Proteína Precursora de Amiloide (APP)

Por Inés Jaramillo, Noemí Fuentes y Marta González. Biología Sanitaria, UAH. Enero 2022.

Introducción:

En el año 1987, tras realizar un estudio genético de familias con segregación autosómica dominante de la enfermedad del Alzheimer (enfermedad descrita por primera vez en 1906 tras un estudio realizado a una mujer de 50 años, Auguste Deter, y publicado por el científico alemán que da nombre a esta patología, Alois Alzheimer) se realizó el primer ligamento genético en el brazo largo del cromosoma 21. En la misma región cromosómica se localiza también el gen que codifica a la proteína β-amiloide, péptido que se encuentra presente en las placas seniles de cerebros enfermos. Este hecho dio lugar al descubrimiento, en 1991,  de las primeras mutaciones en el gen APP, las cuales se relacionaban con la enfermedad del Alzheimer familiar. 

Se han descrito 30 mutaciones en 83 familias. Dichas mutaciones se encuentran ubicadas en regiones críticas para el procesamiento fisiológico de la proteína precursora de amiloide, y por tanto, alteraciones dentro de estos dominios afectan al metabolismo normal de la APP.

Imagen obtenida de la página web Alzheimer Universal.
Un anticuerpo para mejorar la PET cerebral en el diagnóstico de la  enfermedad de Alzheimer. | TiTi
Imagen de una prueba PET (Tomografía por Emisión de Positrones) en un cerebro sano, uno con principios de demencia y uno con Alzheimer.

Descripción de la estructura de la proteína y las vías que puede seguir:

La APP es una proteína integral de membrana con un dominio intramembrana, un dominio extracelular N-terminal largo y una corta región C-terminal citoplásmica (ver apartado: La APP al detalle). Dicha proteína esta formada por 770 aminoácidos y es procesada por distintas proteasas (llamadas α, β y γ secretasas).

Figura 1: Estructura de proteína APP.

El corte de APP llevado a cabo por la α-secretasa, entre los aminoácidos 687 y 688 que corresponden a los residuos 16 y 17 del péptido Aβ,  provoca la liberación del extremo extracelular sAPPα, dejando un fragmento menor anclado en la membrana (C83) (Figura 2). Dicho fragmento será procesado por la γ-secretasa, entre los aminoácidos 712, 714 o 715, que corresponden a los residuos 40, 42 o 43 del péptido Aβ. Esta vía recibe el nombre de no amiloidogénica, y se denomina así debido a que provoca la formación de péptidos que no se agregan, y por ello no son patológicos.

Figura 2: Esquema de las vías y sus diferencias tanto en enzimas secretasas como sus productos. Revista de Neurología 2018, 33:112-20

Por otra parte, nos encontramos que existe una vía menos común, donde participan tanto la  β-secretasa como la  γ-secretasa. La β-secretasa corta la proteína en los residuos 671  y 672, provocando la liberación  de un fragmento denominado sAPPβ. En la membrana permanece unido un fragmento de proteína (C99) que procesa la γ-secretasa, realizando un corte en los residuos 712, 714 o 715, generando tres posibles péptidos, en mayor proporción de 40 aminoácidos, pero también, en una pequeña proporción pueden poseer 42 o 43 aminoácidos. Estos péptidos formados y denominados Aβ40, Aβ42 o Aβ43, pueden formar agregados que constituyen las fibras insolubles que se localizan en los depositos de amiloide. De modo que  una parte de las  mutaciones que se producen en la APP se localizan en residuos involucrados en el procesamiento de la proteína. Sin embargo, existen otras mutaciones, como la ártica o la Iowa , que se localiza en la región central péptido β-amiloide y provocan un incremento de la agregación del péptido, lo cual conlleva al acúmulo precoz de oligómeros.

Vídeo de apoyo para comprender la diferencia entre el corte sano (α-secretasa) y el que provoca las placas de Aβ (β-secretasa). Segundos 1:17″-2:15″

La APP al detalle:

La APP es una larga proteína de membrana que puede estar relacionada con el desarrollo neurológico y su reparación, señalización (actúa como receptor), transporte intracelular y con la homeostasis. Realiza estas funciones estando completa o cuando es dividida en fragmentos más pequeños, pero un mal corte (ver apartado de: La β-secretasa, ¿la verdadera villana?) de esta puede conllevar a la pérdida de memoria o la enfermedad de Alzheimer. (Turner et al., 2003).

