Fosforilación de tau y enfermedad de Alzheimer
Phosphorylation of Tau and Alzhermer's Disease
Teresa García,* David Jay*
* Departamento de Biomedicina Cardiovascular. Instituto Nacional de Cardiología Ignacio Chávez.
]]> Correspondencia y solicitud de sobretiros:
Recepción: 29 de enero de 2002
Aceptación: 09 de septiembre de 2002
]]> Resumen
Tau forma parte importante del citoesqueleto en neuronas; estabilizando microtúbulos, manteniendo la forma celular y como via de transporte axonal. Sin embargo, por mecanismos desconocidos, tau sufre modificaciones importantes como son fosforilación anormal debida a la actividad desequilibrada de varias cinasas y fosfatasas, afectando su función biológica normal. Bajo estas circunstancias tau comienza a agregarse originando complejos proteicos denominados desarreglos neurofibrilares (NFTS) que son hallazgos histopatológicos característicos de la enfermedad de Alzheimer junto con las placas seniles. Esta revisión esta enfocada principalmente a describir la estructura de tau y la participación de diferentes cinasas en su regulación.
Palabras clave: tau, enfermedad de Alzheimer, fosfoliración, cinasas.
Summary
Tau is an important component of neuronal cytosqueleton; the protein stabilizas microtubules, maintains cell shape and axonal transport mechanisms. Howevwe, for unknown reasons tau experiments important postranslation modifications including enhanced phosphorylation due to unbalanced activity between kinases and phosphatases, affecting its normal biological function. Under these circumstances tau begins to aggregate into neurofibrillary tangles (NFTS) complexes which are pathological hallmarks of Alzheimer's disease together with senile plaques. This review is mainly concerned with the role that different kinase play into the regulation of tau structure and function.
Keywords: tau, Alzheimer's disease, phosphorylation, kinases.
Introducción
Tau forma parte de una familia de proteínas asociadas a microtúbulos (MAPs), que se expresa principalmente en neuronas. La clonación y secuenciación del gen de tau han demostrado que seis isoformas diferentes pueden ser generadas por corte alternativo de un solo gen1,2 y están comprendidas en un intervalo de peso molecular aparente de 55 a 70 Kda. Tau participa en el ensamble de monómeros de tubulina dentro de los microtúbulos para dar lugar a la red de microtúbulos neuronales; los cuales contribuyen al mantenimiento de la forma celular y sirven como vía de transporte a través de los axones. Tau también establece vínculos entre microtúbulos y otros elementos del citoesqueleto como los neurofilamentos u otras proteínas como son espectrina y filamentos de actina3 Estudios anteriores demostraron que estas actividades están reguladas en gran parte por el estado de fosforilación de tau,4,5 así como por el número de dominios funcionales de unión a tubulina, localizados en el extremo C–terminal,esto último depende del corte alternativo del exon 10.6,7
]]> Junto con el papel fisiológico de tau en el mantenimiento de la estabilidad del citoesqueleto, se sabe que la proteína también está involucrada en la patogénesis de ciertas enfermedades neurodegenerativas, tales como la enfermedad de Alzheimer (EA), caracterizada por la formación de desarreglos ("tangles") neurofibrilares (NFTs) patológicos en áreas específicas del cerebro junto con la formación de placas seniles.
Características de tau
Mediante microscopía electrónica tau parece ser una molécula elongada, con longitud aproximada de 35 nm.8 En solución, vista a través de rayos X, tau no presenta una forma bien definida. Como otras proteínas, su molécula es descrita como un polímero desarreglado; en otras palabras, tau en solución parece una proteína desnaturalizada. Tau puede ser tratada con desnaturalizantes (calor, ácidos diluidos) y no perder su actividad biológica. Estudios de espectroscopia mediante dicroísmo circular (CD) no proporcionan evidencia alguna de estructura secundaria regular como hélices alfa o láminas beta.
Tau ha sido identificada en varias especies animales incluyendo: caenorhabditís elegans,9,10 Drosophila,11,12 goldfish,13 roedores,14,15 Bovinos,16,17 Cabra,18 mono16 humano19,20 localizada principalmente en neuronas, aunque en células no neuronales se han detectado huellas. En estados patológicos, tau puede expresarse en células de la glia,21 también es posible encontrar mRNA y proteína en varios tejidos periféricos como corazón, hígado, pulmón, músculo, páncreas, testículos y fibroblastos.22–24
El gen humano de tau está localizado 100 Kb hacia arriba en el brazo largo del cromosoma 17 en la posición 17q21.
