Alfa-1-Antitripsina, de inhibir proteasas a también luchar contra la Covid-19.

Realizado por Carlos Ochaita Fernández, Paula de Mercado Recio y Adrián Muñoz Aranzueque.

INTRODUCCIÓN:

La Alfa-1-antripsina es un polipéptido de vital importancia para el apropiado mantenimiento y funcionamiento de los tejidos animales.  

Es llamada «antitripsina» por su habilidad de unirse covalentemente e inactivar de forma irreversible la enzima tripsina. El término «alfa 1» proviene de la posición que ocupa la enzima en la electroforesis proteica del plasma sanguíneo, al ser esta la que principalmente se agrupa en la región alfa 1 que se forma en dicho procedimiento. 

La Alfa-1-antitripsina (AAT), más comúnmente denominada inhibidor de proteasa (IP), funciona como un inhibidor de las serinas proteasas. Su importancia radica en sus propiedades antimicrobianas, antiinflamatorias, reparadoras e inmunomoduladoras y en que inhibe enzimas tales como la tripsina, quimiotripsina, plasmina o trombina. Es sintetizada en el hígado y se encuentra en todos los tejidos puesto que va a ser transportado en el plasma sanguíneo. 

No obstante, la acción más importante de este polipéptido es su unión a la elastasa, presente en neutrófilos, para la protección de los pulmones en caso de una inflamación excesiva.

FUNCIÓN:

La AAT es una proteína encargada de inhibir la acción de las proteasas, y en particular, queremos centrarnos en la especial importancia de la inhibición de la elastasa en los pulmones; fundamental para evitar el colapso de los tejidos alveolares (por su acción antagónica) evidenciando así los numerosos problemas que podrían acarrear un mal funcionamiento. Este tipo de enfermedades relacionadas con la AAT, son mayoritariamente causadas por los alelos mutados en el gen que la codifica (SERPINA1) presente en el cromosoma 14.  

La elastasa es una enzima del grupo serina proteasa que degrada la elastina de varios tejidos y especialmente de los alveolos pulmonares. Tiene una distinta función en los pulmones que en la defensa inmune. Mientras que en los primeros su acción daría lugar a la degradación de los epitelios alveolares; en la defensa inmune la elastasa se encuentra en los gránulos de lo neutrófilos y sirve para degradar los productos que pueden producir daños en los tejidos donde se produce una inflamación. Mediante la acción de la antitripsina sobre esta, mantiene un equilibrio entre la degradación y formación de tejido pulmonar. 

La Alfa-1-antitripsina puede también formar un complejo con otras enzimas tales como la tripsina y quimiotripsina (sistema digestivo), o la trombina y plasmina (presentes en la sangre), entre otras. Otra función secundaria que realiza la AAT es la inhibición de la caspasa-3, la cual regula la apoptosis en células diversas como neutrófilos y neumocitos. 

Además, también posee importantes capacidades antimicrobianas, inhibiendo la replicación e infectividad de algunos virus, bacterias y protozoos. Es importante destacar su capacidad bacteriostática frente a distintos patógenos respiratorios destacados como Moraxella catarrahalis o Pseudomonasaeruginosa.

ESTRUCTURA:  

La Alfa-1 antitripsina es una proteína compuesta por 418 aminoácidos en su forma inmadura. Tras ser modificada en el aparato de Golgi pasa a tener 394 aminoácidos debido a la proteólisis del péptido señal de 24 aminoácidos y se une a 3 cadenas hidrocarbonatadas. Esta composición adquiere una estructura tridimensional formada por 15 láminas β, 9 hélices α y una zona móvil que contiene el sitio activo (Met358 Serina359) posicionado para su unión irreversible. 

El mecanismo de inhibición consiste en la inserción del sitio activo de la AAT (Met358-Ser359) en la tríada catalítica de la elastasa (His41-Ser173-Asp88). Esto ocasiona un cambio en la conformación de la proteína y la creación de un complejo covalente elastasa-AAT irreversible, el cual es destruido en el interior los macrófagos. Este centro activo se encuentra en una cadena de unión entre dos dominos de láminas beta. 

