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ALZHEIMER: Proteínas
involucradas
Dra. María Mercedes Soberón
Lozano
Enfermedad de Alzheimer
Alois Alzheimer 1907
La EA es probablemente el resultado de un
proceso multifactorial en el cual están incluidos
componentes genéticos y ambientales.
Neurodegenerativa con
deterioro cognitivo y trastornos
conductuales.
Forma típica:
Pérdida progresiva de la
memoria y de otras
capacidades mentales, a
medida que las células
nerviosas mueren y diferentes
zonas del cerebro se atrofian.
Enfermedad de Alzheimer
Prevalencia
Año 2000, Estados Unidos …… 1,6%, tanto en la
población general como en la comprendida entre los
65 y 74 años, con un aumento del 19% en el grupo de
los 75 a los 84 años y del 42% en el mayor de 84 años
de edad
Organización Mundial de la Salud estimó que en 2005
el 0,379% de las personas a nivel mundial tenían
demencia y que la prevalencia aumentaría a un 0,441%
en 2015 y a un 0,556% en 2030
¿Qué Hipótesis se han Propuesto para la
Enfermedad ?
Hardy J, Allsop D (October de 1991). «Amyloid deposition as the
central event in the aetiology of Alzheimer's disease». Trends
Pharmacol. Sci. 12 (10): 383–88
Acúmulo anómalo de las proteínas beta-amiloide
(también llamada amiloide Aβ) en el cerebro.
Mudher A, Lovestone S (January de 2002). «Alzheimer's disease-do tauists
and baptists finally shake hands?». Trends Neurosci. 25 (1): 22–26.
Hiperfosforilación de proteína tau en el cerebro de los
pacientes con Alzheimer.
Nistor M, Don M, Parekh M, et al (October de 2007). «Alpha- and betasecretase activity as a function of age and beta-amyloid in Down
syndrome and normal brain». Neurobiol. Aging 28 (10): 1493–1506.
Lott IT, Head E (March de 2005). «Alzheimer disease and Down
syndrome: factors in pathogenesis». Neurobiol. Aging 26 (3): 383–89.
Minoría de pacientes, enfermedad se produce por
aparición de mutaciones en genes PSEN1, PSEN2 y en
el gen de la APP, localizado en el cromosoma 21.
Enfermedad aparece clásicamente en personas con el
síndrome de Down (trisomia en el cromosoma 21), casi
universalmente en los 40 años de vida.
Relación con cromosoma 21, y la elevada frecuencia de
aparición de la enfermedad en las trisomías de ese
cromosoma, son muy evidente.
¿Qué Hipótesis se han Propuesto para la
Enfermedad ?
Polvikoski T, Sulkava R, Haltia M, et al (November de 1995).
«Apolipoprotein E, dementia, and cortical deposition of beta-amyloid
protein». N. Engl. J. Med. 333 (19): 1242–47.
Otro factor de riesgo genético es la presencia del
gen de la APOE4, el cual tiende a producir una
acumulación amiloide en el cerebro antes de la
aparición de los primeros síntomas de la EA.
Por ende, la deposición del amiloide Aβ tiende a
preceder la clínica de la EA.
1. Hipótesis Amiloides
Formación de placas
neuríticas constituidas
por pequeños péptidos
de 39–43 aminoácidos
de longitud, llamados
beta-amiloides (A-beta,
Aβ).
Aβ son fragmentos que
provienen de una
proteína de mayor
tamaño: Proteína
Precursora de Amiloide
(APP)
1. Hipótesis Amiloides
Debido a múltiples factores
no conocidos, (A)
adquieren un plegamiento
anormal, se vuelven
insolubles y resistentes a
degradación enzimática.
(A) anormales se depositan
fuera y alrededor de
neuronas, en la sustancia
gris del cerebro
ocasionando degeneración
de estructuras neuronales y
abundancia en microglia y
astrocitos.
