína también puede inducir apoptosis, a través del secuestro de IGF-1. (8)

Por otro lado, Se sugiere que podría existir una interacción funcional entre p53 y una proteína llamada RUNX3 en respuesta al daño del ADN, mejorando así la actividad proapoptótica de p53. Cabe destacar que RUNX3 recluta formas fosforiladas de ATM a p53 en SER-15 y por lo tanto activa p53 (10)

La demostración de que la apoptosis mediada por p53 puede ocurrir en ausencia de síntesis de proteínas o ARN implicó que la transactivación específica de secuencias SST no siempre es imprescindible para la apoptosis. Posteriormente, las investigaciones sobre la capacidad apoptótica de los mutantes p53 deficientes en SST dieron lugar a resultados contradictorios. (9)

Se ha propuesto por tanto que la apoptosis mediada por p53 ocurre a través de una combinación de mecanismos dependientes de SST e independientes de SST, actuando de forma sinérgica. En condiciones fisiológicas la apoptosis óptima requiera una combinación de ambos mecanismos. (9)

Es pertinente señalar un importante gen diana de p53 que aparentemente no contribuye a la apoptosis. El gen p21 inducible por p53 codifica un inhibidor de quinasas dependientes de ciclina. Los estudios de fibroblastos deficientes en p21 revelaron la contribución significativa de la inducción de p21 a la detención del ciclo celular en G1. Sin embargo, los mismos estudios también mostraron claramente que p21 no era necesaria para la apoptosis mediada por p53. (9)

Algunos mutantes de p53 pueden transactivar p21 e inducir la detención del ciclo celular, pero no pueden inducir IGF-bp3 o Bax, y por lo tanto muestran una actividad pro-apoptótica deteriorada. Esto indica que la selectividad del promotor de los mutantes p53 puede determinar si p53 induce la detención del crecimiento o la apoptosis. (8)

Se ha sugerido que la inhibición de la apoptosis inducida por p53 está mediada por MDM2, que está regulada al alza por p300, pero que inhibe la función de p53. MDM2 se une al dominio de activación transcripcional de p53, induce una rápida degradación de p53 y bloquea su capacidad para regular genes diana y ejercer efectos antiproliferativos y proapotóticos. (8)

RELACIÓN P53 Y CÁNCER

Ante un daño grave o irreparable en el ADN, p53 activa procesos de apoptosis para disminuir la posibilidad de que las células mutadas sobrevivan y transmitan esos daños a las células hija. Cualquier mutación en p53 u otras proteínas que regulen su función inhiben la actividad de p53 condiciendo a carcinogénesis.

La inactivación de p53 produce un desequilibrio entre la división celular y la muerte celular, que provoca la proliferación continua de la célula. Además, las células con ADN dañado no pueden ser eliminadas y las mutaciones serán heredadas e irán acumulándose en las nuevas células. Como consecuencia, las células tumorales presentan un nuevo fenotipo que las diferencian de las células normales del tejido donde se encuentran, son células que presentan una función y morfología diferentes a las células de las que proceden.

BIBLIOGRAFÍA

1. Appella, E, Anderson, CW (2001.a). Post-translational modifications and activation of p53 by genotoxic stresses. Eur. J. Biochem., 268, 10:2764-72.

2. Candau, R, Scolnick, DM, Darpino, P, Ying, CY, Halazonetis, TD, Berger, SL
(1997). Two tandem and independent sub-activation domains in the amino terminus
of p53 require the adaptor complex for activity. Oncogene, 15, 7:807-16

3. Cho, Y., Gorina, S., Jeffrey, P. D. & Pavletich, N. P (1994). Crystal structure of a p53 tumor suppressor-DNA complex: understanding tumorigenic mutations. Science 265, 346-55

4. Jeffrey, PD, Gorina, S, Pavletich, NP (1995). Crystal structure of the tetramerization
domain of the p53 tumor suppressor at 1.7 angstroms. Science, 267, 5203:1498-502

5. Liu, Y., Tavana, O. & Gu, W. (2019). p53 modifications: exquisite decorations of the powerful guardian. Journal of Molecular Cell Biology, 11(7), 564-577.

6. Liu, J., Zhang, C., Hu, W. & Feng, Z. (2018). Tumor suppressor p53 and metabolism. Journal of Molecular Cell Biology, 11(4), 284-292. 

7. Chen, J. (2016). The Cell-Cycle Arrest and Apoptotic Functions of p53 in Tumor Initiation and Progression. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, 6(3), a026104.

8. Discussion. (1999b). Biochemical Pharmacology, 58(7), 1089-1095.

9. Gottlieb, T. M. & Oren, M. (1998). p53 and apoptosis. Seminars in Cancer Biology, 8(5), 359-368.

10. Ozaki, T. & Nakagawara, A. (2011). Role of p53 in Cell Death and Human Cancers. Cancers, 3(1), 994-1013

Realizado por Sofía Alván Benito

«Morir de amor»… Esa frase que hemos escuchado y leído miles de veces en poesías, libros o en la letra de famosas canciones como la de Camilo Sesto. Suena dramático e irreal, pero a veces la realidad supera a la ficción.

Introducción

El síndrome de Takotsubo (ST) es una patología que afecta al corazón. Suele aparecer en pacientes que han estado sometidos a un gran estrés físico o emocional (Lyon et al., 2016). Estos detonantes pueden ser, por ejemplo, la pérdida de un ser querido, un gran cambio inesperado en nuestra vida o incluso una ruptura con nuestra pareja.

Fue diagnosticado por primera vez por un médico japonés, que bautizó a esta enfermedad con el nombre que tiene actualmente. La palabra «Takotsubo», en japonés, es el nombre de una vasija que se utiliza para cazar pulpos y que, curiosamente, tiene una forma muy similar a la que adquiere el corazón al sufrir esta enfermedad (Sato et al., 1990). (Figura 1)

Síndrome de Takotsubo vs Infarto de Miocardio

Este síndrome, también llamado síndrome del corazón roto, se asemeja bastante a un infarto de miocardio (IM). Sin embargo, ambas patologías tienen grandes diferencias. (Tabla 1) (Falola, Fonbah, & McGwin, 2013; Gupta & Gupta, 2018)

	Síndrome de Takotsubo	Infarto de Miocardio
Antecedentes cardiovasculares	No	Sí
Obstrucción arterial	No	Sí
Factores de riesgo	Estrés emocional o físico	Tabaco, obesidad, hipertensión, diabetes
Partes afectadas	Ventrículo izquierdo	Corazón (general)

Epidemiología

Realmente, el Síndrome de Takotsubo es una enfermedad rara. Afecta únicamente, más o menos, a un 2% de todos los pacientes que fueron inicialmente diagnosticados con Síndrome Agudo del Miocardio. (Deshmukh et al., 2012)

Suele aparecer con mayor frecuencia en mujeres mayores de 50 años. La mayoría de casos se producen por un estímulo, que lleva a la aparición de la enfermedad. (Lyon et al., 2016). Sin embargo, en un 30% de los casos no hay detonante físico ni emocional. (Khera, Light-Mcgroary, Zahr, Horwitz, & Girotra, 2016). Dentro de los casos que sí se deben a un evento desencadenante, un 90% corresponden a eventos negativos, son los casos del síndrome del corazón roto propiamente dicho. (Templin et al., 2015). El 10% restante se debe a eventos positivos, como por ejemplo ganar la lotería, y constituyen una variante de esta patología que recibe el nombre de síndrome del corazón feliz. (Ghadri et al., 2016)

La tasa de mortalidad es muy baja, de un 4.5%. (Singh et al., 2014). En general, esta patología tiene un buen pronóstico y la mayoría de pacientes se recuperan en unos meses. (Elesber et al., 2007). Suele ser una enfermedad transitoria, aunque en ocasiones puede llegar a ser recurrente.

En hombres, aunque la enfermedad es menos frecuente, la mortalidad es superior a la de las mujeres. (Khera, Light-Mcgroary, Zahr, Horwitz, & Girotra, 2016)

Síntomas y manifestaciones clínicas

Como ya ha sido mencionado anteriormente, los síntomas de un paciente con Síndrome de Takotsubo son muy parecidos a los de un paciente que sufre un infarto de miocardio.

Los principales síntomas son dolor de pecho, disnea o dificultad para respirar, palpitaciones, insuficiencia cardíaca, paro cardíaco… (Templin et al., 2015)

Los pacientes con este síndrome no presentan ningún otro problema cardiovascular, ni obstrucción en las arterias. A pesar de ello, se ve una pérdida de la función del ventrículo izquierdo del corazón, que es la parte más afectada. (Figura 2)

En condiciones normales, el corazón utiliza como fuente principal de energía la que procede del metabolismo de ácidos grasos en vez de la glucosa. Cuando se sufre este síndrome, el corazón cambia su metabolismo a uno en el que utiliza más glucosa y menos ácidos grasos. (Gupta & Gupta, 2018)

Además, se puede ver elevación de biomarcadores cardíacos como la troponina o el péptido natriurético. Esto puede servir para el diagnóstico de la enfermedad. (Budnik et al., 2016)

Puede haber alteraciones del electrocardiograma, en algunos casos. (Migliore, Zorzi, Perazzolo Marra, Iliceto, & Corrado, 2015)

Este síndrome también recibe el nombre de síndrome de balonamiento apical transitorio, ya que se puede observar una especie de abultamiento en forma de «balón» en la región apical. (Lyon et al., 2016)

Causas

Una de las posibles explicaciones a esta patología es que se produzca debido al exceso de estimulación del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal. (Figura 3). En situaciones de estrés, se activa esta vía, para producir hormonas como los glucocorticoides (cortisol) y las catecolaminas (epinefrina y norepinefrina). (Figura 4)

Cuando se produce esta patología, los niveles plasmáticos de epinefrina y norepinefrina son altos, lo que indica que pueden estar ejerciendo un efecto desmesurado sobre el corazón, lo que derivaría en este síndrome. (Wittstein et al., 2005)

La adrenalina y la noradrenalina actúan sobre receptores adrenérgicos para ejercer su función. En el corazón, el ventrículo izquierdo es el lugar en el que se encuentran el mayor número de receptores adrenérgicos. Esto explica que el ventrículo izquierdo del corazón sea la zona que se ve más afectada en el Síndrome de Takotsubo. (Gupta & Gupta, 2018)

Se producen cambios en el metabolismo celular, que llevan a una disminución de la contractibilidad del corazón, principalmente en el ventrículo izquierdo. (Gupta & Gupta, 2018)

Como curiosidad, algunas publicaciones científicas apuntan a una posible relación entre esta patología cardíaca y el cáncer. Se dice que es posible que las catecolaminas que se liberan en esta enfermedad actúen sobre células tumorales, induciendo su crecimiento. (Sattler et al., 2017)

Además, se ha postulado que el hecho de que afecte más frecuentemente a mujeres puede deberse a la influencia de ciertas hormonas sexuales. (Alkhoury et al., 2016)

Otros posibles factores que podría jugar algún papel en el desarrollo de esta enfermedad son los aspectos genéticos. (Ikutomi et al., 2014)

Tratamiento

No hay un solo tratamiento claro para esta condición.

Dependiendo de las circunstancias personales de cada paciente o de otras enfermedades coexistentes, el tratamiento podría incluir beta-bloqueadores (para frenar el efecto de las catecolaminas sobre sus receptores), ventilación mecánica, levosimendan (para la insuficiencia cardíaca)… (Santoro et al., 2013; Templin et al., 2015)

Conclusión

El Síndrome de Takotsubo es un gran ejemplo de que existe una conexión entre el cerebro y diferentes órganos de nuestro cuerpo, en este caso, entre el cerebro y el corazón. No solo influyen las cuestiones físicas sobre la salud del cuerpo, sino que las cuestiones emocionales a veces pueden ser tan influyentes que no solo afectan a nuestro estado de ánimo, también pueden llegar a afectar al funcionamiento de órganos tan importantes como lo es el corazón.

En definitiva, si solías ser de los que dicen «de amor nadie se muere», apuesto a que ahora habrás cambiado de opinión y tendrás que decir «de amor sí se puede morir».

