Proteína tau

Las proteínas tau (abreviadas de ttubulina unanidad u asociada) son un grupo de seis proteínas altamente Isoformas de proteínas solubles producidas por corte y empalme alternativo del gen MAPT (proteína tau asociada a microtúbulos). Tienen funciones principalmente en el mantenimiento de la estabilidad de los microtúbulos en los axones y son abundantes en las neuronas del sistema nervioso central (SNC), donde la corteza cerebral tiene la mayor abundancia. Son menos comunes en otros lugares, pero también se expresan en niveles muy bajos en astrocitos y oligodendrocitos del SNC.

Patologías y demencias del sistema nervioso como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson están asociadas con proteínas tau que se han convertido en agregados insolubles hiperfosforilados llamados ovillos neurofibrilares. Las proteínas tau fueron identificadas en 1975 como proteínas termoestables esenciales para el ensamblaje de microtúbulos y desde entonces se han caracterizado como proteínas intrínsecamente desordenadas.

Función

Estabilización de microtúbulos

Las proteínas Tau se encuentran con más frecuencia en las neuronas que en las células no neuronales de los humanos. Una de las funciones principales de tau es modular la estabilidad de los microtúbulos axonales. Otras proteínas asociadas a microtúbulos (MAP) del sistema nervioso pueden realizar funciones similares, como lo sugieren los ratones knockout para tau que no mostraron anomalías en el desarrollo del cerebro, posiblemente debido a la compensación de la deficiencia de tau por otros MAP.

Aunque tau está presente en las dendritas en niveles bajos, donde participa en el andamiaje postsináptico, está activa principalmente en las porciones distales de los axones, donde proporciona estabilización de los microtúbulos pero también flexibilidad según sea necesario. Las proteínas tau interactúan con la tubulina para estabilizar los microtúbulos y promover el ensamblaje de la tubulina en los microtúbulos. Tau tiene dos formas de controlar la estabilidad de los microtúbulos: isoformas y fosforilación.

Además de su función estabilizadora de microtúbulos, también se ha descubierto que Tau recluta proteínas de señalización y regula el transporte axonal mediado por microtúbulos.

Traducción de ARNm

Tau es un regulador negativo de la traducción del ARNm en cerebros de Drosophila, ratón y humanos, a través de su unión a los ribosomas, lo que resulta en una función ribosomal deteriorada, una reducción de la síntesis de proteínas y una función sináptica alterada. Tau interactúa específicamente con varias proteínas ribosómicas, incluido el regulador crucial de la traducción rpS6.

Comportamiento

Las principales funciones no celulares de tau son regular negativamente la memoria a largo plazo y facilitar la habituación (una forma de aprendizaje no asociativo), dos funciones fisiológicas superiores y más integradas. Dado que la regulación de tau es fundamental para la memoria, esto podría explicar el vínculo entre las tauopatías y el deterioro cognitivo.

En ratones, si bien las cepas knockout de tau reportadas se presentan sin un fenotipo manifiesto cuando son jóvenes, cuando envejecen, muestran cierta debilidad muscular, hiperactividad y deterioro del condicionamiento del miedo. Sin embargo, ni el aprendizaje espacial en ratones ni la memoria (aprendizaje) a corto plazo en Drosophila parecen verse afectados por la ausencia de tau.

Además, los ratones con tau knockout tienen un ciclo de sueño-vigilia anormal, con mayores períodos de vigilia y una disminución del tiempo de sueño con movimientos oculares no rápidos (NREM).

Otras funciones

Otras funciones típicas de tau incluyen la señalización celular, el desarrollo neuronal, la neuroprotección y la apoptosis. También se están investigando funciones atípicas y no estándar de tau, como su implicación en la estabilidad cromosómica, su interacción con el transcriptoma celular, su interacción con otras proteínas citoesqueléticas o sinápticas, su implicación en la mielinización o en la señalización de la insulina cerebral, su papel en la exposición al estrés crónico y en la depresión, etc.

Genética

En los seres humanos, el gen MAPT que codifica la proteína tau se encuentra en el cromosoma 17q21 y contiene 16 exones. La principal proteína tau del cerebro humano está codificada por 11 exones. Los exones 2, 3 y 10 se empalman alternativamente, lo que conduce a la formación de seis isoformas de tau. En el cerebro humano, las proteínas tau constituyen una familia de seis isoformas con un rango de 352 a 441 aminoácidos. Las isoformas de Tau se diferencian por tener cero, uno o dos insertos de 29 aminoácidos en la parte N-terminal (exones 2 y 3) y tres o cuatro regiones repetidas en la parte C-terminal (exón 10). Así, la isoforma más larga en el SNC tiene cuatro repeticiones (R1, R2, R3 y R4) y dos insertos (441 aminoácidos en total), mientras que la isoforma más corta tiene tres repeticiones (R1, R3 y R4) y ningún inserto (352 aminoácidos). ácidos totales).