Muchos individuos, en su vejez, desarrollan estas
placas y ovillos como parte del proceso normal de
envejecimiento, sin embargo, pacientes con
Alzheimer tienen un mayor número en lugares
específicos del cerebro como el lóbulo temporal.
Schmitz C, Rutten BP, Pielen A, et al (April de 2004).
«Hippocampal neuron loss exceeds amyloid plaque
load in a transgenic mouse model of Alzheimer's
disease». Am. J. Pathol. 164 (4): 1495–1502.
Los depósitos de las placas no tienen
correlación con la pérdida neuronal
presente en EA
2. Hipótesis tau
Mudher A, Lovestone S
(January de 2002). «Alzheimer's
disease-do tauists and baptists
finally shake hands?». Trends
Neurosci. 25 (1): 22–26.
Proteína “tau” es la que da
inicio a la cascada de
trastornos de la enfermedad
de Alzheimer.
¿De qué manera?
Ovillo neurofribilar
Lesión intracelular que afecta
principalmente a las grandes
neuronas piramidales
Ovillo
neurofibrilar
¿Cómo la producción y agregación de
los péptidos Aβ juegan un rol en la EA?
Yankner BA, Duffy LK, Kirschner DA (October de 1990).
«Neurotrophic and neurotoxic effects of amyloid beta
protein: reversal by tachykinin neuropeptides». Science
(journal) 250 (4978): 279–82.
Hipótesis amiloide considera acumulación de Aβ,
como el evento principal que conlleva a la
degeneración neuronal y a apoptosis.
Fibras amiloides, parecen ser la forma anómala de la
proteína responsable de la perturbación de la
homeostasis del Ca2+ intracelular
¿Cómo la producción y agregación de
los péptidos Aβ juegan un rol en la EA?
Greig NH, Mattson MP, Perry T, et al (December de 2004). «New
therapeutic strategies and drug candidates for neurodegenerative
diseases: p53 and TNF-alpha inhibitors,». Ann. N. Y. Acad. Sci. 1035:
290–315.
Activando la respuesta inflamatoria y liberación de
citoquinas neurotóxicas y produciendo daño
oxidativo en células vecinas.
¿Cómo la producción y agregación de
los péptidos Aβ juegan un rol en la EA?
Chen X, Yan SD (December de 2006). «Mitochondrial Abeta:
a potential cause of metabolic dysfunction in Alzheimer's
disease». IUBMB Life 58 (12): 686–94.
Aβ se acumula selectivamente en las mitocondrias de
las células cerebrales afectadas en el Alzheimer y que
es capaz de inhibir ciertas funciones enzimáticas, así
como alterar la utilización de la glucosa por las
neuronas.
Proteína Precursora de Amiloide
(APP ó PP)
Gen de APP: crom 21.
P. Transmembrana de 770 aa aprox.
Presente en dendritas, cuerpos celulares,
axones de neuronas y en diferentes tipos de
células
 Recambio de APP bastante rápido (30–90
min, Herreman et al, 2003).
Proteína Precursora de Amiloide
(APP ó PP)
Es sintetizada en retículo endoplásmico rugoso,
glicosilada en Complejo de Golgi y liberada en la
membrana como una proteína transmembrana.
La porción transmembrana de APP (nº aa. 613671) es parte del -amiloide
Porción
transmembrana
Rutas Metabólicas Proteína Precursora de Amiloide
F. Soluble que
se incorpora a
matriz extrac.
Proteína Precursora de Amiloide
(APP ó PP)
Dos tipos de APP están además,
presentes en mamíferos:
APLP1, APLP2.
A pesar de alto grado de conservación entre
APP, APLP1, y APLP2, se suele utilizar la
expresión de APLP1 mayormente para el
sistema nervioso (Lorent et al, 1995), mientras
que APP y APLP2 de manera general (Tanzi et
al, 1988; Slunt et al, 1994).