Las mutaciones del gen del que proviene la AAT (SERPINA-1) pueden producir, aunque sean mínimos de un solo aminoácido, importantes cambios conformacionales y un mal plegamiento, inhibiendo su función biológica. Estos cambios no ocurren en el centro activo. Por ejemplo una mutación puntual que afecta al aminoácido en posición 342, cambia la codificación del codón a GAT en vez de AAT haciendo que se traduzca el aminoácido ácido glutámico en vez de lisina. 

Se trata de una molécula hidrófila ya que las hélices alfa hidrófilas en contacto con el plasma sanguíneo se encuentran rodeando laminas beta hidrófobas. 

En referente a lo explicado sobre la estructura, encontramos dos imágenes que sirven de apoyo visual para comprender lo descrito:

ESTRUCTURA DEL ALELO Z, CON LA ZONA DEL AMINOÁCIDO 342 MARCADA.

Imagen realizada en chimera en la que encontramos en azul los aminoácidos 358 y 359, que se unen a la elastasa.

IMPLICACIÓN GENÉTICA DE LA AAT EN BIOMEDICINA:

Dentro de este gen polimórfico, podemos encontrar distintos alelos; siendo el alelo M aquel que no causa la enfermedad (el “wild-type”). Este se encuentra en una mayor proporción (68-76%). Sigue la herencia mendeliana para trasmitirse a la descendencia, siendo este alelo dominante respecto a los otros posibles: Z, S, V, I, F y otros (hasta 75). En este artículo nos centraremos únicamente en los alelos M, S y Z cuya interacción es la responsable de las formas no patológicas y las que sí lo son provocando un riesgo de deficiencia de A1AT.  

Los nombres puestos a estas variaciones tienen que ver con su velocidad de migración en la placa de electroforesis. Siendo S (slow), M (medium) y F(fast) y el resto de variantes se nombran con letras del alfabeto. Siendo las primeras designadas para aquellas proteínas que se desplazan hacia el ánodo y las últimas del abecedario designan las proteínas desplazadas hacia el cátodo (y de migración lenta). 

Hay que tener en cuenta que dependiendo de las distintas combinaciones que se pueden dar en la formación de la A1AT, varía el nivel de riesgo de sufrir una enfermedad pulmonar (COPD principalmente):  

  • En primer lugar, debemos añadir que los valores normales (y más frecuentes) que tiene la A1AT en sangre y en los tejidos alveolares son aquellos dados por la combinación de los alelos MM.  
  • En el caso de que se dé la combinación alélica MS, que reduce la concentración de la proteína en sangre, no muestra ningún tipo de riesgo de padecer una afección pulmonar. 
  • Con la combinación SS la concentración es menor aún y se comienza a percibir, aunque en un bajo nivel, un cierto riesgo de daño pulmonar. 

Además de estas, y apareciendo ya en proporciones bastante pequeñas en la población, encontramos las siguientes combinaciones alélicas que sí van a suponer un riesgo a tener en cuenta:

  • La presencia alélica MZ indica una concentración considerablemente menor de la antitripsina en la sangre, lo que hace que el individuo afectado tenga riesgo de padecer EPOC si se suman los efectos factores ambientales como puede ser el humo del tabaco (ya sea por inhalación activa o pasiva). 
  • La combinación alélica que supone un mayor riesgo en cuanto a complicaciones pulmonares es SZ y ZZ. La SZ ya produce de por sí una concentración de A1AT bastante baja por lo que es razonable entender el riesgo elevado existente a sufrir una enfermedad pulmonar, pero sin duda la combinación ZZ es, aunque la menos frecuente, la que más disminuye la concentración en sangre y por tanto la más peligrosa. 
  • Algo que hay que tener muy en cuenta es que la combinación homocigótica recesiva ZZ provoca un efecto añadido; ya que aparte de producir una deficiencia, hace que la A1AT se acumule en el hígado, provocando por tanto un riesgo de enfermedad hepática. 