El gen MAPT tiene dos haplogrupos, H1 y H2, en los que el gen aparece en orientaciones invertidas. El haplogrupo H2 es común sólo en Europa y en personas con ascendencia europea. El haplogrupo H1 parece estar asociado con una mayor probabilidad de ciertas demencias, como la enfermedad de Alzheimer. La presencia de ambos haplogrupos en Europa significa que la recombinación entre haplotipos invertidos puede resultar en la falta de una de las copias funcionales del gen, lo que resulta en defectos congénitos.

Estructura

Existen seis isoformas de tau en el tejido cerebral humano y se distinguen por su número de dominios de unión. Tres isoformas tienen tres dominios de unión y las otras tres tienen cuatro dominios de unión. Los dominios de unión están ubicados en el extremo carboxi de la proteína y están cargados positivamente (lo que le permite unirse al microtúbulo cargado negativamente). Las isoformas con cuatro dominios de unión son mejores para estabilizar los microtúbulos que aquellas con tres dominios de unión. Tau es una fosfoproteína con 79 sitios potenciales de fosforilación de serina (Ser) y treonina (Thr) en la isoforma de tau más larga. Se ha informado de fosforilación en aproximadamente 30 de estos sitios en proteínas tau normales.

La fosforilación de tau está regulada por una serie de quinasas, incluida PKN, una serina/treonina quinasa. Cuando se activa PKN, fosforila tau, lo que provoca una alteración de la organización de los microtúbulos. La fosforilación de tau también está regulada por el desarrollo. Por ejemplo, la tau fetal está más fosforilada en el SNC embrionario que la tau adulta. El grado de fosforilación en las seis isoformas disminuye con la edad debido a la activación de las fosfatasas. Al igual que las quinasas, las fosfatasas también desempeñan un papel en la regulación de la fosforilación de tau. Por ejemplo, PP2A y PP2B están presentes en el tejido cerebral humano y tienen la capacidad de desfosforilar Ser396. La unión de estas fosfatasas a tau afecta la asociación de tau con los microtúbulos.

También se ha sugerido que la fosforilación de tau está regulada por la modificación de O-GlcNAc en varios residuos Ser y Thr.

Mecanismo

La acumulación de tau hiperfosforilada en las neuronas se asocia con la degeneración neurofibrilar. El mecanismo real de cómo se propaga tau de una célula a otra no está bien identificado. Además, otros mecanismos, incluida la liberación de tau y la toxicidad, no están claros. A medida que tau se agrega, reemplaza a la tubulina, lo que a su vez mejora la fibrilización de tau. Se han propuesto varios métodos de propagación que ocurren por contacto sináptico, como las proteínas de adhesión de células sinápticas, la actividad neuronal y otros mecanismos sinápticos y no sinápticos. El mecanismo de agregación de tau aún no está completamente dilucidado, pero varios factores favorecen este proceso, incluida la fosforilación de tau y los iones de zinc.

Liberación

Tau participa en el proceso de absorción y liberación, que se conoce como siembra. El mecanismo de absorción de la proteína tau requiere la presencia de proteoglicanos de heparán sulfato en la superficie celular, que se produce por macropinocitosis. Por otra parte, la liberación de tau depende de la actividad neuronal. Muchos factores influyen en la liberación de tau, por ejemplo, el tipo de isoformas o mutaciones MAPT que cambian el nivel extracelular de tau. Según Asai y sus colegas, la propagación de la proteína tau se produce desde la corteza entorrinal a la región del hipocampo en las primeras etapas de la enfermedad. También sugirieron que la microglía también participaba en el proceso de transporte, y aún se desconoce su papel real.

Toxicidad

Tau provoca efectos tóxicos a través de su acumulación en el interior de las células. Muchas enzimas participan en mecanismos de toxicidad, como la quinasa PAR-1. Esta enzima estimula la fosforilación de la serina 262 y 356, lo que a su vez conduce a la activación de otras quinasas (GSK-3 y CDK5) que causan fosfoepítopos asociados a enfermedades. El grado de toxicidad se ve afectado por diferentes factores, como el grado de unión de los microtúbulos. La toxicidad también podría ocurrir por ovillos neurofibrilares (NFT), que conducen a la muerte celular y al deterioro cognitivo.

Importancia clínica

La hiperfosforilación de la proteína tau (inclusiones de tau, pTau) puede provocar el autoensamblaje de marañas de filamentos helicoidales pares y filamentos rectos, que están implicados en la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer, la demencia frontotemporal y otras tauopatías. . Las seis isoformas de tau están presentes en un estado a menudo hiperfosforilado en filamentos helicoidales pares en el cerebro de la enfermedad de Alzheimer. En otras enfermedades neurodegenerativas se ha descrito el depósito de agregados enriquecidos en determinadas isoformas de tau. Cuando está mal plegada, esta proteína, que de otro modo sería muy soluble, puede formar agregados extremadamente insolubles que contribuyen a una serie de enfermedades neurodegenerativas. La proteína Tau tiene un efecto directo sobre la descomposición de una célula viva causada por ovillos que forman y bloquean las sinapsis nerviosas.