Referencias

Alkhoury, J., Lundgren, J., Ali, A., Mesinovic, D., Redfors, B., & Omerovic, E. (2016). Updates on publication trends in takotsubo syndrome doi:10.1016/j.ijcard.2016.07.059

Budnik, M., Kochanowski, J., Piatkowski, R., Wojtera, K., Peller, M., Gaska, M., . . . Opolski, G. (2016). Simple markers can distinguish takotsubo cardiomyopathy from ST segment elevation myocardial infarction. International Journal of Cardiology, 219 doi:10.1016/j.ijcard.2016.06.015

Deshmukh, A., Kumar, G., Pant, S., Rihal, C., Murugiah, K., & Mehta, J. L. (2012). Prevalence of takotsubo cardiomyopathy in the united states. American Heart Journal, 164(1) doi:10.1016/j.ahj.2012.03.020

Elesber, A. A., Prasad, A., Lennon, R. J., Wright, R. S., Lerman, A., & Rihal, C. S. (2007). Four-year recurrence rate and prognosis of the apical ballooning syndrome. Journal of the American College of Cardiology, 50(5) doi:10.1016/j.jacc.2007.03.050

Falola, M., Fonbah, W., & McGwin, G. (2013). Takotsubo cardiomyopathy versus ST-elevation myocardial infarction in a large case-control study: Proposing a new mechanism. International Journal of Cardiology, 167(3) doi:10.1016/j.ijcard.2012.10.059

Ghadri, J. R., Sarcon, A., Diekmann, J., Bataiosu, D. R., Cammann, V. L., Jurisic, S., . . . Prasad, A. (2016). Happy heart syndrome: Role of positive emotional stress in takotsubo syndrome. European Heart Journal, 37(37) doi:10.1093/eurheartj/ehv757

Gupta, S., & Gupta, M. M. (2018). Takotsubo syndrome doi:10.1016/j.ihj.2017.09.005

Ikutomi, M., Yamasaki, M., Matsusita, M., Watari, Y., Arashi, H., Endo, G., . . . Ohnishi, S. (2014). Takotsubo cardiomyopathy in siblings. Heart and Vessels, 29(1) doi:10.1007/s00380-013-0345-y

Khera, R., Light-Mcgroary, K., Zahr, F., Horwitz, P. A., & Girotra, S. (2016). Trends in hospitalization for takotsubo cardiomyopathy in the united states. American Heart Journal, 172 doi:10.1016/j.ahj.2015.10.022

Lyon, A. R., Bossone, E., Schneider, B., Sechtem, U., Citro, R., Underwood, S. R., . . . Omerovic, E. (2016). Current state of knowledge on takotsubo syndrome: A position statement from the taskforce on takotsubo syndrome of the heart failure association of the european society of cardiology doi:10.1002/ejhf.424

Migliore, F., Zorzi, A., Perazzolo Marra, M., Iliceto, S., & Corrado, D. (2015). Myocardial edema as a substrate of electrocardiographic abnormalities and life-threatening arrhythmias in reversible ventricular dysfunction of takotsubo cardiomyopathy: Imaging evidence, presumed mechanisms, and implications for therapy. Heart Rhythm, 12(8) doi:10.1016/j.hrthm.2015.04.041

Santoro, F., Ieva, R., Ferraretti, A., Ienco, V., Carpagnano, G., Lodispoto, M., . . . Brunetti, N. D. (2013). Safety and feasibility of levosimendan administration in takotsubo cardiomyopathy: A case series. Cardiovascular Therapeutics, 31(6) doi:10.1111/1755-5922.12047

Sato, H., Tateishi, H., Uchida, T., Dote, K., Ishihara, M., Kodama, K., … & Hori, M. (1990). Clinical aspect of myocardial injury: from ischemia to heart failure. Kagaku Hyoronsha, 2, 55-64.

Sattler, K., El-Battrawy, I., Lang, S., Zhou, X., Schramm, K., Tülümen, E., . . . Akin, I. (2017). Prevalence of cancer in takotsubo cardiomyopathy: Short and long-term outcome. International Journal of Cardiology, 238 doi:10.1016/j.ijcard.2017.02.093

Singh, K., Carson, K., Shah, R., Sawhney, G., Singh, B., Parsaik, A., . . . Horowitz, J. (2014). Meta-analysis of clinical correlates of acute mortality in takotsubo cardiomyopathy doi:10.1016/j.amjcard.2014.01.419

Templin, C., Ghadri, J. R., Diekmann, J., Napp, L. C., Bataiosu, D. R., Jaguszewski, M., . . . Lüscher, T. F. (2015). Clinical features and outcomes of takotsubo (stress) cardiomyopathy. New England Journal of Medicine, 373(10) doi:10.1056/nejmoa1406761

Wittstein, I. S., Thiemann, D. R., Lima, J. A. C., Baughman, K. L., Schulman, S. P., Gerstenblith, G., . . . Champion, H. C. (2005). Neurohumoral features of myocardial stunning due to sudden emotional stress. New England Journal of Medicine, 352(6) doi:10.1056/nejmoa043046

Inés Hernández Daganzo

Una taza de café (50-190ml) contiene 19-177 mg de cafeína (respectivamente, café instantáneo y café hervido) (1). El consumo de cafeína diario se divide en 3 clases según la dosis (2):

DIGESTIÓN

1. Paraxantina (84 %): incrementa la lipólisis. Si se acumula en el plasma (por exceso de cafeína/consumo repetitivo), disminuye la eliminación de cafeína.
2. Teobromina (12%): vasodilatador, estimula la secreción glandular y la diuresis e incrementa el flujo de oxígeno y nutrientes al cerebro y músculo.
3. Teofilina (4 %): relaja el músculo liso de bronquios (usado en el tratamiento contra el asma) e incrementa la frecuencia cardíaca (aunque su dosis terapéutica es mucho mayor que la cantidad obtenida por el metabolismo de la cafeína).

ACCIÓN

• Antagonismo de adenosina: los receptores de adenosina (A₁R, A_2AR, A_2BR y A₃R) están acoplados a proteínas G y se expresan en múltiples tipos celulares.

• Movilización de calcio intracelular: la cafeína puede inducir tanto la liberación de calcio del retículo sarcoplásmico como inhibir su recaptación. La unión de la cafeína con el receptor 1 de rianodina del músculo esquelético, aumenta la liberación de iones de calcio del retículo, provocando efectos ergogénicos durante el entrenamiento de fuerza y resistencia (4). Cabe señalar que una pequeña porción del efecto ergogénico de la cafeína podría estar impulsada por el efecto placebo. Si por ejemplo, un atleta antes de entrenar ingiere una cierta cantidad de cafeína esperando cierto aumento del rendimiento, pero no ocurre, podría tratar de sobrecompensarlo esforzándose más (4).
• Inhibición de fosfodiesterasas: la cafeína es inhibidor competitivo no selectivo de las fosfodiesterasas (enzimas que hidrolizan los enlaces fosfodiéster) y, entre otras cosas (2):

  • Aumenta el AMPc intracelular (interviniendo en la cascada de adrenalina y promoviendo la lipólisis al estimular a la HSL e inhibir a la glucógeno fosforilasa)
  • Activa a la PKA (fosforilación de enzimas del metabolismo de la glucosa y lípidos)

En sujetos que no consumen cafeína, una dosis de 4 mg/Kg incrementa la tasa respiratoria media, por mecanismos varios como: el incremento del flujo sanguíneo pulmonar y gasto cardiaco, relajación del músculo liso bronquial y alveolar, estimulación del centro respiratorio al inhibir a la fosfodiesterasa IV, etc. (1). Dosis de este calibre incrementan la excreción urinaria de iones varios (sodio, calcio, magnesio,…), junto con el volumen de orina. Esta diuresis se asocia al incremento del flujo sanguíneo renal y la filtración glomerular junto con la disminución de la reabsorción tubular de iones de sodio y otros.

Con dosis de cafeína mayores, de 10mg/kg (casi cinco veces más que la media de consumo humano diario), aumenta la utilización de glucosa en la capa del núcleo accumbens, produciendo un aumento metabólico cerebral generalizado que se reflejaría en los efectos secundarios de la alta ingesta de cafeína (1).

EFECTOS

En función de la dosis, los efectos de la cafeína se dividen en dos grandes categorías (1) (2) (3):

1. Bajas-moderadas (50 a 300  mg): estimula la actividad locomotora (mejora el rendimiento físico), mejora la capacidad de concentración, aumentan el estado de alerta y energía y reduce la fatiga y el sueño
2. Altas: induce ansiedad, inquietud, insomnio y taquicardia

Varios estudios comparan los efectos de la cafeína entre hombres y mujeres, informando de que la presencia de estrógenos hace que las mujeres no metabolicen la cafeína tan rápido como los hombres, puesto que ambas moléculas son degradadas por la CYP 1A2, una de las proteínas de la familia de la citocromo P450, implicada en la detoxificación de fármacos, xenobióticos y tóxicos (3) (5). La expresión y actividad de la CYP 1A2 es diferente en mujeres y varía con las fases del ciclo menstrual.

ABSTINENCIA Y TOXICIDAD

ENFERMEDADES RELACIONADAS

BIBLIOGRAFÍA

1. Astrid Nehlig, Are we dependent upon coffee and caffeine? A review on human and animal data, Neuroscience & Biobehavioral Reviews, Volume 23, Issue 4, 1999, Pages 563-576, ISSN 0149-7634. https://doi.org/10.1016/S0149-7634(98)00050-5
2. Cappelletti S, Piacentino D, Sani G, Aromatario M. Caffeine: cognitive and physical performance enhancer or psychoactive drug? Curr Neuropharmacol. 2015 Jan; 13(1):71-88. doi: 10.2174/1570159X13666141210215655. Erratum in: Curr Neuropharmacol. 2015; 13(4):554. Daria, Piacentino [corrected to Piacentino, Daria]. PMID: 26074744; PMCID: PMC4462044.
3. Kolahdouzan M, Hamadeh MJ. The neuroprotective effects of caffeine in neurodegenerative diseases. CNS Neurosci Ther. 2017 Apr; 23(4):272-290. doi: 10.1111/cns.12684. PMID: 28317317; PMCID: PMC6492672.  
4. Grgic J. Effects of Caffeine on Resistance Exercise: A Review of Recent Research. Sports Med. 2021 Nov; 51(11):2281-2298. doi: 10.1007/s40279-021-01521-x. Epub 2021 Jul 22. PMID: 34291426.   
5. Pickering C, Grgic J. Caffeine and Exercise: What Next? Sports Med. 2019 Jul; 49(7):1007-1030. doi: 10.1007/s40279-019-01101-0. PMID: 30977054; PMCID: PMC6548757.  
6. Smith A. Effects of caffeine on human behavior. Food Chem Toxicol. 2002 Sep; 40(9):1243-55. doi: 10.1016/s0278-6915(02)00096-0. PMID: 12204388.
7. Barbara G Phillips-Bute, James D Lane, Caffeine Withdrawal Symptoms Following Brief Caffeine Deprivation, Physiology & Behavior, Volume 63, Issue 1, 1997, Pages 35-39, ISSN 0031-9384. https://doi.org/10.1016/S0031-9384(97)00384-3  

Blanca Fernández, Cristina Exojo y Sergio García, 3º Biología Sanitaria, Universidad de Alcalá (UAH).

Introducción

El ibuprofeno es uno de los medicamentos más tomados hoy en día. Su uso está muy normalizado pero tiene muchas otras funciones además de las que más se conocen por la población.

Desde siempre hemos escuchado que el ibuprofeno solo se debe de tomar si de verdad se necesita, y no tomarlo en exceso, ya que el cuerpo se acostumbraría a esa dosis y la vuelta a la dosis normal no produciría ningún tipo de efecto, pero, ¿es esto realmente cierto?

¿Qué es el ibuprofeno?

Para entrar un poco en contexto, el ibuprofeno es un fármaco antiinflamatorio no esteroideo (AINE’s) que deriva del ácido propiónico.

Su fórmula química es el ácido 2-(4-isobutilfenil) propiónico, es decir, C₁₃H₁₈O₂. Presenta una estructura molecular que se puede ver representada en la figura 1.

Figura 1

Función

El exacto mecanismo de acción del ibuprofeno es desconocido, pero se considera como un inhibidor no selectivo de la ciclooxigenasa. Las ciclooxigenasas son enzimas productoras de prostaglandinas (mediadoras del dolor y de la fiebre) y de tromboxanos (estimuladores de la coagulación de la sangre). 

Hay dos tipos de ciclooxigenasas, por lo que al no ser selectivo, inhibirá indistintamente a ambas. 

• COX-1: desempeña su función en procesos fisiológicos, por lo que su inhibición producirá los efectos secundarios del ibuprofeno (la ulceración gástrica).
• COX-2: participa en los procesos de inflamación, dolor y fiebre. 

Se podría resumir en este esquema:

Tiene 3 funciones principales:

• Antiinflamatoria:  disminuye la síntesis de prostaglandinas implicadas en los procesos de inflamación, y la migración leucocitaria a las áreas inflamadas. 
• Antipirética: las prostaglandinas son las principales mediadoras de la fiebre en el hipotálamo. Es por ello por lo que al inhibir su síntesis, se produce el efecto antipirético.
• Analgésico: actualmente se encuentra en estudio, pero es posible que el efecto analgésico se deba al favorecimiento de la síntesis de cannabinoides endógenos y su acción en los receptores NMDA, por lo que afectaría a la transmisión del dolor en las regiones periféricas y en el sistema nervioso central. 

Prostaglandinas y COX

Las prostaglandinas se forman a partir de la acción de ciclooxigenasas (COX) mediante la oxidación del ácido araquidónico, que a su vez se obtiene gracias a la acción de la fosfolipasa A2 sobre fosfolípidos. Son las encargadas de mantener la homeostasis en diferentes órganos y se relacionan con procesos fisiológicos como el dolor, la inflamación, el sueño y el desarrollo de neoplasias.

