Péptidos derivados de la proteína precursora de amiloide

   La proteína precursora de amiloide (APP) ha sido estudiada principalmente    porque da origen al péptido amiloide β (Aβ), el cual ha sido implicado en la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer (EA). La APP también  está involucrada en el desarrollo neuronal, la proliferación y diferenciación de células progenitoras y los procesos de señalización celular. La evidencia emergente sugiere que la APP y los péptidos derivados de su clivaje también regulan una variedad de procesos metabólicos. El péptido Aβ impacta el metabolismo neuronal en una variedad de modos y la evidencia emergente sugiere que otros péptidos derivados de la APP también pueden jugar un rol en el control de procesos metabólicos neuronales. Sin embargo, una pregunta aún sin resolver es si la APP y los péptidos derivados de ella también controlan el metabolismo celular en la periferia.

   La APP pertenece a una familia de proteínas que también incluye a las proteínas similares a APP (APLP) 1 y 2. Estas proteínas transmembrana  tienen una gran región extracelular  y una región citoplasmática más pequeña, unidas por un dominio transmembrana. Estos dominios pueden ser clivados por diferentes proteasas y generar distintos péptidos. La APP es el único miembro de la familia que contiene el dominio que codifica al péptido Aβ. Aunque todos los miembros de la familia APP son altamente expresados en las neuronas, APP y APLP2 son expresadas en otros tipos de células y tejidos. Los transcriptos de APP generados por “splicing” alternativo codifican ocho diferentes isoformas APP de longitud variable. Las isoformas APP 695, APP 751 y APP 770 son más abundantes en neuronas, mientras  APP 751 y APP 770 también son altamente expresadas  en células no neuronales.

   El tráfico intracelular  de APP tiene un impacto significativo en su procesamiento y sus funciones, con la mayoría de APP localizada en la red trans-Golgi o el sistema endosomal. Sin embargo, una vez trasladada en los endosomas, la APP es transportada del retículo endoplásmico  a la membrana plasmática por la ruta secretora clásica, donde es procesada proteolíticamente  por una α-secretasa. El clivaje proteolítico en el dominio Aβ lo llevan a cabo principalmente desintegrinas y proteínas que contienen dominio metaloproteinasa. Este clivaje  resulta en la liberación del dominio extracelular  llamado  APPα soluble (sAPPα). El fragmento restante de la APP llamado C83  es endocitado y puede ser clivado por el complejo γ-secretasa generando los fragmentos P3 y  dominio intracelular (AICD). El péptido P3 puede ser liberado en el ambiente extracelular o puede ser degradado por los lisosomas, mientras el péptido AICD es capaz de dirigirse al núcleo donde puede regular la transcripción de genes.

   La ruta amiloidogénica del procesamiento de la APP involucra un clivaje inicial en los endosomas por una enzima β-secretasa llamada enzima 1 clivadora del sitio β de APP (BACE-1). Esto genera el péptido APP β soluble (sAPPβ), el cual es liberado en el espacio extracelular a través del reciclaje de endosomas. La longitud del  péptido sAPPβ difiere  de la longitud del peptido sAPPα por  16 aminoácidos, lo cual puede resultar en diferentes funciones y mecanismos de señalización  entre los dos péptidos. Siguiendo al clivaje por BACE-1, el fragmento APP restante, llamado C99, es posteriormente clivado por el complejo γ-secretasa, lo cual resulta en la generación de los péptidos Aβ y AICD. El sitio exacto del clivaje del fragmento C99 por la γ-secretasa puede variar, lo cual resulta en diferentes péptidos Aβ. Los más comunes son Aβ₄₀ y Aβ₄₂ que contienen 40 y 42 aminoácidos, respectivamente, de los cuales el Aβ₄₂ es considerado el más patogénico en el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer. El sitio del clivaje del fragmento C99 tiene implicaciones importantes por los péptidos Aβ generados. Si el clivaje ocurre en la red trans-Golgi, los péptidos son liberados en el ambiente extracelular a través del “pool” secretor constitutivo, en cambio si el clivaje ocurre en los endosomas, los péptidos son  degradados.

