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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Nalivaeva NN, Turner AJ. The amyloid precursor protein: a biochemical enigma in brain development, function and disease. FEBS Lett. 2013 Jun 27;587(13):2046-54. doi: 10.1016/j.febslet.2013.05.010. Epub 2013 May 16. PMID: 23684647

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Setó-Salvia, N., & Clarimón, J. (2010). Genética en la enfermedad de Alzheimer. Revista de Neurología, 50(6), 360-364.

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Vallés-Saiz, L. (2022). Nuevas funciones para la proteína tau en el Sistema Nervioso Central y tejidos periféricos.

Creado por: Lucía Fernández López, Paula de la Fuente Méndez y Andrea García Berrocal

Índice

1.Introducción

2.Origen y papel biológico

3.Isoformas, estructuras y mecanismo

4.Papel biomédico

5.Referencias

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1.INTRODUCCIÓN

La β-amiloide es un péptido procedente del corte de la proteína APP. Se encuentra presente como un monómero, de peso molecular 4 kDal. En procesos normales se va a localizar circulando por el líquido cefalorraquídeo y en la sangre, pero en una situación patológica se encuentra formando depósitos en el cerebro, normalmente en la región del hipocampo o en el neocórtex.

Va a ser la responsable de una serie de enfermedades neurodegenerativas como son el Alzheimer o el Párkinson, entre otras. 

Lo mencionado anteriormente junto con las funciones y la estructura del péptido será detallado en el artículo que se presenta a continuación.

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2.ORIGEN DEL PÉPTIDO  β-AMILOIDE

El péptido β-amiloide se forma a partir de la proteólisis de la proteína precursora amiloide, también conocida como APP. Esta proteína se encuentra insertada en la membrana plasmática, gracias a su dominio transmembrana, donde es procesada por las enzimas alfa, beta y gamma secretasa. Dependiendo de las enzimas que actúen se puede dar lugar a dos rutas:

RUTA NO AMILOIDOGÉNICA (predominante) 

Esta ruta es la predominante y en ella no se produce el péptido β-amiloide.

La  α-secretasa corta a la APP por los aminoácidos 687-688, generando dos fragmentos: uno llamado (s)APPα soluble (donde se encuentra el dominio N-terminal) y que queda en el espacio extracelular y otro fragmento carboxi-terminal llamado C83, con 83 aminoácidos, que quedará insertado en la membrana. 

Posteriormente, la γ-secretasa realiza otro corte, en los aminoácidos 712/714/715, generando el péptido p3 (que saldrá al espacio extracelular) y el fragmento γ-CTF (que quedará en el intracelular). 

RUTA AMILOIDOGÉNICA 

En esta ruta, y gracias a la acción de dos secretasas, se produce el péptido β-amiloide.

La β-secretasa se encarga de cortar a la APP por los aminoácidos 671/672, produciendo dos fragmentos distintos a los anteriores: el fragmento (s)APPβ soluble (donde se encuentra el dominio N-terminal) que se libera al espacio extracelular y otro fragmento carboxi-terminal llamado C99, esta vez con 99 aminoácidos, que quedará insertado en la membrana, al igual que ocurría en la vía no amiloidogénica.

Este fragmento C99 será cortado por la enzima γ-secretasa, produciendo el péptido β-amiloide (Aβ), que saldrá al espacio extracelular y el fragmento γ-CTF, que será transportado al núcleo pudiendo actuar como factor activador de la expresión de determinados genes. 

Figura 1. Procesamiento de la APP mediante la ruta no amiloidogénica y la ruta amiloidogénica. Imagen creada por Paula de la Fuente Méndez, a través de BioRender.

PAPEL BIOLÓGICO

FUNCIONES DEL PÉPTIDO β-AMILOIDE

El péptido β-amiloide además de ser uno de los responsables del Alzheimer, desarrolla una serie de funciones en el cuerpo que no están relacionadas con dicha enfermedad.

