La proteína tau sintética revela importantes conocimientos sobre el plegamiento incorrecto de las proteínas y la formación de fibrillas

La proteína tau sintética revela importantes conocimientos sobre el plegamiento incorrecto de las proteínas y la formación de fibrillas

Científicos de la Universidad Northwestern y la Universidad de California en Santa Bárbara han creado el primer fragmento sintético de la proteína tau que actúa como un prión. El "miniprión" se pliega y se apila en hebras (o fibrillas) de proteínas tau mal plegadas, que luego transmiten su forma anormalmente plegada a otras proteínas tau normales.

Las proteínas similares a priones mal plegadas impulsan la progresión de las tauopatías, un grupo de enfermedades neurodegenerativas (incluida la enfermedad de Alzheimer) a través de la acumulación anormal de proteína tau mal plegada en el cerebro. Al estudiar una versión sintética mínima y completa de la tau humana, los científicos pueden recrear mejor la estructura de fibrillas que contiene proteínas tau mal plegadas. Esto podría conducir a herramientas terapéuticas y de diagnóstico específicas que se necesitan con urgencia para las enfermedades neurodegenerativas.

Durante el desarrollo de la proteína sintética, los científicos también revelaron nuevos conocimientos sobre el papel del agua alrededor de la superficie de la proteína a la hora de guiar el proceso de plegamiento incorrecto. Los investigadores encontraron que una mutación comúnmente utilizada para modelar enfermedades relacionadas con TAU altera sutilmente la estructura dinámica del agua en el ambiente que rodea inmediatamente a la proteína tau. Esta estructura de agua alterada afecta la capacidad de la proteína para asumir su forma anormal.

El estudio se publicará en la semana del 28 de abril.Actas de esta Academia Nacional de Ciencias.

"El alcance de las enfermedades neurodegenerativas que involucran a la proteína tau es particularmente amplio", dijo Songi Han de Northwestern, quien dirigió el estudio. "Incluye la encefalopatía traumática crónica que ocurre en jugadores de fútbol después de un traumatismo craneoencefálico, degeneración corticobasal o parálisis supernuclear progresiva. Genera fragmentos de tau autopropagantes que pueden producir la estructura fibrilar y el mal funcionamiento de la tauopatía anterior anterior anterior única.

Han es profesor de química Mark y Nancy Ratner en la Facultad de Artes y Ciencias Neeinberg de Northwestern y miembro del Instituto de Química de los Procesos Vitales, del Programa de Posgrado en Física Aplicada, del Instituto Internacional de Nanotecnología, del Instituto Paula M. Trienens de Sostenibilidad y Energía y del Instituto de Investigación e Ingeniería de Información Cuántica. Michael Vigers, ex Ph.D. Un estudiante del laboratorio de Hans dirigió el estudio y es el primer autor. Los coautores de UC Santa Barbara incluyen a Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea y M. Scott Shell. El trabajo también fue posible gracias a varios estudiantes y becarios postdoctorales, incluidos Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose y Andrew P. Longhini.

Una reacción en cadena de pliegues incorrectos.

En muchas enfermedades neurodegenerativas, las proteínas se pliegan formando fibrillas dañinas y altamente ordenadas que, en última instancia, dañan la salud del cerebro pero son difíciles de diagnosticar. Cuando una proteína normal encuentra las fibrillas tau patológicas, la proteína normal cambia para adaptarse a la forma mal plegada. Este proceso conduce a una reacción en cadena en la que cada vez más proteínas se transforman al estado de agregación mal plegada. Aunque este comportamiento es similar al de los priones, no involucra priones reales, que pueden transmitir enfermedades infecciosas de persona a persona.

Utilizando microscopía electrónica criogénica (crio-EM), los investigadores resolvieron la estructura de las fibrillas a partir de muestras de tejido cerebral. Aunque el diseño de la estructura supuso un avance significativo, las muestras de cerebro sólo se pueden obtener después de la muerte del paciente. A pesar del espectacular progreso y el intenso interés en esta área, el diagnóstico definitivo de las enfermedades neurodegenerativas relacionadas con el TAU sólo es posible después de la muerte.

