Tejiendo proteínas en fibras dañinas

M. en C. Edson N. Cárcamo Noriega y Dra. Gloria Saab Rincón

Contacto: gsaab@ibt.unam.mx y edsoncar@ibt.unam.mx

¿Te imaginas celebrar tu cumpleaños número 100? Los avances en la medicina han aumentado considerablemente la expectativa de vida de los seres humanos. Es paradójico que este aumento no necesariamente va acompañado de una buena calidad de vida.

Cada vez es más frecuente escuchar que personas allegadas padecen enfermedades de las que antes no se oía hablar como Alzheimer, Huntington, Parkinson, entre otras. Estas enfermedades distintas entre ellas- tienen un origen común: la agregación de alguna proteína formando cúmulos de fibras. Los cúmulos se depositan en órganos importantes, lo que acaba destruyendo sus tejidos. El mecanismo de acumulación se caracteriza por la formación de pequeños agregados compuestos de pocas moléculas de proteína (oligómeros) que al alcanzar una concentración crítica se ensamblan de manera exponencial en fibras maduras (agregados altamente organizados y compactos). Así, por ejemplo, en la enfermedad de Alzheimer, un fragmento de una proteína llamada β amiloide se agrega y genera placas en el cerebro de las personas, lo que resulta en la pérdida de la capacidad cognitiva y finalmente de la memoria.

Estos agregados tienen la característica de ser resistentes a la degradación, por lo que su formación es irreversible y por eso las enfermedades relacionadas se consideran degenerativas. En el mejor de los casos sólo se puede detener su grado de avance. El beneficio de este tipo de tratamientos depende de un diagnóstico temprano, antes de que haya ocurrido un daño masivo en el tejido afectado (ya sea el cerebro, los riñones, etc.).

Pero, ¿por qué las proteínas, que son tan necesarias y útiles para el buen funcionamiento del organismo, en ocasiones pueden volverse agentes malignos? Las proteínas son moléculas que llevan a cabo un gran número de funciones en nuestro organismo. Son biopolímeros constituidos por aminoácidos unidos a través de enlaces llamados peptídicos y forman una cadena lineal, lo que constituye su estructura primaria. Conforme se sintetizan, las proteínas van adquiriendo unas formas en el espacio que los científicos denominan α-hélice (y se parece a un rizo largo de cabello), o β-plegada (lámina plegada en forma de zig-zag), esto conforma su estructura secundaria. Para que estas proteínas sean funcionales, es necesario que la cadena se pliegue sobre sí misma, estableciendo interacciones muy específicas entre sus aminoácidos (como puentes de hidrógeno, interacciones hidrófobas, puentes disulfuro, etc.) , lo que da lugar a una estructura tridimensional particular o estructura terciaria.

A este proceso se le conoce como plegamiento y está regido por la información contenida en la secuencia de aminoácidos que componen a las proteínas y además por condiciones específicas de pH, temperatura, fuerza iónica, etc.

En muchas proteínas existen secuencias de aminoácidos que promueven interacciones intermoleculares que se consideran «aberrantes», que normalmente no deberían ocurrir. Cuando estas interacciones llegan a ocurrir, dan lugar a los llamados «agregados fibrilares», que debido a su estructura altamente organizada y compacta, no pueden ser degradados y empiezan a acumularse en tejidos, dañando su función. A estas secuencias se les conoce como «regiones fibrilogénicas». La evolución ha permitido la permanencia de estas regiones, aunque en proporciones mínimas; algunas veces, estas regiones se encuentran preferentemente en el interior de la molécula, evitando así la agregación de las proteínas. Además, se sabe que el estado plegado de las proteínas no es estático, sino que fluctúa entre varias conformaciones, como si la molécula estuviera «respirando». Esta movilidad normalmente es sutil y rápida, lo que disminuye la probabilidad de exposición de regiones fibrilogénicas.

