APP: la ladrona de recuerdos

Elaborado por Candela Martínez, María Orenes y Almudena López

INTRODUCCIÓN

La APP, proteína precursora del péptido beta-amiloide (Amyloid-beta Precursor Protein por sus siglas en inglés), es una glucoproteína transmembrana conservada evolutivamente desde Caenorhabditis elegans hasta los humanos.

En humanos, el gen está localizado en el cromosoma 21 (curiosamente, el cromosoma del síndrome de Down, hecho muy importante, como veremos más adelante) y formada por 770 aminoácidos repartidos en diferentes dominios proteicos. Se encuentra en diversos tejidos destacando el nervioso, pues se piensa que participa en la neurogénesis y maduración del cerebro, plasticidad, formación y reparación sináptica, además del transporte del hierro. 

Es procesada por diferentes proteasas, las: α, β y γ. Los fallos en los cortes de sus dominios son los causantes de la formación de placas amiloides, que principalmente consisten en el cúmulo de beta-amiloide en el tejido cerebral, causando degeneración neuronal o más comúnmente llamado, enfermedad de Alzheimer (Cho et al., 2022).

ESTRUCTURA

Tenemos que la APP es una proteína dividida en tres dominios, unidos por conectores flexibles formados por cadenas de aminoácidos sin estructura secundaria. Un dominio extracelular, otro transmembrana (el más importante en la formación de la enfermedad) y otro dominio hacia el medio intracelular.  Estos dos últimos dominios forman un fragmento denominado C99 cuya fragmentación es decisiva en la generación de placas amiloides.

Cuando la proteína está intacta, actúa como proteína receptora enviando señales a otras proteínas del interior celular, además, es capaz de unirse a estructuras del exterior de la célula como la heparina y laminina, permitiendo la adhesión celular. 

Por otro lado, la división en fragmentos de la misma también hace que sea funcional; división que se lleva a cabo por unas proteínas proteasas denominadas secretasas, que cortan a ambos lados del péptido transmembrana. Por un lado los dominios externos, de mayor tamaño, son liberados fuera de la célula ayudando a controlar el crecimiento de las neuronas, y por el otro, el dominio del interior celular se libera a este, ayudando a la síntesis de proteínas en el núcleo. 

Y por último, el dominio transmembrana, el cual es el causante de la demencia, pues cuando se suelta de la membrana se introduce en la célula pudiendo cambiar su conformación a beta-lámina, y por acumulación de la misma se generan las placas amiloides. (Burley et al., 2017)

• Dominio más externo: PROTEÍNA DE UNIÓN A AZÚCAR:

  • Es también llamado dominio N-terminal de la APP o estructura cristalina del dominio similar al factor de crecimiento N-terminal de la proteína precursora de Alzheimer. 
  • Esta es la estructura cristalina del dominio de unión a heparina. Entre sus funciones se encuentra la estimulación del crecimiento de neuritas. 
  • Se trata de una estructura muy cargada con capacidad de interaccionar con glucosaminoglicanos, mientras que su parte hidrófoba se estima que tiene función de dimerización o unión de ligandos. 
  • Dada la semejanzas estructurales entre la proteína y los factores de crecimiento que contienen cisteína se cree que este dominio N-terminal es capaz de llevar a cabo una función similar a uno de estos. 

• Dominio intermedio: DOMINIO DE UNIÓN AL COBRE- REGULADOR DE LA HOMEOSTASIS NEURONAL DEL COBRE:

  • El cobre es uno de los principales generadores de radicales libres en nuestro cerebro, también conocido como estrés oxidativo. 
  • Nuestras células han desarrollado sistemas para transportar estos metales, causantes de las especies oxidantes. 
  • En el caso de esta proteína, se encarga de regular la homeostasis del cobre neuronal, pues la unión de la APP con el cobre disminuye la formación de beta amiloide. 
  • Esto se ha observado en ratones que sobreexpresan esta proteína, y que poseen menor cantidad de cobre en el cerebro. 