El ibuprofeno y antiinflamatorios no esteroides (AINES) interfieren con la acción de las ciclooxigenasas. Encontramos dos isoformas de la COX, ambas muy similares entre sí, con una estructura proteica similar, pero con diferente afinidad por el sustrato. Se encuentran en diferentes lugares del cuerpo; COX1 en el citoplasma o cerca del retículo y COX2 en la membrana del núcleo o en la zona perinuclear.

Además de las diferencias génicas de distribución, regulación, expresión y estructura, ambas enzimas se activan por diferente estímulo, la unión al sustrato es diferente y se acoplan a diferentes fosfolipasas A2.

• La enzima COX-1 es una enzima constitutiva que da lugar a prostanoides como el tromboxano A2, prostaglandina E2 y prostaglandina F2 y regula la protección gastrointestinal, la hemodinámica renal y la función plaquetaria.
• La enzima COX-2 es inducible, aumenta su concentración ante determinadas sustancias en el medio. Aumenta su actividad catalítica y la velocidad de las reacciones que catalizan; esta enzima da lugar a las prostaglandinas que promueven el proceso inflamatorio.

Estructuralmente la COX-1 y la COX-2 son parecidas, pero el sitio de unión para el ácido araquidónico en la COX-2 tiene un canal más amplio en el que pueden entrar AINES más grandes que no entrarían en el canal de la COX-1.

El consumo de antiinflamatorios no esteroides (AINE) como el ibuprofeno es generalizado, se usan por sus propiedades antiinflamatorias, analgésicas y antipiréticas, así como por sus efectos beneficiosos cardiovasculares y anticancerígenos. Su consumo se ve limitado por los efectos secundarios que causa en el sistema gastrointestinal (hiperacidez, dispepsia, úlceras…) y renal (disfunción del glomérulo, retención de sal…) debidos principalmente a la inhibición de COX1.

Teniendo en cuenta sus propiedades, se ha tratado de desarrollar fármacos que inhiban selectivamente la COX-2, consiguiendo así disminuir dichos efectos secundarios, pero no se ha conseguido que sean tan eficaces para combatir la inflamación y la hiperalgesia como los AINE convencionales.

Metabolismo del ibuprofeno

La mejor vía de administración del ibuprofeno es la oral, alcanzará su máxima concentración tras 1-2 horas de la toma y será metabolizado en el hígado y excretado por el riñón.

Según se absorbe, gracias a la actividad de la alfa-metilacil-CoA racemasa, se va a producir una conversión enantiomérica del enantiómero R a su forma más activa, el enantiómero S. Tras esto, en el hígado será metabolizado mediante 2 fases.

Fase 1: se produce la hidroxilación de las cadenas de isobutilo, formando el 3-hidroxi-ibuprofeno. Después tiene lugar la oxidación para formar el 2-carboxi-ibuprofeno. Estas reacciones de oxidación las lleva a cabo diferentes isoformas del citocromo P450, como la CYP 2C9

Fase 2: los metabolitos oxidativos van a  ser conjugados con ácido glucurónico para su excreción. 

La excreción del ibuprofeno se va a dar vía urinaria y biliar. 24 horas tras la última dosis tomada, se va a eliminar el 99% de la dosis administrada, por vía urinaria. Sin embargo, la excreción biliar del fármaco alterado y de los metabolitos activos representa el 1% restante de la dosis administrada.

Posibles problemas y enfermedades

Aunque el ibuprofeno es uno de los medicamentos más utilizados en nuestro día a día, debemos tener en cuenta que también, que su uso excesivo, puede causar efectos adversos.

Entre los problemas tenemos:

-Problemas gastrointestinales: el ibuprofeno produce erosiones y úlceras en la mucosa lesiones del interior del tubo digestivo, provocando erosiones y úlceras.

-Problemas cardiovasculares: estudios confirman que el uso de ibuprofeno en dosis altas, esta asociado a un mayor riesgo de ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares. Sin embargo, el riesgo es similar al observado con otros antiinflamatorios no esteroides (AINE), incluidos el diclofenaco.

-Aumento del riesgo de trombosis arterial: un consumo excesivo de ibuprofeno aumenta significativamente el riesgo de trombosis por coágulos de sangre

-Puede disminuir la producción de testosterona: el consumo excesivo de ibuprofeno puede repercutir en la salud reproductiva del hombre. Según estudios recientes, una dosis de 1.200 miligramos al día de ibuprofeno durante seis semanas, puede alterar la fisiología testicular. 

-Aumento del dolor de cabeza: Hace unos años, ciertos estudios recomendaban restringir el uso de analgésicos, como el ibuprofeno, para aliviar el dolor de cabeza tras detectar que muchas personas pueden sufrir este tipo de dolencia debido a un consumo excesivo de estos medicamentos. En concreto, cuando se usan más de 15 días al mes. 

Personas que padecen asma, alergias ,embarazadas, en periodo de lactancia o con problemas cardiacos deben tener especial precaución con el consumo de estos medicamentos.

Hay dosis de 600mg y 400mg, pero para evitar problemas en adultos la dosis es de 400mg cada seis u ocho horas, sin llegar a superar los 2.400 miligramos al día (para evitar en mayor medida los posibles efectos secundarios). A partir de los 12 años pueden usar la misma dosis (400mg) pero sin superar los 1.200 mg diarios.

Estudios e investigaciones

Estudios realizados sobre el ictus isquémico

Anthony P. Kent, de la Yale New Haven Health, de Bridgeport (Connecticut, Estados Unidos), publicó un estudio en el Journal of the American College of Cardiology. 18.000 pacientes participaron en el estudio, de los cuales se tomó una subpoblación de unas 2.200 personas.

Estos participantes tuvieron tasas significativamente mayores de sangrado (5,4% frente a 3,2%), el riesgo de ictus isquémico fue significativamente más elevado, mientras que el ictus hemorrágico fue similar.

Investigación realizada sobre la fertilidad en hombres

En enero de 2018, se realizó una investigación por el Instituto de la Salud y de la Investigación Médica (Inserm) de Francia, concluía que si el ibuprofeno se toma en dosis importantes y durante una periodo prolongado, puede reducir la fertilidad de los hombres.

La muestra del estudio fue de 31 jóvenes deportistas de 18 a 35 años. Tras la toma de ibuprofeno de estos pacientes, se elevaron muchos los niveles de la hormona hipofisaria, que tiene un papel clave en el control de la producción de testosterona. Por lo que se observó que tomar dosis de 1.200mg de ibuprofeno al día durante 6 semanas causa en los hombres efectos endocrinos severos que conducen a hipogonadismo compensado, asociado a riesgos para la salud reproductiva.

Conclusión

Hoy en día no está demostrado que consumir una dosis elevada de ibuprofeno (dentro de los niveles normales) impida poder volver a dosis más bajas en un futuro y que el medicamento pueda producir el efecto esperado.

Es importante nunca consumir dosis mayores de las recomendadas ya que esto podría producir serios problemas de salud.

Bibliografía: 

1. Meneses, L., Pilaquinga, M. F., & Cuesta, S. Modelamiento molecular de la interacción de ibuprofeno con las enzimas Ciclooxigenasa 1, 2 y el Citocromo P450 2C9. Revista Ecuatoriana de Medicina y Ciencias Biológicas, 35(1-2), 21-29. 2014.

2.   Saracco, M. S. INTOXICACIONES POR IBUPROFENO. Centro de Información y Asesoramiento Toxicológico, Departamento de toxicología, Ministerio de salud, Gobierno de Mendoza. (s. f). Disponible en : https://www.mendoza.gov.ar/salud/wp-content/uploads/sites/16/2014/10/Recomendaciones-para-Intoxicaciones-por-Ibuprofeno.pdf

3.  Ibuprofen: Uses, Interactions, Mechanism of Action | DrugBank Online [Internet]. 2005. Disponible en: https://go.drugbank.com/drugs/DB01050 

4. Clària J. Los nuevos antiinflamatorios. Medicina Integral [Internet]. 2001. Disponible en: https://www.elsevier.es/es-revista-medicina-integral-63-articulo-los-nuevos-antiinflamatorios-13018802

5. García Meijide JA, Gómez-Reino Carnota JJ. Fisiopatología de la ciclooxigenasa-1 y ciclooxigenasa-2. Revista Española de Reumatología [Internet]. 2000. Disponible en: https://www.elsevier.es/es-revista-revista-espanola-reumatologia-29-articulo-fisiopatologia-ciclooxigenasa-1-ciclooxigenasa-2-8546

6. Chavarrías Marta. Problemas sobre el uso de ibuprofeno y otro antiiflamatorios. El Diario [Internet]. 28 Febrero 2022. Disponible en: https://www.eldiario.es/consumoclaro/cuidarse/riesgos-abusar-ibuprofeno-antiinflamatorios_1_8789209.html

7. Crece la alarma por los efectos secundarios del ibuprofeno. Redacción médica [Internet]. 8 Septiembre 2018. Disponible en: https://www.redaccionmedica.com/la-revista/historias/se-acumulan-los-efectos-nocivos-del-ibuprofeno-8524

Andrea Blázquez Arenas, María Chirivì Ramos

Vivir en un mundo sin dolor. ¿Suena bien verdad? No sentir dolor al quemarse, caerse o cortarse al cocinar…podríamos suponer que son todo ventajas. Al fin y al cabo a nadie le gusta sufrir, pero… ¿Cómo sabríamos cuándo ir al medico por una apendicitis o por un hueso roto?

Todo esto lo viven las personas con insensibilidad congénita al dolor (CIP), una enfermedad que afecta al sistema nervioso periférico que, aunque es poco común, sus consecuencias pueden ser mortales, debido a que estas personas no son conscientes de enfermedades que puedan padecer, ya que muchas se manifiestan a través del dolor.

¿CÓMO SABER SI UNA PERSONA PRESENTA CIP?

Las personas con CIP suelen presentar una serie de síntomas generales: (1) (2)

• La principal característica es la incapacidad para sentir dolor. Aunque estas personas pueden distinguir las variaciones en la temperatura, no son conscientes de si se están quemando, lo que hace que sea bastante común que presenten quemaduras. 
• Al no ser conscientes del dolor, suelen presentar moretones, heridas (muchas de estas en la boca por morderse sin darse cuenta o en las manos por automutilación de parte de los dedos),  e incluso huesos rotos u otras patologías que pueden pasar inadvertidas. 
• Muchas personas pueden manifestar anosmia (pérdida de olfato).

¿POR QUÉ SE PRODUCE CIP?

CIP se produce por una alteración de determinados nociceptores. ¿Pero qué son los nociceptores? Estas son las neuronas especializadas en percibir la sensación de dolor cuando se produce un daño tisular. 

Hay diferentes mutaciones de genes implicados en el CIP, pudiendo clasificarlos en:

1. Genes CIP implicados en el desarrollo de los nociceptores, entre los que destacan:

• Receptor neurotrófico de tirosina quinasa 1 (NTRK1)
• Factor de crecimiento nervioso (NGF)
• Proteína 12 con dedos de zinc de dominio PR (PRDM12)

2. Genes CIP que producen fallos en los nociceptores (no reconocen el daño tisular) entre los que destacan:

• SCN9A 
• SCN11A

Las mutaciones que más se suelen dar afectan a los genes SCN9A, NTRK1 y PRDM12.

Esquema de un nociceptor en el que se muestra la ubicación subcelular de las proteínas implicadas en CIP. Imagen tomada de Drissi, I., Woods, W. A., & Woods, C. G. (2020). Understanding the genetic basis of congenital insensitivity to pain. British Medical Bulletin.

GEN SCN9A

SCN9A es el gen que codifica parte del canal de sodio dependiente de voltaje Nav1.7, el cual está altamente expresado en todo tipo de nociceptores, además de estar presente en las neuronas olfatorias sensitivas. (3)

Las mutaciones en SCN9A causan tanto un dolor excesivo (autosómico dominante) como una ausencia de dolor (autosómico recesivo). En el caso de que se dé una mutación en el gen SCN9A que haga que no se formen los canales de sodio Nav 1.7, se afectaría a la transmisión de las señales de dolor desde la zona de la lesión al cerebro, dando lugar a la insensibilidad al dolor. La pérdida de este canal en las neuronas sensoriales olfativas afectaría la transmisión de señales relacionadas con el olor al cerebro, dando lugar a una pérdida de olfato (anosmia). Todo esto hace que SCN9A sea considerado un elemento esencial en la detección del dolor. (1) (3)

(A) Se representa diversas mutaciones en diferentes exones en SCN9A que dan lugar a CIP. (B) Representación del canal de sodio dependiente de voltaje Nav1.7, codificado por SCN9A y la ubicación de las mutaciones que han sido identificadas. Nav1.7 consta de cuatro dominios similares, cada uno formado por seis segmentos transmembrana a-helicoidales (numerados del 1 al 6). Los segmentos transmembrana 5 y 6 recubren los poros, mientras que en el segmento 4 se encuentra el sensor de voltaje (representado con el +). Las flechas rojas indican la ubicación de una mutación sin sentido identificada. La línea de puntos negra correlaciona el cambio de CDS (región codificante de un gen) con el cambio de proteína en SCN9A. Imagen tomada de Xie, X. H., Tang, J. G., Liu, Z. H., Peng, S. J., Yuan, Z. Z., Gu, H., … & Tan, Z. P. (2021). Case Report: Mutant SCN9A Susceptible to Charcot Neuroarthropathy in a Patient With Congenital Insensitivity to Pain. Frontiers in neuroscience, 15.

