Centrándose en las fibrillas; los científicos nos dan una idea de los cúmulos de proteína huntingtina
Los científicos han utilizado potentes microscopios para observar fragmentos pegajosos de la proteína de la enfermedad de Huntington, arrojando luz sobre estas estructuras que se cree que impulsan la enfermedad
Un grupo de científicos de la EPFL en Lausana, Suiza, ha publicado un artículo en el Journal of the American Chemical Society, que describe cúmulos formados por un fragmento de la proteína huntingtina. Una palabra que se usa comúnmente para describir estos es «agregados». Utilizando microscopios muy potentes, el equipo pudo acercarse y observar de cerca los detalles de las estructuras 3D de estas muestras. Se cree que la acumulación de agregados de proteína huntingtina es una característica importante de la enfermedad de Huntington (EH), que contribuye a la progresión de la enfermedad. Pero hasta hace poco sabíamos muy poco sobre su aspecto. Con estos nuevos e interesantes vislumbres de agregados bajo el microscopio, los científicos esperan construir herramientas para visualizarlos en los cerebros de las personas con EH, o incluso enviar agregados dañinos a la papelera en las células cerebrales.
Agregados, amiloides y fibras: ¿qué significa todo esto?
Muchas enfermedades que afectan al cerebro, incluidas las enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson, el Alzheimer y la enfermedad de Huntington, se caracterizan por la acumulación de cúmulos de moléculas de proteína en las células cerebrales. En la EH, es un fragmento pequeño y pegajoso de la propia proteína huntingtina el que forma estos cúmulos, a los que los científicos a menudo se refieren como agregados de huntingtina.
«Agregado» es una palabra elegante para cuando muchas copias de la misma molécula de proteína se unen para formar estructuras tridimensionales mucho más grandes. A veces, estos agregados son un revoltijo de muchas moléculas de proteína, todo revuelto. Pero otras veces, las moléculas están mucho más organizadas y forman estructuras repetitivas. Algunas de estas estructuras más organizadas parecen fibras y se llaman amiloides o fibrillas.
Puede pensar en estas diferentes organizaciones de moléculas de proteína como en una torre de ladrillos de Jenga. Cada ladrillo representa una sola molécula de proteína. Cuando todos los ladrillos están apilados cuidadosamente en una torre, esto se parece un poco a los amiloides o fibrillas de proteína. Pero cuando los ladrillos finalmente se caen en una pila desordenada, esto es más similar a lo que creemos que podría ser un agregado de proteína desorganizado.
Los científicos son generalmente (y molestamente) amantes de la jerga, por lo que verá que a menudo usan todas estas palabras indistintamente. Pero para los propósitos de este artículo, nos centraremos en las fibrillas de huntingtina; fibras tridimensionales organizadas formadas por muchas copias de un fragmento pequeño y pegajoso de la proteína huntingtina.
De ratones y hombres… y bacterias
La agregación de la proteína huntingtina es una característica documentada desde hace mucho tiempo de la enfermedad de Huntington. En los cerebros de personas que han fallecido a causa de la EH, podemos usar tintes y otras ingeniosas etiquetas químicas para ver estos agregados bajo el microscopio en diferentes tipos de células nerviosas. En modelos animales de la EH, que están modificados genéticamente para producir el pequeño fragmento pegajoso de la proteína huntingtina, los científicos han demostrado que estos agregados se acumulan con el tiempo. En muchos animales modelo de la EH, el nivel de agregados en diferentes partes del cerebro se asocia con la gravedad de los síntomas similares a la EH.
«Las bacterias son modificadas por los científicos para ser fábricas de proteína huntingtina, produciendo muchas copias de esta molécula»
Uno de los problemas de observar los agregados en el cerebro es que hay muchas otras moléculas en las células donde encontramos agregados, por lo que generalmente tenemos que usar tinciones especiales que se adhieren a los agregados para verlos. Sin embargo, este enfoque no nos da una visión muy detallada de los tipos de agregados presentes o sus estructuras 3D.
Para superar este problema, los científicos observan muestras altamente puras de agregados que fabrican sintéticamente en el laboratorio. Las bacterias inofensivas son modificadas por los científicos para ser fábricas de proteína huntingtina, produciendo muchas copias de esta molécula. Los científicos pueden entonces extraer la huntingtina de las bacterias y usar estas muestras para hacer fibrillas en un tubo de ensayo que se parecen a las que vemos en las personas. Las fibrillas se pueden hacer con proteína huntingtina no expandida o huntingtina expandida, correspondiendo a la proteína huntingtina con y sin la mutación de la EH. Esto significa que los científicos pueden investigar los efectos de la mutación de la EH en las fibrillas.
