¿Qué es una proteína precursora?
Progresos de la investigación sobre la proteína precursora de amiloide en la enfermedad de Alzheimer
Progresos en bioquímica y biofísica, volumen 26, número 2, 1999
Biología, Departamento de Medicina de la Universidad de Beijing Molecular Biology, Beijing (100083)
Chen Peili, Tong Tanjun, Zhang Zongyu
Resumen La enfermedad de Alzheimer (EA) es una encefalopatía degenerativa primaria que se presenta en personas mayores, cuyas lesiones características. Son los ovillos neurofibrilares intracelulares (NFT) y las placas seniles extracelulares (SP). El componente principal de la SP, el péptido β-amiloide (βA), es un polipéptido con un peso molecular de aproximadamente 4 ku que se escinde de la proteína precursora de amiloide (APP). Su neurotoxicidad puede deberse a su oxidación y formación en la bicapa lipídica. Causada por los canales de Ca2+ formados en el La función de la APP aún no se comprende completamente, pero puede tener funciones como promover la adhesión celular y mantener la estabilidad de la membrana sináptica. La APP se procesa y modifica principalmente a través de dos vías: una es la vía secretora, catalizada por algunas supuestas secretasas y la otra es la vía endosoma-lisosoma; Entre los SP que forman βA, es más probable que los más largos se agreguen que los cortos. Por lo tanto, algunas mutaciones de APP pueden causar EA familiar porque pueden liberar más βA más largos o aumentar la producción de βA más cortos. Algunos factores que pueden desempeñar un papel importante en el metabolismo de la APP, como las mutaciones en la progerina, también pueden causar EA al aumentar la producción de βA.
Palabras clave: Enfermedad de Alzheimer Proteína precursora de β-amiloide péptido β-amiloide
La enfermedad de Alzheimer (EA) es una degeneración primaria que se presenta en las personas mayores. La tasa de incidencia de encefalopatía en las personas mayores. La población mayor de 65 años es aproximadamente del 5% al 10%. Primero se ven afectadas las funciones de pensamiento y memoria del paciente y luego aparecen anomalías emocionales y de comportamiento. A medida que la afección empeora, el paciente se vuelve incapaz de cuidar de sí mismo en la vida diaria y queda postrado en cama más adelante en el curso de la enfermedad. El curso natural de la enfermedad es de aproximadamente 3 a 15 años (años). Desde que Alois Alzheimer describió por primera vez el caso de la enfermedad en 1907, muchos investigadores han llevado a cabo debates en profundidad sobre sus factores de riesgo y su patogénesis, pero no existe una explicación definitiva. todavía. Los cambios patológicos de la enfermedad incluyen principalmente una reducción o pérdida extensa de neuronas (especialmente en la corteza y el hipocampo), ovillos neurofibrilares intracelulares (NFT), placas seniles extracelulares (SP) y angiopatía amiloide cerebral congofílica (CAA) (que involucra principalmente leptomeníngea y vasos sanguíneos corticales). En la actualidad, a medida que aumenta la esperanza de vida de la población social, esta enfermedad se ha convertido cada vez más en uno de los problemas importantes que afectan la salud mental de las personas mayores.
En los últimos años, se han publicado numerosos informes de investigación sobre el impacto de la proteína precursora de amiloide (APP) en la EA. El producto de escisión de APP, el péptido β-amiloide (βA), es el componente principal de ADSP. Como gen constitutivo, la APP se expresa en varios tejidos del cuerpo humano, pero su función no está clara actualmente. La alta expresión de APP y ciertas mutaciones pueden causar EA de aparición temprana en algunas familias. Por lo tanto, se ha prestado toda la atención al papel patogénico de APP.
1 producto de escisión de APP——βA y su papel en la EA
Los componentes principales de SP y CAA se escinden de APP y tienen una masa molecular de aproximadamente 4 ku. El polipéptido se llama Aβ , βA o βA4 en la literatura debido a su estructura de lámina β-plisada. La βA consta de 39 a 42/43 residuos de aminoácidos. La βA sintetizada in vitro puede agregarse espontáneamente en fibras con una estructura amiloide. Los experimentos de inmunohistoquímica han demostrado que existen otros componentes proteicos en SP (y NFT), como la α1-antiquimotripsina, la apolipoproteína (Apo) E, la apolipoproteína J (ApoJ), etc. Estos componentes proteicos pueden promover el proceso de agregación de βA, por lo que se denominan proteínas chaperonas.