• Dominio más cercano a membrana: DOMINIO DE ADHESIÓN CELULAR:

  • Se trata de un dímero antiparalelo del dominio E2 de la proteína. 

  • Hay estudios que han demostrado que la APP puede formar dímeros, siendo este dominio uno de los contribuyentes a la formación de esto.
  • La estructura antiparalela se produce tras la dimerización de las dos subestructuras de E2 mediante la unión del N-terminal de un monómero con el C-terminal del segundo monómero. 
  • Se sugiere la idea de que la dimerización de esta viene inducida por la unión de heparina. (Lee S et al., 2011)

• Dominio transmembrana: PÉPTIDO BETA AMILOIDE. SIMILAR A UN DOMINIO DE FUSIÓN DE VIRUS:

  • En términos generales, los principales causantes de la enfermedad del Alzheimer son los péptidos beta amiloides (Aβ o Abeta) que proceden de la escisión proteolítica de la APP. 
  • Se ha visto que in vitro, Abeta puede sufrir cambios conformacionales, pasando de estructura soluble a láminas beta fibrilares, las cuales se agregan, siendo neurotóxicas. 
  • Algunos estudios han visto que se trata de una estructura formada por dos tramos helicoidales, unidos por un puente flexible, pero de los cuales no se conoce con precisión la longitud y posición. 
  • La similitud que presenta esta estructura junto con la secuencia del resto C-terminal con el dominio de unión de hemaglutinina de influenza muestra la posibilidad de su capacidad neurotóxica. (Crescenzi, Orlando et al., 2022)

Estructura de los diferentes dominios de la APP con diferenciación entre partes polares (azules) y apolares (rojas). Creada por María Orenes a partir de ChimeraX y BioRender.com

FUNCIÓN BIOLÓGICA

Las funciones biológicas de la APP no han sido identificadas del todo desde el descubrimiento de esta proteína, pero sigue siendo objeto de numerosas investigaciones. Aunque su rol en la enfermedad del Alzheimer es la más conocida, cumple muchas otras funciones relevantes además de la vía patogénica tales como: la neurogénesis (nacimiento de nuevas neuronas), la maduración del cerebro, el crecimiento de las neuronas, la plasticidad, y la formación y reparación sináptica, de ahí que sea tan abundante en el cerebro en relación con otras zonas del cuerpo. También la interacción célula a célula, la adhesión célula-sustrato, apoptosis, el metabolismo de calcio o la transducción de señales a través de la membrana. Todas ellas continúan aún bajo estudio. (Zhang et al., 2011).

Una de las isoformas de la APP, como es la APP659, está involucrada en la maduración del cerebro durante la embriogénesis. Además, se requiere en la formación de la sinapsis neuromuscular; ya que se localiza con receptores de la acetilcolina. La abundancia de la APP durante la  sinaptogénesis sugiere un papel funcional en la formación de la red neuronal y la participación en el crecimiento y restauración neuronal después de traumas cerebrales, ya que ayuda a la organización de las fibras neuronales. También interacciona con numerosas proteínas regulando el tráfico celular y el procesamiento de señales. 

Otra función neurotrófica atribuida a la APP es la propiedad ferroxidasa y de tráfico de hierro, por lo que puede que alguno de sus fragmentos se encuentren regulados por este metal, el cual actúa además en el metabolismo de la APP al regula la expresión de su ARNm. De igual manera actúa el cobre sobre la APP, sugiriendo que la APP participe en la homeostasis del cobre y sea junto con el hierro una posible diana terapéutica en el Alzheimer. (Nalivaeva NN & Turner AJ, 2013)

A continuación hablaremos con más profundidad  sobre algunas de sus funciones:

• Adhesión celular

Una de las funciones mencionada previamente es la de adhesión celular e interacción célula-célula, necesarias para diferentes etapas del neurodesarrollo, como la construcción de la red neuronal y madurez funcional de numerosas etapas complejas de migración de neuronas a la apropiada capa de la placa cortical y la acción conjunta de las CAM (moléculas de adhesión celular) y APP. Algunas CAM como las integrinas, se localizan en los conos de crecimiento y las dendritas neuronales, y la interacción con la APP proporciona la tracción necesaria para la generación de las espinas dendríticas y el cono de crecimiento (GC) en el axón, que detectará el entorno para la correcta formación de la sinapsis. (Sosa et al., 2017).