¿Qué pueden revelar los poderosos microscopios sobre estos agregados?
Después de hacer estas muestras sintéticas de fibrillas de huntingtina, el equipo de investigadores de Suiza las observó utilizando un sofisticado equipo llamado microscopio electrónico criogénico. Este tipo de microscopio le permite acercarse realmente y ver las fibrillas con mucho detalle. Las fibrillas son extremadamente pequeñas, solo de 3 a 10 nanómetros de ancho, aproximadamente 100.000 veces más pequeñas que el grosor de las uñas, pero son fácilmente visibles bajo este tipo de microscopio.
En este estudio, los científicos tomaron muchas fotografías de las fibrillas utilizando el microscopio y luego utilizaron un software especial para promediar imágenes de aspecto similar. Este proceso de promediado mejora la calidad de la imagen, lo que facilita la visualización de las características de las fibrillas, un poco como cambiar el contraste o el brillo en la pantalla de su teléfono para ver la pantalla con mayor claridad.
A partir de estas imágenes de las fibrillas, los científicos pudieron medir sus dimensiones y determinar cómo se organizaban todas las moléculas de proteína huntingtina. Pudieron ver que estaban apiladas y alineadas en cintas planas, pareciendo un poco como si tomaras muchos ladrillos de Jenga y los alinearas uno al lado del otro para hacer una capa delgada y única de ladrillos. Muchas cintas de huntingtina se colocan en capas una encima de la otra en las fibrillas, lo que sería como si agregaras más y más capas de ladrillos de Jenga alineados encima de la primera.
Curiosamente, los investigadores encontraron que la mutación de la EH provocó cambios en las dimensiones de las fibrillas de proteína huntingtina, así como cambios en el número de cintas de huntingtina apiladas una encima de la otra. Los científicos también hicieron fibrillas a partir de un fragmento aún más pequeño de la proteína huntingtina al que le falta una región justo al principio de la molécula. Demostraron que estas fibrillas estaban mucho más desorganizadas y estaban formadas por una mezcla de diferentes organizaciones de las moléculas de proteína huntingtina.
Estos hallazgos son importantes porque muestran que la mutación de la enfermedad de Huntington y otras regiones del gen de la huntingtina afectan la estructura 3D y la organización de las fibrillas de proteína huntingtina. Las fibrillas que son uniformes o más desorganizadas, podrían entorpecer el funcionamiento de diferentes maneras, por lo que es importante entender esto.
¿Cómo ayudará este trabajo a las personas afectadas por la enfermedad de Huntington?
Nuestra comprensión profunda de la estructura de los agregados en el cerebro de la enfermedad de Huntington todavía está un poco en su infancia, pero podemos observar el trabajo en otras áreas de la enfermedad para ver qué promesa puede tener este tipo de estudio (más allá de generar imágenes realmente geniales de las fibrillas, por supuesto).
«La mutación de la enfermedad de Huntington afecta la estructura 3D y la organización de las fibrillas de proteína huntingtina»
En el campo de la investigación de la enfermedad de Alzheimer, este tipo de enfoque se está utilizando ahora para observar las fibrillas de los cerebros de pacientes que han fallecido. Este trabajo ha revelado un nivel asombroso de detalle de las estructuras de las fibrillas, mostrando precisamente dónde se encuentra cada átomo. Al comparar las fibrillas de personas con diferentes formas de enfermedad de Alzheimer, los científicos pudieron ver diferencias sutiles en su organización y demostraron que
Otros estudios muestran cómo las moléculas de imagen cerebral llamadas ligandos PET se unen a las fibrillas. El campo de la enfermedad de Huntington tiene un ligando PET que se une a las fibrillas (escribimos sobre esto recientemente en HDBuzz), pero todavía no sabemos exactamente dónde se une en estas estructuras, por lo que tal vez algún día los científicos puedan usar este enfoque para comprender mejor el ligando PET.
En general, el trabajo de los investigadores de la EPFL es un emocionante paso adelante a medida que comenzamos a comprender más sobre las fibrillas de huntingtina y ha sentado las bases para futuros estudios donde podríamos obtener más información sobre esta importante característica de la EH.