Aunque actualmente no hay evidencia de agregados βA en la EA
No hay consenso sobre su papel y, de hecho, algunos experimentos han observado que tiene efectos tóxicos directos o indirectos sobre las células neuronales. Este efecto tóxico puede ser causado por: a. Oxidación [1]. Esta oxidación puede estar mediada por el receptor de productos finales de glicación avanzada (RAGE) [2]. b.βA puede formar canales de Ca2+ únicos en la bicapa lipídica. Este canal puede afectar o eliminar el gradiente de iones en ambos lados de la membrana y así afectar la función de las neuronas [3]. c.βA todavía puede inducir apoptosis en células neuronales cultivadas. El examen histológico también encontró que el tejido cerebral con EA tiene ciertas características morfológicas de apoptosis, como condensación de cromatina, fragmentación nuclear, etc. Además, el fenómeno de apoptosis anterior está relacionado con la expresión anormal del gen bcl-2. Sin embargo, Yamatsuji et al. [4] encontraron que βA (1 a 40 o 42) tan alto como 50 μmol/L no podía causar apoptosis en las células COS-NK1. Sin embargo, debido a la mutación London de APP (APP695: V642-). I/F/G), las anomalías funcionales resultantes pueden ser la causa de la apoptosis. Por lo tanto, Yamatsuji [4] e Ikezu et al [5] creen que la señalización anormal de APP-G0 puede ser la causa de la EA, y que las placas amiloides formadas por la agregación de βA son sólo un producto accesorio y sólo una de las manifestaciones de la EA. . Estudios posteriores realizados por este último grupo de investigadores confirmaron además que la APP695 mutada (V642-I/F/G) puede ser negativa para el elemento de respuesta al AMPc (CRE) al acoplarse al extremo carboxilo de G0 (V642-F).
Entre los βA que forman SP, aquellos que contienen de 42 a 43 residuos de aminoácidos tienen más probabilidades de formar fibrillas de amiloide que los βA que contienen 40 residuos de aminoácidos. Por lo tanto, algunos mutantes de APP (como el mutante London) pueden liberar. βA más largo [6], lo que hace que las personas que lo portan desarrollen EA familiar de inicio temprano (EOAD). Estos fragmentos βA más largos pueden primero agregarse y luego los fragmentos βA más cortos pueden depositarse más para formar SP. Por lo tanto, algunos otros mutantes de APP pueden causar EOAD al aumentar la producción de βA que contiene 40 residuos de aminoácidos [7].
Además de los genes propios de APP mencionados anteriormente, mutaciones en determinados genes también pueden afectar a su proceso de esquila y a la producción de βA. La progerina (o presenilina, PS) 1 y PS2 son proteínas transmembrana. Sus genes están ubicados en el cromosoma 14q24.3 y el cromosoma 1 respectivamente, y sus estructuras son altamente homólogas (67%). Al igual que APP, PS también se expresa ampliamente en varios tejidos del cuerpo humano, pero aún no se ha determinado su función. Entre las familias conocidas de EOAD, más del 70% de los casos contienen mutaciones PS1 y PS2. Actualmente, se han detectado más de 40 y 2 mutaciones sin sentido de PS1 y PS2 respectivamente. Aunque estas mutaciones en PS (PS1) ocurren en varias regiones de PS, hasta ahora no se ha encontrado que tengan efectos extensos sobre el corte de PS. Debido a la mutación de PS, aumenta la producción de βA42 en sus portadores, lo que hace que los portadores desarrollen EA a una edad más temprana (40-50 años). Esto también se ha confirmado en células transfectadas y ratones transgénicos [8 〕. La razón puede ser que PS desempeña un papel importante en el plegamiento correcto de APP y en la clasificación y posicionamiento de las células [9]. Los defectos en su estructura o función afectan el transporte y el procesamiento de escisión enzimática de APP, lo que conduce a una mayor producción de βA42; o, PS es un posible canal iónico (Ca2+) cuya mutación conduce a una apertura anormal del canal [10], lo que conduce a una función celular anormal e incluso apoptosis.
