Alfa-sinucleína

Alfa-sinucleína (aSyn) es una proteína que, en los humanos, está codificada por el gen SNCA. La alfa-sinucleína es una proteína neuronal que regula el tráfico de vesículas sinápticas y la posterior liberación de neurotransmisores.

Abunda en el cerebro, mientras que se encuentran cantidades más pequeñas en el corazón, los músculos y otros tejidos. En el cerebro, la alfa-sinucleína se encuentra principalmente en las terminales de los axones de las neuronas presinápticas. Dentro de estos terminales, la alfa-sinucleína interactúa con fosfolípidos y proteínas. Las terminales presinápticas liberan mensajeros químicos, llamados neurotransmisores, desde compartimentos conocidos como vesículas sinápticas. La liberación de neurotransmisores transmite señales entre las neuronas y es fundamental para el funcionamiento normal del cerebro.

En la enfermedad de Parkinson y otras sinucleinopatías, las formas insolubles de alfa-sinucleína se acumulan como inclusiones en los cuerpos de Lewy.

La enfermedad de Parkinson familiar se asocia con mutaciones en el gen de la -sinucleína (SNCA). En el proceso de nucleación seminal, la alfa-sinucleína adquiere una estructura transversal similar a otros amiloides.

La proteína alfa-sinucleína humana está compuesta de 140 aminoácidos. Se demostró que un fragmento de alfa-sinucleína, conocido como componente beta no amiloide (NAC) del amiloide de la enfermedad de Alzheimer, originalmente encontrado en una fracción enriquecida en amiloide, es un fragmento de su proteína precursora., NACP. Más tarde se determinó que NACP era el homólogo humano de la sinucleína Torpedo. Por lo tanto, la NACP ahora se conoce como alfa-sinucleína humana.

Expresión del tejido

La alfa-sinucleína es una proteína sinucleína de función desconocida que se encuentra principalmente en el tejido neural y constituye hasta el uno por ciento de todas las proteínas en el citosol de las células cerebrales. Se expresa altamente en neuronas de la corteza frontal, el hipocampo, el cuerpo estriado y el bulbo olfatorio, pero también se puede encontrar en las células gliales no neuronales. En los melanocitos, la expresión de la proteína SNCA puede estar regulada por el factor de transcripción asociado a microftalmia (MITF).

Se ha establecido que la alfa-sinucleína está ampliamente localizada en el núcleo de las neuronas cerebrales de los mamíferos, lo que sugiere un papel de la alfa-sinucleína en el núcleo. Sin embargo, la sinucleína se encuentra predominantemente en los extremos presinápticos, tanto en forma libre como unida a la membrana, y aproximadamente el 15% de la sinucleína está unida a la membrana en cualquier momento de las neuronas.

También se ha demostrado que la alfa-sinucleína se localiza en las mitocondrias neuronales. La alfa-sinucleína se expresa altamente en las mitocondrias del bulbo olfatorio, el hipocampo, el cuerpo estriado y el tálamo, donde la alfa-sinucleína citosólica también es rica. Sin embargo, la corteza cerebral y el cerebelo son dos excepciones, que contienen rica alfa-sinucleína citosólica pero niveles muy bajos de alfa-sinucleína mitocondrial. Se ha demostrado que la alfa-sinucleína se localiza en la membrana interna de las mitocondrias y que el efecto inhibidor de la alfa-sinucleína sobre la actividad del complejo I de la cadena respiratoria mitocondrial depende de la dosis. Por lo tanto, se sugiere que la alfa-sinucleína en las mitocondrias se expresa diferencialmente en diferentes regiones del cerebro y los niveles de fondo de alfa-sinucleína mitocondrial pueden ser un factor potencial que afecta la función mitocondrial y predispone a algunas neuronas a la degeneración.

Al menos tres isoformas de sinucleína se producen mediante empalme alternativo. La forma mayoritaria de la proteína, y la más investigada, es la proteína de longitud completa de 140 aminoácidos. Otras isoformas son la alfa-sinucleína-126, que carece de los residuos 41-54 debido a la pérdida del exón 3; y alfa-sinucleína-112, que carece de los residuos 103-130 debido a la pérdida del exón 5.