Estudios bioquímicos han sugerido que APLP1
se acumula en postsinapsis (Kim et al, 1995),
mientras que APP (Ferreira et al, 1993) y APLP2
(Lyckman et al, 1998) son transportados a sitios
presinápticos.
¿Cuál es el rol de la proteína APP?
The EMBO Journal (2005) 24, 3624–3634. doi:10.1038/
sj.emboj.7600824; Published online 29 September 2005
Formas homo y heterodímero de los miembros
de familia de la proteína APP, promueven la
adhesión intercelular “in vivo”
J Neurosci (1992)12: 4143–4150 ; J Biol Chem (1996) 271: 1613–1620.
Función de APP como receptor de diferentes
proteinas de la matriz extracelular, tales como
heparina, colágeno
Estructura de una holoproteina
humana APP 695
Dominios del
APP:
Región E1.- Consiste de
un dominio N-terminal
similar al del Factor de
Crecimiento
(GFLD) seguido del
dominio unión cobre
(CuBD).
Dominio carbohidrato subdividido en: Dominio E2
(o dominio central APP (CAPPD)) y un ligando o
dominio yuxtamembrana (linker).
Dominio carbohidrato seguido por dominio
transmembrana y el dominio APP intracelular (AICD).
A indica la secuencia del péptido  amiloide.
E1 ligado por una
región acídica al
dominio carbohidrato el
cual contiene dos sitios
N –glicosilación en el
ectodominio (esferas
rojas).
El dominio inhibidor de proteasa tipo Kunitz (KPI), está presente
en el tipo de APP751 y APP770
La secuencia Ox2 está presente en APP770
Representación Esquemática de la Digestión
Enzimática de APP (PP).
Sitio corte
Lys687/Leu688
-amiloide (A)
rectángulo rojizo
Sitio
corte
670/671
Sitio corte
711/713
La APP o PP
digerida por lo
menos por tres tipos
distintos de enzimas
celulares
denominadas
secretasas α, , ,
dando lugar a
péptidos A de
diferentes tamaños
que circulan a bajos
niveles en fluido
cerebroespinal y
sangre
Representación Esquemática Procesamiento de APP
A de 40/42 aa
Experimentos realizados in vitro han demostrado
que el péptido A(42) es más hidrofóbico
(rechaza el agua) y forma fibras insolubles más
rápidamente que el corto.
Tiende a agregarse a una velocidad más rápida y
a unas concentraciones más bajas que A (40)
Complejo Gamma Secretasa
 Proteasa compleja de múltiples subunidades
 Proteína transmembrana.
 Degrada proteínas transmembranas en un
solo paso, a nivel de residuos de aminoácidos
ubicados dentro del dominio transmembrana.
 Principal producto: -amiloide
Complejo Gamma Secretasa
*Kaether C, Haass C, Steiner H. (2006). Assembly, trafficking and function of
gamma-secretase. Neurodegener Dis 3(4-5):275-83.
*Zhou S, Zhou H, Walian PJ, Jap BK. (2006). The discovery and role of CD147 as a
subunit of gamma-secretase complex. Drug News Perspect 19(3):133-8.
*Zhou S, Zhou H, Walian PJ, Jap BK. (2005). CD147 is a regulatory subunit of the
gamma-secretase complex in Alzheimer's disease amyloid beta-peptide production.
Proc Natl Acad Sci USA 102(21):7499-504.
Consta de 5 proteínas individuales:
–
–
–
–
–
Presenilina: aspartil proteasa, subunidad catalítica
Nicastrina: estabiliza el complejo, reconoce sustrato
APH-1
PEN-2; estabiliza el complejo después de la catálisis
CD147, regulador no esencial del complejo cuya
ausencia incrementa la actividad
Una pequeña representación de los pacientes de
Alzheimer es debido a una generación autosomal
dominante, haciendo que la enfermedad aparezca de
forma temprana.
