¿Qué son los priones? En 1982 Stanley B. Prusiner propuso el nombre de "prión" para el agente causante de un grupo de enfermedades degenerativas del sistema nervioso central caracterizadas por ser patologías crónicas y progresivas. En 1997, Stanley B. Prusiner fue galardonado con el premio Nobel de fisiología y medicina por los trabajos llevados a cabo para la identificación de agente infeccioso de las encefalopatías espongiformes transmisibles (EETs). Estas enfermedades incluyen la encefalopatía espongiforme bovina (BSE), el scrapie de las ovejas y cabras así como la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob y su nueva variante en seres h umanos. Los priones son pequeñas partículas infecciosas de naturaleza proteica con unas sorprendentes propiedades que las hacen más resistentes que la mayoría de las proteínas a la inactivación por métodos físico-químicos. La naturaleza proteica de los priones se sugirió dada su resistencia a la inactivación por procedimientos que destruyen los ácidos nucleicos, como por ejemplo la radiación ultravioleta. Hasta la fecha la asociación de algún tipo de ácido nucleico específico con los priones no se ha confirmado formalmente. A pesar de todo la controversia científica existe entre aquellos defensores de la teoría de la proteína única y los defensores de la hipóteis del virino o de la nucleoproteína, que sostiene que el agente infeccioso consiste en un genoma formado por ácido nucleico y la proteína del prión (PrP) derivada del huésped. De acuerdo con la hipótesis de la proteína única, los priones se componen de una proteína denominada PrP Sc (isoforma Sc se produce por el plegamiento erróneo de una proteína celular de idéntica scrapie de la proteína del prión). La PrP secuencia de aminoácidos, presente en prácticamente todos los tejidos del organismo, denominada PrP C (isoforma celular de la proteína del prión)
Cambio de plegamiento de PrP C a PrPSc Este plegamiento erróneo confiere a la PrP c dos propiedades que que permiten diferenciarla de la PrP , la resistencia resistencia parcial a la digestión por proteasas y la insolubilidad. Las causas que provocan el error en el plegamiento de la PrP C definen las formas descritas de las enfermedades producidas por priones: 1. FORMAS ESPORÁDICAS DE LA ENFERMEDAD. Son las que aparecen sin sin causa aparente y para las que no hay explicación en la actualidad. 2. FORMAS INFECCIOSAS. Se explican por la interacción de la PrP Sc sobre la PrPC lo que provoca su transformación a PrPSc. 3. FORMAS HEREDITARIAS. Provocadas por alteraciones genéticas heredables que facilitan el plegamiento erróneo de la PrPC ¿Cómo son los priones? Los priones son patógenos infecciosos que difieren de las bacterias, hongos, parásitos, virus y viroides tanto en su estructura y características físico-químicas como en la enfermedad que causan. Los priones presentan importantes importantes características que los diferencian de los virus.
Diferencias fundamentales entre los priones y los virus PRIONES
VIRUS
Formas moleculares múltiples Formas únicas con (Isoformas). morfologías estructurales
diferentes
No presentan ácido nucleico Poseen un genoma formado por ácido esencial dentro de la partícula nucleico que sirve de molde para la infecciosa replicación. No inducen respuesta inmune.
Inducen respuesta inmune más o menos intensa según el tipo
Están compuestos por ácidos nucleicos, El único componente conocido proteínas y, a menudo, por otros es la proteína PrP Sc constituyentes.
Propiedades físico-químicas de los priones La masa relativa (Mr) de la PrP Sc es de 33-35 x 10 3. Los priones se agregan en partículas sin tamaño uniforme y no pueden solubilizarse con detergentes si no es en condiciones que alteran la estructura de la PrP Sc, con la consiguiente pérdida de infectividad. Sin embargo, utilizando fosfolípidos fue posible conseguir la solubilización de la PrP Sc. "Estabilidad de los priones y los viroides (PVTV)" Los priones resisten la inactivación con nucleasas, radiación UV a 254 nm, tratamiento con psoralenos, cationes divalentes, iones metálicos quelantes, ácido (entre pH 3 y 7), hidroxilamina, formalina, ebullición y proteasas. La infectividad de los priones se disminuye mediante la digestión prolongada con proteasas, o con tratamientos como urea, ebullición en SDS, álcali (>pH 10), autoclave a 132ºC durante más de dos horas, solventes orgánicos desnaturalizantes (e. g., fenol) o agentes caotrópicos como el isocianato de guanidina. Morfología del prión. A partir de tejido cerebral procedente de un individuo infectado se pueden extraer vesículas membranosas ricas en PrP Sc. La proteolisis parcial de estas vesículas da lugar a partículas con forma de varilla, visualizables al microscopio electrónico.