Figura: Proteína APP, membrana celular esquematizada como la zona gris. Imagen obtenida de la web PDB-101.

Se encuentra unida a la membrana celular y está compuesta por varios dominios (Figura 3) unidos por nexos flexibles. Encontramos primero (color lila) el dominio N-terminal (1MWP en PDB-101; Figura 4); en segundo lugar (color azul) el dominio de unión del cobre, implicado en su regulación y homeostasis (1OWT en PDB-101; Figura 5); en tercer lugar, el dominio más largo (color azul claro) es un dímero antiparalelo (3NYL en PDB-101; Figura 6); de color verde el péptido que atraviesa la membrana (1IYT en PDB-101; Figura 7) y un pequeño dominio en el interior de la célula representado de forma esquemática con un círculo.

Figura 3: Proteína APP, membrana celular esquematizada como la zona gris. Imagen obtenida de la web PDB-101.

Figura 4, izquierda: Dominio N-terminal de la APP. Creada con Chimera. Código 1MWP en PDB-101. Figura 5, derecha: Dominio de unión del cobre de la APP. Creada con Chimera. Código 1OWT en PDB-101.
Figura 6, izquierda: Dímero antiparalelo. Creada con Chimera. Código 3NYL en PDB-101. Figura 7, derecha: Péptido beta-amilasa (Aβ). Creada con Chimera. Código1IYT en PDB-101.

La APP en la vía amiloidogénica es cortada por las proteasas β- y γ- secretasas (Figura 2 y 8) dando lugar un péptido de 36 a 43 aminoácidos, el de color verde. La parte del exterior es liberada al espacio extracelular y la del interior interacciona con el mecanismo de síntesis de proteínas en el núcleo. Precisamente, el péptido más estudiado es el transmembrana, ya que es el que tiene implicación en la enfermedad de Alzheimer. (Morgan et al., 2005).

Figura 8: Corte proteolítico de APP en la vía amiloidogénica. Revista de Educación Bioquímica (REB) 36(1):2-11, 2017.

Este fragmento de la APP es conocido como el péptido beta-amilasa (Aβ). Tras ser cortada por la β-secretasa actúa la γ- secretasa, pero de manera más imprecisa y generando distintos extremos C-terminales en los péptidos resultantes. Las formas más comunes son los que terminan en posición 40, seguidos por los que terminan en posición 42 (Aβ42)  tienden a ser más hidrofóbicas y fibrilogénicas por lo que sale de la membrana, donde cambia su estructura y puede agregarse formando fibrillas y placas insolubles (Figura 9). La acumulación de estas placas, junto con la acumulación de otra proteína (Tau) en el interior de las neuronas es lo que lleva al cerebro a, poco a poco, perder su funcionalidad normal.

Figura 9: Láminas β-amilode. Creada con Chimera. Código 2BEG en PDB-101.

La agregación de Aβ es un proceso complicado. Esta existe principalmente como una estructura α-hélice soluble, pero puede sufrir un mal plegamiento y convertirse en estructuras β, láminas más propensas a agregarse debido a que son menos solubles.

Hoy en día, los estudios hacen énfasis en entender la producción de Aβ y su posterior degradación.

Figura 9: Imagen al microscopio (Técnica microscopía de fuerza atómica) donde se puede observar (zona marrón con forma circular) la placa senil de β-amiloide.

La β-secretasa, ¿la verdadera villana?

Para que el funcionamiento de muchas de las proteínas que existen es necesario que estas sean modificadas mediante cortes o cambios en su estructura (la forma en la que se pliegan aporta la funcionalidad a las proteínas) y estos procesos están regulados por proteasas (realizan la proteólisis, es decir, la degradación o corte de proteínas para activarlas o inactivarlas) y chaperonas (realizan el plegamiento y revisan que sea correcto). Pero, como acabamos de ver, no siempre es así y pueden cometer fallos.

Sabemos que la β-amiloide proviene de un fragmento de la APP, y muchos científicos han centrado su atención en el corte de esta, es decir, habiendo dos vías que pueden seguir (amiloidogénica y no amilodogénica), ¿por qué sucede la primera?, que tantos problemas conlleva.

Si en el corte sano intervienen la α- y γ- secretasas y no generan estos péptidos, mientras que en el corte amiloidogénico actúan la β- γ- secretasas, es muy probable que lo que hace que este fragmento sea menos soluble y forme las placas es un error de estas proteasas. Por esta hipótesis, muchos de los fármacos para intentar curar o, al menos, frenar el avance de la enfermedad están centrados en la β-secretasa.