Se encarga de promover tanto la proliferación celular, como la adhesión entre células; interviene en vías de señalización tales como la activación de las MAP quinasas; en condiciones fisiológicas protege y evita la muerte de las neuronas; desarrolla una función autocrina y antimicrobiana.  Además, se ha propuesto su posible labor ayudando al transporte del colesterol y en los canales de KCa.

ESTRÉS OXIDATIVO

El estrés oxidativo es un proceso debido al incremento excesivo de especies reactivas  (conjunto de radicales libres)  que tiene como efecto una pérdida de la funcionalidad en la célula por el daño producido por la oxidación.

La β-amiloide es responsable de generar radicales libres (15), que producen la oxidación de los elementos que se encuentran en el cerebro, muy sensible al estrés oxidativo debido a la gran cantidad de glucosa, ácidos grasos, enzimas y a la insuficiencia de antioxidantes en él. Tiene entre otras consecuencias que las ATPasas, las vías de señalización y los factores de transcripción no tengan una correcta actividad, dando lugar a la pérdida de la homeostasis. 

Cabe destacar que los radicales libres aún con el daño que producen, desarrollan funciones en la célula como la protección inmunológica o la expresión de genes.

El estrés oxidativo promueve la formación de agregados (15), es decir, la unión de β-amiloides mal plegadas. Sin embargo, no se sabe con certeza si es uno de los responsables del inicio del Alzheimer o el resultado del mismo. 

La importancia de la oxidación de los componentes del cerebro se ha demostrado sometiendo a neuronas a estrés oxidativo, dando como resultado una disminución en la producción de ATP (debido a las ATPasas de señalización) y un aumento de calcio (por la función de los canales Ca-K) (16). Esto desemboca en una situación excesivamente inestable, siendo la solución la apoptosis de la célula. 

DAÑO TRAUMÁTICO

Al producirse un traumatismo se genera estrés oxidativo, produciendo una disminución en la eliminación del péptido β-amiloide. Al disminuir su eliminación, se va a tender a la formación de las placas amiloides. Por esta razón, aumenta de una manera más significativa la isoforma Aβ_1-42 (la que crea dichas placas), aunque también se produce un aumento de la isoforma Aβ_1-40 (15). Las placas van a tener una relación inversamente proporcional con el estrés oxidativo, van a hacer que este disminuya, y con ello disminuye el daño citoplasmático.

RECEPTORES β-AMILOIDE

LRP y el receptor Scanvenger (RS) son una serie de receptores que están relacionados con la toxicidad de la beta amiloide

LRP

El LRP1, regulado por la α2-macroglobulina, se encarga de endocitar y degradar el péptido β-amiloide. Sin embargo, en una situación patológica donde se produzca este péptido en exceso, LRP1 no va a poder llevar a cabo la endocitosis, por lo que se producen patologías.

Dentro de la familia de los LRP, también se encuentra la glicoproteína 330 (LRP2) que se encarga del transporte de un complejo, resultado de la unión de la beta amiloide y uno de sus ligandos: la ApoJ. 

Receptor Scanvenger (RS)

Por último, resalta la posible importancia del receptor Scanvenger (RS). Se ha demostrado su incremento en los cerebros de las personas que sufren la enfermedad del Alzheimer y en un experimento realizado sobre ratones (1), donde se demostró la necesaria presencia de β-amiloide, sugiriendo que ayuda a la actividad neuronal hasta el momento en el que se produce la adhesión entre fibrillas.

Este receptor facilita la adhesión de fibrillas y controla otros procesos relacionados con la β-amiloide, como su endocitosis y degradación. Además, se ha demostrado en otro estudio la relación de este receptor con el estrés oxidativo, observándose la reducción del RS. De esta manera, se produce la pérdida de la capacidad de endocitar el péptido, pudiendo ser el responsable de la acumulación de agregados.