La imagen procede de http://ss.niah.affrc.go.jp/bse/images/img0035.gif La mayoría de estas partículas tienen un diámetro uniforme de 11 nm con una longitud media de 165 nm. Estas varillas son lisas, parecidas a listones, y raramente aparecen retorcidas. Las varillas están formadas por polímeros de PrP Sc 27-30 (generada por la proteolisis parcial de la PrPSc 33-35). Biología Molecular de los priones. La proteína PrPC está codificada en un gen cromosómico muy similar entre las distintas especies de mamíferos. El gen de la PrP existe en una única copia y está localizado en el brazo corto del cromosoma 20 en el hombre y en una región equivalente del cromosoma 2 en ratones. El gen del ratón contiene tres exones, mientras que el gen humano y de hámster únicamente
dos. La secuencia de aminoácidos (ORF) de todas las proteínas conocidas de priones se encuentra codificada en su totalidad dentro de un único exón.
El gen se expresa de manera constitutiva prácticamente en todos los tejidos del organismo adulto siendo su expresión máxima en tejidos neuronales, fundamentalmente en el cerebro, cerebelo, médula e hipotálamo. La PrPC tiene un tamaño comprendido entre los 33 y 35 kDa (PrP 33-35). El suceso crítico en la patogénesis parece estar relacionado con un cambio estructural que transforma a la PrP C en la PrPSc, el componente principal de las partículas infecciosas. Por tanto, ambas formas proteicas proteicas poseen idéntica secuencia de aminoacidos y la única diferencia entre ellas estriba en su estructura secundaria, es decir en la forma de plegamiento de la cadena polipeptídica. Estas diferencias conformacionales entre ambas isoformas confiere a la PrP Sc las propiedades que permiten diferenciarla de la PrP C: mientras que la PrP C es digerida completamente por proteasa, la PrP Sc es parcialmente resistente a esta digestión, resultado una proteína de 27 a 30 kDa (PrP 27-30).
Biosíntesis de las isoformas Pr PC y PrPSc El prión es pues una forma alterada de una proteína celular normal que ha podido perder su función pero que ha adquirido la capacidad de transformar la forma normal en patológica. La patología se manifiesta probablemente por la acumulación de la proteína anormal. Estructura de la proteína del prión. La proteína celular madura, purificada en su forma forma nativa, tiene una estructura secundaria compuesta por un 43% de ααhélice y un 3% de lámina β. Por el contrario, los estudios espectroscópicos permitieron establecer qu e la estructura secundaria de la PrP Sc contiene un 43 % de lámina β lo que le confiere la capacidad de formar complejos supramoleculares acumulables denominados amiloides. La estructura terciaria de la proteína recombinante del prión humano se ha desvelado recientemente. Ésta consiste en tres ααhélices que conforman un núcleo ordenado en el extremo carboxilo terminal de la molécula y una zona amino terminal desestructurada y flexible.
Se ha propuesto que la transformación de PrP Sc a PrPSc consiste en una transición de las α-hélices a láminas β, coincidiendo con las zonas conservadas de la cadena polipeptídica. Sin embargo, se desconocen muchos detalles sobre el mecanismo de acción del proceso de transformación. Se ha sugerido que las dos isoformas deben interaccionar entre ellas debido a que: La transmisión de los priones precisa de cier ta especificidad entre las secuencias interaccionantes Fue posible generar moléculas parecidas a la PrP Sc in vitro, mezclando PrP C purificada con PrPSc o con péptidos sintéticos. ¿Cómo afectan los priones a los animales y al hombre? Los priones causan enfermedades de tipo neurodegenerativo denominadas clínicamente como encefalopatías espongiformes transmisibles (EETs) (Tabla 2) 2). Los signos clínicos y la patología que producen varían dependiendo de la especie afectada e incluso de cada animal afectado. En todos los casos el desarrollo de la enfermedad es muy lento y los tiempos de incubación, con ausencia total de síntomas, son extremadamente extremadamente largos (2-10 años dependiendo dependiendo de la especie y de los individuos). En general, en los animales se pueden distinguir dos fases: (Tabla 3) 3) FASE PSÍQUICA: se producen cambios en el comportamiento y el temperamento FASE ORGÁNICA: se observan alteraciones motoras gra ves. En el hombre los primeros síntomas son de origen psíquico afectando a la personalidad y al comportamiento, con aparición de trastornos de memoria. A medida que la enfermedad avanza aparecen dolores musculares en las extremidades inferiores. En una fase final los síntomas principales son demencia y diestesia. La muerte sobreviene tras 6-12 meses desde la aparición de los primeros síntomas. En la actualidad es una enfermedad incurable. Desde el punto de vis ta anatomopatológico, se puede decir que, macroscópicamente, los cerebros de los animales infectados aparecen normales, mientras que microscópicamente los cambios más notorios consisten en astrogliosis, vacuolización intracelular, pérdida de neuronas y formación de placas amiloides ocasionales. ¿Cómo se transmiten los priones? Las enfermedades de priones pueden ser: adquiridas o infecciosas, genéticas o hereditarias de origen desconocido, conocidas habitualmente como formas esporádicas. Las primeras evidencias de transmisión de la enfermedad en el hombre datan de los años 50 cuando se describió el kuru, una patología infecciosa neurodegenerativa que se extendió entre los habitantes de una tribu aborigen de Nueva Guinea debido a sus prácticas rituales caníbales.