¿Cómo funciona el canal Nav1.7?

El dolor se produce por daño tisular, el cual puede ser causado, por ejemplo, por presión, acidez, alta temperatura, y los nociceptores se encargan de detectarlos (salvo el daño por radiación). Estos nociceptores van a permitir la entrada de una pequeña cantidad de sodio en su interior. Se supone que Nav1.7 está ubicado en los extremos del nociceptor, integrando señales de daño tisular locales. Si estas señales son suficientes, se produce la apertura de los canales y los iones de sodio fluyen hacia la célula, produciendo una lenta despolarización de la membrana de alrededor de estos canales. Esto puede llevar a que se genere un potencial de acción por la activación de Nav1.8, y desde allí se transmita a la médula espinal. (4)

Síntomas y características

Las personas con SCN9A -CIP no experimentan dolor inflamatorio, agudo y, de forma significativa, dolor neuropático. Sin embargo, la quimioterapia y el dolor óseo por cáncer sí que se da ya que este no depende del SCN9A. Por otro lado, uno de los síntomas más característico comentado anteriormente es la anosmia o pérdida de olfato, debido a que esta mutación afecta a los receptores sensoriales olfativos. (1) (4)

Aunque SCN9A se expresa en los islotes de Langerhans, en las células β (productoras de insulina), la diabetes no se desarrolla ni en SCN9A -CIP humano ni en ratón, por lo que se cree que en estas células Nav1.7 es redundante. (4)

Por otro lado, se ha demostrado en otros estudios, mediante el uso de imágenes de calcio in vivo y registro extracelular, que los ratones knockout para el canal de sodio Nav 1.7 tienen una actividad nociceptiva normal, pero la transmisión de la sinapsis de los nociceptores en la medula espinal se reduce en gran parte por un mecanismo dependiente de opioides (regulación positiva de un sistema opioide endógeno), lo que contribuye a la ausencia de dolor en individuos con CIP. (5) (6)

Se ha comprobado también que la analgesia producida se revierte con la aplicación central (no periférica) de antagonistas opioides. Esto no ocurre en la neuronas sensoriales olfativas, ya que son independientes de los opioides. En humanos con mutación nula de estos canales de sodio se da una analgesia reversible con naloxona (antagonista de opioides). La inhibición de la liberación de neurotransmisores es, por tanto, el principal mecanismo por el que se produce anosmia y pérdida de sensación de dolor en mutantes nulos de Nav 1.7 en humanos y ratones. (6)

En las diferentes graficas se representa la percepción del dolor fásico. Se evaluó la probabilidades de detectar pulsos de calor (percepción del dolor fásico) en un paciente con Nav 1.7 nulo (caso a), además de en tres controles sanos de la misma edad (caso b). En el paciente Nav 1.7 nulo no se detectó ningún estímulo en las condiciones de referencia y salinas. La probabilidad de detectar el estímulo aumentó drásticamente al 80 % de los estímulos detectados durante la infusión de naloxona, alcanzando casi unos niveles de detección similares a los de los controles sanos emparejados. El dolor tónico fue provocado por estímulos láser de 25 s, a la vez que los que los sujetos fueron calificando su intensidad (0 = ninguna sensación, 100 = el peor dolor imaginable). La naloxona mejoró fuertemente las sensaciones de dolor tónico en el paciente sin Nav 1.7 (caso c) a lo largo del tiempo de la estimulación, sin efecto en los sujetos de control (caso d). Imagen tomada de Minett, M. S., Pereira, V., Sikandar, S., Matsuyama, A., Lolignier, S., Kanellopoulos, A. H., … & Wood, J. N. (2015). Endogenous opioids contribute to insensitivity to pain in humans and mice lacking sodium channel Nav1. 7. Nature communications, 6(1), 1-8.

GEN PRDM12

Las enfermedades provocadas por el grupo de genes que causan CIP por falta de desarrollo de los nociceptores se conocen como neuropatías autonómicas y sensoriales hereditarias (HSAN). En este tipo de neuropatías hay una disminución de fibras A-delta y/o C. Estas últimas son fibras sensoriales aferentes que forman parte del sistema nervioso periférico cuya función es detectar estímulos nociceptivos (dolorosos). En el caso de PRDM12 hay una disminución de fibras A-delta pero no de fibras C. (3)

Esta enfermedad por mutación del gen PRDM12 se da en individuos que presentan la mutación bialélica (es una enfermedad autosómica recesiva).

El gen PRDM12 es el gen que codifica para la proteína 12 con dedos de zinc de dominio PR. Este es un regulador transcripcional, es decir, regulan la expresión de otros genes que actúan en la diferenciación de las células indiferenciadas de la cresta neural durante el desarrollo del individuo a una célula precursora de neuronas sensitivas. Regulan la expresión de los genes gracias a su capacidad de modificar la cromatina. (7) PRDM12 presenta un dominio PR (relacionado con el dominio SET, que codifica para la actividad metiltransferasa), 3 dominios de tipo dedo de zinc y una región polialanina en el extremo C-terminal de la proteína. (8)

Ilustración gráfica de las diferentes estructuras que conforman la proteína PRDM12, con la localización de las mutaciones descubiertas que causan CIP. Imagen tomada de Rienzo, M., Di Zazzo, E., Casamassimi, A., Gazzerro, P., Perini, G., Bifulco, M., & Abbondanza, C. (2021). PRDM12 in Health and Diseases. International journal of molecular sciences, 22(21), 12030.

Los dedos de zinc que presenta esta proteína interactúan con una metiltransferasa (enzima que tiene la capacidad de metilar) EHMT2 conocida como G9a. Esta última se encarga de metilar la lisina en posición 9 de la histona H3 durante el periodo de formación de nuevas neuronas (neurogénesis). Se cree que esta metiltransferasa inhibe la proliferación de las células. (7)

La proteína PRDM12 funcional, junto a otros factores proneuronales de neurogenina, es esencial para el desarrollo de nociceptores en los ganglios sensoriales ya que regulan la iniciación y mantenimiento de NTRK1. Este último es el gen que codifica para el receptor de tirosina quinasa neurotrófica (TRKA), el cual interactúa con su ligando, el factor de crecimiento nervioso (NGF), factor necesario para la diferenciación y la supervivencia de los nociceptores. (9)

(A) Ilustración gráfica de las diferentes estructuras que conforman la proteína PRDM12. (B) Mecanismo de acción de cómo PRDM12 se une a la metiltransferasa G9a para metilar la lisina 9 de la histona 3 (H3K9) para controlar la transcripción de genes esenciales para el desarrollo y supervivencia de la neurona nociceptora (NTRK1 y TRPV1 entre otros). (C) Implicación de PRDM12 en diferentes funciones, según los síntomas observados por mutación de este. Imagen tomada de Imhof, S., Kokotović, T., & Nagy, V. (2020). PRDM12: new opportunity in pain research. Trends in Molecular Medicine, 26(10), 895-897.

Aquellos individuos que presentan una mutación en PRDM12 (estas se pueden dar en diferentes partes de la proteína) pueden provocar la pérdida de la función de la proteína por un mal plegamiento de esta, así como la agregación de estas entre sí impidiendo que lleven a cabo su función epigenética. De esta forma no pueden interaccionar con otras proteínas e inhiben la desmetilación de la H3. Es así como no se puede dar la señalización aguas abajo controlada por PRDM12. (10) Las células que en condiciones normales se diferenciarían a nociceptores, llevan a cabo la apoptosis. (9)

Se cree que PRDM12 no se une directamente al ADN, sino que se une mediante otros factores de transcripción que a día de hoy se desconocen. El mecanismo de acción de esta proteína aún no está claro y se debe investigar más para sacar conclusiones.

Síntomas y características

Las personas que padecen esta enfermedad suelen presentar una insensibilidad al dolor no global, infecciones por Staphylococcus aureus (se ha visto que algunos individuos presenta una inmunidad reducida frente a este microrganismo, lo que provoca a la aparición de infecciones recurrentes), no suelen presentar reflejo corneal y una producción de lagrimas alterada y dificultades con la regulación de la temperatura. En este caso los individuos suelen presentar un intelecto normal. (2)

PRDM12 es esencial sobre todo en la etapa de desarrollo temprano del individuo pero se sigue expresando en los nociceptores de individuos adultos. En caso de que su expresión en adultos sea importante para el mantenimiento de la función de los nociceptores y siga actuando como factor de transcripción, podría ser una interesante diana analgésica para tratar el dolor crónico. (3)

GEN NTRK1 (TRKA)

La patología producida por la mutación del gen NTRK1 fue la primera identificada de todas las CIP, siendo además la más común. (11)

Las mutaciones (de tipo bialélica – enfermedad autosómica recesiva)  en el gen NTRK1 producen una CIPA caracterizada por insensibilidad al dolor, discapacidad intelectual, una mayor predisposición para contraer infecciones por Staphylococcus aureus y anhidrosis (incapacidad de sudar). A causa de la anhidrosis, se da una mayor predisposición de adquirir fiebre recurrente, siendo este un signo inicial de NTRK-CIPA. Sin embargo, la vibración y posición, además del sentido del tacto, no se ven afectados. (11) (12)

El gen NTRK1 codifica para el receptor de tirosina quinasa (TRKA) para el factor de crecimiento nervioso (NGF), el cual induce el desarrollo de axones y dendritas, además de promover la supervivencia de las neuronas sensoriales y simpáticas embrionarias. En estudios realizados con ratones que carecen del gen NTRK1 presentan características clínicas muy similares a las de CIPA (aunque la anhidrosis no es evidente). (13)

El sistema NGF-TRKA tiene un papel esencial en el desarrollo y la función de los nociceptores, así como en la termorregulación mediante la sudoración en humanos. (13)

Ilustración gráfica de la interacción y función de TRKA-NGF. Imagen tomada de Desiderio, S., Vermeiren, S., Van Campenhout, C., Kricha, S., Malki, E., Richts, S., … & Bellefroid, E. J. (2019). Prdm12 directs nociceptive sensory neuron development by regulating the expression of the NGF receptor TrkA. Cell Reports, 26(13), 3522-3536.

Bibliografía:

1. NIH-GARD. (2018, March 9). Insensibilidad congénita al dolor. Retrieved from https://rarediseases.info.nih.gov/espanol/12147/insensibilidad-congenita-al-dolor
2. Schon, K. R., Parker, A. P. J., & Woods, C. G. (2020). Congenital insensitivity to pain overview.
3. Drissi, I., Woods, W. A., & Woods, C. G. (2020). Understanding the genetic basis of congenital insensitivity to pain. British Medical Bulletin.
4. Nahorski, M. S., Chen, Y. C., & Woods, C. G. (2015). New Mendelian disorders of painlessness. Trends in neurosciences, 38(11), 712-724.
5. Minett, M. S., Pereira, V., Sikandar, S., Matsuyama, A., Lolignier, S., Kanellopoulos, A. H., … & Wood, J. N. (2015). Endogenous opioids contribute to insensitivity to pain in humans and mice lacking sodium channel Nav1. 7. Nature communications, 6(1), 1-8.
6. MacDonald, D. I., Sikandar, S., Weiss, J., Pyrski, M., Luiz, A. P., Millet, Q., … & Wood, J. N. (2021). A central mechanism of analgesia in mice and humans lacking the sodium channel NaV1. 7. Neuron, 109(9), 1497-1512.
7. Elsana, B., Imtirat, A., Yagev, R., Gradstein, L., Majdalani, P., Iny, O., … & Tsumi, E. (2022). Ocular manifestations among patients with congenital insensitivity to pain due to variants in PRDM12 and SCN9A genes. American Journal of Medical Genetics Part A, 188(12), 3463-3468.
8. Rienzo, M., Di Zazzo, E., Casamassimi, A., Gazzerro, P., Perini, G., Bifulco, M., & Abbondanza, C. (2021). PRDM12 in Health and Diseases. International journal of molecular sciences, 22(21), 12030.
9. Desiderio, S., Vermeiren, S., Van Campenhout, C., Kricha, S., Malki, E., Richts, S., … & Bellefroid, E. J. (2019). Prdm12 directs nociceptive sensory neuron development by regulating the expression of the NGF receptor TrkA. Cell Reports, 26(13), 3522-3536.
10. Imhof, S., Kokotović, T., & Nagy, V. (2020). PRDM12: new opportunity in pain research. Trends in Molecular Medicine, 26(10), 895-897.
11. Li, S., Hu, H. Y., Xu, J. J., Feng, Z. K., Sun, Y. Q., Chen, X., … & Zhang, D. L. (2021). Identification of novel variations in the NTRK1 gene causing congenital insensitivity to pain with anhidrosis. Molecular Genetics & Genomic Medicine, 9(11), e1839.
12. Indo, Y. (2020). NTRK1 congenital insensitivity to pain with anhidrosis.
13. Indo, Y., Tsuruta, M., Hayashida, Y., Karim, M. A., Ohta, K., Kawano, T., … & Matsuda, I. (1996). Mutations in the TRKA/NGF receptor gene in patients with congenital insensitivity to pain with anhidrosis. Nature genetics, 13(4), 485-488.