En el sistema nervioso entérico (SNE)

Las primeras caracterizaciones de agregados de aSyn en la ENS de pacientes con EP se realizaron en muestras de autopsias a finales de los años 1980. Aún se desconoce si los cambios del microbioma asociados con la EP son consecuencia del proceso de la enfermedad o de la fisiopatología principal, o de ambos.

Las personas diagnosticadas con diversas sinucleinopatías a menudo presentan estreñimiento y otras disfunciones gastrointestinales años antes de la aparición de la disfunción del movimiento.

La alfa sinucleína conecta potencialmente el eje intestino-cerebro en pacientes con enfermedad de Parkinson. La enfermedad de Parkinson hereditaria común se asocia con mutaciones en el gen de la alfa-sinucleína (SNCA). En el proceso de nucleación seminal, la alfa-sinucleína adquiere una estructura transversal similar a otros amiloides.

Las Enterobacteriaceae, que son bastante comunes en el intestino humano, pueden crear curli, que son proteínas amiloides funcionales. El amiloide CsgA desplegado, que es secretado por bacterias y luego se agrega extracelularmente para crear biopelículas, media la adherencia a las células epiteliales y ayuda en la defensa de los bacteriófagos, forma las fibras curli. La inyección oral de bacterias productoras de curli también puede estimular la formación y agregación de la proteína amiloide Syn en ratas y nematodos viejos. Las respuestas de inflamación del huésped en el tracto intestinal y la periferia están moduladas por la exposición a curli. Los estudios en bioquímica muestran que las chaperonas bacterianas endógenas de curli son capaces de interactuar brevemente con Syn y controlar su agregación.

Los hallazgos clínicos y patológicos respaldan la hipótesis de que la enfermedad aSyn en la EP se produce a través de una vía intestino-cerebro. Por lo tanto, para el diagnóstico temprano y el manejo temprano en la fase de creación y propagación de aSyn, es de suma importancia identificar aSyn patógeno en el sistema digestivo, por ejemplo, mediante biopsias del tracto gastrointestinal (GIT).

Según un creciente número de investigaciones, la disbiosis intestinal puede ser un factor importante en el desarrollo de la enfermedad de Parkinson al fomentar la permeabilidad intestinal, la inflamación gastrointestinal y la agregación y propagación de asyn.

No solo el SNC, sino también otros tejidos periféricos, como el TGI, tienen expresión fisiológica de aSyn, así como sus variantes fosforiladas. Como lo sugieren Borghammer y Van Den Berge (2019), un enfoque es reconocer la posibilidad de que existan subtipos de EP con varios métodos de propagación de aSyn, incluida una ruta primero del sistema nervioso periférico (SNP) o del SNC.

Si bien el tracto gastrointestinal se ha relacionado con otros trastornos neurológicos como el trastorno del espectro autista, la depresión, la ansiedad y la enfermedad de Alzheimer, la agregación de proteínas y/o la inflamación en el intestino representan un nuevo tema de investigación en las sinucleinopatías.

Estructura

La alfa-sinucleína en solución se considera una proteína intrínsecamente desordenada, es decir, que carece de una única estructura tridimensional estable. Sin embargo, a partir de 2014, un número cada vez mayor de informes sugieren la presencia de estructuras parciales o estados oligoméricos en su mayoría estructurados en la estructura de la solución de alfa-sinucleína, incluso en ausencia de lípidos. Esta tendencia también está respaldada por una gran cantidad de mediciones de una sola molécula (pinzas ópticas) en copias individuales de alfa-sinucleína monomérica, así como dímeros o tetrámeros de alfa-sinucleína reforzados covalentemente.

La alfa-sinucleína está específicamente regulada positivamente en una población discreta de terminales presinápticas del cerebro durante un período de reordenamiento sináptico relacionado con la adquisición. Se ha demostrado que la alfa-sinucleína interactúa significativamente con la tubulina y que la alfa-sinucleína puede tener actividad como una proteína potencial asociada a microtúbulos, como la tau. La evidencia sugiere que la alfa-sinucleína funciona como chaperona molecular en la formación de complejos SNARE. En particular, se une simultáneamente a los fosfolípidos de la membrana plasmática a través de su dominio N-terminal y a la sinaptobrevina-2 a través de su dominio C-terminal, con mayor importancia durante la actividad sináptica. De hecho, cada vez hay más pruebas de que la alfa-sinucleína participa en el funcionamiento del aparato neuronal de Golgi y en el tráfico de vesículas.