    A pesar de la intensa investigación de los últimos 25 años, no hay mucha información sobre las funciones biológicas  de la APP y sus péptidos derivados. Está claro, sin embargo, que muchas de las funciones reguladas por la APP son mediadas por los péptidos derivados de su proteólisis. La pérdida de función en modelos de roedores ha revelado un rol de la APP en diferentes aspectos de la biología neuronal incluyendo proliferación, crecimiento, diferenciación y sinaptogénesis. En este contexto, los ratones APP “knockout” tiene marcadamente reducido el tamaño del cerebro y disminución del número de neuronas en regiones específicas del cerebro.  El mecanismo involucrado parece ser complejo y la evidencia emergente indica  que la APP y sus péptidos derivados juegan un rol en varios aspectos del metabolismo celular y corporal. La primera sugerencia que la APP y sus derivados pueden tener un rol en el metabolismo deriva de la evidencia que la utilización de la glucosa en el  cerebro está alterada en la EA, lo cual ha sido relacionado con las acciones del Aβ. Posteriormente, se estableció que la ruta no amiloidogénica de la APP es requerida para la utilización normal de sustratos, mientras la ruta amiloidogénica provoca reducción de la utilización y almacenamiento de sustratos, particularmente lípidos, tanto a nivel celular como a nivel sistémico.

   El péptido Aβ₄₂ puede alterar múltiples aspectos del metabolismo de la glucosa en las neuronas, incluyendo el transporte de glucosa y el flujo glucolítico. El efecto sobre el transporte de glucosa está relacionado con una alteración de la actividad del transportador de glucosa GLUT3, una de las principales isoformas de los GLUT en las neuronas, como resultado de modificaciones post-translacionales por productos de la peroxidación de lípidos. Adicionalmente, la expresión reducida de GLUT1, otro transportador de glucosa en las neuronas, ha sido observada en pacientes con EA y modelos animales que tienen elevados niveles de Aβ. Los péptidos Aβ también inhiben varias enzimas glucolíticas para limitar el flujo de glucosa, incluyendo hexoquinasa, fosfofructoquinasa y gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH). Los mecanismos involucrados son diversos  e incluyen la disociación de la hexoquinasa de la membrana mitocondrial externa, lo cual altera la actividad glucolítica, la unión directa a –e inhibición de- la fosfofructoquinasa y modificaciones oxidativas  de la  GAPDH, lo cual resulta en su agregación e inhibición de la actividad glucolítica. Otro factor por el cual los péptidos Aβ pueden  alterar el metabolismo de la glucosa es su efecto sobre la señal de la insulina. Es conocido que los péptidos Aβ compiten con la insulina por el receptor de insulina (IR). Aunque las concentraciones de Aβ requeridas para este efecto son suprafisiológicas, los péptidos Aβ también pueden tener efectos inhibidores secundarios sobre la ruta de señalización de insulina a través de mecanismos  mediados por estrés oxidativo y respuestas inflamatorias. Los efectos de alteración en la señal de insulina por los péptidos Aβ no son muy tomados en cuenta  para los defectos en el metabolismo de la glucosa en las neuronas porque la captación de glucosa en estas células es en gran parte independiente de insulina. Sin embargo, los efectos de los péptidos Aβ sobre la señal insulina podrían tener mucha importancia  en el metabolismo sistémico de la glucosa donde la insulina es crítica para la apropiada homeostasis  de la glucosa  a través de efectos sobre hígado, músculo esquelético y tejido adiposo.