La β-secretasa es una aspartil proteasa unida a la membrana y se encuentra en las membranas de los orgánulos. Posee dos formas principales, la BACE 1 y BACE2, (Beta-site amyloid precursor protein cleaving enzyme). La primera se encuentra principalmente en el cerebro y en menor medida en otras células y tejidos, mientras que con la segunda ocurre al contrario. El alto número de BACE1 en el cerebro también puede verse reflejado en estudios del líquido cefaloraquídeo (LCR), que tienen relación con marcadores de la EA y la β-amiloide. (Marcinkiewicz et al., 2000)

Figura 10: Enzima β-secretasa y sus dos dominios, la parte superior es la catalítica y la inferior la de anclaje (En PDB puede encontrarse con el siguiente código: 1PY1). Imagen obtenida de PDB-101.

La β-secretasa tiene una hendidura en su sitio activo, que sostiene la cadena de APP y residuos de aspartato que son los que realizan el corte (Figuras 10 y 11). Además, tiene una cola al otro lado de la membrana que fija la enzima a la superficie para que no salga, también regula su actividad y localización. Esta cola más corta está fosforilada (átomos de color rojo y amarillo) ya que ayuda a la célula en funciones de tráfico celular (Figura 10).

Los científicos y laboratorios, han intentado modificar su localización, añadir antígenos o encontrar inhibidores de esta enzima, consiguiendo en algunos casos que los fármacos se unan en el centro activo, pero todavía no se ha llegado a la solución final, ya que estos compuestos son difíciles de transportar desde el sistema circulatorio hasta el cerebro. (E. Hunt y J. Turner, 2009).

Figura 11: Dominio catalítico de la β-secretasa donde se observa la hendidura. Marcados de verde los residuos de Asp. Creada con Chimera. Código 1SGZ en PDB-101.

Papel biológico:

Esta proteína es conocida por su papel en la enfermedad del Alzheimer, pero además, también desempeña un papel fundamental en la función cerebral saludable, su función aún no ha sido definida, se piensa debido a estudios que se han hecho recientemente que su función podría tratarse de regulador en la sinapsis neuronal y la plasticidad neuronal. La proteína precursora amiloide (APP) se puede procesar para generar los péptidos β amiloides (Aβ), que se agregan para formar placas seniles.

La APP la encontramos expresada en muchas células y tejidos del organismo, algunas de las células en las que la podemos encontrar son las neuronas, las células musculares lisas de la pared vascular y las plaquetas.

La APP se lleva estudiando mucho tiempo y todavía no ha sido descubierta su función de manera concreta en la célula, la teoría más aceptada se basa en la idea de que la APP interviene como un receptor ligado a proteínas G de membrana, a través de estas proteínas de membrana envía señales químicas al interior de la célula. Otro aspecto aceptado es que la APP se encuentra más expresada en momentos de estrés celulaar aunque no se sabe a que se debe este aumento.

La proteína APP es sintetizada en el RER, esta debido al tráfico vesicular va a pasar por el aparato de Golgi donde se va a glicosilar y a empaquetar en vesículas de transporte atravesando el citoplasma hasta llegar a la membrana plasmática, en esta localización la proteína APP es procesada mediante la acción de diferentes proteasas, puede seguir distintos procesos que van a competir por la misma parte de la proteína.

Por una parte, la vía más común se da por la acción de la proteasa µ-secretasa, esta corta la APP liberando un fragmento extracelular el cual es soluble. En la membrana queda un fragmento integrado, este va a ser procesado mediante la acción de una segunda proteasa llamada g-secretasa que va a liberar la parte carboxilo terminal de la proteína en vesículas lisosomales para que se degraden posteriormente.

Esta vía explicada es la llamada vía no amiloidogénica ya que acción de la proteasa  µ-secretasa proviene de la formación del péptido Aβ, impidiendo la formación de depósitos.

Por otro lado, existe otra vía de procesamiento de la APP, mediante la acción de otra enzima llamada  ß-secretasa, esta proteasa va a cortar la proteína APP liberando un fragmento carboxilo terminal más largo, que va a ser procesado por la  lamda-secretasa, liberando el péptido  Aβ, este péptido va a tener una solubilidad limitada y puede formar autoagregados que forman fibrilas insolubles que más adelante darán lugar a las placas amiloides insolubles. (Dra Menéndez et al. 2002)

Implicaciones biomédicas, la EA:

Como hemos explicado anteriormente, la APP es conocida por ser la molécula precursora del β-amiloide, un péptido de 42 aminoácidos, principal componente de las placas amiloideas presentes en el tejido cerebral de pacientes que sufren la enfermedad de Alzheimer, (EA o AD en inglés) representa una de las patologías neurodegenerativas con mayor incidencia entre las personas mayores de 65 años (ver apartado de estadística). Las neuropatologías más relevantes son: la acumulación de proteínas agregadas en forma de péptidos β-amiloide (Aβ) y de ovillos intraneuronales neurofibrilares compuestos por la proteína Tau, relacionada con la unión de los microtúbulos, permitiendo el transporte de la carga desde el soma (cuerpo de la neurona) hasta el axón o al revés (Journal of Neuroscience, 4 January 2017), que al hiperfosforilarse,  produce un bloqueo en este transporte que induce a la pérdida de sinapsis y la muerte neuronal selectiva en regiones del cerebro responsables de la memoria y el aprendizaje.

Como consecuencia, los pacientes de EA sufren pérdidas de memoria y de capacidad cognitiva, cambios de personalidad y, finalmente, demencia. A nivel macroscópico se observa una disminución del volumen cerebral y una dilatación de las cavidades ventriculares, manifestándose sobre todo en las áreas del cerebro más vulnerables a la patología: corteza entorrinal, hipocampo y áreas neocorticales. A nivel microscópico aparecen agregados insolubles de las proteínas Aβ y Tau. Las placas de Aβ, localizadas extracelularmente, están principalmente formadas por agregados de esta proteína, que son producto de escisión de la APP, como hemos explicado en los apartados de estructura y APP al detalle. Los péptidos Aβ dañan las células nerviosas y conllevan la muerte.

En un estudio realizado con ratones que carecían de esta proteína durante el desarrollo, se ha visto como resultado una malformación de las regiones implicadas en aprendizaje y memoria, por lo que mostraron un comportamiento similar al autista. Este experimento fue realizado por la bióloga molecular Prof. Dr. Ulrike Müller de la Universidad de Heidelberg.

Además, los pacientes con SD (síndrome de Down), quienes padecen de una trisomía del cromosoma 21 (T21) desarrollan los signos neuropatológicos específicos de la Enfermedad de Alzheimer mucho más temprano de lo que ocurre en personas sin SD. La copia triplicada del gen de la APP, cuyo locus se encuentra en 21q21, sería la causa de este fenómeno (Jesús Flórez, Página web DownCiclopedia, 2016) (Figura 12).

Figura 12: Mapa genético que indica algunos de los genes presentes en el cromosoma 21 humano (HSA) y sus correspondencias con los cromosomas 10,16 y 17 del ratón (MMU). (Reeves et al., 2001).
Vídeo en español de la EPAD (Proyecto de investigación europeo de prevención de la demencia de Alzheimer). Explica lo que se conoce sobre la beta amiloide y cómo se relaciona con la demencia y anima a la población a que se someta al estudio. Ver de los segundos 0:37″-2:10″ en referencia a la proteína amiloide.

Enfermedades relacionadas además de la Enfermedad del Alzheimer:

El péptido Aβ en su forma insoluble, es tóxico para las neuronas y provoca efectos tróficos sobre las células gliales. Los depósitos de autoagregados producidos desde el péptido Aβ desencadenan la respuesta inflamatoria y la liberación de citoquinas durante la etapa inicial de esta respuesta inflamatoria conduciría a una mayor acumulación de Aβ.

Tras haber inyectado la proteína Aβ en el hipotálamo y el tálamo anterior de una rata se han encontrado alteraciones y modificaciones negativas de los sistemas de neurotransmisión. El efecto más significativo que se ha producido es la perdida o disminución de la inmunoreactividad ante la acetilcolin-transferasa en la corteza del cerebro y en el hipocampo, también se ha generado una pérdida neuronal en las estructuras del cerebro basal.

Gitter et al. estudiaron el efecto en la secreción de proteínas de fase aguda mediante un modelo de astrocito humano, el astrocito fue incubado con Aβ.

Se realiza un estudio que observa el efecto en la secreción de proteínas de fase aguda y se obtienen incrementos en la secreción de alfa-1-antiquimotripsina (µ-ACT), una gran estimulación en la producción de interleukina-8 (IL-8) y una significante reducción en los niveles de APP. Los resultados que se obtienen dan a entender que el Aβ interviene en la neuropatología de la Enfermedad del Alzheimer ya que disminuye de manera considerable la producción de  µ-PPA que es neuroprotectora e incrementa los niveles de APP de la célula, lo que fomenta la formación del péptido Aβ. (Gitter et al.)

Se sabe que el péptido amiloide se une a los receptores específicos de la neurona, y estos se van a encargar de integrar e ingerir las proteínas alteradas. La unión realizada de las proteínas a los receptores induce la formación de los radicales libres, que son sustancias tóxicas y provocan daños en la membrana neuronal y en el ADN mitocondrial, además, hacen a las neuronas más propensas y expuestas a la alteración provocada por el aminoácido excitalario glutamato. (Dra Menéndez et al. 2002)

Por otra parte, cabe mencionar la amiloidosis, que es una enfermedad poco común que se produce cuando la proteína APP se acumula en los órganos (corazón, riñones, hígado…) e interfiere en su funcionamiento normal. Este amiloide se puede formar a partir de diferentes tipos de proteínas.

Existen varios tipos de esta enfermedad: la Amiloidosis (AL), que es la amiloidosis de cadenas ligeras de inmunoglobulina, la Amiloidosis AA que suele ser provocada por una enfermedad inflamatoria, la Amiloidosis hereditaria, la Amiloidosis de tipo salvaje, la Amiloidosis localizada…

Otro aspecto a destacar de la amiloidosis son los factores de riesgo que aumentan la probabilidad de padecer esta enfermedad, por ejemplo, la edad (60-70 años), el sexo (más común en hombres), presencia de otras enfermedades (hay algunas que fomentan la probabilidad de padecer amiloidosis), antecedentes familiares (ya que puede ser hereditaria), raza (las personas africanas presentan mayor probabilidad de poseer una mutación genética asociada a la amiloidosis), etc.

Estadísticas:

Según un Informe de la fundación española del cerebro sobre el impacto social de la EA y otros tipos de demencia se llegó a la conclusión de que en gran parte de los estudios realizados en población mayor de 65 años los casos de Alzheimer oscilan entre el 4% y el 9%. También observamos que en casi todos los grupos de edad, las mujeres tienen predominancia al Alzheimer.

Estudios realizados en España muestran que las tasas de incidencia de la EA son similares a las de otros países europeos llegando a la conclusión de que el Alzheimer es la causa de demencia con mayor incidencia (entre el 50% y el 70% del total).

Durante los últimos años algunos estudios epidemiológicos demostraron que hay una ligera reducción de las tasas de incidencia de demencia específica en algunos países como Suecia, Holanda, Reino Unido y Estados Unidos. Dicha reducción es pequeña y no se detecta en todos los estudios, pero nos da una esperanza, ya que podría deberse a que hemos conseguido una mejora en los últimos años en la condiciones de salud, dieta, nivel educativo y control de factores de riesgo vascular. A pesar de que los casos de EA se han reducido con los años es muy probable que en gran parte de los países aumente al haber un incremento de la esperanza de vida.

A continuación vemos una tabla sobre la incidencia de demencia en diferentes estudios epidemiológicos, realizados en España y otros países.

Figura 13: Tabla impacto social de la EA. (Informe de la Fundación del Cerebro)

Bibliografía:

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-C. E. Hunt and A. J. Turner (2009) Cell biology, regulation and inhibition of beta-secretase (BACE1). FEBS Journal 276, 1845-1859. https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1742-4658.2009.06929.x

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-Gra Menéndez, S., Padrón Pérez, N., & Llibre Rodríguez, J. D. J. (2002). Péptido beta amiloide, proteína Tau y enfermedad de Alzheimer. Revista Cubana de Investigaciones Biomédicas21(4), 253-261. http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S0864-03002002000400006&script=sci_arttext&tlng=en

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-Valentina Lacovich, Sonia L. Espindola, Matías Alloatti, Victorio Pozo Devoto, Lucas E. Cromberg, Mária E. Čarná, Giancarlo Forte, Jean-Marc Gallo, Luciana Bruno, Gorazd B. Stokin, M. Elena Avale and Tomás L. Falzone. Tau Isoforms Imbalance Impairs the Axonal Transport of the Amyloid Precursor Protein in Human Neurons. Journal of Neuroscience 4 January 2017, 37 (1) 58-69;  https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2305-16.2016

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