Al parecer, la alfa-sinucleína es esencial para el desarrollo normal de las funciones cognitivas. Los ratones knock-out con la inactivación selectiva de la expresión de alfa-sinucleína muestran deterioro del aprendizaje espacial y de la memoria de trabajo.

Interacción con membranas lipídicas

Se ha recopilado evidencia experimental sobre la interacción de la alfa-sinucleína con la membrana y su implicación con la composición y el recambio de la membrana. La exploración del genoma de la levadura ha descubierto que varios genes que se ocupan del metabolismo de los lípidos y la fusión mitocondrial desempeñan un papel en la toxicidad de la alfa-sinucleína. Por el contrario, los niveles de expresión de alfa-sinucleína pueden afectar la viscosidad y la cantidad relativa de ácidos grasos en la bicapa lipídica.

Se sabe que la alfa-sinucleína se une directamente a las membranas lipídicas, asociándose con las superficies cargadas negativamente de los fosfolípidos. La alfa-sinucleína forma una estructura helicoidal extendida sobre pequeñas vesículas unilaminares. Se ha encontrado una unión preferencial a vesículas pequeñas. La unión de la alfa-sinucleína a las membranas lipídicas tiene efectos complejos sobre estas últimas, alterando la estructura bicapa y dando lugar a la formación de pequeñas vesículas. Se ha demostrado que la alfa-sinucleína dobla las membranas de vesículas de fosfolípidos cargadas negativamente y forma túbulos a partir de grandes vesículas lipídicas. Mediante crio-EM se demostró que se trata de tubos micelares de ~5-6 nm de diámetro. También se ha demostrado que la alfa-sinucleína forma partículas en forma de discos lipídicos similares a las apolipoproteínas. Los estudios EPR han demostrado que la estructura de la alfa sinucleína depende de la superficie de unión. La proteína adopta una conformación de hélice rota en partículas de lipoproteínas mientras forma una estructura helicoidal extendida en vesículas lipídicas y tubos de membrana. Los estudios también han sugerido una posible actividad antioxidante de la alfa-sinucleína en la membrana.

La interacción de la membrana de la alfa-sinucleína modula o afecta su tasa de agregación. La modulación de la agregación mediada por membrana es muy similar a la observada para otras proteínas amiloides como IAPP y abeta. Los estados agregados de alfa-sinucleína impregnan la membrana de las vesículas lipídicas. Se forman tras la interacción con ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) propensos a la peroxidación, pero no con ácidos grasos monoinsaturados, y la unión de metales de transición que promueven la autooxidación de lípidos, como el hierro o el cobre, provoca la oligomerización de la alfa-sinucleína. La alfa-sinucleína agregada tiene una actividad específica para los lípidos peroxidados e induce la autooxidación de lípidos en membranas ricas en PUFA tanto de neuronas como de astrocitos, disminuyendo la resistencia a la apoptosis. La autooxidación de lípidos se inhibe si las células se preincuban con PUFA reforzados con isótopos (D-PUFA).

Función

Aunque la función de la alfa-sinucleína no se comprende bien, los estudios sugieren que desempeña un papel en la restricción de la movilidad de las vesículas sinápticas y, en consecuencia, atenua el reciclaje de las vesículas sinápticas y la liberación de neurotransmisores. Una visión alternativa es que la alfa-sinucleína se une a VAMP2 (una sinaptobrevina) y estabiliza los complejos SNARE; aunque estudios recientes indican que la unión de alfa-sinucleína-VAMP2 es fundamental para la atenuación del reciclaje de vesículas sinápticas mediada por alfa-sinucleína, lo que conecta los dos puntos de vista aparentemente divergentes. También puede ayudar a regular la liberación de dopamina, un tipo de neurotransmisor fundamental para controlar el inicio y la parada de movimientos voluntarios e involuntarios.