El transcrito primario de tau contiene 16 exones (Figura 1), 3 de éstos (exon 4A, 6y 8) no están presentes en el cerebro humano, porque son específicos de proteínas tau periféricas. El exon 4A se ha encontrado en tejidos periféricos de bovinos, humanos y roedores con un alto grado de homología. mRNA con exones 6 y 8 no han sido encontrados en humanos. Algunos transcritos con el exon 8 se han encontrado en cerebros de bovinos y monos rhesus.17,18
El exon –1 es parte del promotor, es transcrito pero no traducido. Los exones 1,4,5,7,9,11,12 y 13 son exones constitutivos. El exon 14 se encuentra en el mRNA pero no es traducido dentro de la proteína. Los exones 2, 3 y 10 son cortados alternativamente originándose 6 combinaciones diferentes (2–3–1 0–), (2+3–1 0–), (2+3+1 0–), (2–3–10+), (2+3–10+) (2+3+10+) y son específicos del cerebro humano adulto. El exon 3 nunca aparece independiente del exon 2.17,19,20
]]> Las variantes de tau entonces difieren una de otra por la presencia de 3 o 4 regiones repetidas en el extremo C–terminal codificadas por los exones 9–1225 y por la ausencia o presencia de 1 o 2 insertos (29 o 58 a.a.) en el extremo N–terminal codificadas por los exones 2 y 3. Durante el desarrollo del cerebro, la expresión de las isoformas de tau cambia. Una isoforma caracterizada por la ausencia de un inserto en el extremo N–terminal y la presencia de 3 secuencias repetidas en el extremo C–terminal está presente en etapas fetales, mientras que las otras isoformas son expresadas en la edad adulta.26,27Las dos secuencias de 29 a.a. codificadas por los exones 2 y 3 son altamente ácidas y son seguidas de una región rica en prolina, éstas proporcionan diferentes longitudes al extremo N–terminal de la proteína tau.
El extremo N–terminal es denominado dominio de proyección, porque sobresale de la superficie del microtubulo, mediante lo cual puede interactuar con otros elementos del citoesqueleto y con la membrana plasmática.
Las uniones de tau a los microtubulos incluyen principalmente las regiones comprendidas entre los a.a 241 –304, mientras que la mínima región necesaria para la agregación de tau comprende los residuos 317–335. Estas dos secuencias se deben tomar en cuenta para posibles medidas terapéuticas.28
Fosforilación de tau
En cerebro normal el equilibrio entre fosforilación y defosforilación de tau origina cambios estructurales y conformacionales lo que regula la estabilidad del citoesqueleto y consecuentemente la morfología axonal. Estudios previos han demostrado que el proceso de fosforilación/defosforilación puede controlar no sólo la funcionalidad biológica de tau sino también de otras proteínas que forman parte del citoesqueleto en plaquetas y endotelio como es la filamina (filamina no muscular o ABP–280).31–33
Durante el desarrollo de la EA tau comienza a fosforilarse en múltiples sitios (Cuadro I) y se integra dentro de los filamentos helicales apareados (PHFs) para dar lugar a los NFTs, perdiendo sus funciones fisiológicas. La hiperfosforilación de tau es el resultado del desequilibrio de la acción de diferentes cinasas y fosfatasas. Las principales cinasas involucradas en las modificaciones de tau y degeneración neurona han sido divididas en dos grupos: proteínas cinasas dirigidas a prolina o motivos prolin–serina/treonina (P–ST), como son proteína cinasa activadora de mitógenos "mitogen activate protein kinase" (MAP), cinasa 3b de la glicógeno sintetasa "glycogen synthase kinase" 3 b (GSK3 b), cinasa tau–tubulina "tau–tubulin kinase", cinasa ciclin–dependiente "cyclin dependent kinase" (cdc2 y cdk5), cinasas activadas por estrés "stress–activated protein kinases" (SAPK) y cinasas que fosforilan motivos distintos a P–ST, las cuales incluyen cinasa reguladora de afinidad a microtubulos "microtubule–affinity regulating kinase" (MARK), proteina cinasa II dependiente de Ca2+/calmodulina "Ca2+/ calmodulin–dependent protein kinase II" (CaMPK II), proteína cinasa dependiente de AMP cíclico "cAMP–dependent Protein kinase" (PKA) y cinasa II de la caseína "casein kinase II".3
Los hallazgos de que la proteína cinasa 5 ciclin–dependiente (cdk5), y el activador neuronal p35 intervienen en la vía mediante la cual el péptido beta amiloide provoca muerte neuronal en enfermedades como EA ha generado gran interés en averiguar su mecanismo de acción. Cdk5 es una de las principales cinasas que fosforilan a tau,34 por lo que se le ha llamado cinasa de tau II (TPKII). Cdk5 se encuentra distribuida en varios tejidos y líneas celulares, aunque su actividad primaria se ha identificado en tejido neuronal.
