La proteína priónica principal ( PrP ) está codificada en el cuerpo humano por el gen PRNP también conocido como CD230 ( grupo de diferenciación 230). [5] [6] [7] [8] La expresión de la proteína es más predominante en el sistema nervioso , pero ocurre en muchos otros tejidos en todo el cuerpo. [9] [10] [11]
La proteína puede existir en múltiples isoformas : la forma normal PrP C y la forma resistente a la proteasa denominada PrP Res, como la PrP Sc causante de enfermedades (scrapie) y una isoforma ubicada en las mitocondrias . La versión mal plegada PrP Sc está asociada con una variedad de trastornos cognitivos y enfermedades neurodegenerativas como en animales: scrapie ovino , encefalopatía espongiforme bovina (EEB, enfermedad de las vacas locas), encefalopatía espongiforme felina , encefalopatía transmisible del visón (TME), encefalopatía ungulada exótica , enfermedad de desgaste crónico (CWD) que afecta a los ciervos ; y en humanos: enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ), insomnio familiar fatal (FFI), síndrome de Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS), kuru y enfermedad de Creutzfeldt-Jakob variante (vECJ). Existen similitudes entre el kuru, que se cree se debe a la ingestión humana de individuos enfermos, y la vCJD, que se cree se debe a la ingestión humana de productos bovinos contaminados con EEB.
El gen PRNP humano se encuentra en el brazo corto (p) del cromosoma 20, entre el extremo del brazo y la posición 13, desde el par de bases 4.615.068 hasta el par de bases 4.630.233.
La PrP está altamente conservada en los mamíferos, lo que da credibilidad a la aplicación de conclusiones de animales de prueba como los ratones. [12] La comparación entre primates es especialmente similar, con un rango de similitud de secuencias de aminoácidos que va desde el 92,9 al 99,6% . La estructura de la proteína humana consiste en un dominio globular con tres hélices α y una lámina β antiparalela de dos cadenas , una cola NH2 - terminal y una cola COOH-terminal corta. [13] Un ancla de membrana de glicofosfatidilinositol (GPI) en la terminal COOH une la PrP a las membranas celulares , y esto demuestra ser fundamental para la transmisión del cambio conformacional; la PrP secretada que carece del componente de anclaje no se ve afectada por la isoforma infecciosa. [14]
La secuencia primaria de PrP es de 253 aminoácidos mucho antes de la modificación postraduccional . Las secuencias señal en los extremos amino y carboxilo terminales se eliminan postraduccionalmente, lo que da como resultado una longitud madura de 208 aminoácidos. Para la PrP humana y de hámster dorado , existen dos sitios glicosilados en las hélices 2 y 3 en Asn 181 y Asn197. La PrP murina tiene sitios de glicosilación como Asn180 y Asn196. Existe un enlace disulfuro entre Cys 179 de la segunda hélice y Cys214 de la tercera hélice (numeración C de la PrP humana ).
El ARN mensajero de PrP contiene una estructura pseudonudo ( pseudonudo priónico ), que se cree que está implicada en la regulación de la traducción de la proteína PrP . [15]
Se especula que el mecanismo de conversión conformacional a la isoforma scrapie es un ligando -proteína elusivo, pero, hasta ahora, no se ha identificado ningún compuesto de ese tipo. Sin embargo, se ha desarrollado una gran cantidad de investigación sobre candidatos y su interacción con la PrP C . [16]
El cobre , el zinc , el manganeso y el níquel son ligandos confirmados de PrP que se unen a su región octarrepetida. [17] La unión del ligando provoca un cambio conformacional con efecto desconocido. La unión de metales pesados en PrP se ha relacionado con la resistencia al estrés oxidativo que surge de la toxicidad de los metales pesados . [17] [18]
La función precisa de la PrP aún no se conoce. Puede desempeñar un papel en el transporte de cobre iónico a las células desde el entorno circundante. Los investigadores también han propuesto funciones para la PrP en la señalización celular o en la formación de sinapsis . [19] La PrP C se adhiere a la superficie externa de la membrana celular mediante un ancla de glicosilfosfatidilinositol en su Ser 231 C-terminal .
La proteína priónica contiene cinco repeticiones octapeptídicas con la secuencia PHGGGWGQ (aunque la primera repetición tiene la secuencia PQGGGGWGQ, ligeramente modificada y deficiente en histidina ). Se cree que esto genera un dominio de unión al cobre a través de átomos de nitrógeno en las cadenas laterales de imidazol de histidina y nitrógenos de amida desprotonados de las glicinas 2.ª y 3.ª en la repetición. Por lo tanto, la capacidad de unirse al cobre depende del pH . La RMN muestra que la unión del cobre da como resultado un cambio conformacional en el extremo N.