• Proteínas adaptadoras citoplasmáticas 

Para determinar las funciones de la APP es importante saber con qué proteínas interactúa. Se ha encontrado que la familia de proteínas FE65 de los conos de crecimiento y sinapsis interactúan con ella a través de su C-terminal citoplasmático, por eso estas proteínas adaptadoras han sugerido roles para la APP en la dinámica del cono de crecimiento, la migración neuronal y la señalización intracelular. Además, FE65 asociada con el dominio intracelular (AICD) de la APP puede afectar a la transcripción de genes, ya que APP AICD-FE65 se libera de la membrana y se dirige al núcleo donde puede alterar la transcripción de genes. (Hoe et al., 2008). Aunque todavía quedan muchas dudas sobre los efectos en el tráfico y procesamiento de este tipo de proteínas adaptadoras en la APP, existen estudios que analizan este tipo de cuestiones (Borg et al. 1996; Parisiadou y Efthimiopoulos 2007).

• Unión de ligandos

Los procesos funcionales de la APP sugieren que funcione como un receptor transmembrana de determinados ligandos que afectan a su procesamiento.  Exámenes recientes han demostrado que el principal factor genético de riesgo de la enfermedad del Alzheimer (EA) de inicio tardío es la apoliproteína E (ApoE) debido a las interacciones funcionales y estructurales con la APP, ya que estas asociaciones pueden afectar a la producción de la proteína beta amiloide (Aβ). En ausencia de la ApoE, la producción de Aβ, la secreción de APP y la estabilidad de los fragmentos de APP C-terminal se ven afectados. (Pietrzik et al., 2002)

La ApoE se encuentra mediada por una familia de receptores de lipoproteínas de baja densidad (LDLR) que se encuentran a su vez divididas en dos subgrupos. Actúan en la transducción de señales y la neurotransmisión, además, todos se encuentran dentro de las placas seniles y se han asociado genéticamente con la Enfermedad de Alzheimer.

La APP y los receptores de la apoE comparten una serie de rasgos estructurales y funcionales. Ambas son proteínas transmembrana de tipo I y presentan grandes dominios extracelulares y pequeños dominios citoplasmáticos, que en el caso de los receptores de la ApoE pueden ser numerosos mientras que en la APP observamos sólo uno para un número de proteínas adaptadoras (Stolt y Bock 2006). Además, comparten un patrón de proteólisis y de escisión superficial constitutiva e inducible que generan formas solubles que nos hace pensar cada vez más que la APP puede actuar como receptor. Una vez estudiemos y comprendamos cómo funciona la ApoE podremos quizás saber si la APP lo hace de manera similar. 

• Apoptosis

Aunque no se sabe con claridad los mecanismos de muerte celular en la enfermedad del Alzheimer (EA), se asocia con la pérdida general de neuronas y mutaciones en el gen de la APP que conducen a un aumento de producción de la Aβ. La APP-BP1, identificada como una proteína de unión a la APP, es la subunidad reguladora de la enzima E1 activadora de una proteína similar a la ubiquitina NEDD8 que participa en una vía para la ubiquitinación. (Chen et al., 2003), y juega un papel importante en la progresión del ciclo celular y la supervivencia.

APP-BP1 es un gen cuyas proteínas codificadas al interactuar con la APP impulsa la transición de la fase S a la M en células neuronales en división y causa apoptosis en neuronas por la vía de conjugación de NEDD8 (neddilación). La sobreexpresión de la APP-BP1 en neuronas primarias que conducen a la apoptosis puede ser bloqueada con la inhibición de la neddilación y la coexpresión de un péptido que compite con la APP-BP1 por unirse a la APP. Se observa una sobreexpresión de la APP-BP1 en el hipocampo cerebral de las personas con EA, ya que participa como hemos mencionado antes, en la activación de NEDD8. (Chen et al., 2000)

MECANISMOS DE ACCIÓN

• Formas tempranas de la EA:

 Se han descubierto tres genes causantes de formas tempranas de la Enfermedad del Alzheimer: el gen que codifica para la proteína precursora del péptido β-amiloide (APP), el gen de la presenilina 1 (PSEN1) y el de la presenilina 2 (PSEN2). 

