PROTEÍNA PRIÓNICA

Blanca Jiménez, Ángel Galeano, Beatriz García

Biología Sanitaria UAH

INTRODUCCIÓN

Stanley Prusiner, científico californiano, comprobó la presencia en la totalidad de los organismos de una proteína con una secuencia de aminoácidos idéntica, a la que llamó prión (Eigen M et. Al, 2001). PrPc es el nombre escogido para designar esta proteína, mientras que las siglas PrPsc designan la variante patológica infecciosa. Estas dos variantes difieren en el plegamiento de la estructura primaria (constituida por una secuencia de aminoácidos). Esta última es la causante de la enfermedad mortal conocida como Encefalopatía Espongiforme Bovina, o vulgarmente designada como enfermedad de las vacas locas.

Todo ello se ha demostrado en una serie de experimentos en los que se inyectaron diferentes cantidades de PrPSC en animales. Una de las mejores propuestas a favor de la hipótesis de Prusiner sobre las enfermedades priónicas fue aportada por Charles Weissmann y sus compañeros, de la Universidad de Zurich, impidiendo en consecuencia la síntesis de la proteína PrPc y así se observó que no se producía infección alguna. Las enfermedades infecciosas siempre habían sido atribuidas a otros agentes reproducibles, hasta el descubrimiento de las infecciones causadas por la PrPsc.

Además, Stanley Prusiner propuso un mecanismo para la transformación de PrPc a PrPsc. Esto se producía debido a que la PrPc es una proteína intrínsecamente desordenada y al unirse a la proteína patológica le transmitiría su anomalía. Este mecanismo correspondería a la autocatálisis directa de una transformación estructural.

DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA PRIÓNICA

La proteína priónica PrPc (sin modificación infecciosa), presenta una estructura secundaria conformada por hélices alfa solubles y una pequeña porción de láminas β. Esta estructura variará al transformarse en la variante infecciosa. A continuación, se muestra un fragmento de la proteína priónica bovina antes de sufrir ninguna modificación (imagen 1). Ambas estructuras representan esta proteína desde distintas perspectivas. En azul oscuro se observan dos pequeños fragmentos de las laminas β y en un tono más claro las hélices alfa solubles. Se observa claramente la diferencia de proporción entre ambos plegamientos, lo que está estrechamente relacionado con las propiedades de la variante.

Imagen 1 creada a partir de PDB 1DWY: muestra la estructura secundaria del prión bovino
Imagen 2 creada a partir de PDB 1DWY: muestra la superficie de la proteína PrPc, cuya estructura ha sido explicada anteriormente. Los diferentes colores marcan la diferencia de dominios proteicos.

Las enfermedades priónicas se producen debido al cambio conformacional de una glicoproteína conocida como PrPc, cuya estructura es α-helicoidal, monomérica y sensible a proteasas. Esta proteína se encuentra en la superficie celular de las células, sobre todo de las neuronas (Holger et. al 2018). Después se produce su isoforma infectiva (en ausencia de ácidos nucleicos) PrPsc, rica en laminas β, agregadas y resistente a proteasas. Además, la proteína está conformada principalmente por lípidos específicos y poliglucosa (Boletín médico británico, 2003).

La siguiente imagen (imagen 2) muestra la proteína priónica y su variable infecciosa, que se diferencian claramente en su estructura, ya que la PrPc (imagen de la izquierda) presenta dos hélices alfa, mientras que la PrPsc (imagen de la derecha) además de presentar alfa hélices, manifiesta la nueva aparición de una beta hélice, dominio insoluble que favorecerá la enfermedad.

Imagen 3 obtenida de Mayo Foundation for Medical Education and Research

PrPsc (Holger et. al 2018) es una variante plegada de la proteína priónica celular (PrPc), proteína regular unida a GPI en la superficie celular. La definición de la estructura de la proteína patógena se resistió a los estudios debido a su insolubilidad y propensión a agregarse. Sin embargo, gracias a técnicas como la microscopía crioelectrónica, estudios espectroscópicos y con alta resolución por análisis de RMN se definió su estructura como un solenoide β (Wasmer et .al, 2009) de cuatro peldaños. Aunque aún se desconoce en gran proporción su estructura, los conocimientos adquiridos proporcionan un marco molecular para la propagación autocatalítica que conforma el pliegue alternativo (Ross et .al, 2005).

El cambio se produce en la estructura terciaria debido a la formación de agregados amiloides insolubles, que precipitarán dando lugar a las distintas patologías. Los amiloides patológicos (Wickner et.al, 2010) surgen del plegamiento incorrecto de proteínas (como se explica detalladamente en el siguiente vídeo), se ha descubierto una clase funcional, con dominios formadores de amiloide. Todo ello se traduce en trastornos neurodegenerativos y distintas enfermedades. Este vídeo explica el plegamiento anormal explicado anteriormente de la variante infecciosa en las neuronas (tejido más propenso a sufrir la formación de agregados insolubles).