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3.ISOFORMAS, ESTRUCTURA Y MECANISMO

ISOFORMAS

Dependiendo del número de residuos de aminoácidos que tenga el péptido β-amiloide, se pueden generar distintas isoformas, siendo las más comunes la Aβ_1-40, con 40 residuos, y la Aβ_1-42 , con 42 residuos. Ambas isoformas son neurotóxicas, pero van a presentar diferencias con respecto a su metabolismo, funciones, toxicidad y a la forma de agregarse.

La isoforma Aβ_1-40 se encuentra en mayor concentración en los vasos sanguíneos del cerebro, produciendo la angiopatía amiloide cerebral, de la que se hablará más tarde en este artículo. 

La isoforma Aβ_1-42 es menos soluble, con un fragmento C-terminal más estructurado y va a tender a agregarse de una manera más rápida para formar las placas amiloides, es decir, agregados que han precipitado en el espacio intercelular (entre neuronas). Esta isoforma, por tanto, se encuentra en el cerebro en mayor concentración que en la sangre.

Además de esas, podemos distinguir otras isoformas como pueden ser la β-amiloide-25, β-amiloide-35 y β-amiloide-38 con 25, 35 y 38 residuos respectivamente (13).

Aβ_1-40

Figura 2. Vídeo de la estructura de la Aβ_1-40 realizado con ChimeraX, basado en PDB 1BA4, obtenido de protein data banc. En el primer vídeo se observan en rosa las hélices α, mientras que en verde se ven los bucles (coils). Vídeo creado por Paula de la Fuente Méndez.

Aβ_1-42

Figura 3. Vídeo de la estructura de la Aβ_1-42 realizado con ChimeraX, basado en PDB 1IYT , obtenido de protein data banc. En el segundo vídeo se observan también las hélices α, mientras que en verde se ven los bucles (coils). Vídeo creado por Paula de la Fuente Méndez.

ESTRUCTURA

El péptido β-amiloide, cuando se encuentra aislado, no tiene estructura terciaria compacta, ya que es intrínsecamente desestructurado. Además, gracias a varios estudios realizados mediante Resonancia Magnética Nuclear y dinámica molecular (5), se sabe que tampoco tiene una estructura secundaria significativa, pero sí cuenta con una estructura en espiral.

En el caso de que el péptido β-amiloide se encuentre formando agregaciones, es decir, que las hélices alfa hayan pasado a láminas beta y se hayan pegado unas a otras, los residuos 18 a 40 o 42 (dependiendo de la isoforma) van a formar un motivo β-lámina – giro – β-lámina a través de dos láminas beta paralelas, mientras que el resto de residuos se encuentran desordenados.

Figura 4. Vídeo del motivo β-lámina – giro – β-lámina realizado con ChimeraX, basado en PDB 2BEG, obtenido de protein data banc. Se observa el motivo formado entre los aminoácidos 18-42. Vídeo creado por Paula de la Fuente Méndez.

MECANISMO DE FORMACIÓN DE PLACAS

El péptido β-amiloide, puede plegarse de varias formas. En el caso de hacerlo correctamente, se pliega formando una α-hélice, que es una forma soluble y que se puede eliminar.

Sin embargo, este péptido tiene tendencia a plegarse de forma incorrecta. Esto se debe a que los anillos aromáticos de los residuos del péptido, orientados el uno al otro, tienden a solapar sus orbitales  (“stacking”) y a pegarse entre ellos. Esto obliga a que cambie la estructura a β-láminas, en las que los anillos aromáticos estabilizan la estructura. Al cambiar la estructura de un péptido, por efecto amplificador, los β-amiloide cercanos también cambian su estructura a láminas beta.

Estos péptidos tienden, por tanto, a agregarse y polimerizarse, formando consecutivamente oligómeros, protofibrillas y fibrillas que darán lugar a las placas amiloides, unas estructuras insolubles que se depositan fuera de las células. 

Figura 5. Vídeo de las fibrillas creadas por la Aβ_1-42 realizado con ChimeraX, basado en PDB 2MPZ, obtenido de protein data banc. Vídeo creado por Paula de la Fuente Méndez.

