Una mejor comprensión de la regulación celular puede conducir a nuevas terapias

Los científicos sospechan que la razón por la cual neuronas cerebrales atascarse con proteínas enredadas en la enfermedad de Alzheimer se debe en parte a mal funcionamiento en un sistema regulatorio poco conocido dentro de las células.
En un nuevo estudio publicado en línea en la semana de Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias Edición temprana, los investigadores han dado un salto gigantesco para obtener más información sobre este sistema regulador particular en ratones. El conocimiento recién adquirido proporcionará a los científicos una mejor comprensión de la enfermedad de Alzheimer y otras enfermedades humanas y podría conducir al desarrollo de nuevas terapias.
En su nuevo estudio, los investigadores descubrieron el doble de nuevas proteínas; se descubrió que estos eran parte de una regulación de proteínas que se basa en un azúcar conocido como O-GlcNAc (oh-GLIK-nak).
Se cree que el sistema O-GlcNAc agrega otra capa de control a las proteínas que actúan como controles del cerebro, que pueden confundirse en el cerebro de pacientes con Alzheimer con problemas conocidos en el metabolismo del azúcar.
El principal investigador, Feng Yang, un bioquímico analítico del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía dijo:

"Encontramos muchas proteínas nuevas que proporcionan información sobre los nuevos aspectos de la biología celular. Creemos que O-GlcNAc está afinando los procesos celulares".

Además de descubrir cientos de proteínas que fueron modificadas por O-GlcNAc, el equipo también estableció que la mayoría de las proteínas O-GlcNAc pertenecían a la forma más común de regulación de proteínas, que usa pequeñas moléculas de fosfato para activar y desactivar proteínas , lo que indica que los dos sistemas reguladores se coordinan entre sí.
Richard D. Smith, quien dirige el equipo de proteómica en PNNL declaró:

"Estos resultados muestran que hay un nivel de complejidad sobre cómo funciona la biología que hemos sido ciegos en gran medida".

Los investigadores de proteómica están estudiando el proteoma (PRO-tee-ohm), es decir, las funciones celulares basadas en los números y tipos de sus proteínas en acción.

Smith continuó:

"Durante el Proyecto del Genoma Humano, preguntamos cómo es posible que tan pocos genes produzcan la complejidad de un organismo o incluso una sola célula, y ¿cómo podrían las variaciones menores en nuestro ADN explicar la diversidad que vemos a nuestro alrededor? Claramente el proteoma es el responder."

Las células están controladas por proteínas, que actúan como herramientas, engranajes y artilugios. La unión o separación de moléculas pequeñas a las proteínas permite que los sistemas reguladores dentro de las células activen y desactivan las proteínas como un interruptor, el más común de los cuales es unirse o separar los fosfatos. Durante años, los biólogos han sabido que estos interruptores pueden funcionar mal en el cáncer y otras enfermedades, y los medicamentos que influyen en las partes del sistema regulador de fosfato intentan reparar estos errores.
Hace unos 20 años, los investigadores descubrieron que O-GlcNAc también podría funcionar como un interruptor activando o desactivando las proteínas. Descubrieron proteínas con O-GlcNAc unido y otras proteínas que unen o desprenden el azúcar, todas las cuales son partes vitales del sistema. Sin embargo, no pudieron encontrar suficientes proteínas O-GlcNAc para obtener una visión completa del proceso.
Descubrieron que pocas proteínas tenían O-GlcNAc unida, y las que a menudo perdían azúcar mientras se manejaban en el laboratorio. Los investigadores abordaron parte del problema al comenzar con más tejido o células cultivadas. Sin embargo, para estudiar estas modificaciones en escenarios de la vida real, como muestras clínicas, necesitaban encontrar el azúcar con una pequeña cantidad de material de partida.
Para abordar estos problemas, Smith, Yang, su equipo en PNNL, así como cuatro instituciones de investigación colaboraron combinando su experiencia en el sistema O-GlcNAc con instrumentos desarrollados en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del DOE en el campus PNNL. El primer paso fue mejorar el enfoque de purificar la proteína del tejido cerebral del ratón, a fin de reforzar el azúcar unido a las proteínas, después de lo cual utilizaron nuevos instrumentos para identificar proteínas raras en muestras pequeñas.
También buscaron las proteínas con puntos de azúcar en muestras de cerebro de ratón de animales de ingeniería que tenían una versión de ratón de Alzheimer. Estos ratones producen en exceso tres proteínas principales que se producen en personas con Alzheimer, incluidas las proteínas Tau, que producen los enredos clásicos en las neuronas cerebrales.
El equipo decidió probar qué tan bien sus métodos encontraron proteínas O-GlcNAc y comenzaron a usar tejido de cerebros de ratones sanos o enfermos. El tejido sano contenía 274 proteínas diferentes marcadas con O-GlcNAc. Sin embargo, muchas de estas proteínas tenían más de una molécula de azúcar, ya que el equipo descubrió un total de 458 sitios de unión en esas 274 proteínas. Esto fue tres veces el número de sitios que cualquier estudio anterior había descubierto, lo que permitió al equipo encontrar similitudes entre los 106 sitios de O-GlcNAc que ya se identificaron en otros estudios, pero también en los 168 sitios restantes de proteína O-GlcNAc que tenían hasta el momento no ha sido identificado.
El equipo observó que estas proteínas tenían varias funciones, que incluían formar parte de la estructura de una célula, en el crecimiento nervioso u otras funciones relacionadas con los nervios, como el aprendizaje y la memoria. El equipo clasificó las 168 proteínas recientemente identificadas basándose en cómo eran y por qué función pensaban que probablemente estarían involucradas, es decir, señalización celular, regulación de la expresión génica o estructuración de las células, antes de examinar las proteínas que encontraron en el ratón enfermo de Alzheimer. sesos. Descubrieron que los cerebros de ratones enfermos contenían aproximadamente un tercio menos de proteínas marcadas con O-GlcNAc, lo que respalda los estudios anteriores que indicaban una regulación de O-GlcNAc dañada en los cerebros de personas con Alzheimer.
Curiosamente, los investigadores descubrieron que más del 98% de las proteínas O-GlcNAc también tenían sitios que aceptarían un fosfato, lo que indica que estas proteínas también están controladas por el sistema regulador más común en las células, el sistema de fosfato.
Los investigadores encontraron que aproximadamente una cuarta parte de los sitios de O-GlcNAc estaban lo suficientemente cerca de los sitios de fosfato para interferir con el cambio, lo que indica una comunicación cruzada entre los dos tipos de regulación. Mientras que el fosfato es más pequeño que O-GlcNAc y tiene una fuerte carga eléctrica negativa, el azúcar es neutral pero más voluminoso. Estas características podrían tener diferentes impactos en la estructura de la proteína, y además, el rango de resultados biológicos potenciales también podría ser significativamente mayor debido a la complejidad de ambos sistemas de conmutación.
Mientras que la mayoría de las proteínas que se sabe que están bajo el control de O-GlcNAc viven principalmente dentro de las células, el equipo también descubrió que seis proteínas tenían que ser controladas por O-GlcNAc fuera de una célula, dependiendo de dónde estaba su sitio de O-GlcNAc situado en la proteína.
El equipo actualmente planea examinar ambos sistemas regulatorios y Smith concluye:

"Es revelador ver cuántas proteínas se modifican. Si vamos a entender los sistemas biológicos, tenemos que entender la interacción de los diferentes tipos de modificaciones".

Escrito por Petra Rattue