• Gen codificante para APP: 

• Genes de las presenilinas: PSEN1 y PSEN2

En 1995 se clonó el gen responsable del 50% de los casos de la EA. Este se llamó inicialmente S182  pero poco después pasó a llamarse presenilina 1 (PSEN1). Hoy en día, existen 177 mutaciones en PSEN1, las cuales causan EA a edades muy tempranas.

Posteriormente, se localizó en el cromosoma 1 una secuencia genética muy similar a PSEN1. Este gen, conocido como presenilina 2 (PSEN2), es responsable de una proporción muy pequeña de los casos de EA autosómicos dominantes. Además, actualmente se sabe que las presenilinas son un cofactor del complejo multiproteico de la γ-secretasa.

• Formas tardías de EA:

Alrededor del 95% de los casos de EA  aparecen a edades avanzadas.

Por el momento, el único gen que se ha relacionado con la EA tardía es el que codifica para la apolipoproteína E (APOE). El gen APOE, se localiza en el cromosoma 19 y codifica para tres isoformas : ε2, ε3 y ε4, las cuales se diferencian entre sí por la presencia de los aminoácidos cisteína o arginina en las posiciones 112 y 158 de la APOE.

De forma que si las frecuencias  de cada una de las isoformas son comparadas entre pacientes, atendiendo a criterios de edad, se percibe un incremento del alelo ε4 en pacientes con EA tardía respecto a controles sanos de edades avanzadas. Esto quiere decir, que un paciente que contenga una copia del alelo ε4 tiene un riesgo de contraer la enfermedad mayor, y este será aún mayor si posee dos copias del alelo. (Setó-Salvia et al., 2010)

RELACIÓN CON LAS DROGAS

El consumo en exceso de drogas por el abuso de opiáceos es un problema extendido por todo el mundo. Sin embargo, a pesar de no conocerse gran información sobre la neuropatología que causa este consumo, estudios han concluido que la neuroinflamación que se genera podría desembocar en una neurodegeneración prematura de los cerebros de los consumidores.

Tras investigaciones de los cerebros de jóvenes consumidores , se aplicó un análisis inmunohistoquímico detallado del hipocampo, el tronco encefálico y los ganglios basales para tau hiperfosforilada, β-amiloide, proteína precursora de β-amiloide (βAPP) y ubiquitina, el cual denotó un exceso de ovillos neurofibrilares (NFTs); los cuales son causantes de la degeneración neuronal y disfunción sináptica.

A diferencia de los no consumidores, en quienes los NFTs  solamente se localizaron  en la corteza entorrinal; en aquellos que sí consumían drogas también se localizaron en el subículo, la neocorteza temporal, el núcleo basal de Meynert y el locus coeruleus.

Además, los consumidores de drogas dieron positivo en βAPP en mayor proporción que en los no consumidores, aunque prácticamente no se localizaron placas de beta-amiloide. (Ramage et al., 2005)

IMPLICACIÓN DE LA PROTEÍNA TAU

Papel de la proteína TAU en la Enfermedad del Alzheimer. Creada por Almudena López a partir de BioRender.com (Vallés-saiz, L., 2022)

DAÑO CEREBRAL

La encefalopatía traumática crónica (ETC) es una enfermedad neurodegenerativa que se asocia con lesiones cerebrales traumáticas leves repetitivas. De forma patológica se caracteriza por la acumulación anormal de la proteína TAU.

Para determinar el alcance de la extensión del depósito del péptido β amiloide (Aβ), se realizaron estudios en atletas y militares veteranos con diagnóstico de ETC. Gracias a estos se descubrió que más del 52% de los pacientes diagnosticados con CTE portaban depósitos del péptido Aβ. Además, esta acumulación de este péptido tenía lugar a una velocidad mayor que en aquellos que no diagnosticados con CTE. E incluso, un subgrupo  cumplió con los criterios de diagnóstico tanto para CTE como para EA.