También se pueden formar agregados no estructurados, donde las cadenas se unen unas con otras por la mala orientación de los anillos aromáticos de los residuos. Estos agregados no estructurados son estructuras insolubles, que precipitan, se acumulan y terminan destruyendo la célula.

En situaciones normales, la proteína ApoE actúa como chaperona, replegando correctamente el péptido, antes de que se formen las placas amiloides. Sin embargo, puede haber mutaciones en esta proteína, derivando en la formación de placas, ya que los péptidos no se pliegan correctamente. 

 Figura 6. Proceso por el cual el péptido β-amiloide forma oligómeros, protofibrillas y fibrillas. Creado con BioRender por Paula de la Fuente Méndez.

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4. PAPEL BIOMÉDICO

ENFERMEDADES

ALZHEIMER

El Alzheimer es un trastorno neurodegenerativo gradual. Esta enfermedad es la principal causa de demencia en personas mayores. Afecta, entre otras cosas, a la comprensión y a la memoria.

 Está relacionada con el péptido β-amiloide, ya que altera la sinapsis al fragmentarse las mitocondrias del cerebro y desemboca en la muerte de las neuronas. Esto se produce debido a la excesiva producción de óxido nítrico (un radical libre) por parte de este péptido. El óxido nítrico, al reaccionar con la DRP1 (dynamin related protein 1), hace que las mitocondrias del cerebro se fragmenten.

 El péptido β-amiloide, además, es el que forma las placas amiloides o las placas seniles, localizadas en el cerebro de las personas que padecen el Alzheimer. Estas placas también se encuentran en personas que padecen la enfermedad del Párkinson y la enfermedad de los cuerpos de Lewy, ambas resultando en demencias.

Es probablemente la producción de radicales libres en exceso la causa del Alzheimer, mientras que la agregación de las β-amiloide es una de las consecuencias. Hay mutaciones en la proteína APP que pueden provocar un aumento de la concentración de β-amiloide (un 10% son las personas que presentan la enfermedad de forma hereditaria). También puede haber mutaciones que favorezcan la vía amiloidogénica, de forma que se crea más péptido β-amiloide.

Los tratamientos existentes para el Alzheimer no frenan la enfermedad, únicamente disminuyen los síntomas que esta produce, mejorando la calidad de vida de las personas que la padecen.

Figura 7. Comparación entre un cerebro sano (izquierda) y uno afectado por Alzheimer (derecha). ISBN: 978-84-608-3354-3

Angiopatía amiloide cerebral

 El péptido β-amiloide, además de formar las placas seniles (Aβ_1-42), puede acumularse cubriendo las paredes de los vasos sanguíneos del cerebro (Aβ_1-40) y producen la angiopatía amiloide cerebral. Esta afección, además de demencia, causa un sangrado del cerebro. 

Además, la isoforma Aβ_1-40 se encuentra en el miocardio de las personas que padecen Alzheimer e insuficiencia cardiaca, por lo que hay una correlación entre la concentración de este péptido y los factores de riesgo de esta última enfermedad. Esto quiere decir que un aumento de la concentración de Aβ40 implica un aumento de los factores de riesgo. (11)

FÁRMACOS (INHIBIDORES)

Se ha intentado llevar a cabo una serie de fármacos cuyo objetivo sea la inhibición de la formación del péptido β-amiloide e incluso la inhibición de la agregación del mismo. 

INHIBIDORES DE LA β- SECRETASA (BACE1)

La enzima β-secretasa va a comenzar una de las rutas del procesamiento de la APP, la ruta amiloidogénica. A la hora de desarrollar inhibidores para la misma, hay que tener en cuenta que tiene otros muchos sustratos, por lo que su inhibición inespecífica puede tener los efectos contrarios. Otro factor que dificulta la creación de estos inhibidores es la propia estructura de la proteína: la β-secretasa forma parte de las aspartilproteasas, por lo que la molécula que se encargue de inhibirla tendría que ser grande e hidrofóbica, dificultando su paso por la barrera hematoencefálica. 

