Nanomecánica de proteínas neurotóxicasCaracterísticas moleculares comunes en el inicio de la cascada de neurodegeneración

Resumen

El desarrollo reciente de las técnicas monomoleculares ha proporcionado una herramienta versátil que permite la manipulación y el estudio de moléculas individuales de proteína, lo que ha permitido abordar cuestiones biológicas importantes en áreas clave de la biología celular (como la adhesión, la señalización celular o la neurodegeneración) y de la ciencia de proteínas (como el plegamiento, la estructura, la estabilidad, la catálisis, estudios evolutivos o el polimorfismo conformacional y su relación con la amiloidogénesis y neurodegeneración). Una de estas técnicas, la espectroscopía de fuerzas de molécula individual basada en la microscopía de fuerzas atómicas (de sus siglas inglesas, AFM-SMFS), en combinación con la ingeniería de proteínas y aproximaciones teórico-computacionales, ha permitido un avance sin precedentes en el análisis molecular de las propiedades mecánicas de las proteínas y de las biomoléculas en general. De esta forma ha emergido un campo nuevo de investigación apasionante y de rápido crecimiento que denominamos ¿nanomecánica de proteínas¿. Este campo se ocupa del estudio de la respuesta de las proteínas a la aplicación de una fuerza externa (un auténtico agente desnaturalizante fisiológico utilizado por la célula), que genera un estiramiento (típicamente axial) de la molécula bajo estudio. La capacidad de una proteína para resistir fuerza está relacionada, por definición, con su estabilidad mecánica; y esto, a su vez, se encuentra estrechamente ligado con su conformación. Las proteínas desempeñan un papel fundamental en la célula en muchos procesos mecánicos y, por esta razón, cualquier interrupción o alteración de su comportamiento mecánico podría afectar al funcionamiento celular normal. Como resultado, podrían producirse anormalidades en respuestas celulares mecánicas que desencadenasen diversas enfermedades en las que la mecánica tuviese un papel importante como pérdida de audición, trastornos cardiovasculares, distrofia muscular, osteoporosis o cáncer. Las enfermedades neurodegenerativas amiloidogénicas son enfermedades conformacionales incurables de alto impacto social en las que se encuentran implicadas proteínas específicas que generalmente no presentan un plegamiento tridimensional definido. Sin embargo, el mecanismo molecular subyacente a estas enfermedades sigue siendo una incógnita que ha permanecido oculta a las aproximaciones tradicionales. Aunque en muchos casos la causa primaria es desconocida, una hipótesis centrada en la proteína postula que un cambio conformacional crítico en estas "proteínas neurotóxicas" (proteínas relacionadas causalmente con las enfermedades neurodegenerativas) desencadena la cascada patogénica en la que está implicada la formación de especies ricas en estructura ¿ que finalmente resulta en una ¿ganancia de función tóxica¿. En la presente tesis se aborda el análisis nanomecánico mediante AFM-SMFS de varias proteínas neurotóxicas humanas representativas. Este análisis se apoya en técnicas estructurales, de imagen e ingeniería de proteínas para, en conjunto, llevar a cabo un análisis inequívoco de moléculas individuales mediante SMFS. Los resultados destacan la importancia de las propiedades mecánicas de este grupo de proteínas y revelan un rico polimorfismo conformacional en el monómero de todas ellas, que comprende desde abundantes confórmeros con estabilidad mecánica muy baja hasta eventos hiper-mecanoestables poco frecuentes. Por otra parte, dicho polimorfismo conformacional se encuentra correlacionado con el proceso de amiloidogénesis y neurotoxicidad. Dicho polimorfismo desaparece en un mutante sin capacidad de oligomerizar/fibrilar; resulta incrementado en formas familiares de enfermedades neurodegenerativas; y es reducido por un inhibidor (sorprendentemente promiscuo) del cambio conformacional crítico del monómero, inhibiendo del mismo modo la neurotoxicidad y neurodegeneración causada, al menos, por poliglutaminas expandidas. El polimorfismo conformacional, junto con la capacidad que posee este agente farmacológico potencial para disminuirlo en la mayoría de las proteínas estudiadas, revela características moleculares comunes a nivel de monómero para diversas proteínas neurotóxicas. Postulamos que confórmeros mecanoestables específicos (o sus precursores) podrían constituir especies moleculares primarias comunes que estarían vinculadas con el desarrollo de este tipo de enfermedades, lo que sugiere de manera teórica una vía común para diagnosticar, prevenir, detener o incluso revertir diferentes enfermedades neurodegenerativas con un mismo agente farmacológico.