Las gotas de proteína probablemente no causan Parkinson

Un estudio muestra que la separación de fases líquido-líquido no es un precursor de la formación de fibrillas amiloides, una característica patológica de la enfermedad de Parkinson. Más bien, la formación de proteínas en gotas líquidas puede ayudar a disolver la proteína agregada. El estudio, publicado en la revista Advanced Science, profundiza nuestra comprensión de las enfermedades neurodegenerativas relacionadas con la agregación de proteínas y podría ayudar a desarrollar nuevas terapias.

Añade vinagre al aceite y agita: se forman gotas de aceite. El concepto de separación de fases líquido-líquido se conoce en la vida cotidiana desde hace generaciones, pero su existencia en la célula se ha convertido en uno de los temas más candentes de la biología.

Hace quince años, se descubrió que las moléculas de proteínas podían condensarse en gotitas, aisladas del citoplasma de la célula sin una membrana externa. En embriones de nematodos, se encontró que las proteínas y el ARN forman pequeñas gotitas que ayudan a gestionar el material genético durante las primeras etapas de crecimiento.

Este descubrimiento dio a luz a una nueva forma de pensar sobre la célula. Optimizada por la evolución, la separación de fases líquido-líquido podría ser altamente funcional. Dichas gotitas podrían permitir a las células compartimentar moléculas y regular las reacciones bioquímicas. Ahora, con los ojos abiertos a la posibilidad, los investigadores las han encontrado en todas partes: en el núcleo, ayudando a organizar el ADN; formando gránulos de estrés, para proteger y regular el ARNm; y en los extremos de los microtúbulos, actuando como un pegamento molecular inteligente para posicionar el núcleo para la división celular.

Además de su importancia funcional, las gotitas se han visto implicadas en enfermedades. En el caso de las enfermedades neurodegenerativas caracterizadas por la formación de agregados proteicos, como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson, se ha supuesto que las gotitas proteicas son un precursor de la agregación patológica de proteínas.

La idea detrás de esta teoría es que las gotitas pueden concentrar ciertas proteínas, y esto podría empujarlas al punto de la agregación. La respaldan numerosas observaciones de que ciertas condiciones, como la concentración de sal o el pH, promueven simultáneamente la agregación de proteínas y la condensación. Sin embargo, aún no se ha probado si, o cómo, están relacionadas las dos.

Ahora, en la exploración más exhaustiva hecha hasta ahora de la relación entre la agregación y la separación de fases líquido-líquido, un equipo de investigación dirigido por el Instituto Paul Scherrer (PSI) ha descubierto que la formación de gotas no causa la agregación; por el contrario, puede proteger de ella.

Quinientas condiciones

Los investigadores investigaron la proteína alfa-sinucleína (ɑSyn), que se agrupa para formar las fibrillas amiloides que finalmente conducen a la muerte celular en pacientes con enfermedad de Parkinson.

Para precisar la verdadera relación entre la agregación y la formación de gotas, los investigadores investigaron metódicamente el comportamiento de las proteínas ɑSyn en una amplia variedad de condiciones: concentración de proteínas, concentración de sal y la presencia de diversas concentraciones de agentes aglomerantes que imitan el complejo entorno molecular del citoplasma. Cada uno de ellos se estudió a diferentes valores de pH.

En total, los investigadores estudiaron más de quinientas condiciones diferentes. Para cada condición, siguieron la progresión de la formación de gotitas o la agregación hasta cuatro meses, tomando imágenes regulares mediante microscopía de luz.

Para estudiar tantas condiciones, los investigadores utilizaron la instalación robótica de cristalización de la Swiss Light Source (SLS). La técnica se utiliza normalmente para preparar cristales de proteínas para experimentos de cristalografía de rayos X.

“Estar en las instalaciones a gran escala y trabajar junto a los científicos de la línea de luz nos permitió abordar este problema desde un ángulo diferente”, explica la investigadora postdoctoral del PSI, Rebecca Sternke-Hoffmann, primera autora del estudio. “Curiosamente, los cristalógrafos han sabido que las proteínas pueden formar gotitas durante mucho tiempo. Era sólo otra cosa que observaban en su búsqueda del cristal perfecto”, añade el científico del PSI, Jinghui Luo, quien dirigió el estudio.

Para complementar esta historia macroscópica, los investigadores utilizaron mediciones de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) en la Swiss Light Source SLS y llevaron a cabo simulaciones para comprender la imagen microscópica.

El vinagre en aceite y el vinagre en leche son procesos diferentes.

Los experimentos meticulosos revelaron que las condiciones que dan lugar a gotas estables o a la agregación de proteínas no son las mismas. Contrariamente a la teoría convencional de que los agregados se inician a partir de gotas, los investigadores demostraron la formación independiente de gotas y agregados en αSyn en diversas condiciones de proteínas, sal y aglomeración.

A través de su largo período de investigación, los investigadores pudieron ver si las gotas realmente evolucionaban hacia agregados. La respuesta es que no lo hicieron, ni siquiera después de ciento veinte días. De hecho, lejos de promover la agregación en fibrillas, las gotas parecieron tener el efecto contrario. Durante incubaciones prolongadas, las fibrillas previamente consideradas irreversibles se transformaron en gotas.

“Esta observación apunta a una función de las gotas líquidas para prevenir la formación de agregados sólidos en condiciones específicas”, dice Luo. La comprensión actual de la separación de fases líquido-líquido en la célula la identifica como una característica altamente evolucionada asociada con la funcionalidad, mientras que la agregación, especialmente en el caso de αSyn, se asocia con la enfermedad. “Desde esta perspectiva, sería algo sorprendente si las gotas de proteína fueran precursoras de la agregación de proteínas”, sugiere.

Mediante mediciones de SAXS junto con simulaciones y análisis de secuencias, los investigadores pudieron comprender las diferencias que observaron: la agregación se produce principalmente debido a las interacciones entre las colas de las moléculas de proteína individuales, mientras que la separación de fases líquido-líquido se produce debido a las interacciones entre diferentes moléculas de proteína.

Para relacionar el descubrimiento con la analogía del aceite y el agua: añade vinagre al aceite y el aceite forma gotas. Añade vinagre a la leche y se forman agregados duros de la proteína. Aunque el vinagre es el culpable en ambos casos, procesos muy diferentes rigen la agregación y la formación de gotas.

Nueva comprensión molecular de las enfermedades neurodegenerativas

La comprensión más profunda de la compleja interacción entre la agregación de proteínas y la separación de fases líquido-líquido es relevante no sólo para la enfermedad de Parkinson, sino también para otras enfermedades neurodegenerativas caracterizadas por la agregación de proteínas, como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Huntington y la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob. A su vez, esto podría conducir a nuevos tratamientos.

Texto: Instituto Paul Scherrer/Miriam Arrell