La alfa-sinucleína modula los procesos de reparación del ADN, incluida la reparación de roturas de doble hebra (DSB). Los marcadores de respuesta al daño del ADN se colocalizan con la alfa-sinucleína para formar focos discretos en células humanas y cerebro de ratón. El agotamiento de la alfa-sinucleína en las células humanas provoca una mayor introducción de DSB de ADN después de la exposición a la bleomicina y una capacidad reducida para reparar estos DSB. Además, los ratones knockout para alfa-sinucleína muestran un nivel más alto de DSB, y este problema puede aliviarse mediante la reintroducción transgénica de alfa-sinucleína humana. La alfa-sinucleína promueve la vía de reparación de DSB conocida como unión de extremos no homólogos. La función de reparación del ADN de la alfa-sinucleína parece estar comprometida en las neuronas que contienen cuerpos de inclusión de Lewy, y esto puede desencadenar la muerte celular.

Función proneurogénica de la alfa-sinucleína

En algunas enfermedades neurodegenerativas, la alfa-sinucleína produce cuerpos de inclusión insolubles. Estas enfermedades, conocidas como sinucleinopatías, están relacionadas con niveles más altos de alfa-sinucleína normal o con sus variantes mutantes. Sin embargo, el papel fisiológico normal de Snca aún no se ha explicado completamente. De hecho, se ha demostrado que la Snca fisiológica tiene un impacto neuroprotector al inhibir la apoptosis inducida por varios tipos de estímulos apoptóticos o al regular la expresión de proteínas implicadas en las vías apoptóticas. Recientemente se ha demostrado que la regulación positiva de la alfa-sinucleína en la circunvolución dentada (un nicho neurogénico donde se generan nuevas neuronas a lo largo de la vida) activa las células madre, en un modelo de envejecimiento neuronal prematuro. Este modelo muestra una expresión reducida de alfa-sinucleína y una proliferación reducida de células madre, como se observa fisiológicamente durante el envejecimiento. La alfa-sinucleína exógena en la circunvolución dentada es capaz de rescatar este defecto. Además, la alfa-sinucleína también aumenta la proliferación de células neurales progenitoras del giro dentado en ratones jóvenes de tipo salvaje. Por tanto, la alfa-sinucleína representa un efector de la activación de las células madre neurales y progenitoras. De manera similar, se ha descubierto que la alfa-sinucleína es necesaria para mantener las células madre de la SVZ (zona subventricular, es decir, otro nicho neurogénico) en un estado cíclico.

Secuencia

La estructura primaria de la alfa-sinucleína suele dividirse en tres dominios distintos:

• Residuos 1-60: Una región anfiática N-terminal dominada por cuatro repeticiones de 11 residuos, incluyendo la secuencia de consenso KTKEGV. Esta secuencia tiene una propensión alfa helix estructural similar a los dominios de unión apolipoproteínas. Es un terminal altamente conservado que interactúa con membranas lípidos ácidos, y todas las mutaciones de punto descubierto del gen SNCA se encuentran dentro de este terminal.
• Residues 61-95: Una región hidrofóbica central que incluye componente no amiloide-β Región (NAC), involucrada en la agregación de proteínas. Este dominio es único a la alfa-synucleina entre la familia de la sinucleina.
• Residues 96-140: una región altamente ácida y rica en prolina que no tiene una propensión estructural distinta. Este dominio desempeña un papel importante en la función, solubilidad e interacción de la alfa-synucleina con otras proteínas.

Actividad autoproteolítica

El uso de espectrometría de masas de movilidad iónica de alta resolución (IMS-MS) en alfa-sinucleína purificada por HPLC in vitro ha demostrado que la alfa-sinucleína es autoproteolítica (autoproteolítica), generando una variedad de fragmentos de pequeño peso molecular tras la incubación. Se descubrió que la proteína de 14,46 kDa genera numerosos fragmentos más pequeños, incluidos fragmentos de 12,16 kDa (aminoácidos 14-133) y 10,44 kDa (40-140) formados mediante truncamiento C- y N-terminal y un fragmento C-terminal de 7,27 kDa (72 -140). El fragmento de 7,27 kDa, que contiene la mayor parte de la región NAC, se agregó considerablemente más rápido que la alfa-sinucleína de longitud completa. Es posible que estos productos autoproteolíticos desempeñen un papel como intermediarios o cofactores en la agregación de alfa-sinucleína in vivo.

