alzheimer: proteínas involucradas dra. maría mercedes soberón lozano
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ALZHEIMER: Proteínas involucradas
Dra. María Mercedes Soberón Lozano
Neurodegenerativa con deterioro cognitivo y trastornos
conductuales.
Forma típica: Pérdida progresiva de la
memoria y de otras capacidades mentales, a medida que las células
nerviosas mueren y diferentes zonas del cerebro se atrofian.
Enfermedad de AlzheimerAlois Alzheimer 1907
La EA es probablemente el resultado de unproceso multifactorial en el cual están incluidos
componentes genéticos y ambientales.
Enfermedad de Alzheimer
Prevalencia
Año 2000, Estados Unidos …… 1,6%, tanto en la población general como en la comprendida entre los 65 y 74 años, con un aumento del 19% en el grupo de los 75 a los 84 años y del 42% en el mayor de 84 años de edad
Organización Mundial de la Salud estimó que en 2005 el 0,379% de las personas a nivel mundial tenían demencia y que la prevalencia aumentaría a un 0,441% en 2015 y a un 0,556% en 2030
Hardy J, Allsop D (October de 1991). «Amyloid deposition as the central event in the aetiology of Alzheimer's disease». Trends
Pharmacol. Sci. 12 (10): 383–88
Acúmulo anómalo de las proteínas beta-amiloide (también llamada amiloide Aβ) en el cerebro.
¿Qué Hipótesis se han Propuesto para la Enfermedad ?
Mudher A, Lovestone S (January de 2002). «Alzheimer's disease-do tauists and baptists finally shake hands?». Trends Neurosci. 25 (1): 22–26.
Hiperfosforilación de proteína tau en el cerebro de los pacientes con Alzheimer.
Nistor M, Don M, Parekh M, et al (October de 2007). «Alpha- and beta-secretase activity as a function of age and beta-amyloid in Down
syndrome and normal brain». Neurobiol. Aging 28 (10): 1493–1506.
Lott IT, Head E (March de 2005). «Alzheimer disease and Down syndrome: factors in pathogenesis». Neurobiol. Aging 26 (3): 383–89.
Minoría de pacientes, enfermedad se produce por aparición de mutaciones en genes PSEN1, PSEN2 y en el gen de la APP, localizado en el cromosoma 21.
Enfermedad aparece clásicamente en personas con el síndrome de Down (trisomia en el cromosoma 21), casi universalmente en los 40 años de vida.
Relación con cromosoma 21, y la elevada frecuencia de aparición de la enfermedad en las trisomías de ese cromosoma, son muy evidente.
Otro factor de riesgo genético es la presencia del gen de la APOE4, el cual tiende a producir una acumulación amiloide en el cerebro antes de la aparición de los primeros síntomas de la EA.
Por ende, la deposición del amiloide Aβ tiende a preceder la clínica de la EA.
Polvikoski T, Sulkava R, Haltia M, et al (November de 1995). «Apolipoprotein E, dementia, and cortical deposition of beta-amyloid
protein». N. Engl. J. Med. 333 (19): 1242–47.
¿Qué Hipótesis se han Propuesto para la Enfermedad ?
1. Hipótesis Amiloides
Formación de placas neuríticas constituidas por pequeños péptidos de 39–43 aminoácidos de longitud, llamados beta-amiloides (A-beta, Aβ).
Aβ son fragmentos que provienen de una proteína de mayor tamaño: Proteína Precursora de Amiloide (APP)
(A) anormales se depositan fuera y alrededor de neuronas, en la sustancia gris del cerebro ocasionando degeneración de estructuras neuronales y abundancia en microglia y astrocitos.
Debido a múltiples factores no conocidos, (A) adquieren un plegamiento anormal, se vuelven insolubles y resistentes a degradación enzimática.
1. Hipótesis Amiloides
Muchos individuos, en su vejez, desarrollan estas placas y ovillos como parte del proceso normal de
envejecimiento, sin embargo, pacientes con Alzheimer tienen un mayor número en lugares
específicos del cerebro como el lóbulo temporal.
Ovillo neurofibrilar
2. Hipótesis tau
Ovillo neurofribilar Lesión intracelular que afecta principalmente a las grandes
neuronas piramidales
Proteína “tau” es la que da inicio a la cascada de
trastornos de la enfermedad de Alzheimer.
Mudher A, Lovestone S (January de 2002). «Alzheimer's disease-do tauists and baptists finally shake hands?». Trends
Neurosci. 25 (1): 22–26.