PrP Sc es una isoforma conformacional de PrP C , pero esta orientación tiende a acumularse en agregados compactos resistentes a la proteasa dentro del tejido neural. [20] La isoforma anormal PrP Sc tiene una estructura secundaria y terciaria diferente de PrP C , pero una secuencia primaria idéntica. Mientras que PrP C tiene en gran parte hélice alfa y dominios desordenados, [21] PrP Sc no tiene hélice alfa y un núcleo de fibrilla amiloide compuesto por una pila de moléculas de PrP pegadas entre sí por láminas beta intermoleculares paralelas en registro. [22] [23] [24] Este replegamiento hace que la isoforma PrP Sc sea extremadamente resistente a la proteólisis .
La propagación de PrP Sc es un tema de gran interés, ya que su acumulación es una causa patológica de neurodegeneración . Basándose en la naturaleza progresiva de las encefalopatías espongiformes, la hipótesis predominante postula que el cambio de la PrP C normal es causado por la presencia e interacción con PrP Sc . [25] Un fuerte apoyo para esto se toma de estudios en los que los ratones knock-out de PRNP son resistentes a la introducción de PrP Sc . [26] A pesar de la aceptación generalizada de la hipótesis de conversión de conformación, algunos estudios mitigan las afirmaciones de un vínculo directo entre PrP Sc y citotoxicidad . [27]
Los polimorfismos en los sitios 136, 154 y 171 están asociados con una susceptibilidad variable al scrapie ovino . (Estos sitios ovinos corresponden a los sitios humanos 133, 151 y 168). Los polimorfismos de la forma PrP-VRQ y la forma PrP-ARQ están asociados con una mayor susceptibilidad, mientras que PrP-ARR está asociado con la resistencia. El Plan Nacional contra el Scrapie del Reino Unido tiene como objetivo eliminar estos polimorfismos del scrapie aumentando la frecuencia del alelo resistente. [28] Sin embargo, los polimorfismos PrP-ARR son susceptibles al scrapie atípico, por lo que esto puede resultar infructuoso.
La fuerte asociación con enfermedades neurodegenerativas plantea muchas preguntas sobre la función de la PrP en el cerebro. Un enfoque común es el uso de ratones transgénicos y sin PrP para investigar las deficiencias y diferencias. [29] Los intentos iniciales produjeron dos cepas de ratones sin PrP que no muestran diferencias fisiológicas o de desarrollo cuando se los somete a una serie de pruebas. Sin embargo, cepas más recientes han mostrado anomalías cognitivas significativas. [16]
A medida que los ratones sin PrP envejecen, una marcada pérdida de células de Purkinje en el cerebelo da como resultado una disminución de la coordinación motora. Sin embargo, este efecto no es un resultado directo de la ausencia de PrP, sino que surge de una mayor expresión del gen Doppel . [30] Otras diferencias observadas incluyen una menor respuesta al estrés y una mayor exploración de entornos nuevos. [31] [32]
El ritmo circadiano se altera en ratones sin genes. [11] Se cree que el insomnio familiar fatal es el resultado de una mutación puntual en PRNP en el codón 178, que corrobora la participación de PrP en los ciclos de sueño-vigilia. [33] Además, se ha demostrado una regulación circadiana en el ARNm de PrP, que cicla regularmente con el día y la noche. [34]
Mientras que los ratones nulos exhiben una capacidad de aprendizaje y una memoria a corto plazo normales , se han demostrado déficits de consolidación de la memoria a largo plazo . Al igual que con la ataxia , esto es atribuible a la expresión del gen Doppel. Sin embargo, el aprendizaje espacial , una función predominantemente hipocampal, está disminuido en los ratones nulos y se puede recuperar con el restablecimiento de PrP en las neuronas; esto indica que la pérdida de la función de PrP es la causa. [35] [36] La interacción de la PrP hipocampal con la laminina (LN) es fundamental en el procesamiento de la memoria y probablemente esté modulada por las quinasas PKA y ERK1/2. [37] [38]
Varios estudios de población respaldan aún más el papel de la PrP en la formación de la memoria. Una prueba de humanos jóvenes sanos mostró una mayor capacidad de memoria a largo plazo asociada con un genotipo MM o MV en comparación con VV. [39] Los pacientes con síndrome de Down con una única sustitución de valina se han relacionado con un deterioro cognitivo más temprano. [40] Varios polimorfismos en PRNP se han relacionado con el deterioro cognitivo en los ancianos, así como con un deterioro cognitivo más temprano. [41] [42] [43] Todos estos estudios investigaron las diferencias en el codón 129, lo que indica su importancia en la funcionalidad general de la PrP, en particular con respecto a la memoria.