Realizado por Ana Jiménez y Cristina Iruela – 3º de Biología Sanitaria, UAH

Los G-cuadruplexos son unas estructuras químicas que llevan años en el punto de mira por su característica estructra y localización. Cada vez se apuesta más por ellos como terapia frente al cáncer dada su interacción con estrucutras y moléculas íntimamente relacionadas con la enfermedad. A continuación se expondrá una breve revisión sobre el tema.

Estructura y función de los ADN-G cuadruplexos

Las secuencias de ADN ricas en guanina pueden plegarse en estructuras secundarias no canónicas de cuatro cadenas denominadas G-cuadruplexos (G4). Estas estructuras secundarias se forman tanto en el ADN como en el ARN. Consiste en 4 guaninas unidas por puentes de hidrógeno de tipo Hoogsteen, en los que cada guanina puede actuar como donante y aceptor de dos puentes de hidrógeno formando una estructura plana denominada tétrada G [1]. 

Dos o más tétradas G se pueden apilar una encima de otra para formar un G-cuadruplexo, siendo esta su unidad estructural. Esta se forman conectando 4 guaninas a través de 8 puentes de hidrógeno. En la tétrada G, se forman dos de estos puentes que emparejan guaninas adyacentes, en los que están involucrados los nitrógenos número 1,7, 2 y el oxígeno 6 de cada nucleótido de guanina [2].

Además, es necesaria la presencia de un catión metálico (Na+, K+) para estabilizar la estructura [3].

En el ARN, los G4 formados en la región 5’UTR del ARNm inhiben la traducción dependiente de cap y mejoran la traducción independiente de caperuza mediada por IRES. También influyen en otros mecanismos moleculares que tienen lugar en el ARN, como el empalme, cambios en el marco de lectura, localización del ARNm o la maduración de los miARN [3].

En base a experimentos in vitro, se predijo que los G-cuadruplexos se forman en regiones que albergan un motivo G4 específico. Sin embargo, estudios actuales muestran que también pueden formarse dentro de regiones con bucles formados por 3 o más guaninas por repetición, así como en regiones que no siguen este motivo G4 estricto [1].

No se distribuyen al azar en todo el genoma, sino que abundan en ciertas regiones, como promotores, telómeros, sitios de unión de factores de transcripción u orígenes de replicación. La estabilidad de esta estructura depende, entre otros factores, del número de guaninas por repetición y de la longitud de los bucles [1].

La relevancia fisiológica de estas estructuras se debe a la existencia de proteínas que pueden unirse a ellas o desplegarlas. Existen 3 clases de proteínas que interactúan con los G-cuadruplexos descritas en la literatura: proteínas de unión a G-cuadruplexos, estabilizadoras de G-cuadruplexos y desarrolladoras de G-cuadruplexos (como helicasas). Se ha descrito qué mutaciones y/o delecciones en estas proteínas conducen a cambios en la formación de estas estructuras. Lo que, a su vez, puede dar lugar a cambios en las vías biológicas (cambios transcripcionales) y aumentar la inestabilidad del genoma [1].

La formación transitoria de G4 en condiciones termodinámicamente favorables tiene funciones reguladoras importantes dictadas por su ubicación en el genoma [3]. Entre ellas se encuentran la regulación de la transcripción, traducción, replicación del ADN y localización del ARN [4]. Destaca la función de los G-cuadruplexos en relación a la inhibición de la actividad de la telomerasa [3].

Relación con los telómeros + telomerasa + cáncer

Como ya se ha mencionado, los telómeros son un ejemplo de la presencia de G4 cuadruplexos en el genoma de los vertebrados, basándose en la secuencia consenso: (5’-TTAGGG-3’) [5] que evidencia la presencia repetitiva de las guaninas (dicha secuencia es específica para los mamíferos y cambia según la especie de los mismos).

Para comprender la importancia de los telómeros, es clave entender la estructura de los mismos, cuya formación es una respuesta evolutiva al problema encontrado en los extremos 3’ cuando la maquinaria de replicación de nuestras células no puede rellenar el hueco al no tener un extremo 5’ anterior que le sirva de molde para la síntesis de la nueva cadena. Esto tiene como resultado la formación de un T-loop y un D-loop originados por la invasión de un extremo 3’ que sobresalía respecto al extremo 5’ complementario [6]. Además, se encontrará el complejo de Shelterina, el cual poseerá diferentes proteínas que regularán la actividad de la telomerasa, enzima encargada de la elongación de los telómeros por medio de la adición de unidades (TTAGGG).

Esta respuesta evita la pérdida de información en cada ronda de replicación y evitan que la célula reconozca esta región sobrante como un daño en el ADN y lo elimine. De todas maneras, estos telómeros se irán acortando igualmente con el tiempo: acortamiento telomérico de Hayflick, resultando en un punto crítico de longitud activando la llamada senescencia replicativa, siendo este proceso la base del envejecimiento celular que resulta en poner fin a su división [7]. La regulación de dicha senescencia es clave para el organismo para evitar su envejecimiento y como supresor de tumores [8].

Los G4 tienen un papel de represión de determinados genes en células sanas impidiendo la entrada de la maquinaria necesaria para la replicación y transcripción. En células sanas, estos evitan la expresión de oncogenes como: MYC, sufriendo así un proceso de regulación negativa [5].

Lo que ocurre en enfermedades como el cáncer es que el acortamiento de los telómeros se evita hasta tal punto que las células se inmortalizan y escapan al proceso de muerte celular. La base patológica de esto es la activación de la telomerasa la cual está además sobre expresada en los tejidos cancerosos [9], cuya activación será siempre el reflejo de una respuesta anómala. Los G4 presentes en los telómeros de sus células no tendrán la misma eficacia que en las células sanas, puesto que la telomerasa se introduce y favorece la elongación de dicho telómero. Este suceso tendrá como consecuencia el desarrollo del fenotipo inmortal que adoptarán las células del tejido afectado y que se volverán cancerosas [5]. Es importante destacar que la alteración de la unión de los G4 con la telomerasa se ha observado tanto in vivo como in vitro [1]. 

Cabe mencionar las regiones TERRA, región telomérica de RNA no codificante [5]. Esta, es el transcrito resultante del telómero llevado a cabo por la enzima RNA polimerasa II la cual puede aparecer como ARN nucleoplásmico libre o en forma de un nuevo loop en la estructura de los telómeros: R-loop (correspondiente a un híbrido entre ADN y ARN) [8]. 

Cuando el telómero se acorta hasta dicho punto crítico anteriormente mencionado, este R-loop se asocia con el resto de TERRA promoviendo la reparación dirigida por homología (denominada HDR-mediated). Este proceso va a permitir la recombinación del telómero con su propia secuencia perpetuando así su vida celular y evitando la senescencia prematura. Además, este mismo mecanismo será utilizado por algunas células cancerosas para la elongación de los telómeros en caso de no poseer telomerasa funcionando como mecanismo de alargamiento alternativo, siendo la base de los tumores ALT [8].

Paradójicamente, algunos estudios han dado evidencia de la longitud reducida de los telómeros de las células cancerígenas respecto a las células de tejidos libres de cáncer, así como un aumento del número de los G4 en las mismas [5][9]. Para esto se siguen formulando diferentes hipótesis.

Otras utilidades bioquímicas

Además de la función anteriormente mencionada, se han estudiado cada vez más aplicaciones:

• Son utilizados como sondas, solas o en complejo con hemina, una estructura de porfirina que contiene hierro para detectar la presencia de diferentes ligandos [10].

• También como transportadores, gracias a su capacidad para secuestrar ligandos, actuando como agentes de administración de fármacos [10].

• En los últimos años, se ha extendido su uso como fármacos, en concreto como aptámeros (ácidos nucleicos de cadena sencilla aislados de genotecas de oligonucleótidos por selección in vitro), interactuando con biomoléculas, como proteínas e interfiriendo con sus funciones [10].

• O como dianas farmacológicas explotando su capacidad para interactuar con ligandos específicos, lo que puede alterar funciones importantes si el G-cuadruplexo se encuentra en regiones esenciales en el genoma del virus o de la célula huésped [10]. 

Telomestatina

En múltiples estudios, se ha propuesto que las mejores dianas farmacológicas serían aquellas que solo se expresasen en las células cancerosas o aquellas que fuesen esenciales para mantener el fenotipo maligno de las mismas. La telomerasa, es una diana clave [6][7][9].

Se trata de un producto natural aislado de Streptomyces anulatus que es un ligando de los G4 teniendo una afinidad muy alta por la secuencia concreta de los telómeros: (5’-TTAGGG-3’). Al interaccionar, inhibe de manera eficaz la actuación de la telomerasa, por lo que se detiene la elongación de los telómeros de las células cancerígenas y como consecuencia suprime su proliferación. Esta actividad anticancerígena provoca que algunos de los factores claves encontrados en el complejo de Shelterina del telómero, como TRF2 y POT1, se liberen de dicho telómero, evitando así que lleven a cabo su función de retrasar la senescencia [6]. 

Además, la telomestatina es un ligando que tiene una mayor afinidad por los G4 intramoleculares, tanto si han sido formados a partir de un ADN telomérico dúplex, como de uno monocatenario, teniendo la función anteriormente mencionada. Esto supone una ventaja frente a otros compuestos como TMPyP4, el cual posee afinidad por los G4 intermoleculares y teniendo un efecto totalmente diferente el cual no se ha observado en la telomestatina: formación de puentes de anafase en erizos de mar [6]. 

A pesar de sus ventajas estabilizado los G4 cuadruplexos, arrastra algunas características que resultan contraproducentes así como sus solubilidad o inestabilidad, por lo que se empezaron a utilizar algunos compuestos análogos sintéticos [5].

Búsqueda de otros fármacos

En definitiva, la existencia de análogos sintéticos de G4s es lo que ha permitido contemplar una nueva forma de terapia para el cáncer [5][11], dado que reprime el correcto funcionamiento de las células cancerosas, llegando a conseguir la destrucción de la misma; así como análogos de la telomestatina [11], aunque estas terapias siguen en constante estudio y desarrollo. 

El silvestrol es un compuesto obtenido de la corteza de los árboles de la familia flavaglina cuya estructura permite inhibir el factor de transcripción: eIF4A, tratándose de una análogo sintético. El factor posee una actividad helicasa clave para el proceso fisiológico de la transcripción al permitir deshacer las estructuras secundarias que pueden aparecer en la cadena de ADN y que impedirían la continuación del proceso. Al mismo tiempo tiene un papel clave en la carcinogénesis al facilitar la leucemia linfoblástica aguda de las células T al promover la transcripción de oncogenes como MYC, CDK6 o MDM2 al desenrollar los G4 de la región 5’ UTR de sus mRNAs. Este compuesto lo que hará, será inhibir al eIF4A [5], interfiriendo indirectamente en el mantenimiento de la estructura de los ADN G cuadruplexos.

Otro análogo que también afecta al gen MYC es: TMPyP4, anteriormente mencionado. Este se basa en la represión de proto-oncogenes de dicho gen por medio de la estabilización de los G4 cuadruplexos [5].

Los análogos “pirodistatina” y CX-3542 provocan daño en células cancerosas también. El primero, induce la formación de un nuevo loop en la estructura del telómero: “R-loop”, siendo un híbrido de DNA y RNA transcrito causando un daño en el ADN canceroso. El segundo causa daño y muerte celular con mayor eficacia en 2 tipos celulares cancerosos concretamente: células ATRX deficientes y células BRCA1/2 deficientes [5].

En relación a la función de estas estructuras como fármacos, existen secuencias cortas en los ácidos nucleicos derivadas del motivo hexanucleotido TGGGAG, denominadas “secuencias de Hotoda” que son potentes inhibidores anti-VIH. Estas secuencias cortas también se encuentran activas en otros virus como en los que aparecen secuencias de 6 nucleótidos con la siguiente estructura GGGGGT, la cual, da lugar a G-cuadruplexos. Este se une al dominio C-terminal de la proteasa del virus de la hepatitis A y es un fuerte inhibidor de la proteasa 3C de este virus [10]. Al inhibirla, impide que el virus descomponga sus proteínas para poder multiplicarse. Por lo tanto, deja de propagarse.

Un argumento notable es que estas secuencias cortas son demasiado cortas para ser específicas. Además, pueden actuar sobre otros componentes celulares del huésped, que se unen a estructuras secundarias de ADN no canónicas [10].

Otro fármaco que ha resultado ser un potente inhibidor de la telomerasa es RHPS4, tratándose de un mutante de la subunidad de la telomerasa denominada hTERT. La expresión de dicha subunidad mutante ha dado evidencias de inhibir el proceso de la telomerasa al unirse y competir por el sitio de unión. Tras estudiar su efecto en células tumorales, se concluyó que la línea celular MCF-7 de las células pertenecientes al cáncer de mama sufren una detención del crecimiento similar a la senescencia [7].

