The Yin and Yang of protein aggregation

Article published in May 2016

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2016.05.1

Salvador Ventura

Instituto de Biotecnología y Biomedicina, Dpto. de Bioquímica y Biología Molecular, Universitat Autònoma de Barcelona
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Protein aggregation is linked to more than 40 human diseases. Although this phenomenon is potentially harmful for the cell, the vast majority of proteins contain sequences that predispose them to aggregate. The reason behind this apparent contradiction is that the presence of these regions provides a number of structural and functional advantages, as long as they are kept under control.

El estudio de la agregación de proteínas, una disciplina tradicionalmente minoritaria y originalmente restringida al ámbito biotecnológico, ha experimentado un renacimiento en las últimas dos décadas, a partir del momento en que se evidenció que era la causa subyacente en diferentes patologías humanas, convirtiéndose este campo de investigación en uno de los más excitantes hoy en día. El número de enfermedades humanas que se asocian directa o indirectamente a la agregación de proteínas no deja de crecer, incluyendo enfermedades neurodegenerativas como Alzheimer o Parkinson, pero también otras como Diabetes de tipo II, cardiomiopatías, cataratas o algunos tipos de cáncer.

Las proteínas son los caballos de batalla de la célula, ejecutando la multitud de funciones que ésta requiere para vivir. De manera general, para cumplir su función, las cadenas de proteína, que inicialmente nacen desplegadas en los ribosomas, deben adoptar una estructura tridimensional definida conocida como estructura nativa. Cuando esta conformación no puede ser adquirida o no puede ser mantenida, en muchos casos, las proteínas se auto-ensamblan para formar depósitos insolubles. La formación de estos agregados provoca la pérdida de la función de la proteína que los conforma, satura el sistema de control proteico de la célula (chaperonas y proteasas), secuestra proteínas con funciones esenciales y puede ser tóxica per se. Por lo tanto, no es de extrañar que se asocie a estados patológicos. Lo sorprendente es que este fenómeno no se restringe al número relativamente pequeño de proteínas implicadas en enfermedades, sino que potencialmente cualquier proteína puede agregar, y de hecho se asume que esta capacidad es una propiedad intrínseca de las mismas. Esta sorpresa lo es menos ahora que conocemos que, al contrario de lo que tradicionalmente pensábamos, el estado nativo no es el más estable de los que una proteína puede adquirir, sino que éste corresponde a un estado agregado altamente ordenado conocido como fibra amiloide, que supone un pozo termodinámico en el espacio conformacional en el que multitud de proteínas tienen el riesgo de caer.

Estudios computacionales a gran escala han permitido explicar por qué la agregación está tan extendida en el universo proteico, demostrando que la presencia de secuencias cortas con propensión a agregar es ubicua en todos los proteomas y que de hecho algunas de ellas tienden a estar evolutivamente conservadas.

La pregunta es obvia, ¿si la agregación es potencialmente tóxica, por qué la mantenemos y no la eliminamos progresivamente de la población, como ocurre con las mutaciones deletéreas? ¿Qué beneficios proporciona a los organismos que hace que les merezca la pena asumir ese riesgo?

Justo ahora empezamos a obtener las respuestas a esas preguntas y a vislumbrar que eso es así porque el establecimiento de las interacciones funcionales y las interacciones anómalas que dan lugar a agregados tóxicos son dos caras de la misma moneda, que se basan esencialmente en los mismos principios fisicoquímicos. En las proteínas, la regiones con alta propensión a agregar son ricas en aminoácidos hidrofóbicos y pobres en residuos cargados. Estos son el mismo tipo de residuos que dirigen la formación del núcleo hidrofóbico, en muchos casos el primer acontecimiento que tiene lugar en el plegamiento e indispensable para mantener la estructura globular de las proteínas. Por lo tanto, las regiones con propensión a agregar son indispensables para mantener la estructura y asegurar el plegamiento en un tiempo biológicamente relevante, de tal manera que, en muchas ocasiones, cuando introducimos cambios en esas regiones con la intención de reducir la tendencia a agregar de una proteína sólo conseguimos desestabilizarla o incluso evitar que adopte una estructura definida.

