Complex proteinopathies and neurodegeneration: insights from the study of transmissible spongiform encephalopathies / Proteinopatías complejas y neurodegeneración: conocimientos obtenidos del estudio de las encefalopatías espongiformes transmisibles

ABSTRACT Protein misfolding diseases are usually associated with deposits of single "key" proteins that somehow drive the pathology; β-amyloid and hyperphosphorylated tau accumulate in Alzheimer's disease, α-synuclein in Parkinson's disease, or abnormal prion protein (PrPTSE) in transmissible spongiform encephalopathies (TSEs or prion diseases). However, in some diseases more than two proteins accumulate in the same brain. These diseases might be considered "complex" proteinopathies. We have studied models of TSEs (to explore deposits of PrPTSE and of "secondary proteins") infecting different strains and doses of TSE agent, factors that control incubation period, duration of illness and histopathology. Model TSEs allowed us to investigate whether different features of histopathology are independent of PrPTSE or appear as a secondary result of PrPTSE. Better understanding the complex proteinopathies may help to explain the wide spectrum of degenerative diseases and why some overlap clinically and histopathologically. These studies might also improve diagnosis and eventually even suggest new treatments for human neurodegenerative diseases.

RESUMEN La acumulación de proteínas con conformación anormal es observada en numerosas enfermedades degenerativas del sistema nervioso. Tales enfermedades están generalmente asociadas con el depósito de una proteína que es importante para la patogenia de la enfermedad; amiloide-β e hiperfosforilación de tau en la Enfermedad de Alzheimer, α-sinucleína en la Enfermedad de Parkinson, y acúmulo de proteína prion anormal (PrPTSE) en las encefalopatías espongiformes transmisibles (EET). Sin embargo, en algunas enfermedades más de dos proteínas se acumulan en el sistema nervioso central. Estas enfermedades pueden considerarse "proteinopatías complejas". Hemos estudiado varios modelos de EET para analizar los depósitos de PrPTSE y la posible acumulación de otras proteínas (que podríamos llamar "proteínas secundarias"). La relación entre proteínas mal plegadas y neurodegeneración no es claro. La mayor parte de las enfermedades neurodegenerativas evolucionan por décadas; por lo tanto los acúmulos proteicos podrían generar diferentes efectos patogénicos en los diferentes estadios de la enfermedad. Alternativamente los acúmulos proteicos podrían ser el resultado de alteraciones del sistema nervioso y no su causa. Dado que la etiología de las ETT es relativamente bien conocido y es atribuido a infección por agentes autoreplicantes que generan malformacion de la proteína prion normal (la isoforma patologica, PrPTSE, propuesta como el agente infeccioso) hemos estudiado varios modelos animales, cepas de agente infectante y dosis del agente causal de ETT. Estos factores controlan el período de incubación, duración de la enfermedad e histopatología. Los modelos animales estudiados nos han permitido investigar si las diferentes características histopatológicas son independientes de PrPTSE o podrían ser secundarias a la acumulación de la misma. Un mejor conocimiento de las proteinopatías complejas podría ayudar a analizar el espectro de enfermedades degenerativas y a su vez, investigar el motivo de la superposición clínico-patológico en algunas de ellas. Estos estudios podrían ayudar en el diagnóstico y eventualmente sugerir nuevas posibles terapéuticas para las enfermedades neurodegenerativas humanas.

Fisiopatología de las enfermedades por priones / Physiopathology of prion diseases

Las enfermedades por priones, son trastornos neurodegenerativos progresivos rápidos e invariablemente fatales que afectan tanto a seres humanos como a animales. Tienen formas de presentación esporádica, genética e infecciosa. Los priones son proteínas celulares. No contienen ácidos nucleicos y no son virus o microorganismos. En todos los casos, provocan muerte neuronal, espongiosis común del cerebro, que caracteriza a estas enfermedades, así como agregación de la proteína amiloide prión en forma de placa. La teoría más importante hasta el momento, es la que trata de explicar el cambio de conformación de la proteína prión para producir copias de sí misma y para su agregación y la muerte de las neuronas. Sin embargo, nuevas formas de explicación toman auge actualmente. Una de las más importantes se basa en entender el contenido y cambio de la glicosilación de la proteína prión patológica. Esto permite explicar algunas de sus interacciones, para entender el cambio de conformación y las propiedades físico-químicas de la proteína. Así como algunas de las primeras funciones biológicas (como transportador de iones Cu++2) descritas para esta molécula. En esta revisión abordamos todos los tópicos importantes acerca de estas patologías por demás fascinantes.