En conclusión, estos resultados proponen que existe una alteración y aceleración en el depósito de Aβ  en un conjunto de individuos  con CTE si lo comparamos con el envejecimiento normal,  y que Aβ mantiene una fuerte relación con la progresión patológica y clínica de CTE, independientemente de la edad. (Stein et al., 2015)

TRATAMIENTOS

• Antioxidantes:

Se ha demostrado que el estrés oxidativo, es decir, la acumulación de productos derivados de la cadena de transporte de electrones, tales como: el radical hidroxilo, superóxido o el peróxido de hidrógeno (localizados en la mitocondria) son responsables de estrés oxidativo. Este es a su vez precedente de las lesiones que se generan en la Enfermedad de Alzheimer.  Además, los radicales libres podrían ser los causantes de cambios en pares de bases del ADN, o incluso de daños en las cadenas de ADN. Es por esto que uno de los tratamientos se basa en combatir este estrés oxidativo para lograr paliar el deterioro cognitivo de la enfermedad.

Durante un trabajo realizado por el Alzheimer’s Disease Cooperative Study,  en el que se usaron los antioxidantes:  α-tocoferol (mayormente conocido como vitamina E)  y selegilina, se señaló un posible efecto positivo de la vitamina E en la EA.

Una de las principales conclusiones fue la prolongación del tiempo en el que ocurrían procesos, como por ejemplo la pérdida de la capacidad para realizar algunas actividades de la vida cotidiana (basándose en la escala de puntuación clínica de la demencia) era más largo en aquellos que tomaban vitamina E que en comparación con quienes  tomaban selegilina, ambos fármacos o placebo. Sin embargo, el uso de vitamina E o selegilina no causó alteraciones en el deterioro cognitivo. Estos fármacos se seleccionaron porque la vitamina E es un “scavenger” (destructor) de radicales libres; y por su parte la selegilina inhibe la desaminación oxidativa.  (Shah et al., 2008)

• Agentes nootrópicos:

 Los agentes nootrópicos son derivados cíclicos del ácido γ-aminobutírico (GABA), este es un aminoácido no proteico que se localiza en altas concentraciones en el SNC de los mamíferos, cuya su función principal es actuar como un neurotransmisor inhibidor.  Algunos de estos ejemplos pueden ser : piracetam, pramiracetam, aniracetam u oxiracetam. En concreto el primero de ellos, ha manifestado beneficios a corto y largo plazo, principalmente en los relacionado a las funciones de la atención y la memoria. Asimismo, estudios en animales suscitan que estimulan la síntesis y liberación de AcH y que desarrollan una función sobre los receptores de glutamato AMPA. (Santos-Espinosa et al., 2018)

La enfermedad causada por el mal corte de esta proteína es una de las principales causas de demencia en nuestro país, así como en el mundo. Según datos del SEN (“Sociedad Española de Neurociencia”), hoy en día en España unas 800.000 personas sufren la enfermedad, incrementando cada año aproximadamente en 40.000 nuevos casos. No obstante, se estima que entre el 30 y el 40% de los casos totales están aún sin diagnosticar. 

En el año 2015, alrededor de 47 millones de personas sufrían demencia en el mundo, y conforme a las proyecciones de población, si las cifras actuales se mantienen, en 2050 la cifra podría llegar a 130 millones de personas. En el caso de España, entre un 3 y un 4% de la población de entre 75 y 79 años sufren Alzheimer, aumentando a 34% en mayores de 85. En mayores de 65, la SEN estima que alrededor de un 15 % de la población sufre deterioro cognitivo leve, que puede deberse a la enfermedad en el 50% de los años aproximadamente. 

A continuación, se exponen citas del Dr. Juan Fortea, Coordinador del grupo de Estudio de Conducta y Demencias de la Sociedad Española de Neurología (SEN):

Referencias

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