2 APP y sus funciones
Como se mencionó anteriormente, la βA se genera escindiendo su proteína precursora APP, una glicoproteína transmembrana con una estructura similar a la de los receptores de la superficie celular. . El gen APP está ubicado en 21q21.2, que se superpone con el locus del gen EOAD mapeado mediante análisis de ligamiento genético. El gen APP consta de al menos 18 exones y los diferentes métodos de corte y empalme de sus transcritos pueden producir varias isoformas de APP. Los tres más importantes son APP695, APP751 y APP770 (los números indican el número de residuos de aminoácidos). Los tres subtipos anteriores contienen polipéptido βA.
parte. La diferencia entre los tres es que los dos últimos contienen la secuencia inhibidora de la proteasa Kanitz (KPI, exón7) y la secuencia del antígeno KPI y MRCox-2 (exón8), respectivamente. APP, como gen de mantenimiento, se expresa en una variedad de tejidos, pero los subtipos de APP en diferentes tejidos son diferentes. Por ejemplo, APP695 se encuentra principalmente en el tejido cerebral, y los experimentos han demostrado que en el tejido cerebral de los pacientes con EA. un fenómeno de distribución desequilibrada de los subtipos de APP.
Según los datos actuales, la APP puede tener funciones como promover la adhesión celular, mantener la estabilidad de la membrana sináptica, inhibir la actividad de la serina proteasa y participar en la respuesta inmune del sistema nervioso central. APP puede combinarse con proteoglicanos de sulfato de heparina (proteoglicanos de sulfato de heparina), laminina (laminina, LN) y colágeno IV en la matriz extracelular a través de la región de unión a heparina de los residuos de aminoácidos 96 a 110 en el extremo amino y tiene la función. de participar en la adhesión celular. En células cultivadas, las APP (aPP soluble) pueden proteger a las neuronas de la toxicidad de βA, promover la supervivencia y el crecimiento celular y estimular el crecimiento de los axones neuronales. Un trauma cerebral severo puede aumentar la expresión de APP, lo que sugiere que APP puede desempeñar un papel determinado en la reparación del tejido cerebral después de una lesión. Sin embargo, resulta desconcertante que el trauma cerebral sea también uno de los factores de riesgo de la EA. Por lo tanto, es necesario estudiar más a fondo la importancia del aumento de la expresión de APP en la reparación del tejido neural. La APP presente en los gránulos α de las plaquetas puede liberar APP cuando se activan las plaquetas. Aún se desconoce si estas últimas participan en la reparación del tejido. Además, la secuencia del inhibidor de la serina proteasa (KPI) (o proteasa Nexin II) contenida en las APP tiene el efecto de inhibir la actividad del factor de coagulación plaquetaria XIa y la calicreína (Kallikrein), por lo que las APP pueden participar en la regulación del proceso de coagulación. Otra función importante de la APP (APP) es que puede regular la concentración de Ca2+ en las células neuronales, afectando así la respuesta de las neuronas al glutamato (GLU) [11]. GLU es un neurotransmisor excitador que juega un papel importante en la sinaptogénesis durante el desarrollo y los procesos de memoria y aprendizaje en adultos. Aún no se ha explicado si la disfunción temprana del pensamiento y la memoria en pacientes con EA está relacionada con la incapacidad de la APP para inhibir eficazmente el canal de Ca2+ formado por βA.
3 Procesamiento y metabolismo de la APP
La APP se procesa y modifica principalmente a través de dos vías: una es la vía secretora y la otra es la vía endosoma-lisosoma. El producto de traducción principal de APP se convierte en una molécula de APP madura después de ser procesada y modificada mediante sulfatación, fosforilación y glicosilación. La escisión en el modo secretor se produce entre los residuos de aminoácidos 16 y 17 equivalentes a βA, y es catalizada por la supuesta α-secretasa en fragmentos secretores (APP) compuestos de partes extramembrana y APP que todavía están conectadas a la membrana. Fragmento (P10) con una masa molecular de 10ku. Dado que ambos fragmentos no contienen βA completo, este método no conducirá a la formación de SP. Otra β-secretasa, que es diferente de la α-secretasa, puede escindir la APP adyacente al extremo amino de βA, generando APP truncadas y un fragmento carboxilo terminal (P11) que contiene βA con una masa molecular de aproximadamente 11 ku, que a su vez Puede ser degradado por la γ-secretasa en el extremo carboxilo terminal de βA para liberar βA. Algunas mutaciones de APP que causan EOAD, como la mutación de Londres (APP695: V642-I/F/G), la mutación sueca (APP695: L595-N, M596-L), etc., ocurren porque ocurren en el sitio de acción de la secretasa adyacente. a βA, lo que resulta en una producción prolongada de fragmentos βA o en un aumento de la producción, lo que lleva a EOAD. Por ejemplo, la introducción de una doble mutación en el sitio de acción de la α-secretasa puede reducir la secreción de APP. Los ratones transgénicos preparados con el gen APP mutado desarrollaron necrosis de células neuronales y otras lesiones en la corteza, el hipocampo y otras áreas, y los animales de experimentación desarrollaron una variedad de síntomas psiquiátricos que se agravaron por el aumento de la expresión del gen APP transferido [12]. La presencia de βA en el medio de cultivo de células cultivadas normales y en el líquido cefalorraquídeo de personas sin discapacidad intelectual no sólo cambia el concepto anterior de que βA sólo proviene de una escisión anormal de APP, sino que también respalda la existencia de las secretasas β y γ mencionadas anteriormente. actividades de escisión. Estas composiciones de aminoácidos βA amino-terminal y carboxilo-terminal "normales" tienen una heterogeneidad significativa, que puede deberse a
La especificidad de secuencia de diferentes secretasas puede ser diferente o ser el resultado de la acción de un tipo de enzima [13, 14]. En los últimos años se han realizado numerosos estudios sobre los diversos (tipos de) secretasas mencionadas anteriormente y se han obtenido algunos resultados. Por ejemplo, la β-secretasa tiene una alta especificidad de secuencia y sólo actúa sobre sustratos anclados en la secuencia de la membrana plasmática. γ-secretasa La especificidad es menor y así sucesivamente [15]. Los hallazgos anteriores pueden explicar por qué el extremo carboxilo de βA es más heterogéneo. Además, también se han encontrado algunas enzimas con las actividades antes mencionadas, como la gelatinasa A, que tiene actividad β-secretasa [16]. Sin embargo, la localización celular y el modo de acción de estas enzimas secretadas no están claros hasta el momento.
Dado que la APP marcada en la superficie celular puede ser absorbida por las células, y que en los endosomas-lisosomas existen APP intacta y fragmentos carboxilo terminales más grandes, como P10, hay motivos para creer que la APP y el carboxilo terminal El producto de escisión asociado con la membrana puede internalizarse, absorberse y degradarse aún más. Dado que la leupeptina y otros inhibidores de enzimas lisosomales pueden aumentar la producción de una serie de fragmentos carboxilo terminales que contienen βA, esta serie de fragmentos carboxilo terminales pueden escindirse y formarse en lisosomas. Estos fragmentos carboxilo terminales pueden ser degradados aún más por otras enzimas en los lisosomas, como la catepsina S, para liberar βA [17]. Dado que la eliminación del segmento intracitoplasmático de las moléculas de APP aún puede producir APP y βA, algunas moléculas de APP también pueden dirigirse directamente a los endosomas-lisosomas para su procesamiento y corte por la red trans-Golgi. Brefeldin A puede inhibir completamente la producción de βA, lo que también indica que la transferencia de APP en los cuerpos de Golgi es necesaria para la producción de βA. Sin embargo, aún no se ha informado sobre el mecanismo por el cual regula la clasificación y localización intracelular de las moléculas de APP y, por lo tanto, afecta la producción de βA.
Poco se sabe sobre el mecanismo que afecta o regula la producción de βA. La señalización transmembrana puede afectar los diferentes métodos de cizallamiento de APP. Por ejemplo, cuando se activan la proteína quinasa A (PKA) [18] y la proteína quinasa C (PKC) [19], pueden aumentar la liberación de APP y reducir la producción de βA. Sin embargo, dado que la APP en sí no cambia el estado de fosforilación (PKC), este proceso puede funcionar activando otra proteína (posiblemente α-secretasa). Las señales transmembrana mencionadas anteriormente pueden estar mediadas por neurotransmisores, factores de crecimiento y citoquinas que se unen a los receptores correspondientes. Por ejemplo, la acetilcolina y la 5-hidroxitriptamina (serotonina) exhiben los efectos anteriores después de unirse a los receptores correspondientes (receptores muscarínicos M1 y M3 y 5-HT2a y 5-HT2c respectivamente [20]). Sin embargo, el mecanismo detallado en este aspecto aún no se ha dilucidado.
En resumen, con la comprensión de la función fisiológica de APP y el estudio del mecanismo de procesamiento metabólico, el papel de APP y βA en la EA será cada vez más claro, y se podrán encontrar algunas medidas terapéuticas y preventivas que bloquear o ralentizar el proceso de AD.