Las regiones con tendencia a agregar parecen jugar asimismo un papel determinante en la formación de la estructura cuaternaria de las proteínas o de complejos proteicos. De esta manera, las interfaces entre subunidades proteicas tienen una mayor propensión a agregar que las superficies correspondientes, que claramente han evolucionado para minimizar el riesgo de agregación, siendo ricas en aminoácidos polares y pobres en residuos hidrofóbicos. Es por ello que la disociación de estructuras cuaternarias en sus subunidades se asocia a un número de enfermedades degenerativas como la polineuropatía familiar o la esclerosis lateral amiotrófica, donde el monómero de la proteína responsable es incapaz de mantener el estado soluble, porque regiones previamente protegidas en la interface ahora se encuentran expuestas a solvente. La estabilización de la estructura cuaternaria mediante moléculas pequeñas, conocidas como chaperonas químicas, se ha mostrado eficaz para evitar la agregación masiva y aliviar la patología en alguna de estas enfermedades (Figura).
La agregación es por tanto mantenida porque es necesaria para el establecimiento de interacciones funcionales y la formación de agregados y el consiguiente desarrollo de enfermedades son el precio que tenemos que pagar como consecuencia de esta necesidad. De todas maneras, la formación de estructuras agregadas no tiene por qué ser intrínsecamente mala, pues ofrecen una estabilidad excepcional y la posibilidad de adoptar formas de organización inaccesibles para las proteínas individuales. De hecho, estas propiedades han sido explotadas por un gran número de organismos, desde bacterias a humanos, para multitud de funciones, como es el favorecer la colonización de nuevos ambientes, la formación de pigmentos, el almacenamiento de hormonas en gránulos a alta densidad o para iniciar la respuesta inmune en respuesta a la presencia de virus. Así, como la mayoría de las cosas en la vida, la agregación tiene su lado bueno y su lado malo, su Yin y su Yang.

 

 

imagen salvadorventura 

 Figura. La estabilización de la estructura cuaternaria de proteínas por chaperonas químicas previene su disociación, agregación y toxicidad

 

REFERENCES

1. Chiti F., Dobson C.M. (2006) Protein misfolding, functional amyloid, and human disease. Annu. Rev. Biochem. 75:333–366. PMID:16756495.
2. Buxbaum J.N., Linke R.P. (2012) A molecular history of the amyloidoses. J. Mol. Biol. 421:142–159. doi: 10.1016/j.jmb.2012.01.024.
3. Linding R, Schymkowitz J, Rousseau F, Diella F, Serrano L. (2004). A comparative study of the relationship between protein structure and beta-aggregation in globular and intrinsically disordered proteins. J Mol Biol. 342:345-53. PMID:15313629.
4. Castillo V., Ventura S. (2009) Amyloidogenic regions and interaction surfaces overlap in globular proteins related to conformational diseases. PLoS Comput. Biol.5:e1000476. doi: 10.1371/journal.pcbi.1000476.
5. Fowler D.M., Koulov A.V., Alory-Jost C., Marks M.S., Balch W.E., Kelly J.W. (2006) Functional amyloid formation within mammalian tissue. PLoS Biol. 4:e6. PMID:16300414.

 

 

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Interview

Salvador Ventura
Instituto de Biotecnología y Biomedicina, Dpto. de Bioquímica y Biología Molecular, Universitat Autònoma de Barcelona