¿De qué manera?
Hipótesis amiloide considera acumulación de Aβ, como el evento principal que conlleva a la
degeneración neuronal y a apoptosis.
Fibras amiloides, parecen ser la forma anómala de la proteína responsable de la perturbación de la
homeostasis del Ca2+ intracelular
¿Cómo la producción y agregación de los péptidos Aβ juegan un rol en la EA?
Yankner BA, Duffy LK, Kirschner DA (October de 1990). «Neurotrophic and neurotoxic effects of amyloid beta
protein: reversal by tachykinin neuropeptides». Science (journal) 250 (4978): 279–82.
¿Cómo la producción y agregación de los péptidos Aβ juegan un rol en la EA?
Greig NH, Mattson MP, Perry T, et al (December de 2004). «New therapeutic strategies and drug candidates for neurodegenerative
diseases: p53 and TNF-alpha inhibitors,». Ann. N. Y. Acad. Sci. 1035: 290–315.
Activando la respuesta inflamatoria y liberación de citoquinas neurotóxicas y produciendo daño
oxidativo en células vecinas.
¿Cómo la producción y agregación de los péptidos Aβ juegan un rol en la EA?
Aβ se acumula selectivamente en las mitocondrias de las células cerebrales afectadas en el Alzheimer y que es capaz de inhibir ciertas funciones enzimáticas, así
como alterar la utilización de la glucosa por las neuronas.
Chen X, Yan SD (December de 2006). «Mitochondrial Abeta: a potential cause of metabolic dysfunction in Alzheimer's disease». IUBMB Life 58 (12): 686–94.
Proteína Precursora de Amiloide (APP ó PP)
Gen de APP: crom 21.
P. Transmembrana de 770 aa aprox.
Presente en dendritas, cuerpos celulares, axones de neuronas y en diferentes tipos de células
Recambio de APP bastante rápido (30–90 min, Herreman et al, 2003).
Es sintetizada en retículo endoplásmico rugoso, glicosilada en Complejo de Golgi y liberada en la membrana como una proteína transmembrana.
La porción transmembrana de APP (nº aa. 613-671) es parte del -amiloide
Proteína Precursora de Amiloide (APP ó PP)
Porción transmembrana
F. Soluble que se incorpora a matriz extrac.
Rutas Metabólicas Proteína Precursora de Amiloide
Dos tipos de APP están además, presentes en mamíferos:
APLP1, APLP2.
Proteína Precursora de Amiloide (APP ó PP)
A pesar de alto grado de conservación entre APP, APLP1, y APLP2, se suele utilizar la expresión de APLP1 mayormente para el sistema nervioso (Lorent et al, 1995), mientras que APP y APLP2 de manera general (Tanzi et al, 1988; Slunt et al, 1994).
Estudios bioquímicos han sugerido que APLP1 se acumula en postsinapsis (Kim et al, 1995), mientras que APP (Ferreira et al, 1993) y APLP2 (Lyckman et al, 1998) son transportados a sitios presinápticos.
¿Cuál es el rol de la proteína APP?
The EMBO Journal (2005) 24, 3624–3634. doi:10.1038/sj.emboj.7600824; Published online 29 September 2005
Formas homo y heterodímero de los miembros de familia de la proteína APP, promueven la
adhesión intercelular “in vivo”
J Neurosci (1992)12: 4143–4150 ; J Biol Chem (1996) 271: 1613–1620.
Función de APP como receptor de diferentes proteinas de la matriz extracelular, tales como
heparina, colágeno
Dominios del APP:
Región E1.- Consiste de un dominio N-terminal similar al del Factor de Crecimiento(GFLD) seguido del dominio unión cobre (CuBD).
E1 ligado por una región acídica al dominio carbohidrato el cual contiene dos sitios N –glicosilación en el ectodominio (esferas rojas).
Estructura de una holoproteina humana APP 695
Dominio carbohidrato subdividido en: Dominio E2 (o dominio central APP (CAPPD)) y un ligando o
dominio yuxtamembrana (linker).
Dominio carbohidrato seguido por dominio transmembrana y el dominio APP intracelular (AICD).
A indica la secuencia del péptido amiloide.
El dominio inhibidor de proteasa tipo Kunitz (KPI), está presente en el tipo de APP751 y APP770
La secuencia Ox2 está presente en APP770
Representación Esquemática de la Digestión Enzimática de APP (PP).