En todo los casos el elemento determinante de la infección, el prión, es transmisible dado que ha sido posible reproducir experimentalmente en ratones transgénicos la enfermedad utilizando muestras procedentes de pacientes diagnosticados de las patologías comentadas anteriormente. De igual forma, otras enfermedades neurodegenerativas animales producidas por priones (BSE, scrapie, encefalopatía transmisible del visón (TME), enfermedad debilitante crónica (CWD), etc.) pueden transmitirse entre individuos de la misma especie e incluso al hombre. La posibilidad de transmisión de priones entre distintas especies ha permitido definir el concepto de barrera interespecífica. Las formas familiares o hereditarias incluyen el síndrome de Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS), el insomnio familiar fatal (FFI) así como el 10 % de los casos de Creuztfeld-Jacob (CJD). Las patologías familiares tienen un carácter autosómico dominante ligado a la presencia de mutaciones puntuales o insercionales en el gen que codifica la proteína del prión. Las formas esporádicas surgen en una población sin una causa aparente, las formas hereditarias están vinculadas a la existencia de mutaciones en la línea germinal en el gen que codifica la proteína del prión y las formas adquiridas ocurren por el contacto accidental con material contaminado. Dentro de la patología infecciosa se pueden destacar las formas iatrogénicas adquiridas El conocimiento de las barreras entre especies es de gran importancia, sobre todo para poder valorar los riesgos de transmisión a otras especies que puedan alimentarse de tejidos infectados con priones ( scrapie, BSE, etc.). ¿En qué consiste la barrera interespecífica de los priones?} De forma general, podemos decir que la transmisión de priones entre distintas especies es un proceso estocástico. En el caso de ocurrir, este proceso es muy poco eficaz y sucede con un prolongado tiempo de incubación. La eficiencia de la transformación de la proteína PrP C a PrPSc viene determinada por la identidad de secuencia entre la proteína exógena y la proteína celular, de tal forma que cuando el agente patógeno es de diferente especie y, por tanto, presenta cambios en la secuencia de aminoácidos, los tiempos de incubación hasta la aparición de signos se alargan. Por ejemplo, ratones inoculados con proteína de prión de hámster, desarrollan la enfermedad tras 500 días de incubación, mientras que este tiempo se reduce a 130 días cuando los ratones son inoculados con proteína de prión procedente de ratón. Sin embargo, una vez que el prión atraviesa la barrera de especie y por tanto adquiere la secuencia proteica determinada por el gen del huésped, en sucesivas infecciones los tiempos de incubación en la nueva especie se acortan sensiblemente. Los priones sintetizados de novo reflejan la secuencia del gen de la PrP del huésped (PrP endógena) y no la de las moléculas de la PrPSc del inóculo (PrP exógena). El gen PrP, aunque tiene una secuencia muy conservada en todas la especies, muestra algunas diferencias de una especie a otra. Las diferencias en la secuencia del gen PrP existentes entre especies podrían ser las responsables de estas barreras entre especies. Para valorar esta hipótesis se construyeron ratones nulos (knock out ) que no expresan el gen de la PrP. Estos animales resultaron resistentes a la infección con priones. Sobre estos animales se construyeron ratones t ransgénicos que expresaban el gen PrP d e otras especies (HaPrP de hámster y otros) en lugar de la PrP murina. Los animales transgénicos se inocularon con priones de scrapie en pases sucesivos y cruzados. Los resultados de estos experimentos demostraron que la barrera entre especies desaparece introduciendo un transgén con la secuencia de la PrP de la especie de la que procede el inóculo, existiendo una relación inversamente proporcional entre los niveles de expresión del transgén y el tiempo de incubación. Estos experimentos permite concluir que el gen PrP es el responsable de la barrera entre especies e influyen en el comportamiento del prión (replicación, tiempo de incubación, síntesis de PrP Sc y alteraciones neuropatológicas) y que la susceptibilidad de una especie a la infección con un prión está determinada por la homología entre la secuencia de la PrP Sc inoculada y la PrPC del animal inoculado.