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Probablemente sonará tópico, pero ya desde pequeño tenía claro que de mayor quería dedicarme a algo que me permitiera "hacer experimentos" y parecía que ser científico era una buena opción. Yo era el típico niño que podía pasarse horas jugando al "Quimicefa" mezclando productos de manera diferente a la que decían las instrucciones, con resultados que todos conocéis. Me interesaba, y me interesa, casi todo, pero cuando en EGB me regalaron un libro de física y química para jóvenes, decidí que sería o físico o químico. Entonces en bachillerato se cruzó la persona que, sin él saberlo, ha influido más en mi carrera: mi profesor de Biología, un amante de la investigación que desgraciadamente nunca la pudo ejercer, y durante cuatro años estuvo batallando para que escogiera la carrera de Biología. Pero no lo logró, me apunté a Físicas. Ese mismo verano se hizo el encontradizo mientras jugábamos a futbol y me dijo "a ti te interesan los principios básicos que explican cómo funcionan las cosas y eso también lo hacen los biólogos. Detrás del funcionamiento de proteínas y ácidos nucleicos hay mucha física y mucha química que yo no te he podido explicar". No hizo falta más, hice una larga cola para borrarme de Física y otra para matricularme en Biología, siempre con la idea de hacer lo que en aquel momento se llamaba Biología Fundamental, ... y hasta ahora.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Cursé mis estudios en Ciencias Biológicas en la Universidad de Barcelona, donde me inicié en la investigación en la Facultad de Farmacia utilizando microscopía electrónica. Durante el último año de carrera recibí una beca de investigación que me llevó a aprender biología molecular en el Instituto de Investigación y Tecnología Agroalimentaria (IRTA) en Cabrils. La Tesis Doctoral la realicé en el Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), sobre estructura y ingeniería de proteasas de la mano del Prof. Francesc X. Avilés. Durante ese periodo tuve la oportunidad de especializarme en diversos centros internacionales como el Karolinska Institutet (Estocolmo, Suecia) donde aprendí técnicas de química de proteínas y la Harvard Medical School (Boston, EEUU) donde tomé contacto con nuevos sistemas de expresión de proteínas. Como investigador post-doctoral utilicé esos conocimientos para rediseñar nuevas proteínas en el grupo del Dr. Luis Serrano en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) (Heidelberg, Alemania). Fueron años muy intensos en los que quedé fascinado por la complejidad de los procesos de plegamiento e interacción de proteínas y por su relevancia en el funcionamiento de la célula. Me trasladé de nuevo, ahora como investigador "Ramón y Cajal", a la UAB para desarrollar una nueva metodología para el estudio de las interacciones proteína-proteína. A continuación obtuve de manera consecutiva las plazas de Prof. Titular (2006) y Catedrático (2011) en esa universidad y formé mi propio grupo en el Instituto de Biotecnología y Biomedicina, donde intentamos combinar aproximaciones teóricas y experimentales para comprender los fenómenos de plegamiento y agregación de proteínas y como éstos impactan la salud humana.

P.- ¿Recibió de joven algún consejo al cual siga siendo fiel?

