La resolució de l'estructura d'una proteïna amiloide funcional aporta noves claus sobre l'origen d'una malaltia rara

La distròfia muscular de cintures tipus 3 (LGMD D3, per les sigles en anglès) és una malaltia rara que provoca una feblesa muscular progressiva, causada per mutacions puntuals en la proteïna hnRNPDL-2. Pertanyent a la família de les ribonucleoproteïnes (RNP), associades a l’ARN, és una proteïna molt poc coneguda, amb capacitat d’assemblar-se per formar estructures amiloides funcionals. Els amiloides estan formats per la unió de milers de còpies d’una mateixa proteïna per formar fibres molt estables i estructurades (agregats proteics). La seva formació s’associa sovint a malalties com el Parkinson i l’Alzheimer, però també són usades per diferents organismes amb finalitats funcionals, tot i que el nombre d’amiloides funcionals descrit en humans és encara escàs.

Investigadors de la UAB han determinat l’estructura de les fibres amiloides formades per la proteïna hnRNPDL-2 en un estudi publicat a Nature Communications. La seva arquitectura i la seva activitat suggereixen que es tracta de fibres amiloides estables i no tòxiques, que s’uneixen a àcids nucleics en estat agregat. Els resultats indiquen que l’LGMD D3 podria ser una malaltia per pèrdua de funció de la proteïna: la impossibilitat de formar les estructures amiloides descrites en l’estudi causaria la patologia.

«El nostre estudi trenca amb la hipòtesi que l’agregació d’aquesta proteïna és la causant de la malaltia i proposa que és la incapacitat de formar una estructura fibril·lar que ha estat seleccionada per l’evolució per unir àcids nucleics el que causaria la patologia», indica Salvador Ventura, catedràtic de Bioquímica i Biologia Molecular i investigador de l’Institut de Biotecnologia i Biomedicina (IBB-UAB), que ha dirigit la recerca juntament amb el primer autor del treball, Javier Garcia-Pardo, investigador Juan de la Cierva-Incorporación de l’IBB.

Els investigadors han determinat l’estructura de les fibres amiloides de la proteïna hnRNPDL-2 utilitzant criomicroscòpia electrònica (crio-EM) d’alta resolució. Es tracta de la primera estructura d’un amiloide funcional humà format per la proteïna completa que es resol mitjançant aquesta tècnica —abans només s’havia fet amb estructures formades per fragments d’aquestes proteïnes. També és la primera estructura amiloide determinada en alta resolució per un grup espanyol.

L’estructura de la proteïna es diferencia de fibres d’altres proteïnes amiloides patològiques per presentar un nucli altament hidrofílic, que inclou l’aminoàcid associat a l’LGMD D3. En aquest cas, al contrari que en altres malalties, la formació d’amiloides no és tòxica, sinó necessària per a la funció de la proteïna.

Els resultats canvien el concepte de l’origen de la malaltia i de com hauria de ser tractada, apunten els investigadors. «Anteriorment, pensàvem, com ocorre en moltes malalties neurodegeneratives, que l’LGMD D3 s’originava perquè les mutacions en els pacients feien que la proteïna, inicialment soluble, formés agregats i, per tant, la cerca de molècules antiagregants podia ser una potencial teràpia. Ara sabem que això seria un error, ja que és la no formació correcta de la fibra la que sembla desencadenar la malaltia; per tant, molècules que estabilitzin aquesta estructura o en facilitin la formació serien les més adequades», assenyala Salvador Ventura.

Entendre les estructures moleculars dels amiloides

Certs amiloides humans poden experimentar agregació tant funcional com patològica, per la qual cosa és necessari comprendre’n les estructures moleculars per entendre’n les qualitats i les funcions distintives. Per exemple, RNP similars a l’estudiada en aquesta recerca, com hnRNPA1 o FUS, són capaces de formar fibres amiloides funcionals en resposta a l’estrès cel·lular, però també poden albergar mutacions responsables de malalties. Aquestes proteïnes es caracteritzen per una arquitectura modular, que inclou un o més dominis d’unió a àcids nucleics, juntament amb regions desordenades que són les responsables de la formació de l’assemblatge en estructures amiloides funcionals o patològiques.

«En els últims anys s’han resolt les estructures de diverses fibres amiloides formades per fragments d’RNP. No obstant això, aquests assemblatges poden no coincidir necessàriament amb els adoptats en el context de les proteïnes completes, com és el cas de l’estructura obtinguda per a l’hnRNPDL-2 resolta en el nostre grup», explica Salvador Ventura. «De fet, la nostra estructura difereix significativament de les anteriors i qüestiona algunes de les assumpcions que es donaven per vàlides respecte a la regulació d’aquestes proteïnes en les cèl·lules», remarca.

Estructura de les fibres amiloides d’hnRNPDL-2 obtingudes mitjançant crio-EM a 2,5 A de resolució. En la part superior es mostra l’organització de la proteïna amb dos dominis d’unió d’àcids nucleics en rosa i un domini de baixa complexitat responsable de l’assemblatge. En la part inferior es mostra el mapa de crio-EM obtingut i l’estructura d’una capa de la fibra amiloide.

Tècniques especials per resoldre amiloides funcionals

Per resoldre l’estructura de l’hnRNPDL-2 en estat assemblat, l’equip d’investigadors ha utilitzat la tècnica de crio-EM, aplicant tècniques especials per resoldre estructures amiloides.

En els últims dos anys s’ha aconseguit resoldre amb aquesta tècnica un nombre important d’estructures de fibres amiloides, però es corresponen principalment amb amiloides patològics implicats en malalties sistèmiques i neurodegeneratives.

«El nostre descobriment evidencia el poder de la crio-EM per estudiar la funció de les RNP i les raons del seu vincle amb la malaltia. Aquestes proteïnes han estat poc estudiades fins ara, però s’associen amb malalties com l’Alzheimer, les distròfies musculars, el càncer, els trastorns del neurodesenvolupament i els trastorns neuropsiquiàtrics. Així, el nostre objectiu ara és aprofitar l’experiència adquirida en aquesta tècnica per determinar els estats fibril·lars d’altres amiloides funcionals i estudiar l’efecte de mutacions, amb la finalitat de comprendre’n millor les implicacions en la salut i en la malaltia», apunta Salvador Ventura.

La posada a punt d’aquesta nova tecnologia a la UAB ha de permetre als investigadors explotar la plataforma de crio-EM recentment instal·lada al sincrotró Alba, de la qual la Universitat és soci. La resolució d’aquesta mena d’estructures requereix molta potència computacional. El grup de recerca de Plegament de Proteïnes i Malalties Conformacionals de l’IBB, que dirigeix Salvador Ventura, acaba d’adquirir un ordinador d’alta potència per executar aquests càlculs.

El treball ha estat liderat per Salvador Ventura, amb la participació de Javier García-Pardo, Andrea Bartolomé Nafría i Marcos Gil García, del grup de recerca de l’IBB. L’estructura ha estat resolta en col·laboració amb el grup de Stefano Ricagno i Martino Bolognesi (Università degli Studi di Milà Statale i Unitech Nolimits Center).

Article: Garcia-Pardo, J., Bartolomé-Nafría, A., Chaves-Sanjuan, A. et al. Cryo-EM structure of hnRNPDL-2 fibrils, a functional amyloid associated with limb-girdle muscular dystrophy D3. Nat Commun 14, 239 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-35854-0