La forma infecciosa del prion al descubierto

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Un estudio revela la estructura en forma de muelles en espiral de la proteína infecciosa (prion) causante de enfermedades neurodegenerativas como Creutzfeldt-Jakob o la enfermedad de las vacas locas. Un descubrimiento que resulta fundamental para conocer el mecanismo de estas enfermedades y tratar, en un futuro, de prevenirlas.

TEXTO POR ALEJANDRO M. SEVILLANO
ARTÍCULOS
15 de Septiembre de 2016

El trabajo The Structural Architecture of an Infectious Mammalian Prion Using Electron Cryomicroscopy ha sido publicado el 8 de septiembre en la prestigiosa revista PLOS Pathogens. La autora del trabajo es la investigadora Ester Vázquez-Fernández, del Departamento de Bioquímica de la Universidad de Alberta (Canadá) liderado por Holger Wille. En él ha participado un grupo español, liderado por Jesús Requena, del CIMUS Biomedical Research Institute de la Universidad de Santiago de Compostela.

En Principia hemos hablado con uno de los autores del trabajo —colaborador, y sin embargo amigo, de esta casa —, Alejandro M. Sevillano que ha querido explicarnos qué son las enfermedades priónicas y qué supone este descubrimiento en el estudio de la enfermedad.

Las Enfermedades Espongiformes Transmisibles (EET) o enfermedades priónicas son patologías neurodegenitivas mortales. Están causadas por la proteína PrPSc , comúnmente conocida como prion. Esta proteína PrPSc  presenta una forma estructural alternativa a las proteínas de la membrana celular de las neuronas (PrPC). El evento central de estas enfermedades radica en una transformación estructural por parte de la proteína PrPC hacía su forma tóxica e infecciosa: PrPSc. Esta transformación permite que la proteína PrPSc adquiera nuevas características bioquímicas y físicas que conlleva a la formación de agregados amorfos o fibras amiloides observables en cerebros de personas y animales enfermos.

En este trabajo se revela por primera vez la estructura de un prion infeccioso de mamíferos con una alta resolución. Conocer la estructura de ambas proteínas (PrPC y PrPSc) es crucial para entender los mecanismos moleculares que actúan durante la transformación estructural y así poder diseñar una terapia basada en «intermediarios» estructurales que inhiban o dificulten dicha transformación.  

La estructura de la proteína celular PrPC se consiguió mediante técnicas de alta resolución (RMN y Cristalografía y Difracción de Rayos-X) en la década de los 90 del siglo pasado. Sin embargo, no ha sido posible aplicar estas técnicas a la proteína PrPSc dadas sus características, por lo que hasta la fecha el estudio estructural de esta isoforma infecciosa se ha realizado usando técnicas indirectas, dando lugar a un gran número de datos experimentales que se han empleado para generar diversos modelos estructurales teóricos. Ninguno de estos modelos ha podido relacionar, hasta la fecha, las diferentes propiedades experimentales observadas de la proteína PrPSc con la supuesta estructura, provocando que la elucidación de dicha estructura sea una de las asignaturas pendientes más difíciles de la biología estructural. Y eso es lo que se ha conseguido en este nuevo estudio del que hablo y formamos parte: conocer la estructura del prion mediante técnicas de alta resolución.

Uno de los principales problemas a los que se ha enfrentado este estudio ha sido la gran cantidad de fibras de PrPSc de alta pureza que se han necesitado. Hay que tener en cuenta que la proteína PrPC es una proteína que se encuentra anclada a la membrana celular de las neuronas y puede presentar hasta dos uniones a carbohidratos, por lo que ambos factores pueden dificultar el estudio estructural considerablemente. Con este objetivo en mente, nuestro grupo ha usado ratones transgénicos en los que la proteína PrPC se encuentra libre en el espacio intercelular (sin anclar a membrana y sin unión a los azúcares) y es transformada a PrPSc formando un tipo de fibras llamadas GPI-anchorless que presentan una alta homogeneidad estructural. Es importante indicar que mediante un bioensayo en ratones silvestres se demostró que las fibras PrPSc purificadas seguían siendo infecciosas y que el método de purificación utilizado no había afectado a la estructura haciéndole perder su infectividad (por lo que hubiera dejado de ser un prion).

Con las fibras purificadas y verificada su infectividad, Ester Vázquez, del grupo de Holger Wille, llevó a cabo el trabajo de criomicroscopía electrónica, sin tinción para evitar errores en el contraste. El análisis y procesamiento de las cientos de imágenes de las fibras PrPSc GPI-anchorless se hizo mediante single particle analysis, y dio lugar a la posterior reconstrucción tridimensional. Los resultados demuestran que las fibras de PrPSc están formados por dos protofilamentos entrelazados, donde en cada uno de ellos está formado a su vez por el apilamiento de subunidades de PrPSc. Cada molécula de PrPSc está formada por un núcleo rico láminas-ß plegado en sí mismo, adquiriendo una estructura final de ß-solenoide de cuatro pisos.  

Imagen prion GPI-anchorless - Principia
Imagen de la fibra GPI-anchorless. Créditos de la imagen: Ester Vázquez-Fernández, Howard Young, Holger Wille y Jesús Requena 

Este modelo, sin llegar a ofrecer resultados a nivel atómico, proporciona por primera vez una idea más concisa de la estructura del prion. A su vez, abre la posibilidad de estudiar con más profundidad la estructura de las moléculas de PrPSc, respondiendo a preguntas cómo: ¿qué aminoácidos forman parte de las láminas-ß o giros? ¿Cómo se forma la unión entre PrPC y PrPSc?, si bien se hace mediante uniones que involucren cabeza-cabeza (fragmento Nt-Nt) y cola-cola (fragmento Ct-Ct) o bien uniones que involucren cabeza-cola? Explicando así unos de los fenómenos más llamativos de la biología en general: cómo la proteína PrPSc puede generar copias de sí misma mediante el reclutamiento de la proteína PrPC, es decir, ¡cómo esta proteína puede autoreplicarse!

Sin lugar a dudas, el descubrimiento de la estructura del prion infeccioso es un paso muy importante para entender el mecanismo central de las enfermedades priónicas, ya que se resuelve así un interrogante en la complicada relación y conversión de PrPC a PrPSc. Una vez conocidas ambas estructuras se puede avanzar en el conocimiento del mecanismo que gobierna la transformación estructural, pudiendo aplicar una batería de compuestos que impidan dicha transformación y que pudieran servir como diana terapéutica, o bien explicando en el caso de enfermedades esporádicas qué mecanismos imperan en la conversión espontánea de la PrPC a PrPSc. A su vez, conociendo el tipo de unión entre moléculas de PrPSc se puede conseguir averiguar cuál es el mecanismo de acción de la PrPSc cuando actúa como semilla de la conversión de la PrPC y tratar de explicar fenómenos como la barrera de transmisión.  

En definitiva, este trabajo es un paso importante en el conocimiento de estas enfermedades neurodegenerativas de las que se conoce poco y para las que no existe tratamiento, resultando mortales.

 

Créditos de la imagen de portada: Ester Vázquez-Fernández, Howard Young, Holger Wille y Jesús Requena.

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