ALFA SINUCLEINA

Marina Polo Salguero, José Javier Sanz García e Irene Torres Pulido, 1 Biología Sanitaria

ÍNDICE

  1. Introducción e historia
  2. Estructura
  3. Función biológica y bioquímica
  4. Evolución y árbol filogenético
  5. Implicaciones biomédicas, biotecnológicas y biosanitarias
  6. Bibliografía y referencias

Introducción e historia

La α-sinucleína es una proteína perteneciente a la familia de las sinucleínas, un  grupo de proteínas que se caracteriza por englobar proteínas intrínsecamente desestructuradas, es decir, son proteínas que no llegan a alcanzar una estructura terciaria estable. 

Este grupo está formado principalmente por tres proteínas: la α-sinucleína, la β-sinucleína y la γ-sinucleína.  

Estas se caracterizan por contribuir en la causa de diversas enfermedades neurodegenerativas como Parkinson, Alzheimer o, incluso, estar ligadas al cáncer. 

En el caso de la α-sinucleína, esta también se encuentra vinculada a la demencia de cuerpos de Lewy, una de las diversas causas que dan lugar a la enfermedad de Alzheimer y del Parkinson.

 ¿Pero, cuál es el bagaje histórico de esta proteína?

La primera noticia de la existencia de la α-sinucleína fue en 1985, cuando se identificó una proteína específica de la neurona por medio de un anticuerpo contra las vesículas sinápticas del órgano eléctrico del Torpedo del Pacífico (Torpedo californica). Además una proteína muy parecida había sido descubierta en el cerebro de una rata, que contaba con una gran homología con la proteína del órgano eléctrico del torpedo. 

Esta estructura de uno 140 aminoácidos recibió el nombre de sinucleína debido a que estas se encontraron tanto en la región citoplasmática como en la nuclear de las neuronas. 

Posteriormente, en 1997, se descubrió la relación entre la α-sinucleína y la enfermedad del Parkinson, siendo la primera vez que se demostraba que esta enfermedad estaba producida por un defecto genético. Esto llevó a los investigadores a intentar desarrollar los anticuerpos necesarios para hacer frente a dicha enfermedad. Gracias a esto, y a sucesivos experimentos, se descubrió que la α-sinucleína se expresaba en los cuerpos de Lewy y, de hecho, podía ser la causante de la demencia por cuerpos de Lewy y diversas enfermedades relacionadas con estos como el Alzheimer.

Estos hallazgos fueron reforzados con los estudios del anatomista alemán Heiko Braak en 2003, quien realizó un estudio muy meticuloso de las diversas etapas del desarrollo del Alzheimer.

Estructura

Pasemos a explicar cómo se estructura esta proteína.

La α-sinucleina se puede encontrar de dos maneras principalmente: en forma de una simple α hélice o en forma de agregado.

  • Α-sinucleina en forma α-helice:

Esta estructura consiste en una proteína de pequeño tamaño, soluble en agua y ácida Formada por dos α-hélice unidas entre si por una breve secuencia lineal de aminoacidos conocida como “hélice-giro-helice”.

Está conformada por un total de 140 aminoacidos y cuenta con tres dominios distintos: el dominio N-terminal o aminoterminal, el componente no-amiloide o NAC y un dominio C-terminal o carboxilo terminal.

El dominio N-terminal comprende los 65 primeros aminoacidos y se caracteriza por estar cargado positivamente y por tener una estructura helicoidal formada por siete series imperfectas de 11 aminoacidos. Estas repeticiones conservan constantemente el motivo KTKEGV, importante para reducir la tendencia de la α-sinucleína a formar estructuras β.

El componente no-amiloide o NAC comprende desde el aminoácido 66 hasta el 95. Consiste en un segmento fundamental para la formación de agregados tóxicos. Estos son las principales responsables de la formación de estructuras β.

Por último el dominio C-terminal está formado por los 45 aminoacidos restantes, de los cuales 10 son acido glutámico y 5 son acido aspártico. Este dominio se basa en una cola ácida, hidrofóbica y de alta carga negativa. Esta tiene una principal función inhibidora y de interacción con la NAC.

Secuencia de aminoacidos de la alfa sinucleina y sus respectivos dominios.
  • Α-sinucleína en forma de agregado

Esta estructura o forma es la que se ha demostrado científicamente que está asociada con las enfermedades neurodegenerativas. 

Se inicia por un mal plegamiento de la proteína, que da lugar a una estructura β-laminar. Un conjunto de estas proteínas mal plegadas es lo que va a derivar en oligómeros patológicos que se depositan y se fibrilizan, dando lugar a la estructura agregada de la alfa-sinucleína.