A pesar de esto, unos estudios recientes muestran que hay 2 inhibidores (E2609 y MK-8931) capaces de disminuir la producción de los niveles de β-secretasa en el líquido cefalorraquídeo entre un 80 y 90 %. (10)

INHIBIDORES Y MODULADORES DE LA γ- SECRETASA

La γ-secretasa, además de procesar la APP, se encarga de procesar múltiples proteínas más. Por lo que, al igual que sucede con la β-secretasa, a la hora de desarrollar inhibidores, hay que tener en cuenta que tiene otros muchos sustratos, por lo que su inhibición inespecífica puede tener los efectos contrarios.

Se desarrollaron una serie de fármacos como posibles inhibidores de la γ-secretasa como semagacestat (LY450139), (10) comprobándose que reducía los niveles del péptido β-secretasa en la sangre y en el líquido cefalorraquídeo. Sin embargo, no disminuía la progresión lenta de la enfermedad del Alzheimer. 

Se desarrollaron también una serie de moduladores selectivos de esta enzima, para poder impedir los efectos adversos que podrían causar los inhibidores. Estos moduladores bloquean a la enzima con respecto al procesamiento de la APP, pero no influye en otras vías de señalización que pueda llevar a cabo como es la Notch.

Uno de estos moduladores es el NIC5-15 (10) que va a inhibir a la  γ-secretasa sin interferir en Notch. Además, es un sensibilizador bastante potente de la insulina y se está investigando también su posible papel en la inhibición del proceso inflamatorio, más concretamente inhibiendo la activación de la microglía. 

Otro modulador de la γ-secretasa es CHF5074 (10) que es un derivado antiinflamatorio no esteroideo.

ACTIVACIÓN DE LA α-SECRETASA

Mediante la activación de la α-secretasa se pretende estimular la vía no amiloidogénica para que, de esta manera, no se lleve a cabo la vía amiloidogénica, evitando así que se produzca la formación del péptido β-amiloide. Aunque la mayoría de estos inhibidores están siendo probados aún en estudios clínicos.

El galato de epigalocatequina (EGCG) (10) es un flavonoide polifenólico que va a inhibir la producción de oligómeros tóxicos malformados de la β-amiloide y, además, va a activar a la α-secretasa.

Etazolato (EHT 0202) (10) impulsa la acción neurotrófica de esta enzima inhibiendo, además, la muerte neuronal producida por el péptido β-amiloide. 

La acitretina, (10) una de las funciones que tiene es activar la α-secretasa, activando la ruta no amiloidogénica de la APP en células de neuroblastoma y, además, va a reducir los niveles de β-amiloide en ratones transgénicos.

INHIBIDORES DE LA AGREGACIÓN

El objetivo del desarrollo de los inhibidores de las agregaciones de la β-amiloide es encontrar un péptido que se parezca a la isoforma Aβ_1-40 y que consiga retardar la agregación de la Aβ_1-42, ya que se ha demostrado que entre ambas isoformas va a haber una interacción que tiene la capacidad de regular el proceso de agregación de dicho péptido. 

En base a esto se han creado muchos inhibidores basados en la secuencia 17-21 de este péptido (considerado el centro de nucleación) ya que es considerada como una diana sobre la cual se van a dirigir los potenciales inhibidores de la agregación.

 

UTILIZACIÓN DE AMINOÁCIDOS SINTÉTICOS

Una de las numerosas técnicas que se han probado para reducir la toxicidad de la beta amiloide es el cambio de aminoácidos en el tramo hidrofóbico del péptido.

Existen una serie de residuos (G25 a G37) que promueven la agregación. El cambio por leucinas o glicinas previene la formación de dímeros, trímeros y fibrillas, además de la pérdida de la estabilidad de la estructura. 