La PrP está presente tanto en el compartimento presináptico como en el postsináptico, con la mayor concentración en la porción presináptica. [44] Teniendo en cuenta esto y el conjunto de influencias conductuales de la PrP, las funciones e interacciones de las células neuronales son de particular interés. Basándose en el ligando de cobre, una función propuesta presenta a la PrP como un amortiguador de cobre para la hendidura sináptica . En este papel, la proteína podría servir como un mecanismo de homeostasis del cobre , un modulador del calcio o un sensor del estrés oxidativo o del cobre. [45] La pérdida de la función de la PrP se ha relacionado con la potenciación a largo plazo (PLP). Este efecto puede ser positivo o negativo y se debe a cambios en la excitabilidad neuronal y la transmisión sináptica en el hipocampo . [46] [47]
Algunas investigaciones indican que la PrP está implicada en el desarrollo neuronal, la diferenciación y el crecimiento de las neuritas . La vía de transducción de señales activada por la PrP está asociada con el crecimiento de los axones y las dendríticas mediante una serie de quinasas. [27] [48]
Aunque la mayor parte de la atención se centra en la presencia de PrP en el sistema nervioso, también es abundante en el tejido del sistema inmunológico. Las células inmunes PrP incluyen células madre hematopoyéticas, compartimentos linfoides y mieloides maduros y ciertos linfocitos ; también se ha detectado en células asesinas naturales , plaquetas y monocitos . La activación de las células T se acompaña de una fuerte regulación positiva de PrP, aunque no es un requisito. La falta de respuesta inmunológica a las encefalopatías espongiformes transmisibles (EET), enfermedades neurodegenerativas causadas por priones, podría deberse a la tolerancia a PrP Sc . [49]
Los ratones sin PrP aportan pistas sobre su papel en la fisiología muscular cuando se someten a una prueba de natación forzada , que mostró una actividad locomotora reducida. Los ratones envejecidos con una sobreexpresión de PRNP mostraron una degradación significativa del tejido muscular.
Aunque está presente, existen niveles muy bajos de PrP en el hígado y podrían estar asociados con la fibrosis hepática. Se ha demostrado que su presencia en la pituitaria afecta la función neuroendocrina en los anfibios, pero se sabe poco sobre la PrP en la pituitaria de los mamíferos. [16]
La expresión variable de PrP a lo largo del ciclo celular ha dado lugar a especulaciones sobre su participación en el desarrollo. Se han realizado una amplia gama de estudios para investigar su papel en la proliferación, diferenciación, muerte y supervivencia celular. [16] La participación de PrP se ha vinculado a la activación de la transducción de señales .
Se ha demostrado la modulación de las vías de transducción de señales mediante la reticulación con anticuerpos y la unión a ligandos (hop/STI1 o cobre). [16] Dada la diversidad de interacciones, efectos y distribución, se ha propuesto que la PrP es una proteína de superficie dinámica que funciona en las vías de señalización. Los sitios específicos a lo largo de la proteína se unen a otras proteínas, biomoléculas y metales. Estas interfaces permiten que grupos específicos de células se comuniquen en función del nivel de expresión y el microambiente circundante. El anclaje en una balsa de GPI en la bicapa lipídica respalda las afirmaciones de una función de andamiaje extracelular . [16]
Se han identificado más de 20 mutaciones en el gen PRNP en personas con enfermedades priónicas hereditarias , que incluyen las siguientes: [50] [51]
La conversión de la conformación de PrP C a PrP Sc es el mecanismo de transmisión de las encefalopatías espongiformes transmisibles (EET) neurodegenerativas letales. Esto puede surgir de factores genéticos, infección de origen externo o espontáneamente por razones desconocidas. La acumulación de PrP Sc se corresponde con la progresión de la neurodegeneración y es la causa propuesta. Algunas mutaciones de PRNP conducen a un cambio en aminoácidos individuales (los bloques de construcción de las proteínas) en la proteína priónica. Otras insertan aminoácidos adicionales en la proteína o hacen que se produzca una proteína anormalmente corta. Estas mutaciones hacen que la célula produzca proteínas priónicas con una estructura anormal. La proteína anormal PrP Sc se acumula en el cerebro y destruye las células nerviosas, lo que conduce a las características mentales y conductuales de las enfermedades priónicas.