Importancia clínica

La alfa sinucleína, al no tener una estructura terciaria única y bien definida, es una proteína intrínsecamente desordenada, con un valor de pI de 4,7, que, bajo ciertas condiciones patológicas, puede plegarse mal de una manera que expone sus residuos hidrofóbicos centrales al tejido intracelular. entorno, brindando así la oportunidad de que se produzcan interacciones hidrofóbicas con una proteína similar e igualmente expuesta. Esto podría conducir al autoensamblaje y la posterior agregación en fibrillas grandes e insolubles conocidas como amiloides. La conversión de alfa sinucleína soluble en estructuras fibrilares de lámina β cruzada altamente ordenadas no sigue, como se pensaba anteriormente, un mecanismo de dos pasos, sino que se produce a través de una serie de intermediarios oligoméricos solubles transitorios. En 2011, dos grupos publicaron sus hallazgos de que la α-sinucleína no mutada forma un tetrámero plegado de manera estable que resiste la agregación, afirmando que este tetrámero plegado representaba la estructura relevante in vivo en las células, aliviando así a la alfa sinucleína de su estado desordenado. Los defensores de la hipótesis del tetrámero argumentaron que el entrecruzamiento in vivo en bacterias, neuronas primarias y células de eritroleucemia humana confirmaba la presencia de especies tetraméricas lábiles. Sin embargo, a pesar de numerosos informes de RMN intracelular que demuestran que la alfa sinucleína es realmente monomérica y está desordenada en células intactas de E. coli, todavía es un tema de debate en el campo a pesar de una montaña cada vez mayor de informes contradictorios. Sin embargo, la alfa-sinucleína se agrega para formar fibrillas insolubles en condiciones patológicas caracterizadas por cuerpos de Lewy, como la enfermedad de Parkinson, la demencia con cuerpos de Lewy y la atrofia multisistémica. Estos trastornos se conocen como sinucleinopatías. Los modelos in vitro de sinucleinopatías revelaron que la agregación de alfa-sinucleína puede provocar diversos trastornos celulares, incluido el deterioro de los microtúbulos, las disfunciones sinápticas y mitocondriales, el estrés oxidativo y la desregulación de la señalización del calcio y de las vías proteasomal y lisosomal. La alfa-sinucleína es el componente estructural principal de las fibrillas de cuerpos de Lewy. En ocasiones, los cuerpos de Lewy contienen proteína tau; sin embargo, la alfa-sinucleína y la tau constituyen dos subconjuntos distintivos de filamentos en los mismos cuerpos de inclusión. La patología de la alfa-sinucleína también se encuentra en casos esporádicos y familiares de la enfermedad de Alzheimer.

El mecanismo de agregación de la alfa-sinucleína es incierto. Hay evidencia de un intermediario estructurado rico en estructura beta que puede ser el precursor de la agregación y, en última instancia, de los cuerpos de Lewy. Un estudio de una sola molécula realizado en 2008 sugiere que la alfa-sinucleína existe como una mezcla de confórmeros no estructurados, ricos en hélice alfa y en hoja beta en equilibrio. Las mutaciones o condiciones de amortiguación que se sabe que mejoran la agregación aumentan fuertemente la población del conformador beta, lo que sugiere que esto podría ser una conformación relacionada con la agregación patógena. Una teoría es que la mayoría de los agregados de alfa-sinucleína se encuentran en la presinapsis como depósitos más pequeños, lo que provoca disfunción sináptica. Entre las estrategias para tratar las sinucleinopatías se encuentran compuestos que inhiben la agregación de alfa-sinucleína. Se ha demostrado que la pequeña molécula cuminaldehído inhibe la fibrilación de la alfa-sinucleína. El virus de Epstein-Barr ha sido implicado en estos trastornos.