Prion diseases are a group of degenerative disorders characterized by being progressive, fast growing, and fatal, they affect humans and animals. Due to their physiopathogeny, these disorders can be sporadic, genetic, or infectious. Prions are cellular proteins that lack nucleic acids; they are not viruses or microorganisms. Prions induce neuronal death, brain spongiosis, which are a hallmark of these diseases, as well as amyloid prion protein plaque aggregates. Although the causes that favor pathogenic prion proteins remain uncertain, it is possible that conformational changes of the prion protein allow them to create copies of themselves to form aggregates and induce neuronal death. Other theories suggest that quantitative and qualitative changes in the glycosylation pattern induce the pathological prion form. The latter allows to explain some of their interactions and to understand better the conformational changes and the physico-chemical properties of the prion protein. We review some of the first biological functions (as a transporter of Cu2+ ions) that have been described to this molecule. The present review focuses on different aspects of prion diseases aimed at understanding better their physiopathogenic characteristics.

Ayer, hoy ¿y mañana? de la teoria prion / Prion Theory: past, presenta and ¿future?

Algunas enfermedades del sistema nervioso central caracterizadas por alteraciones en el afecto y su expresión, por deterioro cognoscitivo y por diversas combinaciones de ataxia y paresia, han constituido desde siempre un reto al paradigma de las enfermedades degenerativas e infecciosas. La explicación viral lenta incluía tantas excepciones al paradigma infeccioso que incluso sus más fervientes agentes tuvieron que aceptar su pronto declinar. La existencia de unas proteínas, cuyo depósito es capaz de causar enfermedad en ausencia de un proceso inflamatorio, constituye el paradigma alterno para explicar estas enfermedades. Esta revisión analiza desde sus más remotos comienzos la teoría de las enfermedades virales lentas para desembocar en el proceso de los priones, que al inducir mutaciones en las proteínas naturales de las neuronas, genera enfermedad neurológica. Se analizan con detenimiento las presentaciones clínicas del Kuru, de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (CJ) y de sus variantes y de su relación con la encefalopatía bovina espongiforme que tanta alarma ha causado en la Comunidad Económica Europea. También se revisan la enfermedad de Gertsmann-StraussIer-Scheinker y el insomnio fatal. Se anexa una guía para el diagnóstico y vigilancia epidemiológica de la nueva variedad de CJ y de los centros de referencia en ello involucrados

Los priones, un nuevo desafío evolutivo / Prions: a new evolutionary defiance

El objetivo de esta reseña es actualizar información ya publicada sobre los priones y las patologías que éstos transmiten. La existencia de una nueva variante de la enfermedad de Creutzfeld-Jakob y la confirmación experimental de que es causada por la misma cepa de priones que la encefalopatía espongiforme bovina (BSE), ha incrementado dramáticamente la necesidad de una precisa comprensión de las bases moleculares de la propagación priónica. El agente infeccioso es una proteína cuya conformación se encuentra alterada, que se reproduce a sí misma convirtiendo una proteína normal en una proteína con conformación priónica. La observación de que los priones se replican en los órganos linfoides en estadios muy tempranos de la infección lleva a cuestionar sobre cuáles son los requerimientos de tipo celular a ser infectado en el sistema linforreticular. Las células dendríticas foliculares serían el sitio de elección para la replicación y el reservorio de priores. El diagnóstico de las enfermedades producidas por priones presenta una serie de problemas debido a las peculiaridades de este tipo de patologías. Considerando que los priones se replican en el sistema linforreticular y posteriormente migran al sistema nervioso central, existe un lapso durante el cual podría propagarse este agente infeccioso por medio de la sangre, sus componentes o sus derivados. De esta forma representaría una nueva patología con la potencial capacidad de transmisión transfusional. Esta nueva forma de herencia independiente de los ácidos nucleicos obliga a replantear el axioma de transferencia de la información genética, hasta el momento, y con concordancia con la teoría evolutiva de Darwin, sólo pensando mediante moléculas constituidas por nucleótidos. ¿Será tiempo de cambiar el paradigma?

