Por primera vez, los científicos del Instituto Stowers de Investigación Médica y sus colaboradores han descrito la estructura de un amiloide neuronal funcional de origen endógeno con resolución atómica. El amiloide está compuesto de Orb2 auto agregado, la versión de la mosca de la fruta del ARNmde unión a elementos de poliadenilación citoplasmática CPEB, que se ha relacionado con el almacenamiento de memoria a largo plazo. Los resultados de este trabajo, publicado en línea el 13 de marzo de 2020, en ciencia , tiene algunas implicaciones muy interesantes.
"Pensamos que la forma habitual en que surgen los amiloides es cuando una proteína, que por alguna razón se dañó o se dobló mal, indica la formación de amiloide en un proceso estocástico y no regulado", explica Kausik Si, PhD, investigador de Stowers y director científico asociado ".Descubrimos en cambio que los amiloides pueden formarse en un momento muy específico, en una célula muy específica, de una manera muy específica ".
Los amiloides generalmente se entienden en el contexto de sus estados neurotóxicos o degenerativos asociados. En el caso de las enfermedades de Alzheimer, Parkinson, Huntington y Creutzfeldt-Jakob, las proteínas se agregan de manera aberrante para formar depósitos estables e insolubles que causan estragos en elsistema nervioso.
Sin embargo, en 2003, Si y su mentor en ese momento, Eric Kandel, MD, descubrieron la existencia de un amiloide con funciones adaptativas en el sistema nervioso mientras estudiaban CPEB en la babosa de mar Aplysia californica . A través de estudios posteriores en ratones y la mosca de la fruta Drosophila melanogaster , Si y otros mostraron que, de hecho, los atributos únicos de los autoagregados de proteínas CPEB y Orb2 amiloides eran esenciales para su correcto funcionamiento en las sinapsis.
Estos estudios han indicado que CPEB / Orb2 existe en diferentes estados funcionales y estructurales en el cerebro. La forma primaria es un monómero que reprime la traducción en las sinapsis, pero a medida que se forma la memoria, estos monómeros se autoensamblan en agregados bioquímicamente activos que promueventraducción sináptica. Esta transición es necesaria para la persistencia de la memoria.
"Postularon que el estado amiloide probablemente era importante, pero hasta este trabajo actual, no se había demostrado definitivamente que el estado físico de la proteína es un amiloide", explica Ruben Hervas, PhD, primer autor del artículo yun investigador asociado senior en el Si Lab.
Hervas estudió los amiloides que causan enfermedades durante la escuela de posgrado. "Quería aplicar mi fondo biofísico para estudiar las características estructurales de otras proteínas formadoras de amiloide, las buenas", dice.
Después de que Hervas se uniera al laboratorio en 2016, él y Si acordaron desde el principio que la mejor manera de estudiar la estructura de Orb2 era usar proteínas de una fuente endógena muchas moscas de la fruta, en lugar de Orb2 recombinante extraído de bacterias, aunquesería mucho más difícil
El Orb2 recombinante, a diferencia del Orb2 endógeno, no es bioquímicamente activo, explica Hervas. "El entorno original, el sistema nervioso, es importante para preservar la conformación activa de la proteína, así como sus propiedades más interesantes, relacionadas con su capacidadautoagregarse y formar una estructura amiloide bioquímicamente activa vinculada a la memoria "
Hervas y el equipo enfrentaron un obstáculo adicional. "Debido a que la proteína es tan grande, alrededor de 700 aminoácidos, no es fácil cristalizar. Por ejemplo, las estructuras amiloides resueltas por cristalografía de rayos X hasta ahora solo han usado péptidos compuestos depocos aminoácidos. "Entonces, continúa Hervas," la microscopía crioelectrónica EM ofreció la oportunidad de resolver este tipo de estructura ".
En el trabajo actual, Hervas y sus colegas purificaron Orb2 de aproximadamente tres millones de adultos Drosophila cabezas. En estas muestras, Orb2 existía como monómeros, oligómeros o filamentos autoagregados amiloides. Los investigadores confirmaron primero que los filamentos Orb2 eran capaces de sembrar más formación de filamentos, y que las formas Orb2 purificadas eran bioquímicamente activas.- es decir, capaz de reprimir la traducción de proteínas en el estado monomérico, y capaz de activar la traducción de proteínas en los estados oligoméricos y de filamentos.