Epidemiología de la enfermedad 

Estos efectos vienen dados por la acción del alelo Z. Esta mutación provoca un mal plegamiento de la proteína funcional y hace que tan solo el 15% de estas se segreguen (quedando el resto retenido en las células y más concretamente en el retículo endoplasmático de los hepatocitos; unidos a chaperonas). La acumulación de estos provoca diferentes patologías como podrías ser la hepatitis neonatal, cirrosis y carcinoma de hepatocitos. Además, al no poder ser liberada la antitripsina a la sangre en cantidades necesarias hace que en los pulmones haya una protección insuficiente frente a la acción de la elastasa (hecho que puede dar lugar a enfermedades pulmonares). 

Debido a los diversos efectos negativos que puede ocasionar el mal plegamiento de la proteína (presencia del alelo Z), se está investigando la utilización de una molécula como ligando y su eficacia como posible fármaco. Este ligando recibe el nombre GSK716. La incorporación de dicha molécula en la proteína a través de la unión mediante enlaces de hidrógeno va a conseguir la estabilización de la molécula mutada, evitando sus posibles efectos adversos. 

A continuación, se puede observar la unión del ligando (verde fosforito) a la proteína a través de enlaces no covalentes (puentes de hidrógeno, interacción catión-pi y stacking)

Imagen realizada en Chimera

En rojo podemos observar el ligando añadido mientras que en verde se muestra el grupo fosfato.

RELACION DE LA EPOC Y ENFISEMAS CON EL DEFICIT DE ALFA-1-ANTITRIPSINA:

EPOC: (Enfermedad pulmonar obstructiva crónica) 

La deficiencia de alfa-1-antripisina está directamente relacionada con la enfermedad conocida como COPD/EPOC. Esta relación se debe a que la deficiencia de esta proteína provoca una falta de protección de las paredes alveolares debido a la interrupción de la interacción con la elastasa de neutrófilos (al no haberse inhibido por la AAT). 

EPOC provoca una reducción de la cantidad de aire los conductos que llega a los pulmones debido a una inflamación crónica de las vías respiratorias provocando su obstrucción; es por ello que la deficiencia de AAT y su consecuente riesgo de inflamación pulmonar puede causar el desarrollo de la enfermedad. Además, se produce una pérdida de elasticidad de los tejidos alveolares, cuya consecuencia es una reducción en la efectividad del intercambio gaseoso (este daño alveolar lo podemos volver a relacionar con la deficiencia de AAT debido al efecto negativo de la elastasa en las paredes alveolares, ya que las degradan). Es importante añadir que una vez que se ha desarrollado la enfermedad esta es irreversible debido a los daños que ya se han producido, pero con medicamentos se pueden disminuir los efectos.

Imagen extraída de Bupasalud.

El enfisema está estrechamente relacionado con la EPOC ya que es una de las afecciones que contribuyen a esta enfermedad (junto con la bronquitis) y se da cuando hay daños en los alveolos. Más concretamente, los sacos alveolares son menos elásticos y por ende tienden a romperse creando más espacios de mayor tamaño en vez de muchos de menor tamaño (estrategia evolutiva que ha seguido este tejido). Las claras consecuencias de esto son una reducción del oxígeno en la sangre al evitar también el correcto funcionamiento de la difusión de gases. Otras complicaciones derivadas de la enfermedad serían el colapso pulmonar y cardiopatías pulmonares. 

Imagen extraída de Mediplus.

Esta enfermedad es la principal causa de muerte de aquellas personas que tienen un déficit de alfa-1-antitripsina.  

>TRATAMIENTO DEL EPOC DERIVADO DEL ÉFICIT DE AAT:

La prevención es lo primero, y se recomienda evitar la exposición al humo del tabaco (ya sea mediante inhalación pasiva o activa) y a otras sustancias que puedan irritar la mucosa nasal (drogas o contaminantes). Junto a esto, es conveniente vacunarse de la gripe, contra la neumonía producida por neumococos y de otras enfermedades que afecten al tracto respiratorio. Por otra parte, es recomendable reducir el consumo de alcohol (por el daño hepático derivado de la deficiencia de la proteína). 