Hay otros cambios en el gen PRNP (denominados polimorfismos) que no causan enfermedades priónicas, pero que pueden afectar el riesgo de que una persona desarrolle estas enfermedades o alterar el curso de los trastornos. Un alelo que codifica una variante del PRNP, G127V, proporciona resistencia al kuru . [54]
Además, algunas enfermedades priónicas pueden transmitirse desde fuentes externas de PrP Sc . [55]
La proteína PrP C es uno de varios receptores celulares de oligómeros solubles de beta amiloide (Aβ), que están implicados canónicamente en causar la enfermedad de Alzheimer . [56] Estos oligómeros están compuestos de placas de Aβ más pequeñas y son los más dañinos para la integridad de una neurona . [56] Se desconoce el mecanismo preciso por el cual los oligómeros solubles de Aβ inducen neurotoxicidad de manera directa, y la eliminación experimental de PRNP en animales ha producido varios hallazgos contradictorios. Cuando se inyectaron oligómeros de Aβ en los ventrículos cerebrales de un modelo de ratón de Alzheimer, la eliminación de PRNP no ofreció protección, solo los anticuerpos anti-PrP C previnieron los déficits de memoria a largo plazo y aprendizaje espacial . [57] [58] Esto sugeriría una relación desigual entre la neurodegeneración mediada por PRNP y oligómeros de Aβ o una significación relacional específica del sitio. En el caso de la inyección directa de oligómeros de Aβ en el hipocampo , se encontró que los ratones knock-out de PRNP eran indistinguibles del control con respecto a las tasas de muerte neuronal y las mediciones de plasticidad sináptica . [56] [58] Se encontró además que los oligómeros de Aβ se unen a PrP C en la densidad postsináptica , sobreactivando indirectamente el receptor NMDA a través de la enzima Fyn , lo que resulta en excitotoxicidad . [57] Los oligómeros solubles de Aβ también se unen a PrP C en las espinas dendríticas , formando un complejo con Fyn y activando excesivamente tau , otra proteína implicada en el Alzheimer. [57] Como el gen FYN codifica la enzima Fyn, los ratones knock-out de FYN no muestran eventos excitotóxicos ni contracción de las espinas dendríticas cuando se les inyectan oligómeros de Aβ. [57] En los mamíferos, el significado funcional completo de PRNP sigue sin estar claro, ya que la eliminación de PRNP ha sido implementada profilácticamente por la industria ganadera sin daño aparente. [56] En ratones, esta misma eliminación varía fenotípicamente entre las líneas de ratones con Alzheimer, ya que los ratones hAPPJ20 y los ratones TgCRND8 muestran un ligero aumento en la actividad epiléptica , lo que contribuye a resultados contradictorios al examinar las tasas de supervivencia del Alzheimer. [56]Cabe destacar que la eliminación de PRNP tanto en APPswe como en SEN1dE9, otros dos modelos transgénicos de Alzheimer, atenuó el fenotipo de muerte inducida por epilepsia observado en un subconjunto de estos animales. [56] En conjunto, la evidencia reciente sugiere que PRNP puede ser importante para conducir los efectos neurotóxicos de los oligómeros Aβ solubles y el estado de enfermedad emergente de Alzheimer. [56] [57] [58]
En los seres humanos, el polimorfismo de metionina / valina en el codón 129 de PRNP (rs1799990) está más estrechamente asociado con la enfermedad de Alzheimer. [59] Los portadores del alelo variante V (VV y MV) muestran un riesgo 13% menor con respecto al desarrollo de Alzheimer en comparación con el homocigoto de metionina (MM). Sin embargo, los efectos protectores de los portadores de la variante V se han encontrado exclusivamente en caucásicos . El riesgo menor en los portadores del alelo V se limita además a la enfermedad de Alzheimer de aparición tardía únicamente (≥ 65 años). [59] PRNP también puede interactuar funcionalmente con polimorfismos en otros dos genes implicados en el Alzheimer, PSEN1 y APOE , para aumentar el riesgo tanto de Alzheimer como de enfermedad de Creutzfeldt-Jakob esporádica . [56] Una mutación puntual en el codón 102 de PRNP contribuyó al menos en parte a la demencia frontotemporal atípica de tres pacientes separados dentro de la misma familia, lo que sugiere un nuevo fenotipo para el síndrome de Gerstmann–Sträussler–Scheinker . [56] [60] El mismo estudio propuso secuenciar PRNP en casos de demencia diagnosticada de manera ambigua, ya que las diversas formas de demencia pueden resultar difíciles de diagnosticar de manera diferencial . [60]
En 2006 se informó de la producción de ganado vacuno carente de la forma PrP C de la proteína priónica mayor (PrP), resistente a la propagación de priones sin anomalías aparentes en el desarrollo. Además del estudio de productos bovinos libres de proteínas priónicas, otro uso podría ser la fabricación de fármacos humanos en su sangre sin el peligro de que dichos productos se contaminen con el agente infeccioso que causa la enfermedad de las vacas locas. [61] [62]
Existe una fuerte interacción entre PrP y la cochaperona Hop ( proteína organizadora Hsp70 / Hsp90 ; también llamada STI1 (proteína 1 inducida por estrés)). [63] [64]