En menos de un 10% de los casos, la EA aparece
antes de los 60 años de edad como consecuencia de
mutaciones autosómicas dominantes, representando,
apenas, un 0,01% de todos los casos
Estas mutaciones se han descubierto en tres genes
distintos: el gen de la proteína precursora de
amiloide (APP) y los genes de las presenilinas 1 y 2
del complejo gamma secretasa
Presenilina-1 (PS 1) y Presenilina-2 (PS 2)
P. transmembrana de múltiples dominios.
Dentro de RE y A. Golgi temprano presentan
clivaje generando 2 polipéptidos
PS1 28Kda (NTF)
PS2 35 Kda (NTF)
PS1 18 Kda (CTF)
PS2  20Kda (CTF)
Presenilina-1 (PS-1)
Ubicado en crom. 14.
Contiene de 6 a 9 dominios transmembranales
y 2 regiones hidrofílicas que se orientan hacia el
citosol.
4 mutaciones diferentes se han encontrado en
el gen de la PS-1.
Todas las mutaciones, excepto una, son
“missense” (cambio de un aminoácido por otro)
y representan alrededor de 30-50 % de los
casos de EA.
Presenilina-2 (PS-2)
Ubicación: cromosoma 1.
 Gen denominado STM-2, aislado de familias
descendientes de colonos alemanes instaladas en
región del Volga, Rusia.
 Gen STM-2 codifica para una proteína de 448 a.a
denominada presenilina 2 (PS-2), que presenta
80% de homología con gen PS-1.
Mutaciones en PS-2 ocurren en menor frecuencia
que las encontradas en gen PS-1. Solo se han
encontrado 2 mutaciones “missense” con una
penetrancia incompleta
Localización de mutaciones en APP
Mutaciones favorecen
la formación de
péptido A 42/43,
cuando se inhibe la
acción de α-secretasa
(mutaciones en 692 ó
693) o se favorece la
acción de -secretasa
(mutación en 670/671).
670/671
Ly, MetAsn,Leu
692
GlyAla
693
GluGln
Genes Defectuosos que Aceleran Formación de
Placa Beta-amiloide y la Apoptosis
716 717
IleVal Val Ile
ValGly
ValPhe
Finalmente, las
mutaciones en
716/717 también
aumenta la cantidad
de péptido A 42
Los números
indican posición de
la sustitución de un
aminoácido por otro
(mutación) en la
APP.
(+) indica mayor
producción A40 y
A42 por mayor
acción de secretasa,
(-) mayor
producción A40 y
A42 por menor
acción de αsecretasa.
(<-->) modificación
de sitio de corte en
extremo C-term. de
APP que lleva a
mayor producción
A42.
Papel de la proteína
Tau en la Enfermedad
Alzheimer
TAU es una fosfoproteína.
NORMALMENTE,contribuye a dar
dinamismo y estabilidad a los microtúbulos
Algunas cinasas y fosfatasas modulan el grado y patrón
de fosforilación de la molécula Tau
Proteína Tau
En el cerebro humano, las proteínas Tau se
presentan como seis isoformas de 352 a 441
residuos de aminácidos que provienen todas
ellas de la expresión de un único gen TAU
localizado en brazo largo del cromosoma 17.
Tau tiene como función el facilitar la
polimerización de la tubulina en la célula,
de manera que se formen los
microtúbulos.
Ovillo neurofribilar : restos de microtúbulos
dañados
Filamentos
helicoidales
apareados (PHF)
PHF son agregados de
tau que, a diferencia de
la proteína normal, que
lleva unidos tres
fosfatos, contiene un
número elevado de
estos, aproximadamente
nueve, por lo cual se
dice que TAU se halla
hiperfosforilada.