Sus esfuerzos hercúleos valieron la pena. Utilizando cryo-EM y muestras de más del 97% de pureza, Hervas y sus colegas pudieron resolver la estructura del endógeno Drosophila Orb2 a una resolución de 2.6 angstrom. Descubrieron que Orb2 endógeno formaba filamentos amiloides triplemente simétricos que tenían aproximadamente 75 nanómetros de largo. Confirmaron que Orb2 se agrega en estructuras amiloides beta cruzadas y descubrieron que el pliegue en forma de horquilla de sus núcleos de protofilamento, compuesto de 31 aminoácidos, paquete a través de interfaces hidrofílicas.
Este trabajo también proporcionó una respuesta parcial a una pregunta muy importante: ¿cómo es posible que los amiloides de una proteína neuronal ayuden a almacenar memoria, cuando los amiloides en general están asociados con la pérdida de memoria? En su trabajo, los autores concluyeron que a diferencia deel núcleo hidrofóbico de los amiloides patógenos, el núcleo hidrofílico de los filamentos Orb2 sugiere cómo algunos amiloides neuronales podrían ser un sustrato de memoria estable pero regulable.
"Este hallazgo cambia la forma en que pensamos sobre el plegamiento y ensamblaje de proteínas", dice Si. "La forma en que pensamos sobre la biología ahora es: tienes un gen, haces una cadena de aminoácidos, y una vez que se hace un polipéptidoestá programado para entrar en una conformación porque hay una función específica asociada a ella. Si se desvía de esa ruta, hay un sistema para eliminarla. Pero este trabajo sugiere que a veces una célula permite que la misma proteína forme una conformación completamente diferente¿Cómo lo hace? ¿Cuándo lo hace? "
La flexibilidad conformacional de algunas proteínas abre la posibilidad de que una proteína pueda tener más de una función dependiendo del estado conformacional, un fenómeno que Si y los miembros de su laboratorio estarán interesados en estudiar para avanzar.
Mientras la memoria analiza Drosophila son informativos, Hervas y sus colegas están ansiosos por determinar si tales amiloides funcionales también existen en el sistema nervioso de ratones y humanos, especialmente porque el sistema nervioso de los humanos es particularmente susceptible a las enfermedades basadas en amiloides. Hay cuatro isoformas de CPEB, cada uno con varias variantes, en ratones y humanos, explica Hervas. "Algunas isoformas específicas en ratones también son importantes para la consolidación de la memoria, y estas son casi idénticas en secuencia de proteínas a las isoformas humanas correspondientes".
"Estamos comenzando a trabajar con proteínas CPEB extraídas del lóbulo temporal medial humano, una estructura donde residen los recuerdos duraderos. Tenemos la intención de resolver la estructura, y luego potencialmente hacer la conexión entre la memoria y la estructura de la proteína utilizando modelos de ratón."
"El cerebro es uno de los sistemas que más evolucionó y se diversificó a medida que los organismos se volvieron más complejos", reflexiona Si. "Pero si se observa la cantidad de proteínas involucradas, eso en realidad no cambió drásticamente. Una posibilidad es que máslos sistemas biológicos complejos usan este espacio conformacional para crear más funciones. En lugar de crear nuevas proteínas, simplemente estar en una forma diferente podría crear una nueva función ".
Otros coautores de este trabajo incluyen Younshim Park del Instituto Stowers; Michael J. Rau y James AJ Fitzpatrick, PhD, de la Universidad de Washington en St. Louis; y Wenjuan Zhang, PhD, Alexey G. Murzin, PhD y SjorsHW Scheres, PhD, del Laboratorio de Biología Molecular de MRC.
Este trabajo fue financiado en parte por el Instituto Stowers para la Investigación Médica y por el Consejo de Investigación Médica del Reino Unido otorgar MC_UP_A025_1013 a SHWS.
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Materiales proporcionado por Instituto Stowers de Investigación Médica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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