En casos raros de formas familiares de la enfermedad de Parkinson, hay una mutación en el gen que codifica la alfa-sinucleína. Hasta ahora se han identificado cinco mutaciones puntuales: A53T, A30P, E46K, H50Q y G51D; sin embargo, en total, diecinueve mutaciones en el gen SNCA se han asociado con el parkinsonismo: A18T, A29S, A53E, A53V, E57A, V15A, T72M, L8I, V15D, M127I, P117S, M5T, G93A, E83Q y A30G.

Se ha informado que algunas mutaciones influyen en los pasos de iniciación y amplificación del proceso de agregación. La duplicación genómica y la triplicación del gen parecen ser una causa rara de la enfermedad de Parkinson en otros linajes, aunque más común que las mutaciones puntuales. Por lo tanto, ciertas mutaciones de la alfa-sinucleína pueden hacer que se formen fibrillas de tipo amiloide que contribuyen a la enfermedad de Parkinson. La sobreexpresión de alfa-sinucleína humana de tipo salvaje o mutante A53T en primates impulsa el depósito de alfa-sinucleína en el mesencéfalo ventral, la degeneración del sistema dopaminérgico y el deterioro del rendimiento motor.

Ciertas secciones de la proteína alfa-sinucleína pueden desempeñar un papel en las tauopatías.

Una forma priónica de la proteína alfa-sinucleína puede ser un agente causal de la enfermedad de atrofia multisistémica.

Secreción "similar a un prión" Se han descrito conjuntos amiloides de alfa-sinucleína que son invisibles para el colorante amiloide tioflavina T y que pueden diseminarse de forma aguda en las neuronas in vitro e in vivo.

Los anticuerpos contra la alfa-sinucleína han reemplazado a los anticuerpos contra la ubiquitina como estándar de oro para la inmunotinción de cuerpos de Lewy. El panel central de la figura de la derecha muestra la vía principal de agregación de proteínas. La α-sinucleína monomérica se despliega de forma nativa en solución, pero también puede unirse a membranas en forma de α-helicoidal. Parece probable que estas dos especies existan en equilibrio dentro de la célula, aunque esto no está demostrado. A partir del trabajo in vitro, queda claro que el monómero desplegado puede agregarse primero en pequeñas especies oligoméricas que pueden estabilizarse mediante interacciones en forma de lámina β y luego en fibrillas insolubles de mayor peso molecular. En un contexto celular, existe cierta evidencia de que la presencia de lípidos puede promover la formación de oligómeros: la α-sinucleína también puede formar estructuras anulares similares a poros que interactúan con las membranas. El depósito de α-sinucleína en estructuras patológicas como los cuerpos de Lewy es probablemente un evento tardío que ocurre en algunas neuronas. En el lado izquierdo se encuentran algunos de los modificadores conocidos de este proceso. La actividad eléctrica en las neuronas cambia la asociación de la α-sinucleína con las vesículas y también puede estimular la quinasa 2 tipo polo (PLK2), que se ha demostrado que fosforila la α-sinucleína en Ser129. También se ha propuesto la participación de otras quinasas. Además de la fosforilación, el truncamiento a través de proteasas como las calpaínas y la nitración, probablemente a través del óxido nítrico (NO) u otras especies reactivas de nitrógeno que están presentes durante la inflamación, modifican la sinucleína de modo que tenga una mayor tendencia a agregarse. La adición de ubiquitina (que se muestra como una mancha negra) a los cuerpos de Lewy es probablemente un proceso secundario a la deposición. A la derecha se encuentran algunos de los objetivos celulares propuestos para la toxicidad mediada por α-sinucleína, que incluyen (de arriba a abajo) el transporte ER-golgi, vesículas sinápticas, mitocondrias y lisosomas y otra maquinaria proteolítica. En cada uno de estos casos, se propone que la α-sinucleína tenga efectos perjudiciales, enumerados debajo de cada flecha, aunque en este momento no está claro si alguno de ellos es necesario o suficiente para la toxicidad en las neuronas.

Interacciones proteína-proteína

Se ha demostrado que la alfa-sinucleína interactúa con

• Transportador de Dopamina,
• Parkin (ligase),
• Phospholipase D1,
• SNCAIP,
• Proteína Tau.
• Beta amiloide