Referencias consultadas

1. Kosiol, N., Juranek, S., Brossart, P., Heine, A., & Paeschke, K. (2021). G-quadruplexes: a promising target for cancer therapy. Molecular cancer, 20(1), 40. https://doi.org/10.1186/s12943-021-01328-4
2. Yuan, W. F., Wan, L. Y., Peng, H., Zhong, Y. M., Cai, W. L., Zhang, Y. Q., Ai, W. B., & Wu, J. F. (2020). The influencing factors and functions of DNA G-quadruplexes. Cell biochemistry and function, 38(5), 524–532. https://doi.org/10.1002/cbf.3505
3. Saranathan, N., & Vivekanandan, P. (2019). G-Quadruplexes: More Than Just a Kink in Microbial Genomes. Trends in microbiology, 27(2), 148–163. https://doi.org/10.1016/j.tim.2018.08.011
4. Kolesnikova, S., & Curtis, E. A. (2019). Structure and Function of Multimeric G-Quadruplexes. Molecules (Basel, Switzerland), 24(17), 3074. https://doi.org/10.3390/molecules24173074
5. Nakanishi, C., & Seimiya, H. (2020). G-quadruplex in cancer biology and drug discovery. Biochemical and biophysical research communications, 531(1), 45–50. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2020.03.178
6. Kim, M. Y., Gleason-Guzman, M., Izbicka, E., Nishioka, D., & Hurley, L. H. (2003). The different biological effects of telomestatin and TMPyP4 can be attributed to their selectivity for interaction with intramolecular or intermolecular G-quadruplex structures. Cancer research, 63(12), 3247–3256. 
7. Cookson, J. C., Dai, F., Smith, V., Heald, R. A., Laughton, C. A., Stevens, M. F., & Burger, A. M. (2005). Pharmacodynamics of the G-quadruplex-stabilizing telomerase inhibitor 3,11-difluoro-6,8,13-trimethyl-8H-quino[4,3,2-kl]acridinium methosulfate (RHPS4) in vitro: activity in human tumor cells correlates with telomere length and can be enhanced, or antagonized, with cytotoxic agents. Molecular pharmacology, 68(6), 1551–1558. https://doi.org/10.1124/mol.105.013300 
8. Pérez-Martínez, L., Wagner, T., & Luke, B. (2022). Telomere Interacting Proteins and TERRA Regulation. Frontiers in genetics, 13, 872636. https://doi.org/10.3389/fgene.2022.872636 
9. Kelland L. R. (2005). Overcoming the immortality of tumour cells by telomere and telomerase based cancer therapeutics–current status and future prospects. European journal of cancer (Oxford, England : 1990), 41(7), 971–979. https://doi.org/10.1016/j.ejca.2004.11.024 
10. Abiri, A., Lavigne, M., Rezaei, M., Nikzad, S., Zare, P., Mergny, J. L., & Rahimi, H. R. (2021). Unlocking G-Quadruplexes as Antiviral Targets. Pharmacological reviews, 73(3), 897–923. https://doi.org/10.1124/pharmrev.120.000230
11. Teng, F. Y., Jiang, Z. Z., Guo, M., Tan, X. Z., Chen, F., Xi, X. G., & Xu, Y. (2021). G-quadruplex DNA: a novel target for drug design. Cellular and molecular life sciences : CMLS, 78(19-20), 6557–6583. https://doi.org/10.1007/s00018-021-03921-8

Andrea Chiloeches Lasa y Álvaro Criado Expósito, 3º Biología Sanitaria

INTRODUCCIÓN

Las proteínas se pliegan gracias a la asistencia de las denominadas chaperonas moleculares (individuales) y chaperoninas (poliméricas). Estas proteínas actúan como enzimas acelerando el correcto plegamiento y el paso del estado mal plegado al nativo, al disminuir la barrera energética que los separa. También, previenen la agregación y disocian pequeños agregados.

La teoría inicial sobre el plegamiento de proteínas fue propuesta por el químico Christian B. Anfinsen. Tras una serie de experimentos, estableció las bases de la química de proteínas, con el dogma “A cada cadena polipeptídica le corresponde una conformación concreta única y, además, toda la información necesaria para adoptarla está contenida en su secuencia de aminoácidos”.

Esta hipótesis de Anfinsen, actualmente se mantiene valida y vigente, especialmente cuando se aplica al plegamiento de proteínas aisladas. No obstante, es cierta la existencia de excepciones a la regla, que son muy frecuentes en la Biología, en la que la individualidad juega un papel muy importante.

[Figura 1. Experimento de Anfinsen para demostrar el plegamiento de proteínas. La urea desnaturaliza la proteína y el mercaptoetanol reduce los enlaces disulfuro, quedando 8 residuos de cisteina. La renaturalización requiere el restablecimiento de los puentes disulfuro cruzados correctos. Fuente: Lehninger “Principles of Biochemistry”].

La mayoría de las proteínas se pliegan en una única conformación funcional. Sin embargo, algunas lo hacen en más de una estructura para desempeñar diferentes funciones cuando es necesario. Es el caso de las proteínas metamórficas que pueden estar en dos o más plegamientos distintos, reversibles, para desempeñar funciones distintas.

El estudio de las proteínas dimorfas surgió por el descubrimiento de una clase de proteínas que presentaban más de una conformación estable para llevar a cabo funciones diferentes. Así, se observó la ventaja que supone a la célula que una única proteína sea capaz de realizar dos funciones, pues así solo es necesaria la transcripción y traducción de un gen.

Estas proteínas tienen la capacidad de responder a distintas situaciones, alternando rápidamente entre sus plegamientos y es por ello, que han evolucionado como moléculas que maximizan la función idónea en el lugar y momento adecuado.

No obstante, no todo son beneficios. Algunas proteínas metamórficas pueden adquirir conformaciones alternativas, que provocan ciertas enfermedades, en general neurodegenerativas, como el Alzheimer, el Parkinson o la encefalopatía espongiforme transmisible, caracterizadas por la presencia de agregados insolubles, derivados de la degradación de la propia proteína o por las proteínas desordenadas en tejidos.

Actualmente, se conocen unas 90 proteínas metamórficas con más de 30 tipos de funciones biológicas. Para ahondar en el concepto, vamos a hablar de las dos proteínas dimorficas, XCL1 y PrNp.

XCL1

La XCL1, también conocida como linfotactina, la expresan de forma selectiva las células T activadas, en particular CD8+, y es el único miembro de la familia de quimiocinas C que presenta alternancia estructural. Es una proteína que actúa como quimioatrayente para los linfocitos, es decir, que presenta un papel regulador importante en el tráfico de linfocitos y la inflamación. Se ha demostrado que la XCL1 emite señales a través del receptor 1 de quimiocinas XC (XCR1), y se detecta en niveles más altos en el bazo, ya que es un órgano linfoide.

La XCL1 surgió como una proteína corriente, con una única conformación. Sin embargo, tras años de estudio y observación, se descubrió en la evolución de la proteína, que perdió uno de los puentes disulfuro de su conformación nativa, lo que permitió la aparición de un segundo plegamiento alternativo y de nuevas funciones.

La proteína, alterna, más de una vez por segundo, entre una conformación monomérica canónica y un dímero sándwich de láminas beta. La transición de una estructura a otra, se puede ver afectada por factores físicos como cambios de temperatura, de fuerza iónica o la entrada de compañeros de fijación, que alteran el equilibrio que hay entre sus posibles plegamientos.

Las dos funciones que desempeña la proteína:

– Actúa como una quimiocina señalizadora que se fija a receptores de los leucocitos para que combatan las infecciones (en el primer plegamiento).

– Actúa como un análogo de antibiótico, destruyendo las bacterias invasoras (en el segundo plegamiento).

De esta manera, dependiendo de la función que tiene que desempeñar la proteína, se favorece el desplazamiento del equilibrio hacia la conformación idónea. Así, cuando las XCL1 deben llevar a cabo su función destructora, se favorece la conformación que interacciona con las membranas y las permite rodear el patógeno microbiano para eliminarlo. Sin embargo, en otras situaciones y lugares del organismo se facilita con más frecuencia el otro plegamiento, que les permite anclarse a los receptores de los glóbulos blancos para movilizarlos y que sean capaces de combatir infecciones.

En definitiva, el desarrollo de la estructura alternativa de XCL1, potencia su actividad y le proporciona al organismo un control más exhaustivo de las defensas contra microorganismos, acelerando la respuesta inmune ante una infección.

[Figura 2. Equilibrio de las conformaciones de la proteína XCL1. (a) plegamiento monomérico canónico (b) dímero sándwich hoja beta. Fuente: estructuras, obtenidas personalmente del programa UCSF Chimera, con ID: 4HED (PDB) y 2JP1 (PDB)]

PrNp

La segunda proteína metamórfica de la que vamos a hablar es la PrNp o proteína priónica.

La PrNp, es una proteína unida a azúcares que se encuentra espontáneamente en muchos tipos celulares en su forma PrPc. Esta proteína, puede sufrir una modificación en su conformación y plegarse de forma errónea, dando lugar a una isoforma patogénica (PrPsc) causante de enfermedades priónicas neurodegenerativas.

Ambas formas, son codificadas por el mismo gen, PRP, y poseen la misma secuencia, aunque distinta estructura terciaria. Por ello, no es posible que provengan de la maduración del mRNA, pues la secuencia codificante para PrP está contenida en un único exón. Así, se ha propuesto el carácter metamórfico de PrPc y que PrPsc sea un derivado de una modificación post-traduccional. Esto explica que, aunque los niveles de mRNA sean continuos, la isoforma patogénica se acumule en el tejido del animal infectado y evolucione la enfermedad.

La proteína priónica celular (PrPc) es una glicoproteína que suele encontrarse anclada a la membrana plasmática a través de una molécula de GPI (glicosilfosfatidilinositol). Se sitúa en la superficie celular y participa en procesos de transducción de señales, adhesión y reconocimiento celular. Está constituida por una sola cadena peptídica y presenta una estructura secundaria rica en hélices alfa, en una proporción 4:2, respecto a láminas beta.

A diferencia, la proteína priónica scrapie (PrPsc) presenta una estructura secundaria con un 45% de láminas beta y un 30% de hélices alfa. Es la variante de la proteína celular, que además de presentar una estructura diferente, pierde su función. El carácter patogénico de esta proteína reside en la formación de placas amiloides extracelulares, que se almacenan en el tejido cerebral, constituidas por los fragmentos de la proteína una vez ha sido degradada.

Debido al conocimiento del carácter metamórfico y de las distintas estructuras de esta proteína, hoy en día, se avanza en el estudio de su comportamiento y se investiga la posibilidad del replegamiento de la proteína PrP celular en presencia de la proteína priónica scrapie, como una posible cura para la encefalopatía priónica.

[Figura 3. Equilibrio de las conformaciones de la proteína priónica. (a) Proteína priónica celular (PrPc), con una estructura rica en hélices alfa, (b) Proteína priónica scrapie (PrPsc), con una estructura abundante en láminas beta. Fuente: estructuras obtenidas personalmente del programa UCSF Chimera, a partir de PDB con los ID: 1AG2 y  1TPX]

CONCLUSIÓN

Las proteínas metamórficas son moléculas versátiles, que han sido seleccionadas en la evolución por ser capaces de alternar sus plegamientos y regular sus funciones. Son moléculas que nos benefician (ya que desempeñan actividades esenciales para nuestro organismo) pero que también pueden derivar en procesos patológicos, lo que da pie a que se abran nuevas vías de investigación. Estas proteínas nos han permitido conocer la manera o el por qué una enfermedad nos perjudica de una manera determinada, algo que facilita poder encontrar un tratamiento a estas enfermedades.  