Vídeo obtenido de https://www.youtube.com/watch?v=a7wOprWcYXA

PROPORCIONES ESTRUCTURALES

La PrPc (proteína no patológica) posee un porcentaje del 40% en hélices alfa y una pequeña proporción de estructuras betas insolubles (como se muestra en la estructura representada a la izquierda en la imagen 3). Sin embargo, la proteína infecciosa PrPsc (representada en la estructura derecha de la imagen 3) tiene un menor porcentaje de hélices alfa (30%) y una mayor proporción de láminas beta (45%). El mayor problema que presenta este plegamiento erróneo es la falta de respuesta inmune, ya que esta es muy débil.

Imagen 4 obtenida de https://cienciadelatierra.wordpress.com/especiales/formas-acelulares/priones/introduccion-general/

ENFERMEDADES PRIÓNICAS

Como se nombra anteriormente, la variante infecciosa provoca una famosa enfermedad, la encefalopatía espongiforme bovina y humana. En los humanos se generan enfermedades de aspecto temporáneo como la enfermedad de Creutzfeldt Jacob, cuya modificación genera la enfermedad de Gerstmann – Sträussler – Scheinker; así como otras patologías (insomnio familiar fatal y enfermedades adquiridas como Kuru).

Este tipo de enfermedades se transmiten por contacto de la proteína infectada con una que no lo está. Esto se produce al ingerir determinados alimentos, al rasgar la piel, el uso de instrumental contaminado, el trasplante corneal o la donación de sangre entre otros. Las patologías anteriores generan una serie de síntomas como la depresión, cambios de humor, señales neurológicas como espasmos musculares o anomalías al andar. Conforme avanza la enfermedad se pierde la capacidad de comunicación hasta entrar en un estado vegetativo, que finaliza con la muerte tras 14 de meses desde la detección del primer síntoma.

Cuando la PrPsc es expuesta a un ambiente húmedo y caluroso, se eliminan gradualmente los microorganismos; cuya finalización es la descomposición (desnaturalización) y coagulaciones proteicas. Esta proteína es capaz de desplegarse dentro del hospedador causando lesiones espongióticas y también se transmite de un hospedador a otro, tras un largo período de incubación.

Por otro lado, los virus y viroides resisten ante inactivadores de los ácidos nucleicos, pero comparten con éstos la existencia de una variabilidad de inóculos dentro de la misma especie (diferenciables por el patrón de la lesión y la magnitud del tiempo de incubación) y de una infectividad sujeta a barrera de especie (Chandler et. al, 1961).

La búsqueda de este agente expuso la proteína PrPsc (proteína del prión Scrapie) como elemento mayoritario y reveló la falta de un ácido nucleico (Prusiner, et.al 1982). Después de gran cantidad de estudios e investigaciones se determinó la definición de prion (Wicker y Masison et.al, 1996): se conoce como prión a la estructura alterada de la proteína celular funcional PrP que ha perdido su función habitual, pero es capaz de transformar la forma normal en infecciosa.

En las células nerviosas, neuronas, la PrPc es llevada por los axones a las terminaciones nerviosas (como se muestra en la imagen 4). Gracias a estudios de inmunocitoquímica se observó la presencia de PrPc en terminaciones del bulbo olfatorio y otras estructuras límbicas. Todo ello lleva a pensar que presenta relación con el proceso de sinapsis.

Imagen 5 obtenida de https://www.infobioquimica.com/new/2016/07/15/novedades-sobre-las-enfermedades-prionicas-de-los-animales-y-el-hombre/

FASES DE LA PATOGÉNESIS PRIÓNICA

La patogénesis de los priones es un proceso complejo que puede dividirse en las siguientes fases:

  • Infección y replicación en los tejidos periféricos. Los tejidos que actuarán como vectores de transmisión se contaminan y el prión se replica.
  • Entrada por vía oral y transporte al sistema nervioso central. La entrada de PrPSc por vía oral es capaz de iniciar la reacción de cambio conformacional, convirtiendo las moléculas de PrPc intestinales en más PrPsc, que invade entonces los nervios periféricos cercanos, que también expresan PrPc, con lo cual se va propagando hasta que llega al sistema nervioso central.
  • Neurodegeneración. Muchas de las patologías neurodegenerativas suponen el procesamiento anormal de proteínas neuronales y la acumulación de proteínas que presentan un plegamiento incorrecto. La neurodegeneración producida por los priones es un proceso multifactorial que involucra acumulación de proteínas anormales en amiloides y agresomas, estrés oxidativo y apoptosis.

TIPOS DE ENFERMEDADES Y MECANISMO DE ACCIÓN

Las enfermedades infecciosas por priones pueden ser adquiridas, esporádicas o hereditarias. Las enfermedades hereditarias se deben a mutaciones codificantes en el gen de la proteína priónica PrP.

Los priones infecciosos quedan formados por una isoforma anormal de una glicoproteína sensible a las proteasas, codificada por el huésped, la proteína priónica (PrP C ). La forma asociada a la enfermedad, PrP Sc, deriva de PrP C por un mecanismo postraduccional que implica un cambio conformacional convirtiéndola en una proteína insoluble y resistente a las proteasas.

