La agregación de proteínas (o proteína de agregación / aglomeración ) es un fenómeno biológico en el que las proteínas mal plegadas se agregan (es decir, se acumulan y se agrupan) de manera intracelular como extracelular. Estos agregados de proteínas a menudo se correlacionan con enfermedades . De hecho, los agregados de proteínas se han implicado en una amplia variedad de enfermedades que se han denominado amiloidosis , incluidas la ELA , las enfermedades de Alzheimer y Parkinson y las enfermedades priónicas .
Después de su síntesis , las proteínas tienen el hábito de plegarse en una conformación tridimensional particular que es la más termodinámicamente favorable para ellas: su estado nativo . Este proceso de plegado es impulsado por el efecto hidrofóbico , que es la tendencia de las partes hidrofóbicas de la proteína a intentar protegerse del ambiente hidrofílico de la célula ahuecando dentro de la proteína. Por tanto, el exterior de la proteína es típicamente hidrófilo, mientras que su interior es típicamente hidrófobo.
Las estructuras de las proteínas se estabilizan mediante enlaces no covalentes y enlaces disulfuro que unen dos residuos de cisteína . Las interacciones no covalentes incluyen enlaces iónicos e interacciones débiles de van der Waals . Las interacciones iónicas se forman entre un anión y un catión y forman puentes de sal que ayudan a estabilizar la proteína. Las interacciones de Van der Waals incluyen interacciones no polares ( fuerzas de London ) e interacciones polares ( enlaces de hidrógeno , fuerzas intermoleculares ). Estos juegan un papel importante en la estructura secundaria de las proteínas, como la formación de una hélice alfa o una hoja beta , así como en su estructura terciaria . Las interacciones entre los residuos de aminoácidos en una proteína determinada son muy importantes para la estructura final de esa proteína.
Cuando hay cambios en las interacciones no covalentes, como puede ocurrir por un cambio en la secuencia de aminoácidos, es probable que la proteína se pliegue mal o no se pliegue en absoluto. En este tipo de situación, si la célula no ayuda a que las proteínas corrijan este defecto de plegamiento o las destruyan, pueden agruparse, y en este proceso las partes hidrofóbicas expuestas de las proteínas pueden interactuar con las partes hidrofóbicas expuestas. proteínas. Hay tres tipos principales de agregados de proteínas que pueden formarse: agregados amorfos, oligómeros y fibrillas amiloides.
La agregación de proteínas puede tener lugar por varias causas. Hay cuatro clases en las que se pueden clasificar estas causas, que se detallan a continuación.
Las mutaciones que ocurren en la secuencia de ADN pueden afectar o no a la secuencia de aminoácidos de la proteína. Si la secuencia se ve afectada, un aminoácido diferente puede cambiar las interacciones entre las cadenas laterales , lo que afecta el plegamiento de la proteína. Esto puede conducir a la exposición de las regiones hidrófobas de la proteína que se agregan con la misma proteína mal plegada o desplegada, o con una proteína diferente.
Además de las mutaciones que afectan a las proteínas mismas, la agregación de proteínas también puede ser causada indirectamente por mutaciones que ocurren en proteínas durante vías reguladoras como la vía de plegamiento ( chaperonas ) o la vía ubiquitina-proteasoma ( ubiquitina ligasas ). Las chaperonas ayudan a que las proteínas se plieguen al proporcionar un entorno seguro para que se plieguen. Las ubiquitina ligasas se dirigen a las proteínas que se degradarán mediante la modificación de la ubiquitina .
La agregación de proteínas puede deberse a problemas que ocurren durante la transcripción o traducción . Durante la transcripción, el ADN se copia en ARNm , formando una cadena pre-ARNm que sufre modificaciones postranscripcionales para formar ARNm. Durante la traducción, los ribosomas y los ARN ayudan a traducir la secuencia de ARNm en una secuencia de aminoácidos. Si ocurren defectos durante cualquiera de estos dos pasos, produciendo una cadena de ARNm o secuencia de aminoácidos incorrecta, esto causa un plegamiento incorrecto de la proteína, lo que lleva a la agregación de la proteína.