De igual manera, la Metionina 35 es un residuo que interviene en el estrés oxidativo. Si es sustituido por valina, aumenta la toxicidad, mientras que si lo es por isoleucina o cisteína, disminuye.

Cabe destacar que en el laboratorio usualmente se utiliza el péptido beta amiloide 25-35, muy similar a las isoformas 40 y 42 del péptido, ya que comparten el mismo grado de toxicidad y capacidad de agregación pero es posible su producción de una manera menos costosa.

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5.REFERENCIAS

1. Abramov E, Dolev I, Fogel H, Ciccotosto , Ruff E y Slutsky I. (2009). “La proteína beta amiloide es esencial para la transmisión de la información entre neuronas”. Nat Neurosci 2009; 12: 1567-1576  https://neurologia.com/noticia/1916/la-proteina-beta-amiloide-es-esencial-para-la-transmision-de-la-informacion-entre-neuronas

2. Aguirre-Rueda, Diana. (2014). “Daño inflamatorio y estrés oxidativo en la Enfermedad de Alzheimer. Efecto de polifenoles y cannabinoides”. Tesis doctoral. DOI 10.13140/RG.2.1.5099.6080

3. Alvaro Barrera-Ocampo, Francisco Lopera. (2016). “Inmunoterapia beta-amiloide: ¿la esperanza para la enfermedad de Alzheimer?”. Colomb. Med. vol.47 no.4 Cali Oct./Dec. 2016. Disponible en: http://www.scielo.org.co/scielo.php?pid=S1657-95342016000400203&script=sci_arttext&tlng=es Download PDF: http://www.scielo.org.co/pdf/cm/v47n4/1657-9534-cm-47-04-00203.pdf

4. Ana Esther Estrada Rodríguez y Viviana Chantal Zomosa Signoret. (2017). “Papel de la agregación del péptido Beta Amiloide en la enfermedad de Alzheimer”. Revista de Educación Bioquímica (REB) 36(1):2-11 Download PDF: https://www.medigraphic.com/pdfs/revedubio/reb-2017/reb171b.pdf

5. Chen, Gf., Xu, Th., Yan, Y. et al. (2017). Amyloid beta: structure, biology and structure-based therapeutic development. Acta Pharmacol Sin 38, 1205–1235 https://doi.org/10.1038/aps.2017.28  Download PDF: file:///C:/Users/Admin/Downloads/aps201728-1.pdf

6. Cho D-H, Nakamura T, Fang J, Cieplak P, Godzik A, Gu Z y Lipton SA. (2004). “Las placas de proteína beta amiloide dispersan radicales libres que pueden dañar las neuronas”. Science 2009; 324: 102-105. Disponible en: https://neurologia.com/noticia/1485/las-placas-de-proteina-beta-amiloide-dispersan-radicales-libres-que-pueden-danar-las-neuronas
7. Cruz Gatell, Montserrat (2010). “Diseño, síntesis y evaluación de inhibidores de la proteína beta-amiloide. Desarrollo de un modelo de fibrilogénesis”. Tesis del Departament de Química Orgànica de la Universitat de Barcelona (UB). Disponible en: http://hdl.handle.net/10261/22990 Download Pdf: https://digital.csic.es/bitstream/10261/22990/3/Cruz_Montse_3.pdf

8. Dra. Silvia Gra Menéndez, Dr. Noel Padrón Pérez y Dr. Juan de Jesús Llibre Rodríguez (2002). “Péptido beta amiloide, proteína Tau y enfermedad de Alzheimer”. Rev Cubana Invest Bioméd v.21 n.4 Ciudad de la Habana oct.-dic. 2002. Disponible en: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0864-03002002000400006 Download PDF: http://scielo.sld.cu/pdf/ibi/v21n4/ibi06402.pdf 