El tratamiento que se ha empleado y que mejores resultados es la introducción de AAT de manera directa una vez que se ha extraído del plasma sanguíneo de un sujeto sano, pudiendo así evitar efectos adversos de la deficiencia y evitar complicaciones como el EPOC. En el mercado actualmente hay cuatro medicamentos aprobados para su uso: Prolastin®, Aralast®, Zemaira® y Trypsone® [evite la automedicación y consulte a su médico o farmacéutico antes de iniciar algún tratamiento] que se administran solo si los pacientes presentan un genotipo ZZ (y otros criterios dependiendo del país). 

Otras opciones que se han contemplado han sido el transplante de pulmón y de hígado (por enfermedad terminar pulmonar y hepática respectivamente). Esta última es de especial importancia si el donante es un individuo con genotipo MM (ya que gracias a esto se podrían reestablecer los niveles normales de AAT). Cabe añadir que los estudios realizados al respecto son pocos y relativamente modernos por lo que aún quedan opciones por explorar. 

>SÍNTOMAS DE LA EPOC:

Los síntomas del EPOC, no se presentan hasta que hay un daño pulmonar considerable y, una vez que aparecen estos suelen empeorar hasta el punto de convertirse en un problema muy grave para la salud del enfermo a no ser que se sigan tratamientos y se lleve un estilo de vida lo más saludable posible.  

Suelen aparecer en torno a los 30 o 40 años en pacientes fumadores pudiéndose incluso manifestar con anterioridad. Puede darse también que personas que sufren de EPOC puedan sufrir periodos de tiempo en los que los síntomas puedan agravarse hasta que vuelvan a unos niveles dentro de lo “normal”. 

Los síntomas que pueden significar un desarrollo de EPOC, ya sea por la deficiencia de AAT o por otros motivos son los siguientes: 

-Una falta de aire, sobre todo a la hora de realizar actividad física. 

-Sonidos de silbidos (denominados sibilancias) que se dan al atravesar el aire los estrechos conductos de los pulmones. 

-Un sentimiento de opresión en el pecho. 

-Puede presentarse también una tos crónica acompañada de producción de mucosidad. 

-Se pueden dar infecciones pulmonares más frecuentes, es por ello que por ejemplo en nuestra situación actual de pandemia, son casos estudiados con más detenimiento por el riesgo a futuras complicaciones. 

-Hay posibilidades de una pérdida de peso involuntaria en etapas más graves de la enfermedad. 

-Hinchamiento en tobillos, pies o piernas. 

Otras opciones que se han contemplado han sido el transplante de pulmón y de hígado (por enfermedad terminar pulmonar y hepática respectivamente). Esta última es de especial importancia si el donante es un individuo con genotipo MM (ya que gracias a esto se podrían reestablecer los niveles normales de AAT). Cabe añadir que los estudios realizados al respecto son pocos y relativamente modernos por lo que aún quedan opciones por explorar. 

Su Importancia y relación con la Covid-19 

Como hemos estado viendo, la A1AT desempeña un gran papel en nuestros pulmones gracias a la inhibición de serinas proteasas. Pero su importancia no acaba ahí, ya que 2 estudios del año 2020 han dado a conocer una gran función de esta gran inhibidora en la propagación del SARS-CoV-2 en los primeros pasos de la infección que lleva a padecer la covid-19. 

Según investigadores de la universidad estadounidense de Cincinnati, la A1AT es capaz de reducir en gran medida la entrada del virus SARS-CoV-2 en las células sanas. Se debe a que, según sus investigaciones, una de las principales encimas que necesita el virus para la entrada en las células, la TMPRSS2, es una serina proteasa. La A1AT es una gran inhibidora de serinas proteasas, por tanto, he ahí el resultado de su investigación. Los científicos concluyeron que el déficit provocado por mutaciones en esta proteína iba a ser responsable de casos en pacientes más graves. 