La expresión del gen tau específica de género en diferentes regiones del cerebro humano se ha implicado recientemente en diferencias de género en las manifestaciones y el riesgo de tauopatías. Algunos aspectos de cómo funciona la enfermedad también sugieren que tiene algunas similitudes con las proteínas priónicas.

Hipótesis Tau de la enfermedad de Alzheimer

La hipótesis de la tau establece que la fosforilación excesiva o anormal de la tau da como resultado la transformación de la tau adulta normal en tau de filamentos helicoidales pares (PHF) y ovillos neurofibrilares (NFT). El estadio de la enfermedad determina la calidad de las NFT. fosforilación. En la EA, al menos 19 aminoácidos están fosforilados; La fosforilación pre-NFT ocurre en la serina 199, 202 y 409, mientras que la fosforilación intra-NFT ocurre en la serina 396 y la treonina 231. A través de sus isoformas y fosforilación, la proteína tau interactúa con la tubulina para estabilizar el ensamblaje de los microtúbulos. Las seis isoformas de tau están presentes en un estado a menudo hiperfosforilado en filamentos helicoidales pares (PHF) en el cerebro con EA.

Las mutaciones de tau tienen muchas consecuencias, incluida la disfunción de los microtúbulos y la alteración del nivel de expresión de las isoformas de tau. Las mutaciones que alteran la función y la expresión de isoformas de tau provocan hiperfosforilación. Se desconoce el proceso de agregación de tau en ausencia de mutaciones, pero podría resultar de una mayor fosforilación, acción de proteasa o exposición a polianiones, como los glucosaminoglicanos. La tau hiperfosforilada desmonta los microtúbulos y secuestra la tau normal, MAPT 1 (proteína tau 1 asociada a microtúbulos), MAPT 2 y ubiquitina en marañas de PHF. Esta estructura insoluble daña las funciones citoplasmáticas e interfiere con el transporte axonal, lo que puede provocar la muerte celular.

Las formas hiperfosforiladas de proteína tau son el componente principal de los PHF de los NFT en el cerebro de los pacientes con EA. Se ha demostrado bien que las regiones de segmentos de seis residuos de tau, a saber, PHF6 (VQIVYK) y PHF6* (VQIINK), pueden formar agregación de tau PHF en la EA. Además de PHF6, algunos otros sitios de residuos como Ser285, Ser289, Ser293, Ser305 y Tyr310, ubicados cerca del C-terminal de las secuencias de PHF6, desempeñan funciones clave en la fosforilación de tau. La tau hiperfosforilada difiere en su sensibilidad y su actividad quinasa, así como en su actividad de fosfatasa alcalina y es, junto con el beta-amiloide, un componente de la lesión patológica que se observa en la enfermedad de Alzheimer. Una hipótesis reciente identifica la disminución de la señalización de reelina como el cambio principal en la enfermedad de Alzheimer que conduce a la hiperfosforilación de tau mediante una disminución en la inhibición de GSK3β.

A68 es un nombre que a veces se le da (sobre todo en publicaciones antiguas) a la forma hiperfosforilada de la proteína tau que se encuentra en el cerebro de personas con enfermedad de Alzheimer.

En 2020, investigadores de dos grupos publicaron estudios que indicaban que un inmunoensayo en sangre para la forma p-tau-217 de la proteína podría diagnosticar el Alzheimer hasta décadas antes de que los síntomas de la demencia fueran evidentes.

Lesión cerebral traumática

Las lesiones cerebrales traumáticas (TBI) leves y repetitivas son un componente central de los deportes de contacto, especialmente el fútbol americano, y la fuerza de conmoción de las explosiones militares. Puede provocar encefalopatía traumática crónica (CTE), una afección caracterizada por ovillos fibrilares de tau hiperfosforilada. Después de una lesión cerebral traumática grave, los niveles altos de proteína tau en el líquido extracelular del cerebro están relacionados con malos resultados.

Hipótesis de propagación similar a priones

El término "similar a prión" se utiliza a menudo para describir varios aspectos de la patología tau en diversas tauopatías, como la enfermedad de Alzheimer y la demencia frontotemporal. Los verdaderos priones se definen por su capacidad de inducir un plegamiento incorrecto de proteínas nativas para perpetuar la patología. Los priones verdaderos, como el PRNP, también son infecciosos y tienen la capacidad de cruzar especies. Dado que todavía no se ha demostrado que tau sea infeccioso, no se considera un prión verdadero, sino un prión "similar a un prión". proteína. Al igual que los priones verdaderos, se ha demostrado que los agregados patológicos de tau tienen la capacidad de inducir un plegamiento incorrecto de la proteína tau nativa. Se han informado especies de agregados de tau competentes y no competentes que se pliegan mal, lo que indica un mecanismo muy específico.

Interacciones

Se ha demostrado que la proteína Tau interactúa con:

• Alpha-synuclein,
• FYN,
• Proto-oncogene tyrosine-protein kinase Src
• S100B, and
• YWHAZ.