Modificaciones de Proteína TAU
TAU puede modificarse por muchas proteínas cinasas:
- Las proteínas cinasas dirigidas a prolinas (PDPK), entre ellas
GSK3 y cdk5 - también conocidas como tau cinasa I y II,
- Las proteínas cinasas no dirigidas a prolinas, como por ejemplo
PKA , MARK cinasa o PKC
- MAP cinasas.
La fosforilación por PDPK tiene lugar principalmente en la región rica en
prolinas y en la región C-terminal, mientras que las modificaciones por no
PDPK ocurren en la región de unión a microtúbulos.
Las fosforilaciones por otras proteínas cinasas, como la caseína cinasa U
(CKII) tienen lugar en la región N-terminal.
En resumen, la fosforilación de TAU en diferentes regiones puede afectar
no sólo su interacción con los microtúbulos, sino también su capacidad
para agregarse o interaccionar con otras proteínas
Fosforilación de TAU
por PDPK, puede
favorecer la
dimerización de TAU.
Modificaciones de TAU por
proteínas cinasas GSK3
(glicógeno sintasa quinasa 3),
PKA o MARK, disminuyen la
afinidad de TAU por los
microtúbulos
Modificaciones de
proteína TAU
Fosforilación Proteína TAU
Lee MS, Kwon YT, Li M, Peng J, Friedlander RM, Tsai LH.
Neurotoxicity induces cleavage of p35 to p25 by calpain. Nature
2000; 405: 360-364
25. Williamson R, Scales T, Clarck BR, Gibb G, Reynolds CH,
Kellie S, et al. Rapid tyrosine phosphorylation of neuronal
proteins including Tau and Focal adhesion kinase in response
to amyloid-bð peptide exposure: involvement of Src Family
Protein Kinases. J Neurosci 2002; 22: 10-20
Hoy se conoce que A es capaz de activar
a quinasas capaces de fosforilar Tau,
tales como GSK3b y CDK5
Hiperfosforilación proteína TAU
Proceso anómalo presente en varias
enfermedades neurodegenerativas
denominadas en su conjunto tautopatías:
- enfermedad de Alzheimer (EA),
- enfermedad de Pick,
- parálisis supranuclear progresiva,
- degeneración corticobasal,
- distrofia miotónica, etc.
Provoca desestabilización de
microtúbulos y la alteración del transporte
axonal.
Hiperfosforilación proteína TAU
Se produce por una ruptura del
equilibrio dinámico de regulación
existente entre las proteín-fosfatasas y
las proteín-quinasas que actúan sobre
TAU.
Algunas proteín-quinasas están sobreexpresadas en la mayoría de las
patologías anteriormente mencionadas.
Inhibición del proceso de
hiperfosforilación podría ser una
excelente vía de tratamiento para la EA.
La forma de Alzheimer más común (no
heredable) no se ha podido explicar
con un modelo puramente genético.
La presencia del gen de
apolipoproteína E es el factor de riesgo
genético más importante para padecer
Alzheimer, pero no permite explicar
todos los casos de la enfermedad.
Primer gen asociado con las formas
tardías familiares
Locus identificado es el Apo E.
 Ubicación: en el brazo largo del
cromosoma 19.
Consta de cuatro exones y tres
intrones, con un total de 3597 pares de
bases
Apoproteína E
Gen con tres alelos principales:
ApoE2,
ApoE3 ,
ApoE4,
que dan lugar a tres isoformas de la proteína:
- proteína ApoE-ε3 normal,
- proteína ApoE-ε2
- proteína ApoE-ε4. Estas dos últimas
disfuncionales.
Estas isoformas difieren una de la otra solo
por un aminoácido sustituido en las posiciones
112 y 158, sin embargo tienen consecuencias
fisiológicas profundas.
Apoproteína E
E2 se asocia con:
- un desorden genético
hiperlipoproteinemia tipo III,
- un aumento o una disminución del
riesgo de ateroesclerosis.
E4 está relacionado con:
- ateroesclerosis,
- la enfermedad de Alzheimer,
- desarrollo cognitivo inadecuado.