Por su parte, en la universidad alemana de Ulm, utilizaron la A1AT como fármaco en diferentes pacientes para el tratamiento de la covid-19 obteniendo resultados favorables. Los doctores confirmaron que la inhibición de la TMPRSS2 por la A1AT era fundamental para retrasar y prevenir el comienzo del ciclo viral del SARS-CoV-2. 

Además, unos investigadores de la Universidad de Toronto llegaron a la misma conclusión que sus compañeros científicos, pero fueron paso más allá. Estos lograron relacionar la causa de por qué el virus ataco con mayor virulencia en ciertos países como España, Italia, Francia y el Reino Unido con la inhibición de serinas proteasas. Esto podría deberse, según afirman, a que la gran mayoría de la población que presenta genotipos ZZ, SZ y MZ en Europa se encuentra en dichos países. Estas combinaciones alélicas producen un déficit en la producción de A1AT o que se dé la producción de A1AT no funcional, que puede no llegar a afectar al paciente en ningún momento de su vida, pero aun así correr riesgo.  Debido a esto, estas personas son mucho más vulnerables al virus que el resto de la población mundial, si además le sumas que al no producir A1AT funcional se pierde su capacidad antiinflamatoria y de protección celular que hace que aumente la probabilidad de sufrir una lesión pulmonar. 

Es increíble lo que esta proteína es capaz de hacer por nosotros frente a una enfermedad tan actual y peligrosa como es la covid-19, siendo capaz de protegernos simplemente realizando su función habitual y la que mejor sabe hacer, inhibir serinas proteasas. 

REFERENCIAS:

Axelsson, U., & Laurell, C. B. (1965). Hereditary variants of serum alpha-1-antitrypsin. American journal of human genetics17(6), 466–472. 

de Rienzo Modelo, B., Chávez, A. M. G., Guerra, J. I. M., López, N. G. J., Cedillo, A. M., Ramírez, R. I. L., … & Blanhir, J. E. M. (2008). La importancia de la deficiencia de alfa-1 antitripsina en el desarrollo de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica y otras patologías pulmonares. NEUMOLOGÍA Y CIRUGÍA DE TÓRAX, 67(1), 16-23. 

Flores-Ramos, L. G., Wegman-Ostrosky, T., Torres-Flores, J., & Figuera, L. E. (2013). Deficiencia de α-1-antitripsina: Desorden monogénico más frecuente en la edad adulta. Revista Médica de Costa Rica y Centroamérica70(605), 95-102. 

Lara Gallego, B. (2014). Registro Español de pacientes con déficit de alfa-1 antitripsina: evaluación de la base de datos y estudio de la población de pacientes incluida. Materia (s)50, 154-2015. 

Lomas, D. A., Irving, J. A., Arico‐Muendel, C., Belyanskaya, S., Brewster, A., Brown, M., … & Pearce, A. C. (2021). Development of a small molecule that corrects misfolding and increases secretion of Z α1‐antitrypsin. EMBO molecular medicine13(3), e13167. 

LINKS ADICIONALES:

-Relacionados con EPOC y enfisema:

https://www.mayoclinic.org/es-es/diseases-conditions/copd/symptoms-causes/syc-20353679  

https://www.mayoclinic.org/es-es/diseases-conditions/emphysema/symptoms-causes/syc-20355555#:~:text=En%20el%20enfisema%2C%20las%20paredes,el%20intercambio%20de%20los%20gases

https://www.cigna.com/es-us/individuals-families/health-wellness/hw/epoc-y-deficiencia-de-alfa-1-antitripsina-hw164553

https://www.mayoclinic.org/es-es/diseases-conditions/copd/symptoms-causes/syc-20353679#:~:text=La%20enfermedad%20pulmonar%20obstructiva%20cr%C3%B3nica,moco%20(esputo)%20y%20sibilancias

-Relacionados con la COVID-19:

Estudio de la Universidad de Cincinnati: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.05.04.077826v2 

Estudio de la Universidad de Toronto: https://www.thelancet.com/journals/lanres/article/PIIS2213-2600(21)00018-7/fulltext 

Estudio de la Universidad de Ulm: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.07.02.183764v1.full 

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