Función bioquímica y biológica

Las principales funciones bioquímicas y biológicas del al alfa-sinucleína son:

  • Activación de las células de la microglía:

El proceso de neuroinflamación de las células de la microglía juega un papel muy importante en la enfermedad del Parkinson. Esto ocurre, en parte, debido a un cambio de la función glial después de la activación mediante SNCA modificada. Esta SNCA modificada es un componente de los denominados cuerpos de Lewy y es segregada por neuronas dopaminérgicas alteradas. La SNCA se nitra en los procesos de estrés oxidativo y en su estado agregado, induce la inflamación de la microglía. 

Por esta razón, es capaz de activar directamente la microglía, lo que conlleva una producción mayor de citoquinas proinflamatorias como el factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α) e interleuquina-1β. 

Esta inflamación podría ser uno de los factores que favorecen la propagación de la enfermedad, puesto que contribuye a una degradación más rápida de las células dopaminérgicas.

  • Unión de lípidos y transporte

 La SNCA sufre un notable cambio estructural de su conformación en “random coil” a su forma α-helicoidal al unirse a vesículas lipídicas, lo cual apoya la posible participación de la SNCA en la unión de lípidos y en el transporte.

Además, se descubrió que las mutaciones puntuales en SNCA relacionadas con PD suprimían su habilidad de unirse a vesículas lipídicas, reforzando aún más la idea de que esta sea una función común de la SNCA.

  • Actividad como chaperona

 Está muy relacionada con la chaperona 14-3-3 (con la que comparte cierta homología en su secuencia), la cual se sabe interactúa con cerca de 200 proteínas. Al unirse a sus proteínas diana participa en una gran cantidad de procesos biológicos como la transcripción y el desarrollo neuronal. 

Esta chaperona 14-3-3 está asociada a numerosas enfermedades, pues al igual que la alfa sinucleína, se localiza en los cuerpos característicos de estas patologías (como los cuerpos de Lewy); sin embargo, aún no se conoce cómo participa en el ensamblaje de dichos cuerpos de inclusión.

  • Metabolismo de la dopamina.

 La SNCA participa en la mayoría de los procesos relacionados con el metabolismo de la dopamina: inhibe la transcripción de la TH (enzima que cataliza la transformación de la tirosina en l-DOPA), reduce la actividad de la TH uniéndose a su forma no fosforilada (la mantiene inactiva) y reduce la actividad del transportador de dopamina (DAT) uniéndose a este y formando un complejo estable. 

Evolución y árbol filogenético

La relación evolutiva entre la SNCA y sus parálogos ha sido establecida mediante técnicas como Neighbor-Joining y métodos como el de Máxima Verosimilitud.

El análisis filogenético de la familia de las sinucleínas ha revelado que dos duplicaciones han contribuido a la diversificación de esta familia. La primera duplicación tuvo lugar en la raíz de los vertebrados, antes de la división tetrápodo-teleóstea; y originó la SNCG, parálogo y ancestro de la SNCA y SNCB. Mientras que la segunda duplicación ocurrió al inicio del linaje de los sarcopterigios, después de la especialización de los peces teleósteos; y resultó en los parálogos SNCA y SNCB.

Cabe destacar la mayor longitud de las ramas pertenecientes a proteínas SNCG con respecto a sus dos parálogos (SNCA y SNCB), lo cual sugiere que esta haya evolucionado bastante más rápido que la alfa y la beta. Estudios realizados mediante Bidirectional Blast han sido incapaces de encontrar algún ortólogo de esta familia entre los invertebrados, lo que refuerza el supuesto de que el origen de dicha familia reside únicamente en los vertebrados.

El estudio de la filogenia de la familia de las sinucleínas reveló que la SNCA es un gen específico de los sarcopterigios, de ahí su especificidad funcional con respecto a esta clase. En cuanto al parecido entre los tres parálogos, se descubrió que la SNCA y la SNCB comparten un 63% de su identidad, lo cual se ve reflejado en su localización celular y sus funciones comunes. Por ejemplo, ambas se encuentran de forma predominante en el cerebro, más concretamente en los terminales presinápticos, llevando a cabo procesos asociados a la membrana neuronal. La SNCG y la SNCA comparten un 53% de su identidad. La localización filogenética divergente de la SNCG podría explicar sus diferencias funcionales y estructurales con respecto a la SNCA y la SNCB. 

Implicación biomédica, biotecnológica y biosanitaria 

La alfa sinucleína es una proteína implicada en el desarrollo de varias enfermedades neurodegenerativas como son el Parkinson y el Alzheimer.

Comenzaremos explicando su relación con estas enfermedades, ya que es precisamente esta proteína la culpable de que se desencadenen sus síntomas y se propague la enfermedad al resto de células. 

La relación de esta proteína con las neuropatologías se debe a que es la precursora de los cuerpos de Lewy, situados en el citoplasma neuronal y causantes de las llamadas sinucleinopatías, que engloban principalmente la Enfermedad de Parkinson, la Demencia por Cuerpos de Lewy y la Atrofia Multisistema.

Los cuerpo de Lewy  son neurofilamentos patológicos formados principalmente por alfa sinucleína mal plegada (además de otras proteínas) que se agrega creando estructuras de aspecto esférico.