El estrés ambiental, como las temperaturas extremas o el pH , o el estrés oxidativo, también pueden conducir a la agregación de proteínas. Un ejemplo de enfermedad provocada por este tipo de estrés es la crioglobulinemia .
Las temperaturas extremas pueden debilitar y desestabilizar los enlaces no covalentes entre los residuos de aminoácidos. Los PH fuera del rango de pH de una proteína determinada pueden alterar el estado de protonación de los aminoácidos, lo que puede aumentar o disminuir las interacciones no covalentes. También puede conducir a una unión menos estable y, por lo tanto, a que la proteína no se doble.
El estrés oxidativo puede ser causado por radicales como ROS . Estos radicales inestables pueden atacar los residuos de aminoácidos, lo que conduce a la oxidación de las cadenas laterales (como las cadenas laterales aromáticas o las cadenas laterales de metionina ) y / o la escisión de enlaces polipeptídicos. Esto puede afectar los enlaces no covalentes que mantienen la proteína en la forma correcta, lo que puede causar la desestabilización de la proteína y, por lo tanto, evitar que la proteína se doble.
Las células tienen mecanismos que pueden replegarse o descomponer los agregados de proteínas. Sin embargo, a medida que las células envejecen, estos mecanismos de control son menos eficientes y la célula es menos capaz de hacerse cargo de estos agregados.
La hipótesis según la cual la agregación de proteínas es un proceso consecuente en el envejecimiento es ahora comprobable porque se están desarrollando ciertos modelos de envejecimiento retardado. Si el desarrollo de agregados de proteínas fuera un proceso independiente del envejecimiento, ralentizar este envejecimiento no tendría ningún efecto sobre la tasa de proteotoxicidad a lo largo del tiempo. Sin embargo, si el envejecimiento se asociara con una disminución en la actividad de los mecanismos protectores contra la proteotoxicidad, los modelos de envejecimiento lento mostrarían una reducción en la agregación y la proteotoxicidad. Para solucionar este problema se realizaron varios ensayos de toxicidad en el nematodo C. elegans . Estos estudios han demostrado que la reducción de la actividad de señalización de la insulina / IGF, una vía reguladora del envejecimiento bien conocida, protege contra la agregación de proteínas tóxicas asociadas con la neurodegeneración. La validez de este enfoque ha sido probada y confirmada en mamíferos , ya que la reducción de la actividad de la vía de señalización de IGF-1 protegió a los ratones del estudio con enfermedad de Alzheimer de exhibir comportamientos y deterioros asociados con esta enfermedad.
Varios estudios han demostrado que las respuestas celulares a la agregación de proteínas están bien reguladas y organizadas. Los agregados de proteínas se localizan en áreas específicas de la célula, y la investigación se ha centrado en estas áreas en procariotas ( E. coli ) y eucariotas ( levaduras , células de mamíferos).
Los agregados de bacterias se encuentran asimétricamente en uno de los polos de la célula, el " polo más antiguo ". Después de la división celular , la célula hija que contiene el polo más anterior obtiene el agregado proteico y crece más lentamente que la célula hija sin el agregado. Esto constituye un mecanismo de selección natural para reducir los agregados de proteínas dentro de la población bacteriana.
