Las presenilinas son una familia de proteínas transmembrana de múltiples pasos relacionadas que constituyen las subunidades catalíticas del complejo de proteínas proteasa intramembrana gamma-secretasa . Peter St George-Hyslop los identificó por primera vez en exámenes de detección de mutaciones que causan formas de aparición temprana de la enfermedad de Alzheimer familiar . [2] Los vertebrados tienen dos genes de presenilina , llamados PSEN1 (ubicado en el cromosoma 14 en humanos) que codifica la presenilina 1 (PS-1) y PSEN2 (en el cromosoma 1 en humanos) que codifica la presenilina 2 (PS-2). [3] Ambos genes muestran conservación entre especies, con poca diferencia entre las presenilinas humanas y de rata. El gusano nematodo C. elegans tiene dos genes que se parecen a las presenilinas y parecen ser funcionalmente similares, sel-12 y hop-1. [4]
Las presenilinas se escinden en una región alfa helicoidal de uno de los bucles citoplasmáticos para producir un fragmento N-terminal grande y un fragmento C-terminal más pequeño que juntos forman parte de la proteína funcional. [5] La escisión de la presenilina 1 se puede prevenir mediante una mutación que causa la pérdida del exón 9 y resulta en la pérdida de función. Las presenilinas desempeñan un papel clave en la modulación del Ca 2+ intracelular involucrado en la liberación de neurotransmisores presinápticos y la inducción de potenciación a largo plazo . [6]
Las presenilinas son proteínas transmembrana con nueve hélices alfa . Se han resuelto las estructuras del complejo gamma secretasa ensamblado mediante microscopía crioelectrónica , lo que demuestra una flexibilidad conformacional significativa en la estructura de la subunidad de presenilina del complejo en respuesta a la unión del ligando o inhibidor. [7] [1] Las presenilinas se someten a un procesamiento proteolítico autocatalítico después de la expresión, escindiendo una región de bucle citoplasmático entre las hélices sexta y séptima para producir un fragmento N-terminal grande y un fragmento C-terminal más pequeño . Los dos fragmentos permanecen en contacto entre sí en la proteína madura. Los dos residuos del sitio activo de aspartato catalítico necesarios para la actividad de la aspartil proteasa se encuentran en las hélices sexta y séptima. [8]
La estructura y la topología de la membrana de las presenilinas fueron originalmente controvertidas cuando se descubrieron por primera vez. Se predijo que el gen PSEN1 contendría diez dominios transmembrana; Los modelos coincidieron en la topología esperada del fragmento N-terminal, pero se cuestionó la estructura del fragmento C-terminal. Un estudio de 2006 sugirió una topología transmembrana de nueve pasos con escisión y ensamblaje en el complejo gamma-secretasa antes de la inserción en la membrana plasmática . [9] Los estudios de RMN en solución del fragmento C-terminal mostraron tres hélices que probablemente atravesarían la membrana, [5] [10] mientras que los estudios de cristalografía de rayos X de un homólogo de arquea , [11] así como la microscopía crioelectrónica del fragmento C-terminal complejo gamma-secretasa humana, indica nueve hélices transmembrana. [7] [1]
Las presenilinas son el componente catalítico de la proteasa intramembrana gamma secretasa , un complejo proteico de cuatro miembros que consta de presenilina, nicastrina , APH-1 y PEN-2 . Posee una gama muy amplia de sustratos para su actividad proteolítica . Sus sustratos son hélices transmembrana hidrófobas de paso único con regiones extracelulares relativamente pequeñas. [12] [13] Estos sustratos surgen después de la eliminación del ectodominio . [13] La gamma-secretasa procesa más de 100 proteínas integrales de membrana diferentes. [8] Los sustratos de la gamma-secretasa mejor caracterizados son el receptor Notch y la proteína precursora de amiloide (APP). [7] [13] El papel de las presenilinas en la vía de señalización de Notch es importante en el desarrollo; [14] los ratones que tienen el gen PS1 desactivado mueren temprano en el desarrollo debido a anomalías del desarrollo similares a las que se encuentran cuando se altera la muesca. [15] En ratones knockout condicionales donde la presenilina solo se inactiva después del desarrollo temprano, hay evidencia de que las presenilinas en su papel como componentes de la gamma-secretasa son importantes en la supervivencia de las neuronas durante el envejecimiento. [14]