En el sistema nervioso:
Astrocitos y la microglía, son los
principales productores de ApoE,
mientras que muchas neuronas tienden
a expresar los receptores de la ApoE.
En mamíferos se han identificado siete
tipos, los cuales son parte de una
familia de genes de receptores de
lipoproteínas de baja densidad y gozan
de conservación evolucionaria.
¿Qué relación tiene la Apo E4 con
la enfermedad de Alzheimer?
Apolipoproteína E (ApoE) como
marcador genético fundamental que
participa en el riesgo de alzheimer
tardío.
Un 40-65% de los pacientes con
Alzheimer tienen al menos una copia
del alelo 4
En particular la isoforma E4 se une al Aß
más rápido y en un rango de pH más
estrecho que la E3.
Esta asociación entre la isoforma E4 y el Aß
da lugar a la formación de monofibrillas que
precipitan formando estructuras densas.
Otra hipótesis plantea que la E4 compite con
el Aß respecto a su eliminación del espacio
extracelular . La eliminación de E4 se ve
favorecida y como consecuencia se
acumulan mayores cantidades de Aß
ApoE es esencial para
el catabolismo de las
lipoproteínas ricas en
triglicéridos
La Apo E4 no se une a la proteína Tau in
vitro, como lo hacen la Apo E2 y E3.
Es posible que la interacción entre la Apo E3
y la proteína Tau sirva de protección contra
la fosforilación de esta última,
La E4 al no unirse deja un sitio libre por
donde puede fosforilarse la proteína Tau.
Philippe Amouyel et al. “Genome-wide association study
identifies variants at CLU and CR1 associated with Alzheimer’s
disease”. Nature Genetics, publicado on line el 6 de
septiembre de 2009.
Julie Williams et al. “Genome-wide association study identifies
variants at CLU and PICALM associated with Alzheimer’s
disease”. Nature Genetics, publicado on line el 6 de
septiembre de 2009.
Se estima que el riesgo de padecer la enfermedad de
Alzhéimer se debe entre un 60 y 80% a factores genéticos.
Según explicaron los científicos en Londres, el APOE sería
responsable del 25% de los casos, PILCAM y CLU, de un 9%
cada uno y CR1, de un 4%. Esto supone que aún quedan genes
por identificar y que podrían jugar un papel clave.
“Tres de los genes implicados, APOE, CLU y CR1 cumplen
la función de proteger al cerebro frente a daños externos.
Puede que los cambios que hemos observado en los genes
elimine esta protección o incluso que convierta a los genes
en asesinos”, afirmó la investigadora.
FERREIRA, Pricilla Costa, PIAI, Kamila de Almeida,
TAKAYANAGUI, Angela Maria Magosso et al. Aluminum as a risk
factor for Alzheimer's disease. Rev. Latino-Am. Enfermagem
[online]. 2008, vol. 16, no. 1 [citado 2008-09-10], pp. 151-157.
Disponible en la World Wide Web: [1]. ISSN 0104-1169. doi:
10.1590/S0104-11692008000100023
Al3+ como agente causante para que ovillos
neurofibrilares contengan microtúbulos
hiperfosforilados asociados a la proteína Tau.
Placas amilóides cercadas por células gliales reactivas,
al ser expuestas al Al3+, activarían procesos de
oxidación de las células gliales que a su vez pueden,
indirectamente, afectar la integridad de las neuronas
El estrés oxidante es inducido en los cerebros
expuestos al Al3+
Las mutaciones de APP y de presenilinas
aumentan la formación de A40 y A42
Las mutaciones de
ApoE4 intensifican
la agregación
Agregación
Quinasa
Tau-P
Fosfatasa
Función del factor
de crecimiento
Placas Amilóides
Manifestaciones de la
EA
Tau
Muerte
Neuronal
Filamentos
helicoidales pareados
Ovillos
Neurofibrilares