Insights into the physiological function of cellular prion protein

Prions have been extensively studied since they represent a new class of infectious agents in which a protein, PrPsc (prion scrapie), appears to be the sole component of the infectious particle. They are responsible for transmissible spongiform encephalopathies, which affect both humans and animals. The mechanism of disease propagation is well understood and involves the interaction of PrPsc with its cellular isoform (PrPc) and subsequently abnormal structural conversion of the latter. PrPc is a glycoprotein anchored on the cell surface by a glycosylphosphatidylinositol moiety and expressed in most cell types but mainly in neurons. Prion diseases have been associated with the accumulation of the abnormally folded protein and its neurotoxic effects; however, it is not known if PrPc loss of function is an important component. New efforts are addressing this question and trying to characterize the physiological function of PrPc. At least four different mouse strains in which the PrP gene was ablated were generated and the results regarding their phenotype are controversial. Localization of PrPc on the cell membrane makes it a potential candidate for a ligand uptake, cell adhesion and recognition molecule or a membrane signaling molecule. Recent data have shown a potential role for PrPc in the metabolism of copper and moreover that this metal stimulates PrPc endocytosis. Our group has recently demonstrated that PrPc is a high affinity laminin ligand and that this interaction mediates neuronal cell adhesion and neurite extension and maintenance. Moreover, PrPc-caveolin-1 dependent coupling seems to trigger the tyrosine kinase Fyn activation. These data provide the first evidence for PrPc involvement in signal transduction

Priones: agentes patógenos novedosos / Prions: new pathogenic agents

Hace dos décadas Stanley Prusiner un neurólogo norteaméricano propuso un nuevo tipo de agentes infecciosos que denominó Priones. Estos nuevos patógenos consiten principalmente en proteína y carecen de ácido nucleico. Muchas enfermedades neurodegenerativas conocidas como encefalopatías espóngiformes tales como la enfermedad de Creutzfeld-Jakob, pueden ser explicadas a través de estas novedosas partículas. En esta revisión se explican algunos aspectos históricos, biológicos y clínicos de los priones

Creutzfeldt-Jakob disease. A case report, with special attention to the electroencephalogram in this disorder and to its possible relationships to kuru, scrapie and mad cow disease

A case of Creutzfeldt-Jakob disease in a 58-year-old Brazilian cattle rancher and businessman is presented. The EEG was normal, which is consistent with the fact that it was made during the first half of his illness; in a later stage suppression of normal rhythms by slow moderate voltage waves would be expected. The resemblances of kuru, scrapie and "mad cow disease" to C-J disease are discussed. In each of these 4 illnesses the patient or affected animal (scrapie and "mad cow disease") (a) has a widespread spongiform encephalopathy and consequent dementia, myoclonic epilepsy and cerebellar and corticospinal symptoms. (b) Each illness is caused by a virus (or virus-like organism called a PrP or prion) which is unusually resistant to heat and entirely resistant to ultraviolet light and x-rays. (c) This causative agent can be transmitted to other mammals by intracerebral injection or, in the proved cases of 3 of them, by the oral route. Unresolved questions about C-J disease include the following: Are C-J disease, kuru, scrapie and "mad cow disease" essentially similar illnesses caused by the same virus or by subtle variants of it? What is the incubation period of C-J disease, and does its virus exist for long periods of time in some asymptomatic persons, some of whom may never become neurologically ill? How does this virus enter the bodies of most persons with C-J disease, and why does the clinical disease characteristically occur only in middle age?