Existen variaciones sutiles y específicas de cada especie en las funciones de la presenilina-1 y la presenilina-2 en los complejos gamma-secretasa ensamblados, y muchos estudios sugieren una función principal de la presenilina-1. [13] En los seres humanos, las dos presenilinas difieren en su localización subcelular y también pueden ser específicas del tipo de célula y del tejido . [8]
Las presenilinas también tienen funciones no catalíticas adicionales en otros procesos de señalización celular, incluida la homeostasis del calcio , la acidificación lisosomal , la autofagia y el tráfico de proteínas . [16] [17] [18] El papel de las proteínas en la homeostasis del calcio en las neuronas ha sido un tema de interés. [19] La inactivación genética de las presenilinas en las sinapsis del hipocampo ha demostrado que esto afecta selectivamente la potenciación a largo plazo causada por theta con la inactivación en la presinapsis pero no en la postsinapsis, lo que afecta la plasticidad a corto plazo y la facilitación sináptica. [6] La liberación de glutamato también se redujo en las terminales presinápticas mediante procesos que implican la modulación de la liberación de Ca 2+ intracelular . [6] Se ha sugerido que esto "representa un mecanismo convergente general que conduce a la neurodegeneración". [6]
Se han identificado y caracterizado homólogos en diversos organismos eucariotas, incluidos organismos modelo Drosophila melanogaster y Caenorhabditis elegans , plantas como Arabidopsis thaliana y Physcomitrella patens , y el moho limoso Dictyostelium discoideum . [17] [18] En estas funciones, se cree que las presenilinas desempeñan un papel como proteínas de andamio , consideradas probablemente la función ancestral de la familia de proteínas. [18]
Ambas presenilinas humanas tienen una expresión generalizada en el cerebro . Las dos proteínas difieren en su localización subcelular : PS1 se expresa más ampliamente y está presente en la membrana celular , mientras que PS2 está presente principalmente en endosomas tardíos y lisosomas . [8] [20]
La mayoría de los casos de enfermedad de Alzheimer no son hereditarios. Sin embargo, hay un pequeño subconjunto de casos que tienen una edad de aparición más temprana y tienen un fuerte elemento genético. En pacientes con enfermedad de Alzheimer ( hereditaria autosómica dominante ), se pueden encontrar mutaciones en las proteínas presenilina (PSEN1; PSEN2) o en la proteína precursora de amiloide (APP). La mayoría de estos casos portan genes de presenilina mutantes. Una parte importante del proceso de la enfermedad de Alzheimer es la acumulación de proteína beta amiloide (Aβ). Para formar Aβ, la APP debe ser cortada por dos enzimas , beta secretasas y gamma secretasa . La presenilina es el subcomponente de la gamma secretasa responsable del corte de APP.
La gamma secretasa puede cortar la APP en varios puntos dentro de una pequeña región de la proteína, lo que da como resultado Aβ de varias longitudes. Las longitudes asociadas con la enfermedad de Alzheimer son de 40 y 42 aminoácidos. Es más probable que Aβ 42 se agregue para formar placas en el cerebro que Aβ 40. Las mutaciones de presenilina conducen a un aumento en la proporción de Aβ 42 producido en comparación con Aβ 40, aunque la cantidad total de Aβ producida permanece constante. [21] Esto puede deberse a diversos efectos de las mutaciones sobre la gamma secretasa. [22]
Los genes de las presenilinas se descubrieron en 1995 mediante estudios de vinculación utilizando mutaciones presentes en casos familiares de enfermedad de Alzheimer . [2] Casi al mismo tiempo, el homólogo de presenilina en Caenorhabditis elegans , sel-12 , se identificó de forma independiente como un contribuyente a la señalización de Notch . [23] Aunque la función de los productos proteicos de estos genes no fue evidente de inmediato, quedó claro a partir de trabajos posteriores que las mutaciones estaban asociadas con proporciones más altas de Aβ 42 sobre el Aβ40 menos amiloidogénico. El papel de las presenilinas como componente catalítico del complejo proteico gamma secretasa se estableció a principios de la década de 2000. [24] [25]