9. Grégory A. García, Sergio Hernández V., Ómar Ramón M., Segundo A. Baez  y Ananías García C. (2007). “Biología y patobiología humanas del complejo de absorción y transporte epitelial megacubam”. Revista MED 15 (1): 94-104 Download PDF: http://www.scielo.org.co/pdf/med/v15n1/v15n1a11.pdf 

10. J. Folch, M. Ettcheto, D. Petrov, S. Abad, I. Pedrós, M. Marin, J. Olloquequi, A. Camins (2015)  “Review of the advances in treatment for Alzheimer disease: strategies for combating β-amiloide protein: Neurología (English Edition), Volume 33, Issue 1, January–February 2018, Pages 47-58”. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S021348531500064X Download PDF

11. Kimon Stamatelopoulos, Konstantinos Stellos (2017). “El amiloide beta (1-40) circulante predice eventos en pacientes con insuficiencia cardiaca”. Revista Española de Cardiología vol. 70, issue 11,pp: 905-906 Published by Elsevier. DOI: 10.1016/j.recesp.2017.05.019. Download PDF: https://www.revespcardiol.org/es-pdf-S0300893217303512

12. Qiu T, Liu Q, Chen YX, Zhao YF, Li YM. “Aβ42 and Aβ40: similarities and differences”. J Pept Sci. 2015 Jul;21(7):522-9. DOI: 10.1002/psc.2789. Epub 2015 May 28. PMID: 26018760. Disponible en: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26018760

13. Fuente: ABC, M.Lopez (2017). “Hallan cómo detectar precozmente el alzhéimer a partir de un simple análisis de sangre”. Disponible en: https://www.diagnosticsnews.com/noticias/27107-la-medicion-de-las-isoformas-de-la-proteina-beta-amiloide-en-la-sangre-hallan-como-detectar-precozmente-el-alzheimer-a-partir-de-un-simple-analisis-de-sangre

14.  Muñoz López, F. J. (2001). “El péptido β-amiloide: mecanismos de neurotoxicidad. Neuroprotección por antioxidantes y estrógenos” Rev Esp Geriatr Gerontol 36(2):109-116. Disponible en: https://www.elsevier.es/es-revista-revista-espanola-geriatria-gerontologia-124-articulo-el-peptido-amiloide-mecanismos-neurotoxicidad–S0211139X0174694X Download PDF: https://www.elsevier.es/es-revista-revista-espanola-geriatria-gerontologia-124-pdf-S0211139X0174694X 

15. Natalia Manzano-León y Jaime Mas-Oliva. (2006). “Estrés oxidativo, péptido β-amiloide y enfermedad de Alzheimer”:  Instituto de Fisiología Celular, Universidad Nacional Autónoma de México. México D.F., México. Download PDF:  https://www.scielo.org.mx/pdf/gmm/v142n3/v142n3a9.pdf

16. Pacheco Jenkins, C. (2009).”Efecto del stress metabólico sobre la susceptibilidad celular frente a la formación de canales iónicos y efectos citotóxicos generados por los péptidos amiloides”.  Disponible en: https://repositorio.uchile.cl/handle/2250/133177 Dowload PDF: https://repositorio.uchile.cl/bitstream/handle/2250/133177/Efecto-del-stress-metab%c3%b3lico-sobre-la-susceptibilidad-celular-frente-a-la-formaci%c3%b3n-de-canales-i%c3%b3nicos-y-efectos-citot%c3%b3xicos-generados-por-los-p%c3%a9ptidos-amiloides.pdf?sequence=1&isAllowed=y 

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QUIMERA → Molecular graphics and analyses performed with UCSF ChimeraX, developed by the Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics at the University of California, San Francisco, with support from National Institutes of Health R01-GM129325 and the Office of Cyber Infrastructure and Computational Biology, National Institute of Allergy and Infectious Diseases.UCSF ChimeraX: Structure visualization for researchers, educators, and developers. Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, Meng EC, Couch GS, Croll TI, Morris JH, Ferrin TE. Protein Sci. 2021 Jan;30(1):70-82