Evidencias recientes indican que el complejo cdk5/ p35 participa en el crecimiento axonal normal y en la extensión de procesos neuríticos en neuronas. Además participa en la migración y diferenciación neuronal durante el desarrollo del sistema nervioso. En regiones como el sistema límbico del cerebro maduro puede mantener el potencial plástico neuronal. Cdk5 es importante para la regulación fina de eventos post raduccionales que originan cambios subcelulares en la organización del citoesqueleto. Investigaciones recientes han demostrado que la gran mayoría de cdk5 forma un complejo multimérico de alto peso molecular 60, 200, 400 y 670 Kda, en donde cdk5 está asociada con p35, p25, sinapsina, tau, CK1, b–cateninas y N–cadherinas.35,36 Estos hallazgos indican que cdk5 es una proteína multifuncional que asociada a otras proteínas celulares interactúa con el citoesqueleto y forma complejos supra moleculares. Cdk5 contribuye a la fosforilación de tau humana en los residuos S202, T205,5235yS404.35
]]> Evidencia reciente apoya la idea de que en la ruta neurodegenerativa, la fosforilación anómala inicial de tau por cdk5 estimula modificaciones en GSK3b.36–38GSK3b es una de las principales cinasas involucradas en la fosforilación aberrante de tau y parece estar implicada en la patología de EA. Esta cinasa interactúa con presenilina PSI sugiriendo que forma parte del complejo regulatorio de la fosforilación de tau.
La fosforilación de los residuos S214 y S409 por PKA sobre la isoforma que contiene 3 de las 4 secuencias repetitivas, es de particular interés debido a que está implicada en las primeras etapas de la conversión de tau normal a tau en EA.
La S214 se encuentra dentro de la región N–terminal rica en prolina (dominio de unión a microtúbulos), este sitio juega un papel crucial en la dinámica de los microtúbulos, mitosis e interacción con otras MAPs. Durante el desarrollo neuronal la S214 se encuentra principalmente en su forma fosforilada. Una vez que las neuronas se han diferenciado los niveles de fosforilación decrecen y permanecen así hasta que factores desconocidos perturban el sistema y se fosforila nuevamente causando la enfermedad.39
Hallazgos recientes mostraron que miembros de la familia de proteínas cinasas activadas por estrés (SAPKs) eran capaces de fosforilar a tau in vitro, específicamente SAPK1 (c–Jun N–terminal cinasa, JNK), SAPK2a (p38), SAPK2b(p38b), SAPK3(ERK6) y SAPK4. La activación de SAPKs ocurre en respuesta a múltiples formas de estrés celular (choque osmótico e inhibición de síntesis de proteínas) y por ciertas citocinas proinflamatorias (interleucina 1 y factor a de necrosis tumoral). SAPKs fosforilan residuos seria y/o treonina precedidos por prolina.40
La fosforilación anormal de tau evita la unión de fosfotau a microtúbulos. Estudios han demostrado que Pin–1 puede restaurar la unión de tau a microtúbulos,41,42 Pin1 es una proteína nuclear esencial perteneciente a la familia de prolilisomerasas. Pin1 consiste de un dominio catalítico carboxilo–terminal,asícomo un dominio amino–terminal de interacción proteína–proteína denominado WW, que reconoce específicamente residuos S/T precedidos por residuos de P. Pin1 se une sólo a motivos P–pS/T en tau y copurifica con PHFs, originando un agotamiento de pin1 soluble en el núcleo celular en cerebros de pacientes con EA. In vitro Pin1 puede restaurar la habilidad de tau fosforilada de unirse a microtúbulos y promover el ensamble de éstos. Como el agotamiento de Pin1 detiene la mitosis y genera muerte celular y apoptosis, el secuestro de Pin1 dentro de PHFs puede contribuir a la muerte neuronal.41
De los diferentes motivos P–ST encontradas en la isoforma larga de tau humana, Lu y colaboradores42 encontraron que sólo la T231 se requería para la unión con Pin1. Este residuo se localiza por arriba de las regiones de unión a microtúbulos en la sección rica en prolina, la cual es esencial para la completa actividad de tau.
En el contexto de EA no se han reportado mutaciones en la molécula de tau. Sin embargo, diferentes formas mutadas de tau han sido identificadas en otras enfermedades neurodegenerativas como son demencia frontotemporal y Parkinson ligada al cromosoma 17.43,44
La elucidación de los factores moleculares que disparan cambios en la maquinaria neuronal normal, originando neurodegeneración y los mecanismos transduccionales que llevan a la muerte neuronal en la Enfermedad de Alzheimer, contribuirán al entendimiento de las bases patológicas de ésta enfermedad, así como a la aplicación correcta de medidas terapéuticas efectivas.
Este trabajo fue apoyado en parte por el donativo 30558–M de CONACYT otorgado a David Jay.
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