Hoy en día, cuando las personas muestran signos de una enfermedad neurodegenerativa, no se diagnostica con un biomarcador. Los médicos determinan el diagnóstico realizando una encuesta al paciente y examinando una serie de síntomas, como los patrones de sueño y la memoria. El cuello de botella es la generación confiable de fibrillas tau que reconstituyen las enfermedades críticas y únicas para que sirvan como objetivos para el desarrollo de estrategias de diagnóstico. “

Songi Han, Universidad del Noroeste

Un modelo simplificado

Para abordar el desafío actual, Han y su equipo buscaron desarrollar una proteína tau sintética similar a un prión. En lugar de recrear toda la longitud de la proteína, que es larga y difícil de manejar, el equipo de Han se propuso determinar el trozo más corto de tau que aún podría asumir una forma mal plegada y formar fibrillas parecidas a enfermedades.

Al final, Han y su equipo se centraron en un segmento corto de tau, llamado JR2R3, que tiene sólo 19 segmentos de aminoácidos de largo. El segmento contiene una mutación llamada P301L, que se encuentra comúnmente en muchas enfermedades. Los investigadores descubrieron que este péptido corto podría formar las fibrillas dañinas que son el sello distintivo de estas enfermedades, actuando como una "semilla" para compartimentar el plegamiento incorrecto y la agregación de las proteínas tau de longitud completa.

"Hicimos una versión mini que es más fácil de controlar", dijo Han. "Pero hace lo mismo que la versión completa. Sembran y hacen que la proteína tau normal doble mal las fibrillas y se una".

El equipo utilizó crio-EM para examinar la estructura de las fibrillas sintéticas. Descubrieron que la mutación P301L facilita un tipo específico de plegamiento incorrecto que se observa comúnmente en muestras de pacientes con neurodegeneración. El hallazgo sugiere que la mutación desempeña un papel crucial a la hora de dirigir la proteína hacia un plegamiento incorrecto.

La forma del agua

A continuación, Han quiso comprender cómo las proteínas tau inicialmente desordenadas se convierten en estructuras de fibrillas altamente ordenadas. Ella comparó el misterioso fenómeno con juntar hebras de espaguetis blandos y esperar que formen una pila ordenada.

"Es imposible que una proteína intrínsecamente desordenada caiga naturalmente en un pliegue y apilamiento perfecto que pueda regenerarse para siempre", dijo Han. "No tiene sentido".

Después de plantear la hipótesis de que algo debía mantener unidas las proteínas mal plegadas, Han encontró la clave: agua. El entorno que rodea a una proteína, en particular las moléculas de agua, desempeña un papel crucial en el plegamiento y la agregación de proteínas. La mutación P301L parece alterar directamente la estructura de la proteína tau y alterar el comportamiento de las moléculas de agua a su alrededor.

"El agua es una molécula líquida, pero aún tiene estructura", dijo Han. "La mutación en el péptido podría dar como resultado una disposición más estructurada de las moléculas de agua alrededor del sitio de la mutación. Esta agua estructurada influye en cómo el péptido interactúa con otras moléculas y las agrupa".

En otras palabras, el agua organizada une las proteínas y permite que las hebras individuales se unan formando una pila ordenada. Luego, las fibrillas utilizan su comportamiento similar al de los priones para reclutar otras proteínas para precipitar y unirse a la pila.

¿Qué sigue?

El equipo de investigación se centra ahora en caracterizar mejor las propiedades de las proteínas sintéticas similares a priones. En última instancia, planean investigar aplicaciones potenciales, incluido el desarrollo de nuevos enfoques diagnósticos y terapéuticos para enfermedades relacionadas con TAU.

"Una vez que se forma una fibrilla tau, no desaparece", dijo Han. "Agarrará la ingenua tau y la doblará en la misma forma. Puede hacer esto por siempre jamás. Si podemos descubrir cómo bloquear esta actividad, podremos descubrir nuevos agentes terapéuticos".

El estudio, "El diseño del agua es clave para la formación de priones Tau", fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (números de subvención R01AG05605 y R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft y la Fundación WM Keck.

Fuentes: