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Los priones son los agentes causantes de un grupo de patologías neurodegenerativas letales características de mamíferos, también conocidas como encefalopatías espongiformes transmisibles. Estos agentes son capaces de propagarse dentro de un mismo tono causando una lesión espongiótica y de transmitirse de tonos a tonos con tiempos elevados de incubación. A diferencia de virus y viroides, son resistentes a tratamientos inactivantes de ácidos nucléicos, pero comparten con éstos la existencia de una necesidad de inóculos dentro de la misma especie (diferenciables por el patrón de la lesión y la magnitud del tiempo de incubación) y de una infectividad sujeta a barrera de especie

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El mecanismo mediante el cual se propagan los priones no se conoce con precisión. Aunque algunos investigadores siguen postulando la necesidad de un ácido nucleico específico de priones, no existen evidencias físicas ni químicas de su existencia. En el caso de existir, cabe esperar que dicha molécula dirija la replicación de priones empleando una estrategia similar a la de los virus.

La multiplicación de la infectividad de priones es un proceso exponencial que implica obligatoriamente la conversión post-traduccional de PrPC o de un precursor en un confórmero distinto, PrPSc. El nivel de expresión de PrPC es directamente proporcional a la velocidad de formación de PrPSc y, por tanto, inversamente proporcional a la longitud del tiempo de incubación.

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La variabilidad de inóculos o el resultado de una multiplicidad conformacional.

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La variabilidad de inóculos o el resultado de una multiplicidad conformacional.

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Uno de los aspectos más llamativos del campo de los priones en su multiplicidad. Este fenómeno fue descrito en 1968 por Dickinson y cols., quienes aislaron distintos tipos o inóculos de priones de scrapie de oveja. Estos inóculos, se diferenciaban en los tiempos de incubación y en el patrón de la lesión del SNC causada en lineas establecidas de animales de experimentación (Dickinson y cols., 1968; Bruce y Fraser, 1991; Hecker y cols., 1992; DeArmond y cols., 1993). Las proteínas aisladas de cada inóculo son indistinguibles con respecto a la estructura primaria pero difieren en el grado de glicosilación y en el tamaño del producto de proteolisis limitada, es decir en la conformación, (Collinge y cols., 1996; McKenzie y cols., 1996; Telling y cols., 1996). Estas diferencias son transmisibles a PrPC por interacción directa en condiciones de desnaturalización parcial e in vivo,y por lo tanto, difícilmente pueden justificarse en términos de una modificación covalente diferencial (Bessen y cols., 1995). Así, la existencia de inóculos parece en una multiplicidad conformacional, bien en la estructura secundaria o bien en las de orden superior.

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Generalidades sobre las enfermedades producidas por priones

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Generalidades sobre las enfermedades producidas por priones

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-Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ)
-Insomnio letal.
-Enfermedad de Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS)
-Kuru.
-Enfermedad por priones asociada con diarrea y neuropatía autónoma.
-Prionopatía con sensibilidad variable a las proteasas.

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Los priones y su biología: https://www.svneurologia.org/congreso/priones-1.html

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LOS PRIONES Y SU BIOLOGA

Mara Gasset* y Dave Westaway**

*IQFR-CSIC, Serrano 119, 28006 Madrid, Spain
Tel: 34-915619400 ext 1308; email: mgasset@iqfr.csic.es

**CRND-Univ. Toronto, 6 Queenss Park Cr, Ontario, Canada M5S 3H2
Tel: 416-9781556 ; email: david.westaway@utoronto.ca

Los priones son los agentes causantes de un grupo de patologas neurodegenerativas letales caractersticas de mamferos, tambin conocidas como encefalopatas espongiformes transmisibles. Estos agentes son capaces de propagarse dentro de un mismo huesped causando una lesin espongitica y de transmitirse de huesped a huesped con elevados tiempos de incubacin. A diferencia de virus y viroides, son resistentes a tratamientos inactivantes de cidos nuclicos, pero comparten con stos la existencia de una variabilidad de inculos dentro de la misma especie (diferenciables por el patrn de la lesin y la magnitud del tiempo de incubacin) y de una infectividad sujeta a barrera de especie (Chandler, 1961; Alper y cols., 1967; Hunter, 1972; Prusiner, 1982; Bruce y Fraser, 1991; Bessen y Marsh, 1992).

La bsqueda de la entidad molecular constitutiva de este agente revel como componente mayoritario, si no nico, una protena: PrP Sc, protena del prion de scrapie),y la ausencia de un cido nucleico especfico (Prusiner 1982, 1991). Con estas premisas estructurales unidas a la capacidad de infeccin, Prusiner acua el trmino prion (particula infecciosa de naturaleza proteica) para diferenciarlo de virus y viroides. Dadas las caractersticas poco convencionales de los priones se han elaborado numerosas hiptesis sobre su estructura (Dickinson y Outram, 1988; Prusiner, 1991; Weissmann, 1991). En la actualidad la hiptesis con mayor grado de aceptacin es la conocida como "slo protena", delineada inicialmente por Griffith (1967) y, formalmente enunciada y actualizada por Prusiner (1991, 1997). Tras la descripcin de protenas de diferente secuencia pero similar comportamiento en levadura as como los avances interdisciplinares realizados en el conocimento de estos agentes en la ltima dcada, el concepto de prion ha sido acotado adquiriendo una deficin ms precisa y generalizable (Wicker y Masison, 1996; Lindquist S., 1997; Prusiner, 1997). As, se denomina prion a la forma alterada de una protena celular funcional (PrP en mamferos) que ha podido perder su funcin normal pero que ha adquirido la capacidad de transformar la forma normal en patolgica.

La protena del prion, identificada originalmente en roedores infectados con scrapie, est codificada por un gen cromosmico de copia nica (Chesebro y cols., 1985; Oesch y cols., 1985). Este gen se encuentra ltamente conservado y se ha identificado en ms de 13 especies de mamferos. Generalmente est compuesto por dos exones no traducidos en 5 separados por un intron de ~2 kb, que tras splicing quedan unidos al exon 3 que contiene la region codificante (750 bp). El codon de iniciacin se localiza a 10 nucleotidos 3 del sitio aceptor de splicing lo que imposibilita la interrupcin del mensaje y la existencia de formas alternativas. Experimentos de clonaje han permitido obtener todo un conjunto de mutaciones ligadas a patologas hereditarias, perfilar posiciones polimrficas y describir una rica variedad de mutaciones sin sentido en distintas especies (Prusiner, 1997; Lee y cols., 1998).

La incertidumbre reinante sobre PrP y su maleabilidad conformacional dict la bsqueda de genes vinculados y elementos reguladores que pudieran desempear un papel activo. As, las 145 kb del DNA de los genes humano y ovino de PrP y dos alelos de Prn-p se analizaron en detalle en bsqueda de regiones conservadas, ORFs, exones potenciales, sequencias repetitrvas, posibles islas CpG y motivos polimrficos. Hasta la fecha no ha sido posible identificar ningn gen relacionado (por ejemplo de carabinas moleculares, etc) en la proximidad pero si se han observado algunas caractersticas no esperadas dentro de los genes salvajes de PrP. En este sentido, el alelo predominante del gen de ratn, Prn-pa, encontrado en 44 cepas de laboratorio contiene 6878 nucleotidos de un genoma retroviral insertado en la cadena complementaria del intron 2. Este elemento IAP est flanqueado por duplicaciones del motivo AAGCTT encontrado en el gen Prn-pb y ltamente relacionado con el transposn prototipo IAP prototipo y diferencindose principalmente en una pequea delecin del gen de la polimerasa. Estos datos indican un origen transposicional reciente. En el caso del gen de oveja, la regin no traducida 3(UTR), particularmente larga, refleja mayoritariamente la presencia de un trasposn fosil de tipo "mariner" de 1.2 kb, ausente en los genes de ratn y humano. La inestabilidad cromosmica asociada a la presencia de elementos de tipo "mariner" en el cromosoma 17 humano sugiere que las posiciones adyacentes al gen ovino de PrP y, por similitud, en el bovino son competentes para reorganizaciones de DNA. Por ltimo el intron grande del gen humano contiene una sequencia anloga al exon 2 de los genes de raton y de oveja, flanqueados por sitios consenso aceptores y donantes de splicing, si bien queda por establecer hasta que punto las secuencias tipo exon 2 estn incluidas en algun subconjunto de los mRNAs de la PrP humana. Estos datos indican que la organizacin base del gen ancestral de PrP, previo a la especiacin de mamferos, fuese de 3 exones.

Con respecto a la expresin del gen de PrP sta ocurre constitutivamente en tejidos neuronales y no neuronales de animales adultos, detectndose los niveles ms altos en neuronas (Kretzschmar y cols., 1986). En cerebros animales, la sntesis de mRNA de PrP ocurre constitutivamente en estados adultos, pero durante el desarrollo se encuentra bajo un control riguroso (Chesebro y cols., 1985; Oesch y cols., 1985). En el septum, los niveles de los mRNA de PrP y de acetilcolinesterasa aumentan paralelamente durante el desarrollo (Mobley y cols., 1988). Los niveles ms altos de PrP C se encuentran en cerebro, particularmente en el hipocampo, existiendo niveles significativos en corazn y msculo esqueltico y, ms bajos en la mayora de los rganos restantes excepto en hgado y en pncreas (Prusiner ,1997).

El producto traducido a partir del mRNA es una cadena polipeptdica de alrededor de 250 aminocidos, dependiendo de la especie, en la que se distinguen una secuencia seal N-terminal de 22 residuos, una serie de repeticiones de un octapptido PHGGGWGQ, cuatro segmentos ltamente conservados en las posiciones 109-122, 129-140, 178-191 y 202-218, una regin hidrofbica C-terminal (Schtzl y cols., 1994; Prusiner, 1997). Esta cadena sufre un proceso de maduracin covalente complejo que supone: la escisn proteoltica de los pptidos seal, la adicin C-terminal de un glicanfosfatidilinositol (GPI), la formacin de un enlace disulfuro intramolecular y, por ltimo, una doble glicosilacin en los residuos de Asn 181 y 197 (Prusiner, 1991).

PrP C es una protena capaz de unir especficamente Cu 2+, para la cual se postula un papel activo en la homeostasis de este catin implicado en procesos de oxido-reduccin (Brown y cols., 1997; Stckel y cols, 1998). La estructura secundaria de PrP C, solubilizada en detergentes y en ausencia de cationes, es mayoritariamente helicoidal mientras que la formacin del complejo conlleva un aumento del contenido en estructuras extendidas (Pan y cols., 1993; Stckel y cols., 1998). Estudios espectroscpicos de alta resolucin con formas recombinantes en ausencia de ligando han puesto de manifiesto que PrP est constituda por dos dominios, el N-terminal ltamente desestructurado y el C-terminal globular (Donne y cols., 1997; Riek y cols., 1997).

Con respecto al metabolismo celular de PrP C, estudios de translocacin in vitro han identificado tres formas topolgicas de PrP: una forma de secrecin (coincidente con la anclada por GPI) y dos formas transmembranas que difieren en su orientacin (el N-terminal luminal y el C-terminal luminal) (Hedge y cols., 1998). La forma de secrecin es transportada en vesculas de secrecin a la superficie exterior celular donde queda anclada a travs del GPI en dominios particulares (Stahl y cols., 1987; Taraboulos y cols., 1992). Una vez all, algunas molculas son liberadas al espacio extracelular por escisin del GPI mientras que la mayora es internalizada en el compartimento endoctico (Shying y cols., 1993). Estas ltimas bien son recicladas hacia la superficie celular o bien sufren una ruptura proteoltica en la mitad del N-terminal cuyos productos son expulsados al exterior celular (Shying y cols., 1993). El metabolismo de las formas trasmembrana no se conoce con exactitud, pero la acumulacin por encima de un umbral de las formas con el C-terminal luminal se correlaciona con la aparicin estados neuropatolgicos (Hedge y cols., 1998).

En las patologas de priones PrP C se transforma post-traduccionalmente en una isoforma generalmente denominada PrP Sc (Prusiner 1991, 1997). Esta conversin, que tiene lugar en dominios de tipo caveola, se caracteriza por un cambio drstico en las propiedades fsicas y qumicas de la molcula (Caughey y Raymond, 1991; Taraboulos y cols., 1992; Prusiner, 1997). PrP C es soluble en detergentes mientras PrP Sc forma unos agregados amorfos insolubles. PrP C se libera de la membrana en forma soluble por digestin con PIPLC, mientras que PrP Sc no es susceptible a la accin enzimtica requiriendo un tratamiento desnaturalizante previo para la eliminacin del GPI. PrP C es sensible a la accin de proteasas y PrP Sc, por el contrario, sufre una proteolisis limitada generando la forma truncada en el extremo N-terminal que agrega en forma de amiloides y retiene la infectividad. (Prusiner, 1991; Ghetti y cols., 1996). No obstante, existen estados patolgicos en los que no ha podido detectarse PrP Sc en trminos de resistencia a proteasas pero la descripcin reciente de formas transmembrana podra estar implicada en estos casos (Hedge y cols., 1998).

Las modificaciones post-traduccionales de carcter covalente no parecen ser la causa directa del proceso de conversin pero s de su modulacin. De esta forma, el GPI determina la posibilidad de conversin ya que sta ocurre en dominios especializados de membranas donde se confinan las protenas ancladas por GPI (Taraboulos y cols., 1995). Por otra parte, la glicosilacin va a determinar el trfico intracelular de la protena (DeArmond y cols., 1997)

Los estudios espectroscpicos han permitido establecer que la estructura secundaria de PrP Sc dispersada en detergentes, a diferencia de la de PrP C, presenta como elemento mayoritario la cadena b estabilizada en lminas y que el comportamiento amilodico est vinculado a la presencia de lminas b intermoleculares (Caughey y cols., 1991; Pan y cols., 1993). Esta dualidad conformacional hlice a -lmina b parece localizarse principalmente en la regiin 106-126, que en forma de pptido sinttico es un neurotxico potente (Gasset y cols., 1992; Forloni y cols., 1993).

El mecanismo mediante el cual se propagan los priones no se conoce con precisin. Aunque algunos investigadores siguen postulando la necesidad de un cido nucleico especfico de priones, no existen evidencias fsicas ni qumicas de su existencia. En el caso de existir, cabe esperar que dicha molcula dirija la replicacin de priones empleando una estrategia similar a la de los virus.

La multiplicacin de la infectividad de priones es un proceso exponencial que implica obligatoriamente la conversin post-traduccional de PrP C o de un precursor en un confrmero distinto, PrP Sc. El nivel de expresin de PrP C es directamente proporcional a la velocidad de formacin de PrP Sc y, por tanto, inversamente proporcional a la longitud del tiempo de incubacin. El proceso de propagacin de un prion se inicia con la interaccin de la PrP Sc exgena con PrP C o con una forma parcialmente desnaturalizada de sta, PrP* (Scott y cols., 1989; Kocisko y cols., 1994). El reconocimiento de PrP Sc ocurre a travs de la regin 96-167, siendo necesaria pero insuficiente la identidad de secuencia (Scott y cols., 1993; Beler y cols., 1993; Telling y cols., 1995). Por otra parte, mutaciones puntuales y variaciones en la longitud de la cadena polipeptdica de PrP C as como alteraciones metbolicas pueden desembocar en situaciones patolgicas (Hsiao y cols., 1989; Westaway y cols., 1994; Prusiner, 1997).

Con estas premisas experimentales se han elaborado dos modelos en los cuales se traduce la infectividad en trminos de una proceso de autopropagacin de la conformacin de PrP Sc que incluye una etapa controlada cinticamente. El "modelo de desnaturalizacin-renaturalizacin catalizada" (Prusiner y cols., 1996) asume que el cambio conformacional es la etapa limitante del proceso ya que supone una desnaturalizacin y renaturalizacin de la cadena polipeptdica y lo asemeja a una reaccin catalizada enzimticamente: 1) PrP C es el sustrato y PrP Sc el producto de la reaccin; 2) la velocidad de la reaccin, manifestacin inversa del tiempo de incubacin, depende de la concentracin de sustrato; 3) PrP Sc es un efector alostrico que regula la conversin de PrP C en PrP Sc; 4) un anlogo de sustrato, como una molcula de PrP C de distinta especie, puede retrasar la conversin actuando como inhibidor competitivo. El "modelo de polimerizacin nucleada por condensacin no covalente" (Kocisko y cols., 1995) supone que el cambio conformacional est ligado a un equilibrio de asociacin, de manera que ambas conformaciones existen en equilibrio pero la estabilizacin de la isoforma patolgica ocurre a travs de la formacin de un ncleo que constituye la etapa lenta del proceso. Una vez constitudo el ncleo, ste crece por adiciones sucesivas y rpidas de nuevas molculas disparndose el proceso. Ambos modelos justifican las tres variantes patolgicas. Las patologas infecciosas seran el resultado de la presencia exgena de PrP Sc, es decir del catalizador o efector o del ncleo. Las patologas hereditarias ocurriran por una desestabilizacin de la estructura de PrP C o una estabilizacin de la estructura de PrP Sc favoreciendo la poblacin del estado patolgico. Por ltimo, las enfermedades espordicas, aunque de etiologa desconocida, podran surgir por alteraciones metablicas o bien mutaciones espontneas que conlleven la formacin de PrP Sc. Ambos fenmenos an ocurriendo en una nica clula podran desencadenar la formacin de PrP Sc y su autopropagacin, que se extendera por el sistema nervioso central.

