25 de agosto de 2000
Nuevo modelo sugiere cómo se forman los priones
Investigadores del Instituto Médico Howard Hughes (HHMI) en
la Universidad de Chicago han identificado un nuevo mecanismo por el
cual proteínas infecciosas en levadura, llamadas priones,
replican sus estructuras. El descubrimiento puede proporcionar un
modelo general para entender cómo se lleva a cabo la
agregación de proteínas en varias enfermedades humanas,
incluyendo la enfermedad de Alzheimer.
En un artículo publicado en el número del 25 de agosto
de 2000, de la revista Science, la investigadora del HHMI, Susan
L. Lindquist y sus colegas en la Universidad de Chicago informaron que
los priones producen fibras amiloideas para perpetuarse, por medio de
un modelo que el equipo de Lindquist llama conversión
conformacional nucleada.
“Durante los últimos 40 años se han desarrollado modelos teóricos generales para describir varios procesos de autoensamblaje de proteínas, pero en realidad nadie tenía idea sobre cómo las proteínas priónicas se ensamblaban, formando las fibras amiloideas”.
Susan Lindquist
El equipo de Lindquist estudió el dominio crítico de
Sup35, un prion de levadura que habían descubierto previamente
podía transmitir características hereditarias de una
generación de levadura a la siguiente. Los priones de levadura
son conceptualmente similares a los priones de mamíferos, que
han ganado notoriedad por sus funciones en enfermedades humanas fatales
que destruyen el cerebro, tales como la de Creutzfeldt-Jakob y el
kurú, y en las enfermedades animales tales como el scrapie y la
encefalopatía espongiforme bobina o "enfermedad de la vaca
loca".
Los priones de levadura y de mamíferos transmiten fenotipos a
través de interacciones entre proteínas, en las cuales
una proteína priónica formada anormalmente influye para
que su contraparte normal asuma una forma anormal. En la
infección priónica de mamíferos, tales formas
anormales e insolubles producen los agregados proteicos que destruyen a
las células cerebrales. En células de levadura, la
proteína priónica insoluble no es mortal; simplemente
altera la capacidad funcional de la célula.
Aunque ha habido mucho interés en los priones, los
investigadores todavía no saben cómo se lleva a cabo el
montaje del prion. "Durante los últimos 40 años se han
desarrollado modelos teóricos generales para describir varios
procesos de autoensamblaje de proteínas, pero en realidad nadie
tenía idea sobre cómo se ensamblaban las proteínas
priónicas, formando las fibras amiloideas", dijo Lindquist. Los
modelos generales sugieren que Sup35 se podía convertir en
fibras amiloideas, creciendo a partir de elementos únicos de
proteína, llamados monómeros; ensamblándose en un
molde o juntándose en un "núcleo", como lo que ocurre en
el crecimiento de cristales a partir de su punto de origen. La
comprensión del mecanismo de ensamblaje amilóideo
proveerá beneficios considerables, dijo Lindquist.
"Los priones mamíferos constituyen una amenaza seria para la
salud, así que es importante entender cómo se propagan.
Si nuestro trabajo se extiende a los priones mamíferos, tal
conocimiento podría ofrecer vías potenciales de
tratamiento", dijo. "También, a pesar de no tener la certeza, al
menos algunos otros amiloides implicados en enfermedades tales como la
enfermedad de Alzheimer se podrían ensamblar de esa manera".
"Finalmente, el prion de levadura representa un modo enteramente
nuevo de herencia que no depende del genoma, sino de las
proteínas. Tal mecanismo probablemente tendrá una amplia
influencia en la comprensión de algunos fenómenos
biológicos básicos".
En sus experimentos, los científicos utilizaron una variedad
de técnicas analíticas, tales como microscopia de fuerza
atómica y estudios bioquímicos, para entender los cambios
estructurales básicos que ocurrían a medida que Sup35 se
autoensamblaba. Los científicos también midieron el
tiempo que llevaba el curso del proceso de ensamble, así como
los efectos que tenían las concentraciones variables de la
proteína Sup35 soluble, en la capacidad de Sup35 para
ensamblarse formando las fibras. Experimentos iniciales eliminaron
rápidamente de la discusión al modelo del mecanismo de
conversión del monómero dirigido, dejando como posibles
modelos al de subensamblaje por moldeado y al de formación
nucleada.
Un descubrimiento particularmente asombroso, dijo Lindquist, fue que
el índice de ensamblaje no parecía ser dependiente de la
concentración de proteína soluble. "Esta falta de
dependencia de la concentración era muy inusual", dijo.
"Simplemente no cabía con ninguno de los modelos restantes. Si
no hubiéramos tenido a tres personas en el laboratorio haciendo
el mismo experimento y obteniendo los mismos resultados, pienso que no
lo hubiera creído".
Resultados de manipulaciones experimentales adicionales de las
condiciones de ensamblaje llevaron a los científicos a proponer
un nuevo modelo para explicar sus resultados. Llamaron a su modelo
conversión conformacional nucleada (NCC, por sus siglas en
inglés), y postularon que los dominios individuales del prion
Sup35 soluble oscilan entre diversas conformaciones estructurales en
solución y no pueden encontrar la forma correcta de plegarse por
sí mismos. "Pero cuando un grupo de estas proteínas
oscilantes se reúne, proporciona un ambiente diferente y unas
con otras se ayudan para conseguir el plegamiento apropiado", dijo
Lindquist. "Una vez que un grupo de estas proteínas ha formado
un origen o núcleo estable, las proteínas nuevas se unen
a las exitosas y adquieren la misma estructura. Los complejos iniciales
son como gotas de pegamento, como una resina plástica que
todavía no ha endurecido. "Una vez que se endurecen, pueden
recolectar a otras gotas y transformarlas en fibras amiloideas",
dijo.
"Sugerimos que esta proteína particular-y probablemente al
menos algunos otros amiloides implicados en las enfermedades humanas-es
inusual ya que permanece sin tener una estructura por períodos
muy largos de tiempo", dijo Lindquist. "No puede resolver cómo
conseguir una estructura estable hasta que se ensambla con otras
proteínas en una especie de complejo fundido. Y dentro de ese
complejo, la estructura se estabiliza".
En efecto, las gotas de la proteína son tan frágiles
que si crecen demasiado pueden romperse, lo que puede ayudar a explicar
por qué las concentraciones más altas de proteína
tienen poco efecto en la velocidad de montaje de la fibra, dijo
Lindquist.
Lindquist y sus colegas están planeando el próximo
trabajo para explorar otras proteínas productoras de amiloides
para determinar si utilizan el mismo mecanismo de ensamblaje. "Mi
predicción es que habrá una clase de proteínas
formadoras de amiloides que también tienen esta misma tendencia
a existir en solución como espirales al azar", dijo. "Estas
pueden incluir proteínas tales como las implicadas en la
enfermedad de Parkinson".
También, dijo, una detallada comprensión del mecanismo
del NCC podría ser aplicada para la creación de
"nanoaparatos" a base de proteínas, máquinas del
tamaño de una molécula que podrían utilizarse como
componentes de computadoras, de sensores o de otras máquinas
infinitesimalmente pequeñas
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