Realmente no se comprende el mecanismo exacto de conversión de PrP C en PrP Sc , se cree que E200K (imagen 6) y otras mutaciones patogénicas en PRNP podrían predisponer a la PrP C mutante a la conversión espontánea a la isoforma de la enfermedad (J Collinge, M.S Palmer,1992) . La imagen 5 representa el modelo de la estructura α–hélice de PrPc y la estrcutura de lámina β de la forma PrPsc  implicadas en las enfermedades priónicas.

 

Imagen obtenida de PDB 1FKC: muestra la variante mutante E200K en un fragmento de proteína priónica humana. Además, se muestran los secuencias de glutamato, que produce la mutación.

Imagen 6 obtenida de PDB 1FKC. Muestra la estructura de la variante mutante E200K en el prión humano. El glutamato, productor de esta variable, se encuentra remarcado en un color más claro.

Las enfermedades hereditarias priónicas tienen un inicio tardío. Sin embargo, el inicio de la enfermedad así como la susceptibilidad a heredarla puede venir determinada por el polimorfismo común en el codón 129 del gen PrP humano (PRNP), donde se puede codificar la metionina (M) o la valina (V). La función celular precisa de PrP C sigue siendo difícil de identificar.

TIPOS DE MUTACIONES

En este caso nos centraremos en dos tipos de mutaciones: por sustitución y por duplicación.

Por sustitución:

Al clasificar las mutaciones según el material genético afectado podemos encontrar las mutaciones por sustitución, que se producen debido a un cambio de bases y pueden ser transiciones (cambio de bases del mismo tipo) o transversiones (cambio de una base pirimidínica por una púrica y viceversa). En este caso, la mutación en la que nos centramos es la sustitución de lisina (secuencias marcados en azul en la imagen 7) por glutamato en el codón 200 (E200K), cuya estructura se muestra en la imagen 8, haciendo una comparación con la proteína no mutante. Es una de las más prevalentes, siendo responsable de la alta incidencia de la enfermedad de Creutzfeld-Jakob y Gerstmann- Straussler-Scheinker (cuya proteína se muestra en la imagen 6) entre judíos libios y en áreas de Eslovaquia y Chile y es reconocida en muchos países.

Imagen 8 obtenida de PDB 1KKC y 1QM0: la variante E200K, representada en azul y la proteína priónica sin variación, representada en rosa.


Imagen 7 creada a partir de PDB 1QM0: muestra las regiones de lisina de la proteína priónica humana antes de sufrir mutaciones.

Alrededor de 30 mutaciones en el gen PrP ( PRNP ) se han asociado con formas heredadas de la enfermedad priónica humana (enfermedad de Creutzfeld-Jakob), (J Collinge, 2001). 

Por duplicación:

Cuando la mutación se extiende a varios genes de un cromosoma de manera que un fragmento aparece repetido hablado de duplicación. Este tipo de mutación presenta relación con la enfermedad de la encefalopatía espongiforme transmisible y con la enfermedad de Creutzfeld-Jakob en humanos.

En este caso, el extremo N de PrPC tiene cinco copias de una secuencia repetida de ocho aminoácidos (repetición de octapéptidos). La presencia de una a nueve copias adicionales de este motivo se asocia con una forma hereditaria de la enfermedad de Creutzfeld-Jakob (CJD) en humanos, así como con la encefalopatía espongiforme transmisible.

Un número creciente de repeticiones de octapéptidos se correlaciona con la aparición más temprana de CJD, lo que sugiere que la velocidad a la que PrPC se pliega incorrectamente en PrPSc puede verse influenciada por estas mutaciones, es decir, que aumenta la tasa de formación de proteínas priónicas resistentes a la proteasa. 

Se ha sugerido que las mutaciones en el gen PrP hacen que un organismo sea más susceptible a la enfermedad encefalopatía espongiforme transmisible al causar interacciones disfuncionales entre PrP C y moléculas como chaperonas (DebBurman, et al. 1997) o iones de cobre (Brown, et al. 1997), o aumentando la población de especies parcialmente desplegadas necesarias para la formación de PrP Sc.

Estudios en ratones transgénicos que contienen genes PrP con cuatro o nueve repeticiones de octapéptidos adicionales desarrollaron neurodegeneración progresiva, lo que sugiere que además la mutación es neurotóxica (Chiesa et. al, 1998; Harris et al. 2003).  Ninguno de los estudios realizados hasta ahora, in vitro o con ratones transgénicos, han podido demostrar que en ausencia de la enfermedad encefalopatía espongiforme transmisible, los mutantes de inserción de PrP C se replieguen espontáneamente en PrP Sc y produzcan infectividad de TSE.

CONCLUSIÓN

La proteína priónica designada como PrPc sufre mutaciones que dan lugar a una proteína anómala de carácter infecciosa. Esta proteína, designada como PrPsc difiere en su estructura con la PrPc, ya que al presentar un dominio beta insoluble más amplio produce la precipitación de péptidos amiloides que dan lugar a las distintas enfermedades, mayoritariamente neurodegenerativas. Estas enfermedades además, son de carácter contagioso puesto que la estructura anómala se transmite de una proteína a otra.

REFERENCIAS