La mayoría de los agregados de proteínas en las células de levadura tienen su defecto de plegamiento corregido por chaperonas. Sin embargo, algunos agregados pueden no tener corregido su defecto de plegamiento, como las proteínas dañadas por estrés oxidativo o las proteínas destinadas a la degradación. En cambio, se pueden redirigir a uno de dos compartimentos: el compartimento de control de calidad JUxtaNuclear ( JUNQ ) cerca de la membrana nuclear y el depósito de proteína insoluble o IPOD en inglés) cerca de la vacuola en las células de levadura. Los agregados de proteínas van a JUNQ cuando están ubicuidos y destinados a la degradación, mientras que las proteínas agrupadas e insolubles van a IPOD para un almacenamiento más prolongado. Los resultados han demostrado que las proteínas de esta ubicación pueden eliminarse mediante autofagia . Estas dos posibilidades funcionan juntas de tal manera que las proteínas tienden a pasar a IPOD cuando la vía del proteasoma está sobrecargada.
En las células de mamíferos, estos agregados de proteínas se denominan "agresomas" y se forman cuando la célula está enferma. Esto sucede porque los agregados tienden a formarse cuando hay proteínas heterólogas presentes en la célula, lo que puede ocurrir cuando la célula está mutada. La ubiquitina ligasa E3 es capaz de reconocer proteínas mal plegadas y ubiquitinarlas. Entonces, HDAC6 puede unir ubiquitina y la proteína motora dineína para transportar los agregados "marcados" al centrosoma . Una vez allí, se agrupan en una esfera que rodea el centrosoma. Proporcionan chaperonas y proteasomas y activan la autofagia.
Hay dos sistemas principales de "control de calidad" en la célula responsables de eliminar los agregados de proteínas. Las proteínas mal plegadas pueden replegarse mediante el sistema bi-chaperona o degradarse mediante el sistema ubiquitina-proteasoma, o mediante autofagia.
El sistema bi-chaperona utiliza las chaperonas Hsp70 (DnaK-DnaJ-GrpE en E. coli y Ssa1-Ydj1 / Sis1-Sse1 / Fe1 en levadura) y Hsp100 (ClpB en E. coli y Hsp104 en levadura) para desagregar y neo- proteínas plegables.
Hsp70 interactúa con agregados de proteínas y recluta a Hsp100. El Hsp70 estabiliza un Hsp100 activado. Hsp100 tiene bucles de poros aromáticos utilizados para la actividad de enhebrado para desenredar polipéptidos individuales. Esta actividad de enhebrado puede iniciarse en el N-terminal , C-terminal o también en el medio del polipéptido . El polipéptido sufre una translocación por Hsp100 en una serie de pasos, cada uno de los cuales consume un ATP . El polipéptido no se pliega y luego se neopliega por sí mismo o con la ayuda de proteínas de choque térmico ( proteínas de choque térmico ).
Las proteínas mal plegadas pueden eliminarse mediante el sistema ubiquitina-proteasoma. Consiste en una ruta E1-E2-E3 que ubiquitina proteínas para destinarlas a la degradación. En eucariotas, las proteínas son degradadas por el proteasoma 26S. En células de mamífero, la ligasa E3 y la proteína carboxi-terminal que interactúa con Hsp70 se dirigen a proteínas unidas a Hsp70. En la levadura, las ligasas E3 Doa10 y Hrd1 tienen funciones similares en las proteínas del retículo endoplásmico :
Las proteínas mal plegadas también se pueden eliminar mediante autofagia, en la que los agregados de proteínas se transportan al lisosoma :
Aunque se pensaba que los agregados de proteínas maduras eran tóxicos como tales, los resultados recientes sugieren que, de hecho, los agregados de proteínas inmaduras son los más tóxicos. Los grupos hidrófobos en estos agregados pueden interactuar y dañar otros componentes de la célula. Las hipótesis son que la toxicidad de los agregados proteicos está relacionada con los mecanismos de secuestro de componentes celulares, generación de ROS, unión a receptores específicos en la membrana o por rotura de membranas. Una prueba genética ha determinado que las especies de mayor peso molecular son las responsables de la permeabilización de la membrana. Se sabe que los agregados de proteínas pueden desestabilizar in vitro las bicapas lipídicas artificiales, lo que conduce a la permeabilización de la membrana.