   Los péptidos Aβ también tienen efectos perjudiciales sobre las mitocondrias, lo cual podría impactar sobre la oxidación de la glucosa y la oxidación de otros sustratos metabólicos como ácidos grasos y aminoácidos. Consistente con la complejidad de la biología de Aβ, estos péptidos pueden alterar la función mitocondrial de varias maneras. El péptido Aβ puede alterar la dinámica mitocondrial interactuando con la proteína relacionada con dinamina 1, un regulador clave de la fisión mitocondrial, provocando fragmentación y alteración de la función de las mitocondrias. La alcohol deshidrogenasa unida a amiloide β (ABAD) es una proteína mitocondrial que interactúa con Aβ con importantes consecuencias para la función mitocondrial. La ABAD es miembro de la familia de deshidrogenasas reductasas  de cadena corta con una variedad de funciones fisiológicas, incluyendo la oxidación de ácidos grasos. La unión de Aβ a ABAD incrementa la producción de especies reactivas de oxigeno (ROS) por las mitocondrias, lo cual tiene importantes implicaciones no solo para las rutas metabólicas, sino también para la homeostasis celular en general donde el ambiente oxidado puede inducir daño a importantes componentes celulares como ADN y membranas. Adicionalmente, las ROS modifican posttranslacionalmente  proteínas glucolíticas como la GAPDH. Sin embargo, el efecto más profundos de Aβ sobre la función mitocondrial consiste en la inhibición de la actividad de proteasas presecuencia (PreP)  sobre sus sustratos peptídicos mitocondriales. Las proteínas mitocondriales contienen una presecuencia  N-terminal que media su entrada en la mitocondria. Una vez dentro de la mitocondria, se requiere el clivaje de la presecuencia para la función normal de  las proteínas mitocondriales. La inhibición de PreP por Aβ previene el clivaje de presecuencia y resulta en una alteración profunda de la proteostasis mitocondrial que afecta la mayoría de aspectos de la función mitocondrial, incluyendo la respiración y la producción de ROS.

   Hay evidencia que apoya la teoría  que los péptidos de APP generados por las rutas amiloidogénica y no amiloidogénica tienen efectos opuestos sobre el metabolismo de la glucosa. La sAPPα y la inhibición de BACE-1 incrementan la captación  y oxidación de glucosa en neuronas y células musculares. Estos efectos no se observan  con la sAPPβ porque son mediados por la secuencia de 16 aminoácidos única de la sAPPα. Esta región tiene similitud estructural con ciertos factores de crecimiento como el factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF) y el factor de crecimiento del hepatocito (HGF) que estimulan la captación y oxidación de glucosa a través de componentes de la ruta de señalización de la insulina, incluyendo PI3K y Akt. Las acciones de la sAPPα sobre el metabolismo de la glucosa parecen ser dependientes  de esta ruta.

   La EA también se caracteriza por una desregulación del metabolismo de lípidos y la acumulación  en las neuronas de lípidos que contribuyen a la fisiopatología de la enfermedad. Sin embargo, aunque el desarrollo de la EA  se caracteriza  por defectos neuronales  en regiones corticales, los efectos de la APP y los péptidos derivados de APP sobre procesos metabólicos pueden difundir a través de diferentes regiones cerebrales. Uno de los más fuertes factores genéticos de riesgo para el desarrollo de la EA se relaciona con el gen de la apolipoproteína E (ApoE), el cual codifica una proteína involucrada en el metabolismo de colesterol y triglicéridos. Consistente con este dato, el análisis postmorten  de tejido de pacientes con EA muestra un incremento región-específico de lípidos como diglicéridos,  ceramidas y esteres de colesterol, lo cual está de acuerdo con la idea que la ruta amiloidogénica de la APP está relacionada con alteraciones en el almacenamiento de sustratos. Muchos de estos cambios están asociados con  la regulación de enzimas claves involucradas en el metabolismo de lípidos por Aβ o el péptido AICD a través de mecanismos transcripcionales. Por ejemplo, el péptido Aβ incrementa la actividad  de la enzima esfingomilinasa que maneja la síntesis  de ceramidas a través de la ruta esfingomilinasa-ceramida. Las ceramidas son lípidos que, en exceso, tienen efectos perjudiciales sobre la viabilidad celular y median parcialmente los efectos citotóxicos de Aβ.  La acumulación de ceramidas en varios tejidos periféricos contribuye a ciertos aspectos de las enfermedades metabólicas. El péptido AICD generado a través de la ruta amiloidogénica se traslada al núcleo donde  contribuye a la regulación de la expresión de genes. El AICD influye en la transcripción de genes formando un complejo con la proteína adaptadora Fe65. Estas proteínas también pueden asociarse con un supercomplejo transcripcional que contiene represores y coactivadores  como el co-represor de receptor nuclear 1 (N-CoR1) y la histona acetiltransferasa Tip60. El complejo AICD/Fe65 juega un rol clave en el intercambio de complejos correpresores con complejos coactivadores  en regiones promotoras específicas. La interacción con el complejo correpresor N-CoR1 tiene profundos efectos en los tejidos porque este correpresor coordina el metabolismo de lípidos  en tejidos altamente metabólicos como el hígado. El desplazamiento de N-CoR1 de las regiones promotoras  en el hígado activa un programa de genes lipogénicos  que maneja la esteatosis hepática. El AICD también está relacionado con la regulación transcripcional  de enzimas claves de la homeostasis de colesterol. Al presente, muy poco se conoce  acerca  de las interacciones entre la ruta no amiloidogénica del procesamiento de la APP y el metabolismo de lípidos.