No obstante, cuando se altera la estabilidad de las proteínas ya sea por mutaciones en su secuencia, modificaciones postraduccionales (estos es, las que suceden después que se ha sintetizado la proteína) o bien por cambios en las condiciones ambientales: pH, temperatura, presencia de agentes desnaturalizantes, etc., algunas conformaciones de las proteínas llegan a exponer regiones fibrilogénicas internas y esto desencadena la agregación fibrilar (figura 1).

A pesar de los grandes avances en el estudio de la agregación fibrilar, aún no se conocen las regiones fibrilogénicas que existen en el amplio repertorio de proteínas que un individuo sintetiza, ni en qué proporción se encuentran. Más aún, se sabe que existen aproximadamente 30,000 proteínas diferentes en el humano, donde cada proteína tiene una secuencia y estructura particular, así como una manera específica de plegarse, lo que hace muy difícil poder predecir procesos de agregación fibrilar que lleguen a ser patológicos.

Normalmente las proteínas se agrupan por similitudes estructurales en su superficie, llamada topología, donde una de las más abundantes en la naturaleza es la denominada «barriles TIM». Esta topología se caracteriza por tener una forma de barril interno (como en los que se guarda el vino para añejar) formado por una estructura secundaria β, rodeado por hélices α (como si tuviera una peluca de rizos). Esta topología es una de las más dinámicas y estables, por lo que es muy recurrente (conservada) en enzimas necesarias para los procesos bioquímicos que sustentan la vida.

En nuestro laboratorio estudiamos la propensión que tiene la enzima triosa fosfato isomerasa a formar fibras amiloides, como modelo de una proteína que tiene la topología de barril TIM. La proteína con la estructura intacta produce una agregación del tipo amorfa (agregación que no formará fibras, no patológica). Al desestabilizar la estructura plegada de la proteína (en el laboratorio lo hicimos con un compuesto llamado urea, pero en la célula puede ser debido a cambios en el ambiente celular interno) se observó una ligera formación de agregados fibrilares, sin embargo, no se alcanzó la formación de fibras amiloides maduras. Esto indica la presencia de regiones fibrilogénicas en la enzima, por lo que más tarde nos dimos a la tarea de localizarlas a través de la evaluación de la agregación de fragmentos de la proteína mediante péptidos sintéticos (que son pequeñas proteínas que pueden ser sintetizadas en el laboratorio). Con esta estrategia se identificaron cuatro regiones fibrilogénicas, de las cuales una (la región de la β3) presentó un alto potencial amiloide al agregarse rápidamente en estructuras fibrilares altamente organizadas (estructuras anormales, patológicas).

Nuestros resultados muestran que la enzima triosa fosfato isomerasa, proteína recientemente encontrada en los depósitos proteicos de fibras amiloides en un paciente que murió de Alzheimer, tiene potencial fibrilogénico. Encontramos, además, que las características estructurales de la topología de barril TIM de la proteína logran evitar que la molécula en estado nativo se agregue (figura 2). Sin embargo, cuando estos mecanismos de protección (propios de la estructura espacial de la proteína) llegaran a ser afectados debido a mutaciones (hereditarias o adquiridas por la exposición a radiación UV o factores ambientales mutagénicos), así como por procesamientos proteolíticos o modificaciones químicas (como la nitración) ocasionadas por estrés oxidativo, podría incrementarse la posibilidad de formar fibras y a largo plazo provocar alguna enfermedad amiloide.

Reconocer las regiones fibrilogénicas en proteínas humanas nos permite entender cómo las proteínas naturalmente evitan la agregación fibrilar y qué cambios podrían desestabilizar esta protección y promover agregados amiloides. En este sentido, al tener más información sobre las características de las regiones fibrilogénicas y de los mecanismos de agregación, permitiría conducir eventualmente a estrategias terapéuticas para la prevención de las enfermedades amiloides y quizá más tarde, en aquellas que conduzcan a la recuperación de los pacientes. Podríamos entonces, celebrar nuestro centenario con una mejor calidad de vida.

Fuente: «Biotecnología en Movimiento», revista de divulgación del Instituto de Biotecnología de la UNAM