La APP o PP digerida por lo
menos por tres tipos distintos de enzimas
celulares denominadas
secretasas α, , ,dando lugar a
péptidos A de diferentes tamaños que circulan a bajos
niveles en fluido cerebroespinal y
sangre
-amiloide (A) rectángulo rojizo
Sitio corte Lys687/Leu688
Sitio corte 711/713
Sitio corte
670/671
Representación Esquemática Procesamiento de APP
A de 40/42 aa
Experimentos realizados in vitro han demostrado que el péptido A(42) es más hidrofóbico (rechaza el agua) y forma fibras insolubles más rápidamente que el corto.
Tiende a agregarse a una velocidad más rápida y a unas concentraciones más bajas que A (40)
Proteasa compleja de múltiples subunidades
Proteína transmembrana.
Degrada proteínas transmembranas en un solo paso, a nivel de residuos de aminoácidos ubicados dentro del dominio transmembrana.
Principal producto: -amiloide
Complejo Gamma Secretasa
Complejo Gamma Secretasa
Consta de 5 proteínas individuales: – Presenilina: aspartil proteasa, subunidad catalítica– Nicastrina: estabiliza el complejo, reconoce sustrato– APH-1 – PEN-2; estabiliza el complejo después de la catálisis– CD147, regulador no esencial del complejo cuya
ausencia incrementa la actividad
*Kaether C, Haass C, Steiner H. (2006). Assembly, trafficking and function of gamma-secretase. Neurodegener Dis 3(4-5):275-83. *Zhou S, Zhou H, Walian PJ, Jap BK. (2006). The discovery and role of CD147 as a subunit of gamma-secretase complex. Drug News Perspect 19(3):133-8. *Zhou S, Zhou H, Walian PJ, Jap BK. (2005). CD147 is a regulatory subunit of the gamma-secretase complex in Alzheimer's disease amyloid beta-peptide production. Proc Natl Acad Sci USA 102(21):7499-504.
Una pequeña representación de los pacientes de Alzheimer es debido a una generación autosomal dominante, haciendo que la enfermedad aparezca de forma temprana.
En menos de un 10% de los casos, la EA aparece antes de los 60 años de edad como consecuencia de mutaciones autosómicas dominantes, representando, apenas, un 0,01% de todos los casos
Estas mutaciones se han descubierto en tres genes distintos: el gen de la proteína precursora de amiloide (APP) y los genes de las presenilinas 1 y 2 del complejo gamma secretasa
Presenilina-1 (PS 1) y Presenilina-2 (PS 2)
P. transmembrana de múltiples dominios.Dentro de RE y A. Golgi temprano presentan
clivaje generando 2 polipéptidos
PS1 28Kda (NTF)PS2 35 Kda (NTF)
PS1 18 Kda (CTF)PS2 20Kda (CTF)
Ubicado en crom. 14.
Contiene de 6 a 9 dominios transmembranales y 2 regiones hidrofílicas que se orientan hacia el citosol.
4 mutaciones diferentes se han encontrado en el gen de la PS-1.
Todas las mutaciones, excepto una, son “missense” (cambio de un aminoácido por otro) y representan alrededor de 30-50 % de los casos de EA.
Presenilina-1 (PS-1)
Ubicación: cromosoma 1.
Gen denominado STM-2, aislado de familias descendientes de colonos alemanes instaladas en región del Volga, Rusia.
Gen STM-2 codifica para una proteína de 448 a.a denominada presenilina 2 (PS-2), que presenta 80% de homología con gen PS-1.
Mutaciones en PS-2 ocurren en menor frecuencia que las encontradas en gen PS-1. Solo se han encontrado 2 mutaciones “missense” con una penetrancia incompleta
Presenilina-2 (PS-2)
Mutaciones favorecen la formación de péptido A 42/43, cuando se inhibe la acción de α-secretasa (mutaciones en 692 ó 693) o se favorece la acción de -secretasa (mutación en 670/671).
Finalmente, las mutaciones en 716/717 también aumenta la cantidad de péptido A 42
Localización de mutaciones en APP
IleVal Val Ile
ValGlyValPhe
GlyAla GluGlnLy, MetAsn,Leu
692 693670/671 716 717
Genes Defectuosos que Aceleran Formación de Placa Beta-amiloide y la Apoptosis
Los números indican posición de la sustitución de un aminoácido por otro (mutación) en la APP.(+) indica mayor producción A40 y A42 por mayor acción de -secretasa, (-) mayor producción A40 y A42 por menor acción de α-secretasa. (<-->) modificación de sitio de corte en extremo C-term. de APP que lleva a mayor producción A42.