La localización de los cuerpos de Lewy es una de las principales causas de que se desarrolle una neuropatología u otra, pues en función de esto se ve afectada una determinada zona cerebral. Por ejemplo, al depositarse en la corteza cerebral suelen dar lugar a la Demencia por Cuerpos de Lewy (DCL) pues en esta zona se localizan funciones que requieren una mayor actividad cerebral como el procesamiento de información o el lenguaje. En el Parkinson sin embargo, los cuerpos de Lewy afectan a la “sustancia nigra”, que se encuentra en capas algo más profundas del encéfalo, estrechamente relacionadas con la locomoción.

No se puede pese a esto afirmar que estas enfermedades se localicen simplemente en una región concreta. Una de las características que hace que la alfa sinucleína afecte de forma tan evidente al tejido neuronal es su capacidad de, una vez adquirida la estructura patológica, provocar un mal plegamiento en las proteínas adyacentes. Esto se explica de la siguiente manera.  La proteína en un primer momento se encuentra en una forma soluble formando una estructura intrínsecamente desordenada, pero esta tiende a formar agregados de forma natural. Cuando un agregado de alfa sinucleína entra en contacto con alfa sinucleína “libre” promueve que esta precipite, pasando a formar parte del agregado.

La alfa sinucleína es tóxica para las neuronas en grandes cantidades; sin embargo, en su forma no patológica constituye una parte notable del tejido neuronal (conforma alrededor del 1% de las proteínas que lo componen) por lo que uno de los mayores retos a los que se enfrentan los investigadores es ser capaces de evitar su sobreexpresión (causante de la neurodegeneración) manteniendo las cantidades proteicas necesarias para el buen funcionamiento neuronal.

La toxicidad de esta proteína y su relación con la enfermedad de Parkinson se demostró extrayendo alfa sinucleína del cerebro de pacientes fallecidos por dicha enfermedad e inyectándola en animales. Pocos meses después de haber sido inyectados, estos comenzaron a presentar los síntomas típicos de la enfermedad: sus neuronas dopaminérgicas degeneraron y generaron los agregados proteicos que se fueron extendiendo por todo el área cerebral.

Puesto que es la agregación de la proteína lo que provoca la neurodegeneración, la estrategia  de los investigadores a día de hoy consiste en hallar formas de disgregar las fibras formadas por la proteína o, directamente, evitar que estas puedan formarse. Hay varios descubrimientos relevantes al respecto. Uno de ellos es la certeza de que pequeñas proteínas y péptidos pueden interactuar con la alfa sinucleína, evitando así su oligomerización.

Por desgracia, esto  no es suficiente ya que aún así la alfa sinucleína tiene otras muchas formas de agregarse mediante su sobreexpresión, acumulación o fosforilación. Es necesario por tanto ser capaces también de deshacer las estructuras ya formadas.  

A pesar de que a día de hoy todavía no se ha conseguido una solución clara a este problema, sí se han realizado grandes avances.

Un grupo de neurocientíficos de Georgetown University Medical Center  ha descubierto recientemente que una de las principales causas de la agregación de alfa sinucleína podría ser su desubiquitinación (eliminación de la proteína señalizadora ubiquitina), causando que las formas mal plegadas no puedan ser detectadas y eliminadas. Esta desubiquitinación sería llevada a cado por la USP13, por lo que el estudio propone inhibir dicha molécula, evitando así que las alfa sinucleínas queden sin señalizar y permitiendo su eliminación. Ya se han realizado pruebas en ratones y el resultado fue no solo la destrucción de los cuerpos de Lewy presentes sino que también se evitó la formación de nuevos agregados.

A pesar de todo, como ya se ha mencionado, estos estudios están en fase experimental, por lo que no se puede afirmar que se haya encontrado una cura definitiva para estas enfermedades neurodegenerativas.

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Representación de los cuerpos de Lewy en una neurona.   
Importante descubrimiento contra la enfermedad de Parkinson
Imagen del efecto del Parkinson en un cerebro humano.

Bibliografía y referencias.

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  • Alpha-synuclein structure, functions, and interactions (2016). J Res Med Sci. 
  • “α-Synuclein structure, posttranslational modification and alternative splicing as aggregation enhancers” (September 2006). Volumen 112, Artículo 3, Páginas 237–251. Acta Neuropathologica.
  • The fold of α-synuclein fibrils (June 2008). PNAS
  • Researchers Find Inhibiting One Protein Destroys Toxic Clumps Seen in Parkinson ’s disease. (2018). George Town University Medical Centre
  • Siddiqui, I., Pervaiz, N. & Abbasi, A. The Parkinson Disease gene SNCA: Evolutionary and structural insights with pathological implication. (2016). Sci Rep 6, 24475.
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  • The Therapeutical Potential of Alpha-Synuclein Antiaggregatory Agents for Dementia with Lewy Bodies. Current Medicinal Chemistry, 15(26), 2748–2759