   Aunque la APP y los péptidos derivados de APP juegan un rol importante en el  control metabólico y la bioenergética celular también parecen influir en el procesamiento de la APP creando un mecanismo de retroalimentación para el control integrado  del metabolismo por la APP. Las ROS y los metabolitos intracelulares actúan como intermediarios de señalización claves  en el mecanismo  de control  del procesamiento  de APP y como un nexo para “sensar” el balance energético celular. La producción mitocondrial de ROS, la cual aumenta en respuesta al exceso de energía, también influye en el procesamiento de la APP. Aunque los mecanismos exactos por los cuales las ROS influyen en el procesamiento amiloidogénico de APP no han sido firmemente establecidos, el rol de las mitocondrias  en esta respuesta si está claro. El péptido Aβ puede alterar la función mitocondrial e incrementar la producción de ROS a través de diferentes mecanismos. Sin embargo, la alteración de la función mitocondrial que es independiente  de Aβ puede aumentar el procesamiento amiloidogénico de APP. Por ejemplo, la exposición a inhibidores de los complejos mitocondriales I y III que incrementa la producción mitocondrial de ROS también incrementa la formación de Aβ. Los lípidos pueden influir en el procesamiento de APP, el cual parece  que está relacionado con el contenido de lípidos de las membranas en las cuales es procesada la APP. En particular, el colesterol maneja el procesamiento amiloidogénico  de APP. La APP y el colesterol forman un complejo con la APP localizada en las balsas lipídicas donde ocurre el procesamiento amiloidogénico de la APP. Por el contrario, los ácidos grasos poliinsaturados parecen favorecer la ruta no amiloidogénica de procesamiento de APP.

   En conclusión, la alteración del procesamiento de la APP ha sido asociada con alteraciones metabólicas en las neuronas en el contexto  de la EA, incluyendo alteración del metabolismo de la glucosa, acumulación de lípidos, disfunción mitocondrial y resistencia a la insulina. Estas alteraciones metabólicas son claves para el desarrollo de esta enfermedad. Por otra parte, el procesamiento de la APP es sensible a perturbaciones metabólicas y los péptidos derivados de APP pueden  a su vez regular procesos y rutas metabólicos. Esto sugiere que la APP y sus péptidos juegan un rol integral en la señal que regula el metabolismo. Específicamente, la evidencia emergente sugiere que las perturbaciones metabólicas asociadas con exceso de nutrientes manejan el procesamiento amiloidogénico de APP y los péptidos resultantes (Ej: Aβ) a través de diferentes mecanismos para inducir alteraciones metabólicas como el incremento en la acumulación de lípidos, alteración de la función mitocondrial y resistencia a la insulina. Por el contrario, el procesamiento no amiloidogénico de la APP parece ser importante para la utilización normal de sustratos, incluyendo la oxidación de la glucosa. Entonces, la alteración del procesamiento normal de la APP tiene un importante rol en las respuestas celulares del exceso de nutrientes, particularmente en la regulación del metabolismo sistémico, lo cual involucra una intrincada comunicación entre los tejidos periféricos.

Fuente: Czeczor JK y McGee SL (2017). Emerging roles for the amyloid precursor protein and derived peptides in the regulation of celular systemic metabolism. Journal of Neuroendocrinology 29: 1-8.