Papel de la proteína Tau en la Enfermedad
Alzheimer
TAU es una fosfoproteína.NORMALMENTE,contribuye a dar dinamismo y estabilidad a los microtúbulos
Algunas cinasas y fosfatasas modulan el grado y patrón de fosforilación de la molécula Tau
En el cerebro humano, las proteínas Tau se presentan como seis isoformas de 352 a 441 residuos de aminácidos que provienen todas
ellas de la expresión de un único gen TAU localizado en brazo largo del cromosoma 17.
Tau tiene como función el facilitar la polimerización de la tubulina en la célula,
de manera que se formen los microtúbulos.
Proteína Tau
PHF son agregados de tau que, a diferencia de la proteína normal, que lleva unidos tres fosfatos, contiene un número elevado de estos, aproximadamente nueve, por lo cual se dice que TAU se halla hiperfosforilada.
Filamentos helicoidales
apareados (PHF)
Ovillo neurofribilar : restos de microtúbulos dañados
TAU puede modificarse por muchas proteínas cinasas:
- Las proteínas cinasas dirigidas a prolinas (PDPK), entre ellas GSK3 y cdk5 - también conocidas como tau cinasa I y II,- Las proteínas cinasas no dirigidas a prolinas, como por ejemplo PKA , MARK cinasa o PKC- MAP cinasas. La fosforilación por PDPK tiene lugar principalmente en la región rica en prolinas y en la región C-terminal, mientras que las modificaciones por no PDPK ocurren en la región de unión a microtúbulos. Las fosforilaciones por otras proteínas cinasas, como la caseína cinasa U
(CKII) tienen lugar en la región N-terminal.
En resumen, la fosforilación de TAU en diferentes regiones puede afectar no sólo su interacción con los microtúbulos, sino también su capacidad
para agregarse o interaccionar con otras proteínas
Modificaciones de Proteína TAU
Modificaciones de TAU por proteínas cinasas GSK3
(glicógeno sintasa quinasa 3), PKA o MARK, disminuyen la
afinidad de TAU por los microtúbulos
Fosforilación de TAU por PDPK, puede
favorecer la dimerización de TAU.
Modificaciones de proteína TAU
Fosforilación Proteína TAU
Lee MS, Kwon YT, Li M, Peng J, Friedlander RM, Tsai LH. Neurotoxicity induces cleavage of p35 to p25 by calpain. Nature 2000; 405: 360-364 25. Williamson R, Scales T, Clarck BR, Gibb G, Reynolds CH, Kellie S, et al. Rapid tyrosine phosphorylation of neuronal proteins including Tau and Focal adhesion kinase in response to amyloid-bð peptide exposure: involvement of Src Family Protein Kinases. J Neurosci 2002; 22: 10-20
Hoy se conoce que A es capaz de activar a quinasas capaces de fosforilar Tau,
tales como GSK3b y CDK5
Hiperfosforilación proteína TAU
Proceso anómalo presente en varias enfermedades neurodegenerativas denominadas en su conjunto tautopatías: - enfermedad de Alzheimer (EA), - enfermedad de Pick, - parálisis supranuclear progresiva, - degeneración corticobasal, - distrofia miotónica, etc.
Provoca desestabilización de microtúbulos y la alteración del transporte axonal.
Se produce por una ruptura del equilibrio dinámico de regulación existente entre las proteín-fosfatasas y las proteín-quinasas que actúan sobre TAU.
Algunas proteín-quinasas están sobre-expresadas en la mayoría de las patologías anteriormente mencionadas.
Hiperfosforilación proteína TAU
Inhibición del proceso de hiperfosforilación podría ser una
excelente vía de tratamiento para la EA.
La forma de Alzheimer más común (no heredable) no se ha podido explicar con un modelo puramente genético.
La presencia del gen de apolipoproteína E es el factor de riesgo genético más importante para padecer Alzheimer, pero no permite explicar todos los casos de la enfermedad.
Locus identificado es el Apo E.
Ubicación: en el brazo largo del cromosoma 19.