R.- Más que un consejo fue un ejemplo. En una ocasión conseguimos tener un trabajo que uno de mis mentores internacionales, líder en ese área, creía que valía la pena enviar a la mejor revista científica y en el que yo era el primer autor. Cuando me devolvió el manuscrito corregido yo era además el autor de correspondencia. Acostumbrado a un sistema nacional entonces absolutamente jerarquizado, donde esa situación era impensable, reuní coraje y le pregunté el porqué. La respuesta fue simple "tú has liderado esta investigación, yo solo he puesto los medios para que sea posible e intentado aconsejarte lo mejor posible para llevarla a cabo con éxito. Tú tienes que asumir la responsabilidad del trabajo realizado y ser el autor de correspondencia". Nunca antes había pensado en ello en términos de responsabilidad. El artículo no fue aceptado en esa revista, pero aprendí una lección de generosidad que he intentado trasladar a mi manera de ser como científico.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- Ser un buen investigador es una tarea compleja que requiere de múltiples habilidades, pero algunas de las que considero indispensables son:
Conocimiento y curiosidad: la combinación de un conocimiento profundo de nuestro área de estudio y el interés por disciplinas científicas aparentemente no conectadas con ella permite mirar con nuevos ojos viejos problemas, aparentemente irresolubles.
Perseverancia: es necesaria para sobreponerse a la multitud de obstáculos que necesariamente encontraremos en nuestra carrera.
Ambición: el NobelSzent-Györgyi decía "...cuando iba a pescar siempre usaba un anzuelo enorme. Estaba convencido de que no pescaría nada, pero encontraba mucho más excitante no pescar un pez grande que no coger uno pequeño". Estoy totalmente de acuerdo.
Pasión y trabajo: todos los científicos que admiro tienen una pasión incondicional por lo que hacen y una capacidad de trabajo infinita. Una de las cosas que más me admira es ver como científicos muy seniors continúan trabajando tanto o más que al inicio de su carrera.
Intuición y convicción: el ver aquello que no es obvio y apostar fuertemente por ello es una de las claves del éxito. Todos tenemos ideas que creemos nuevas y brillantes en algún momento, pero la diferencia la marca quien asume el riesgo, hace un salto al vacío y se empeña en demostrarlas.
Liderazgo y generosidad: la investigación no se entiende si no es en equipo y el liderar ese equipo de manera eficiente es quizás uno de los trabajos más difíciles que ha de abordar un científico. El ser generoso y reconocer los méritos de los colaboradores ayuda definitivamente a esa tarea.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Las proteínas están implicadas virtualmente en cualquier proceso biológico. Para funcionar, esas proteínas, que nacen desplegadas en el ribosoma, se han de plegar en una estructura tridimensional única que es característica de cada proteína. El funcionamiento incorrecto de las proteínas está asociado a menudo con el desarrollo de enfermedades y miles de proteínas implicadas en patologías han sido identificadas hasta la fecha. En muchos casos, esas enfermedades son el resultado de la incapacidad de la proteína de plegar correctamente o de mantener su estructura nativa de manera estable, lo que indefectiblemente lleva a la formación de agregados citotóxicos, que en muchos casos adoptan una estructura fibrilar conocida como amiloide. Estos agregados son la causa última de desórdenes neurodegenerativos como el Alzheimer o el Parkinson, pero también de algunos tipos de diabetes o cáncer. Nuestro grupo utiliza una combinación de aproximaciones computacionales, estructurales, biofísicas y celulares para intentar descifrar los mecanismos moleculares que subyacen detrás de estos deletéreos cambios conformacionales proteicos en diferentes amiloidopatías y de cómo prevenirlos. Ese conocimiento nos debería llevar al desarrollo de nuevas aproximaciones terapéuticas basadas en la inhibición de los procesos de agregación proteica para el potencial tratamiento de esas devastadoras enfermedades.

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- Si tuviera que citar sólo uno, sería la resolución de la estructura del ADN. Además de la belleza del modelo, de su aparente simplicidad y de la capacidad de explicar la transmisión del material genético, la forma en que se consiguió este hito inspira todavía hoy muchos trabajos estructurales, donde los resultados experimentales vienen a confirmar un modelo delineado en base a datos químicos, biofísicos y bioquímicos, sin los cuales difícilmente se habrían dirigido los esfuerzos en la dirección adecuada. Si pudiera escoger un segundo avance, arrimando el ascua a mi sardina, sería la formulación de Anfinsen afirmando que la estructura tridimensional funcional de las proteínas esta codificada en la secuencia lineal de las mismas, un código que después de más de 60 años todavía hemos sido incapaces de entender completamente.

 

 

Biography

Salvador Ventura
Instituto de Biotecnología y Biomedicina, Dpto. de Bioquímica y Biología Molecular, Universitat Autònoma de Barcelona
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Salvador Ventura es Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular y lidera el grupo de Plegamiento de Proteínas y Enfermedades Conformacionales en el Instituto de Biotecnología y Biomedicina de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Licenciado en Biología por la Universidad de Barcelona, obtuvo el grado de Doctor por la UAB en 1998. Realizó estancias en Harvard Medical School (USA) y en el Karolinska Institutet (Suecia), entre otros centros y fue investigador postdoctoral en el EMBL-Heidelberg (Alemania), donde entra en contacto con el mundo del plegamiento de proteínas de la mano de Luis Serrano. En 2003 se reincorporó como investigador Ramón y Cajal a la UAB, donde en 2006 funda su grupo de investigación, que utiliza una aproximación multidisciplinar para entender las bases moleculares del plegamiento y la agregación de proteínas y cómo estos fenómenos desencadenan procesos patológicos. Ha publicado más de 150 artículos científicos o revisiones y ha sido invitado a pronunciar más de 80 conferencias en congresos nacionales e internacionales. La labor investigadora realizada por el Dr. Ventura ha sido reconocida con la Distinción ICREA Academia en 2010 y 2016.

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