La transmisin de priones entre distintas especies es un proceso estocstico (Pattison, 1966). En el caso de ocurrir, este proceso es muy poco eficaz y sucede con una prolongacin del tiempo de incubacin que tras pases subsiguientes, o adaptacin, se acorta y estabiliza y la transmisin deja de ser un proceso probabilstico. Los priones sintetizados de novo reflejan la secuencia del gen de la PrP del huesped (PrP endgena). Los estudios pioneros de Scott y cols. (1989) pusieron de manifiesto que la barrera de especie era la manifestacin de las restricciones de secuencia de un proceso de reconocimiento molecular. As, la infeccin ocurre a travs de un complejo PrP C-PrP Sc, cuya formacin est gobernada por el grado de identidad de secuencia entre la protena endgena y la exgena (Scott y cols., 1989; 1993). La identidad en el segmento 96-167 es necesaria pero insuficiente (Scott y cols., 1993; McKenzie y Marsh, 1996; Telling y cols.,1995). postulndose la existencia de un factor adicional o protena X implicado en el reconocimiento de la regin C-terminal (215-230) de PrP C. As, al igual que la interaccin de PrP C con PrP Sc es ms eficaz cuanto mayor es la identidad de secuencia en la regin 96-167, la interaccion de PrP C con la protena X es mxima cuando ambas son de la misma especie. Esta protena X podra ser PrP Sc si esta ltima hiciese las veces de ligando bidentado (Telling y cols., 1995).

Uno de los aspectos ms llamativos del campo de los priones en su multiplicidad. Este fenmeno fue descrito en 1968 por Dickinson y cols., quienes aislaron distintos tipos o inculos de priones de scrapie de oveja. Estos inculos, se diferenciaban en los tiempos de incubacin y en el patrn de la lesin del SNC causada en lineas establecidas de animales de experimentacin (Dickinson y cols., 1968; Bruce y Fraser, 1991; Hecker y cols., 1992; DeArmond y cols., 1993). Las protenas aisladas de cada inculo son indistinguibles con respecto a la estructura primaria pero difieren en el grado de glicosilacin y en el tamao del producto de proteolisis limitada, es decir en la conformacin, (Collinge y cols., 1996; McKenzie y cols., 1996; Telling y cols., 1996). Estas diferencias son transmisibles a PrP C por interaccin directa en condiciones de desnaturalizacin parcial e in vivo,y por lo tanto, difcilmente pueden justificarse en trminos de una modificacin covalente diferencial (Bessen y cols., 1995). As, la existencia de inculos parece en una multiplicidad conformacional, bien en la estructura secundaria o bien en las de orden superior.

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LOS PRIONES Y SU BIOLOGA Mara Gasset* y Dave Westaway** *IQFR-CSIC, Serrano 119, 28006 Madrid, Spain Tel: 34-915619400 ext 1308; email: mgasset@iqfr.csic.es **CRND-Univ. Toronto, 6 Queenss Park Cr, Ontario, Canada M5S 3H2 Tel: 416-9781556 ; email: david.westaway@utoronto.ca Los priones son los agentes causantes de un grupo de patologas neurodegenerativas letales caractersticas de mamferos, tambin conocidas como encefalopatas espongiformes transmisibles.