REFERENCIAS

1. Algunas proteínas cambian de plegamiento para realizar diferentes funciones. (s. f.). Investigación y Ciencia. https://www.investigacionyciencia.es/noticias/algunas-protenas-cambian-de-plegamiento-para-realizar-diferentes-funciones-19671
2. Dishman, A. F. & Volkman, B. F. (2022). Design and discovery of metamorphic proteins. Current Opinion in Structural Biology, 74, 102380. https://doi.org/10.1016/j.sbi.2022.102380
3. Eghiaian, F., Grosclaude, J., Lesceu, S., Debey, P., Doublet, B., Tréguer, E., Rezaei, H. & Knossow, M. (2004). Insight into the PrP             C             → PrP             Sc             conversion from the structures of antibody-bound ovine prion scrapie-susceptibility variants. Proceedings of the National Academy of Sciences, 101(28), 10254-10259. https://doi.org/10.1073/pnas.0400014101
4. Just a moment. . . (s. f.). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acschembio.5b00542
5. Lymphotactin/XCL1 Mouse ELISA Kit – Invitrogen. (s. f.). https://www.thermofisher.com/elisa/product/Lymphotactin-XCL1-Mouse-ELISA-Kit/EMXCL1X5
6. Perfil, V. T. M. (s. f.). Proteínas metamórficas, camaleónicas, o mejor metamorfas. http://mgclaros.blogspot.com/2021/05/proteinas-metamorficas-camaleonicas-o.html
7. Prion Review: Chapter IV (PrP). (s. f.). http://www.biologia.edu.ar/el_prion/prion4.htm
8. Sarnataro, D., Pepe, A. & Zurzolo, C. (2017). Cell Biology of Prion Protein. Progress in Molecular Biology and Translational Science, 57-82. https://doi.org/10.1016/bs.pmbts.2017.06.018
9. Vila, J. A. (2020). Metamorphic Proteins in Light of Anfinsen’s Dogma. The Journal of Physical Chemistry Letters, 11(13), 4998-4999. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c01414

Por: Aitor Gil Iglesias, Milagros González Flores y Álvaro Mellado Cuesta

1.Introducción

Seguramente todos nosotros hemos leído que el actor Chris Hemsworth, más conocido como Thor en su papel dentro de la saga de Marvel, ha decidido retirarse del cine temporalmente al haber descubierto que tiene muchas posibilidades de desarrollar Alzheimer. Este hallazgo fue conocido por el actor cuando se encontraba rodando el documental “Limitless” para National Geographic al realizarse una prueba genética por la cual trataba de estudiar cómo su físico se vería afectado con el paso de los años. Sin embargo, estos estudios, que en un primer momento trataron de analizar el estado físico del actor, acabaron revelando la posibilidad de desarrollar Alzheimer al presentar dos copias del gen ApoE4 que hace que su riesgo de padecerla sea entre 8 y 10 veces más. Ahora bien, ¿qué es el Alzheimer y por qué es tan importante este gen en su desarrollo?

2.-¿Qué es el Alzheimer?

El Alzheimer (EA) es una enfermedad neurodegenerativa lentamente progresiva que se caracteriza por la pérdida de memoria de manera gradual. En ella también se describen otros síntomas como demencia irreversible y afectación global del resto de las funciones cognitivas (pensar, razonar…) que conllevan a un deterioro progresivo y que afectan al funcionamiento laboral y social.

Cabe destacar que la progresión de la enfermedad a nivel cerebral es la misma en todos los pacientes. Comienza en el neocórtex basal temporal, avanza hacia el hipocampo y se extiende por todo el neocórtex. 

La mayoría de los casos aparecen a partir de los 70 años (“late onset”) , aunque puede haber una aparición temprana en menores de 60 (“early onset”). Afecta a alrededor de 50 millones de personas en el mundo y el principal factor de riesgo es la edad. 

La early onset es autosómica dominante y hereditaria y, aunque la mayoría suceden como consecuencia de mutaciones esporádicas sobre el gen de la apolipoproteína (APOE, cromosoma 19), otros casos se deben a mutaciones en los genes que codifican para la proteína precursora amiloide (APP, cromosoma 21, por ello, las personas con Síndrome de Down, trisomía del 21, son más propensos a desarrollar la enfermedad de Alzheimer), para la presenilina 1 (PSEN1, cromosoma 14) y para la presenilina 2 (PSEN2, cromosoma 1).  

No obstante, algunos otros factores de riesgo que podrían estar implicados son las enfermedades vasculares, infecciones, factores ambientales y lesiones encefálicas.

3.Etiopatología

Bioquímicamente, esta enfermedad se produce como consecuencia de dos elementos neuropatológicos: las placas seniles o placas Aβ y los ovillos neurofibrilares (NFT), esenciales para entender cómo se desarrolla el Alzheimer.

3.1.-¿Qué son las placas seniles?

Estas consisten en acumulaciones extracelulares de la proteína beta-amiloide (Aβ) anómala que en principio no es tóxica pero que se agrega con otras proteínas beta-amiloide anómalas hasta formar oligómeros tóxicos que precipitan y se depositan como placas amiloides insolubles y que son realmente tóxicas.

Su síntesis tiene lugar por medio de la proteína precursora amiloidea (APP) cuyo gen se encuentra localizado en el cromosoma 21. Esta, es una proteína transmembrana que contiene una región amino-terminal extracelular larga y una región carboxilo terminal intracelular más corta que se sintetiza en el retículo endoplasmático, se glicosila en el aparato de Golgi  y por medio de vesículas se inserta en la membrana celular. 

Una vez en la membrana celular, esta proteína puede ser procesada fisiológicamente por medio de dos vías:

1. Vía no amiloidogénica (90% de los casos): por medio de esta vía, la proteína APP es escindida por la enzima α-secretasa en un fragmento extracelular soluble neuroprotector (SAPPα, Soluble APPα) compuesto por 665 aminoácidos. Posteriormente la región no escindida que ha quedado insertada en la membrana, es procesada por la enzima γ-secretasa, quien se encarga de liberar la región C-terminal para posteriormente poder ser degradada. De esta manera, se libera al medio extracelular un péptido de 36-40 aminoácidos denominado P3, que no es neuroprotector, pero tampoco patógeno. El fragmento restante C-terminal se desprende hacia el citosol y se denomina AICD (Amyloid Intracellular Domain), que se degrada enseguida. Este proceso es constitutivo (APP tiene una vida media de 1h) y fundamental para el funcionamiento neuronal.
2. Vía amiloidogénica (10% de los casos): por medio de esta vía, la enzima β-secretasa o BACE libera un fragmento N-terminal de la proteína APP (SAPPβ) que no es neuroprotector. Posteriormente, el péptido que queda en la membrana será procesado por la enzima γ-secretasa dando lugar a diferentes péptidos que presentan diferentes solubilidades: el péptido Aβ (42 aá) y el AICD, que tiene un tiempo de vida mayor, va al núcleo y favorece la transcripción de genes como la propia APP, GSK3 (Ser/Thr kinasa), BACE, NEP (nefrilisina) y LRP1 (lipoprotein receptor-related protein 1).

Los péptidos más comúnmente formados en la vía amiloidogénica son los péptidos Aβ40, los cuales presentan una estructura en forma de hélice alfa que puede ser fácilmente degradada. Sin embargo, en situaciones patológicas predomina la síntesis del péptido Aβ42 y Aβ43, los cuales son mucho más insolubles, tienden a formar láminas β y a interaccionar entre ellos formando fibrillas que pueden acumularse y formar placas extracelulares amiloides insolubles que se diseminarán por otras estructuras como el hipocampo, la amígdala y la corteza cerebral resultando realmente dañinas.

Ahora bien, ¿por qué es tan importante Aβ? 

De manera normal, esta proteína se encarga de modular la transmisión del impulso eléctrico entre las neuronas, por lo que, un mal funcionamiento o no funcionamiento supondría la pérdida de la comunicación neuronal, es decir, una pérdida de sinapsis. Esto se debe a que puede alterar la actividad de quinasas, producir señales de estrés oxidativo, daños mitocondriales e incluso defectos en el transporte axonal que son los que finalmente conducen a una degeneración neuronal. Todo ello es lo que acabaría produciendo en estos pacientes una gran deficiencia cognitiva.

Además, Aβ en bajas concentraciones es quelante de metales, mejora la memoria y el aprendizaje, es antioxidante, interviene en el mantenimiento de la barrera hematoencefálica etc.

Esta acumulación de Aβ anómala en condiciones patológicas, en las que no solo se incluye el Alzheimer, es como consecuencia de las mutaciones en algunos genes como APP, PSEN1 (proteína que se encarga de activar el complejo de la  γ-secretasa) y PSEN2 (poco frecuentes), los cuales, afectan al catabolismo y anabolismo de Aβ y como consecuencia producen una rápida progresión de neurodegeneración. 

Concretamente, dichas mutaciones afectan al procesamiento alternativo de APP, y como consecuencia se generan fundamentalmente proteínas Aβ truncadas, Aβ42 y Aβ43. Estas presentan residuos poco polares que tienden a apilarse en paralelo induciendo a un plegamiento incorrecto de las láminas beta las cuales, son muy insolubles y al no ser reconocidas por los sistemas de degradación acaban precipitando para formar fibrillas amiloides que generan una gran neurotoxicidad.

3.2-¿Qué son los ovillos neurofibrilares (NFT)?

Son lesiones de tipo intracelular formadas por filamentos helicoidales emparejados (PHF) que se producen como consecuencia de la hiperfosforilación de las proteínas Tau y que puede deberse a la aparición de proteínas Aβ, al estrés oxidativo o a mediadores inflamatorios. La formación de estos ovillos producen muerte neuronal por apoptosis.

Estas proteínas se encuentran de manera mayoritaria en neuronas y células de la Glía y son esenciales para promover el ensamblaje de los microtúbulos neuronales así como para mantener la integridad estructural neuronal y por tanto para permitir el crecimiento de los axones y el transporte axonal. Concretamente, la proteína Tau se encarga de facilitar la polimerización de la tubulina para permitir que se formen los microtúbulos.

El gen que codifica para la proteína Tau,  localizado en el gen 17, contiene 16 exones y en el cerebro adulto sufre diferentes tipos de empalme alternativo en los exones 2, 3 y 10 originando finalmente 6 isoformas de Tau. Estas isoformas contienen entre 3-4 repeticiones peptídicas de 31-32 residuos en la región carboxilo terminal que se corresponde con el dominio de unión a los microtúbulos. Así mismo, el estado de fosforilación del gen varía durante el desarrollo y es lo que conduce a un cambio en el empalme del ARN. 

Tau en el embrión aparece fosforilada, pero en adultos está muy poco fosforilada. Se puede fosforilar por más de 80 sitios Ser/Thr y 5 de Tyr, gracias a GSK-3, PKA, la cuales son Ser/Thrk o Fyn (TyrK). En la enfermedad de Alzheimer, está hiperfosforilada.

Además, cuando Tau está fosforilada cambia de localización y, en lugar de localizarse preferentemente en los axones, se dirige hacia las dendritas y se lleva a Fyn secuestrada consigo. Fyn fosforila a receptores de glutamato (Glu) (receptores NMDA sobre todo) lo que producirá una muerte neuronal por sobreexcitación.

De esta manera, y dado la importancia de la fosforilación en este gen, se ha podido observar que en los procesos de neurodegeneración Tau sufre una fosforilación anormal irreversible que impide su función normal y su agregación. Como consecuencia, no puede unirse correctamente a los microtúbulos y todo ello junto con la formación de las fibrillas por su agregación, impiden que la neurona pueda transmitir señales eléctricas. Además todo ello favorece un mal transporte axonal de nutrientes, lo cual contribuye a la degeneración sináptica y a la muerte neuronal.

Además, parece ser que, una vez Tau está fosforilada y ha perdido su estructura, se empieza a transmitir de unas neuronas a otras, induciendo el cambio conformacional patológico en proteínas Tau normales por contacto (como los priones). Gracias a ello, la enfermedad puede propagarse y afectar a diferentes estructuras.

4.-¿Qué es la ApoE?

La ApoE es una proteína de 299 aminoácidos, que está dentro del grupo de las apolipoproteínas, las cuales están implicadas en el metabolismo de los lípidos (forman las lipoproteínas), siendo la ApoE la única que encontramos en el cerebro.

En la ApoE hay varios dominios de unión a destacar, como por ejemplo el de unión a lípidos, al receptor, a heparina o la región bisagra. Todos ellos con gran importancia en las funciones de la ApoE como veremos a continuación.

Sin embargo, el interés reciente hacia la ApoE no es por su papel en el metabolismo de los lípidos, sino por su relación con el péptido Aβ y la proteína Tau, ambos implicados en el inicio y avance de la enfermedad de Alzheimer.

4.1- Relación ApoE – péptido Aβ

La ApoE es sintetizada por astrocitos y la microglía, debido a la alta importancia de los lípidos para el desarrollo y mantenimiento de las neuronas, pero, ¿cuál es su función dentro del metabolismo de lípidos? ¿y que nexo tiene esto con el péptido Aβ y la enfermedad de Alzheimer?

FUNCIÓN DE LA ApoE

La ApoE se encuentra circulando por la matriz extracelular nerviosa, y es ahí dónde se une al colesterol, que proviene del interior de las células nerviosas (sale a través de transportadores de la familia ABC), y ambos forman lipoproteína discoidal. Esta se une a recetores celulares para lipoproteínas (LRP1 principalmente) y entra en las células por endocitosis mediada por receptor. Ya en el interior, esta lipoproteína entra en el metabolismo de los lípidos.

Sin embargo, lo más interesante de esto es que el péptido Aβ es capaz de unirse a la ApoE circulante (a su dominio de unión a heparina concretamente), formando una molécula que es capaz de entrar en las células al igual que la lipoproteína que hemos mencionado antes (endocitosis mediada por LRP1).

Una vez dentro, el endosoma donde está la molécula ApoE-péptido Aβ se fusiona con lisosomas, y esto hace que por aumento del pH y acción de proteasas lisosomales ApoE y el péptido Aβ se separen. El destino de cada uno es bien distinto:

• ApoE queda en una vesícula que se fusionará con la membrana plasmática, permitiendo que salga al exterior y se recicle.
• El péptido Aβ es sustrato para proteasas lisosomales, por lo que acaba siendo degradado.

Pero yendo más allá, lo que más ha despertado el interés científico de todo esto y lo que está relacionado con el caso concreto de Chris Hemsworth son las distintas isoformas de ApoE que aparecen en las poblaciones, cada una de ellas con un papel distinto en la predisposición a sufrir Alzheimer.