Consta de cuatro exones y tres intrones, con un total de 3597 pares de bases
Primer gen asociado con las formas tardías familiares
Gen con tres alelos principales: ApoE2,
ApoE3 , ApoE4,
que dan lugar a tres isoformas de la proteína:- proteína ApoE-ε3 normal, - proteína ApoE-ε2 - proteína ApoE-ε4. Estas dos últimas
disfuncionales.
Estas isoformas difieren una de la otra solo por un aminoácido sustituido en las posiciones 112 y 158, sin embargo tienen consecuencias fisiológicas profundas.
Apoproteína E
E2 se asocia con: - un desorden genético hiperlipoproteinemia tipo III, - un aumento o una disminución del riesgo de ateroesclerosis.
E4 está relacionado con: - ateroesclerosis, - la enfermedad de Alzheimer, - desarrollo cognitivo inadecuado.
Apoproteína E
Astrocitos y la microglía, son los principales productores de ApoE, mientras que muchas neuronas tienden a expresar los receptores de la ApoE.
En mamíferos se han identificado siete tipos, los cuales son parte de una familia de genes de receptores de lipoproteínas de baja densidad y gozan de conservación evolucionaria.
En el sistema nervioso:
¿Qué relación tiene la Apo E4 con la enfermedad de Alzheimer?
Apolipoproteína E (ApoE) como marcador genético fundamental que participa en el riesgo de alzheimer tardío.
Un 40-65% de los pacientes con Alzheimer tienen al menos una copia del alelo 4
En particular la isoforma E4 se une al Aß más rápido y en un rango de pH más estrecho que la E3.
Esta asociación entre la isoforma E4 y el Aß da lugar a la formación de monofibrillas que precipitan formando estructuras densas.
Otra hipótesis plantea que la E4 compite con el Aß respecto a su eliminación del espacio extracelular . La eliminación de E4 se ve favorecida y como consecuencia se acumulan mayores cantidades de Aß
ApoE es esencial para el catabolismo de las lipoproteínas ricas en triglicéridos
La Apo E4 no se une a la proteína Tau in vitro, como lo hacen la Apo E2 y E3.
Es posible que la interacción entre la Apo E3 y la proteína Tau sirva de protección contra la fosforilación de esta última,
La E4 al no unirse deja un sitio libre por donde puede fosforilarse la proteína Tau.
“Tres de los genes implicados, APOE, CLU y CR1 cumplen la función de proteger al cerebro frente a daños externos. Puede que los cambios que hemos observado en los genes elimine esta protección o incluso que convierta a los genes en asesinos”, afirmó la investigadora.
Se estima que el riesgo de padecer la enfermedad de Alzhéimer se debe entre un 60 y 80% a factores genéticos. Según explicaron los científicos en Londres, el APOE sería responsable del 25% de los casos, PILCAM y CLU, de un 9% cada uno y CR1, de un 4%. Esto supone que aún quedan genes por identificar y que podrían jugar un papel clave.
Philippe Amouyel et al. “Genome-wide association study identifies variants at CLU and CR1 associated with Alzheimer’s disease”. Nature Genetics, publicado on line el 6 de septiembre de 2009. Julie Williams et al. “Genome-wide association study identifies variants at CLU and PICALM associated with Alzheimer’s disease”. Nature Genetics, publicado on line el 6 de septiembre de 2009.
Al3+ como agente causante para que ovillos neurofibrilares contengan microtúbulos
hiperfosforilados asociados a la proteína Tau.
Placas amilóides cercadas por células gliales reactivas, al ser expuestas al Al3+, activarían procesos de
oxidación de las células gliales que a su vez pueden, indirectamente, afectar la integridad de las neuronas
El estrés oxidante es inducido en los cerebros expuestos al Al3+
FERREIRA, Pricilla Costa, PIAI, Kamila de Almeida, TAKAYANAGUI, Angela Maria Magosso et al. Aluminum as a risk
factor for Alzheimer's disease. Rev. Latino-Am. Enfermagem [online]. 2008, vol. 16, no. 1 [citado 2008-09-10], pp. 151-157. Disponible en la World Wide Web: [1]. ISSN 0104-1169. doi:
10.1590/S0104-11692008000100023
Función del factor de crecimiento
Manifestaciones de la EA
Las mutaciones de APP y de presenilinas aumentan la formación de A40 y A42
Las mutaciones de ApoE4 intensifican la agregación
Placas Amilóides Filamentos helicoidales pareados
Ovillos Neurofibrilares
Muerte Neuronal
Tau-P Tau
Quinasa
Fosfatasa
Agregación