4.2- Isoformas de ApoE y su importancia en el Alzheimer

Hay 3 isoformas de la ApoE, las cuales sólo se diferencian en los residuos 112 y 158:

• ApoE2: posee cisteínas (en 112 y 158). Se la considera «protectora» frente a la enfermedad de Alzherimer. Se cree que su eliminación del péptido Aβ es más eficaz.
• ApoE3: posee cisteína (en 112) y arginina (en 158). Es la isoforma mayoritaria en la población y se considera que su papel es neutro frente a la enfermedad de Alzheimer.
• ApoE4: posee argininas (en 112 y 158). Su presencia aumenta la probabilidad de sufrir la enfermedad de Alzheimer hasta 4 veces si aparece en heterocigosis y hasta 10 veces si aparece en homocigosis.

Pero, ¿por qué ApoE4 aumenta tanto la probabilidad de desarrollar Alzheimer?, ¿en qué afecta el cambio de tan solo 2 aminoácidos a una proteína que posee 299? Ahora mismo te lo explicamos

4.3- ApoE4

Su única diferencia estructural frente a la isoforma protectora es el cambio de dos cisteínas (aminoácidos polares sin carga), por dos argininas (aminoácidos polares con carga positiva). En principio parece un cambio insignificante, pero este pequeño cambio hace que la ApoE4 tenga una conformación algo más «cerrada» que el resto de ApoE, afectando más de lo que creemos en su función.

La conformación que adopta ApoE4 hace que se una más deficientemente a sus receptores, por lo que ApoE4 se encuentra durante más tiempo circulante por la matriz extracelular. Al disminuir la endocitosis mediada por receptor, disminuye la proteólisis intracelular y para compensarlo, aumenta la proteólisis extracelular.

Esta proteólisis favorece la acumulación del péptido Aβ, su unión con otros péptidos Aβ (formando oligómeros Aβ) y el inicio y desarrollo de la formación de placas amiloides y de la enfermedad de Alzheimer. De hecho se han descubierto restos de esta ApoE en las placas amiloides.

Pero esto no es todo, ya que recientemente se ha visto que ApoE también interactúa con la proteína Tau, una proteína muy importante en el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer y cuya hiperfosforilación explica muchos de los signos clínicos de la enfermedad.

4.4- Relación ApoE – proteína Tau

Se ha visto que ApoE está relacionada con la acumulación de Tau y Tau fosforilada, especialmente ApoE4 es quien favorece en mayor medida está acumulación, la cual deriva en la formación de los ovillos neurofibrilares. Para explicar está relación de manera más detallada vamos a presentaros un experimento realizado con ratones en 2017.

En este experimento se quiso conocer más acerca del papel de ApoE en la neurodegeneración a través de Tau. Para ello se utilizaron ratones que sobreexpresaban Tau humana (ratones P301S) y las distintas isoformas de ApoE, creando distintos grupos de ratones:

• Tau-ApoE2 (TE2): expresaban Tau y ApoE2.
• Tau-ApoE3 (TE3): expresaban Tau y ApoE3.
• Tau ApoE4 (TE4): expresaban Tau y ApoE4. Es el grupo de ratones en el que mayor neurodegeración se observó a los 9 meses.
• Sin Tau y con ApoE (KI): no se observó neurodegeneración a los 9 meses. Esto confirmaba que ApoE por sí sola no ocasiona neurodegeneración.
• Con Tau y sin ApoE (TEK0): se observó neurodegeneración a los 9 meses, pero en menor nivel que en cualquiera de los grupos con Tau y las distintas formas de ApoE.

Con esto se confirmó que ApoE (especialmente ApoE4) juega un papel importante en la neurodegeneración a través de Tau. Además en este experimento se observó que ApoE4 no influye en la síntesis de Tau, sino que la acumulación de Tau se debe a que ApoE4 afecta a su degradación por autofagia.

Por último se vio que cuando había patología de Tau (hiperfosforilación y acumulación), ApoE4 provoca neuroinflamación, promoviendo la activación de la microglía y la expresión de genes A1 en astrocitos.

4.5- Genes implicados

En la prueba genética que se realizó el actor Chris Hemsworth, se analizo el gen que da lugar a la síntesis de la ya mencionada ApoE. El gen de la ApoE está formado por 4 exones y se encuentra en el cromosoma 19.

Las mutaciones de mayor interés en este gen son las que afectan a los codones que dan lugar a los aminoácidos 112 y 158, y por tanto a las distintas isoformas ya vistas (ApoE2, ApoE3 o ApoE4) y su influencia en la probabilidad de desarrollar la enfermedad de Alzheimer.

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Por Paula Díaz Serna y Julia García Figueredo

GLUTATIÓN

El glutatión (L-γ-glutamil-L-cisteinil-glicina) fue descubierto en 1888 por Joseph de Rey-Pailhade en células de levadura, encontrándola también en el hígado, músculo y cerebro. Es un tripéptido hidrosoluble que se encuentra en casi todas las células del cuerpo humano y que está compuesta por 3 aminoácidos: cisteína, ácido glutámico y glicina.

Puede encontrarse libre o unida a proteínas, de manera que la suma de ellas es la concentración total de glutatión (GSHt). Además, la fracción libre está formada por:

• Glutatión reducido (GSH) → Es la forma reducida y la forma activa de la molécula. Es la que se encuentra en mayor proporción en el interior de las células y se caracteriza por tener un grupo tiol (-SH) del residuo de cisteína. 
• Glutatión oxidado (GSSG) → Es la forma oxidada. En el lumen del retículo endoplasmático, solo se encuentra esta forma. 

La reducción de GSSG es catalizada por la enzima glutatión reductasa (GRd), dando lugar a GSH, siendo la molécula crítica para la resistencia al estrés oxidativo. Esta enzima está constituida por dos subunidades idénticas unidas por puentes disulfuro. Ambas subunidades contribuyen a formar el sitio activo y de unión a GSSG, por lo tanto, no son activos los monómeros por separado. Utiliza FAD como grupo prostético y NADPH para la reducción del sitio activo.

Se sintetiza en el citoplasma a partir de sus aminoácidos precursores por la acción de 2 enzimas: 

• γ-glutamil-cisteína sintetasa (γ-GCS) → Utiliza como el glutamato y la cisteína como sustrato para formar el dipéptido γ-glutamil-cisteína.
• Glutatión sintetasa → Se encarga de catalizar la unión del dipéptido con la glicina para formar GSH. 

La enzima γ-GCS es un heterodímero formado por 2 subunidades: 

• Subunidad pesada o catalítica (γ-GCSC) → Posee el sitio activo para la unión entre el grupo amino de la cisteína y el grupo carboxilo del glutamato. 
• Subunidad ligera o moduladora (γ-GCSM) → Tiene una función reguladora aumentando la eficiencia catalítica de la otra subunidad. 

En estas reacciones se emplea ATP como fuente de energía y es un proceso regulado por la inhibición de la γ-glutamil-cisteína sintetasa por el GSH, ya que compite con el glutamato en el sitio activo de γ-GCSC. De esta manera, hay un equilibrio entre la síntesis y el consumo del mismo.

En cuanto a la distribución de la molécula, los niveles de GSH en la mitocondria son muy importantes para la supervivencia celular, más que en el citosol. Sin embargo, las mitocondrias no poseen las enzimas necesarias para su síntesis, por lo que existe un sistema de transporte para movilizar el glutatión desde el citosol hasta este orgánulo. 

El GSH tiene una gran variedad de funciones celulares, algunas de ellas son: 

• Es considerado el antioxidante maestro que produce el organismo, ya que mejora el sistema inmunitario y juega un papel clave en el antienvejecimiento a nivel celular.
• Se encarga de la detoxificación de xenobióticos, de manera que el glutatión forma conjugados con estos compuestos para ser excretados por la orina o las heces. 
• Almacena y transporta cisteína. 
• Es esencial en la proliferación celular y en la apoptosis de forma que se activan las captasas continuando la muerte celular. 

ESTRÉS OXIDATIVO

El oxígeno es una molécula plenamente necesaria para poder vivir, pero sin embargo, dentro de nuestro organismo, su oxidación da lugar a la formación de radicales libres (radical superóxido, radical hidroxilo…) Estas moléculas muestran una gran toxicidad y son nocivas, pues afectan a nuestras funciones celulares provocando incluso una gran variedad de patologías. 

La mitocondria es la principal consumidora de oxígeno y, por tanto, es la mayor productora de radicales libres, ya que pueden formarse en la cadena transportadora de electrones  (CTE) cuando transfieren los electrones al oxígeno. Así, cualquier factor de daño que afecte a los elementos de la CTE pueden alterar su funcionalidad y promover una formación excesiva de radicales libres. Como consecuencia, ocasionará estrés oxidativo y una disminución de la formación de ATP. 

Una vez más, la naturaleza se ha encargado de que los seres humanos podamos suplir este problema mediante un sistema antioxidante, cuya función es frenar las reacciones de oxidación en las células para disminuir la cantidad de radicales libres. De esta manera, se reducirán también diversas enfermedades cardiovasculares, neurodegenerativas y tumores. 

El glutatión (GSH) contiene un grupo sulfhidrilo (-SH) que lo hace idóneo para atenuar el efecto de los radicales libres, pues, la glutatión peroxidasa (GPX) es una enzima que cataliza la reducción del peróxido de hidrógeno utilizando como agente reductor el GSH, transformándose así en GSSG.

Nos encontramos con el sistema glutatión peroxidasa/glutatión reductasa. Tal y como comentamos anteriormente, la glutatión reductasa funciona como una oxidorreductasa dimérica dependiente de NADPH que cataliza la reducción de glutatión oxidado a glutatión reducido, siendo este último utilizado por la glutatión peroxidasa para la reducción de peróxido de hidrógeno, el cual es un elemento tóxico para la célula. Gracias a estos sistemas, se consigue frenar el estrés oxidativo, ya que estos radicales libres son tóxicos y terminan en apoptosis.

ENVEJECIMIENTO CELULAR

Por otro lado, el envejecimiento celular es un proceso fisiológico y progresivo caracterizado por un descenso de la capacidad de adaptación de los componentes del individuo, así como una disminución de la capacidad de respuesta del mismo, lo que acaba en la muerte. 

El envejecimiento afecta a todos los sistemas fisiológicos del organismo y da lugar a una pérdida progresiva de la homeostasis y de la salud. Por tanto, se da envejecimiento cuando hay un aumento de la concentración de oxidantes como los radicales libres y/o una disminución de los sistemas de defensa antioxidantes. Esto provoca un aumento del daño oxidativo en lípidos, proteínas y nucleótidos que explica el deterioro de las funciones celulares asociado al avance de la edad. 

Aquí es donde el GSH juega un papel importante, pues se ha relacionado con el envejecimiento, de manera que, a medida que pasan los años, contribuyendo una mala alimentación, la concentración de glutatión plasmático disminuye. Esto supone la no inhibición de los efectos de los radicales libres, lo que puede desembocar en la aparición de enfermedades al haber un descenso del glutatión reducido y aumento del oxidado.

¿PODEMOS AUMENTAR LA CONCENTRACIÓN DE GLUTATIÓN?

Existen suplementos de glutatión para evitar el descenso de sus niveles a lo largo del tiempo. Sin embargo, estos lo único que hacen es descomponerse en los aminoácidos que los componen, por lo que el efecto sería el mismo que comer proteínas. Puede haber cierta absorción del glutatión intacto desde el intestino, pero no puede entrar en las células, ya que debe ser transformado en L-cistina (2 L-cisteína unidas) antes de absorberse. Por lo tanto, para elevar la cantidad de esta proteína, el cuerpo necesita precursores, es decir, compuestos orgánicos que preceden a otros en una ruta metabólica. 

De esta forma, si aumentamos la L-cisteína, si que aumenta la síntesis de glutatión. También hay suplementos de esto, pero solo ayudan en casos de personas que tienen niveles extremadamente bajos de glutatión. (Suplementos N-acetilcisteína o NAC). Otros, pueden administrarse por vía intravenosa a enfermos que lo necesiten, pero sus efectos son a corto plazo, por lo que no es una solución duradera. 

Las enfermedades crónicas como las infecciosas (diabetes, cáncer, SIDA, enfermedades neurodegenerativas y hepáticas) tienen en común el aumento de EROS Y ERN (especies reactivas de oxígeno y de nitrógeno) provocando daño celular, por lo que en la actualidad actuar sobre los niveles de glutatión sugiere tener efectos benéficos en estas personas, mediante la administración de precursores, disminuyendo los síntomas y comorbilidades que conllevan.

CONCLUSIÓN

El glutatión es una molécula multifuncional necesaria para la vida. Tiene un papel muy importante como miembro de nuestro sistema antioxidante y está relacionada con el envejecimiento celular, pues a medida que pasan los años, nuestro organismo sintetiza una menor cantidad. Para compensarlo, existen ciertos suplementos que aumentan los niveles de glutatión. Sin embargo, no son una solución 100% efectiva, pues sus efectos no son duraderos a largo plazo.

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