Neuroproteómica

El término proteómica fue utilizado por primera vez en 1994 por Marc Wilkins para referirse al estudio del «equivalente proteico de un genoma». ^{[ 1 ]} Se define como el conjunto de todas las proteínas expresadas en un sistema biológico bajo condiciones fisiológicas específicas en un momento determinado. Puede modificarse con cualquier alteración bioquímica, por lo que solo puede definirse bajo ciertas condiciones. La neuroproteómica es una subdisciplina de este campo que aborda la complejidad y el origen multisistémico de las enfermedades neurológicas. La función neurológica se basa en las interacciones de numerosas proteínas de distinto origen, lo que requiere un estudio sistemático de los subsistemas dentro de su estructura proteómica.

La neuroproteómica tiene la difícil tarea de definir a nivel molecular las vías de la conciencia , los sentidos y el yo. Los trastornos neurológicos son únicos porque no siempre presentan síntomas externos. Definir estos trastornos se vuelve complejo, por lo que la neuroproteómica representa un paso en la dirección correcta para identificar biomarcadores que puedan utilizarse para detectar enfermedades. Este campo no solo debe mapear las diferentes proteínas posibles a partir del genoma, sino que también existen numerosas modificaciones posteriores a la transcripción que afectan la función. Dado que las neuronas son estructuras tan dinámicas, que cambian con cada potencial de acción que las atraviesa, la neuroproteómica ofrece el mayor potencial para mapear la plantilla molecular de su función. La genómica ofrece un mapa estático de la célula, mientras que la proteómica permite vislumbrar estructuras más pequeñas que la célula debido a su naturaleza específica en cada momento.

Para que la neuroproteómica funcione correctamente, las proteínas deben separarse según el proteoma del que provienen. Por ejemplo, un conjunto podría corresponder a condiciones normales, mientras que otro podría corresponder a condiciones patológicas. Las proteínas se separan comúnmente mediante electroforesis bidimensional en gel de poliacrilamida (2D PAGE). En esta técnica, las proteínas se desplazan a través de un gel inmóvil con un gradiente de pH hasta que se detienen en el punto donde su carga neta es neutra. Después de separarlas por carga en una dirección, se aplica dodecilsulfato de sodio en la dirección opuesta para separarlas por tamaño. Mediante esta técnica se crea un mapa bidimensional que puede utilizarse posteriormente para identificar otras proteínas. En proteómica simple, generalmente se puede determinar la función de una proteína mediante su identificación en una 2D PAGE, ya que se conocen muchas vías somáticas intracelulares. Sin embargo, en neuroproteómica, muchas proteínas se combinan para dar como resultado una enfermedad o disfunción neurológica. Por lo tanto, es necesario estudiar cada proteína individualmente y encontrar una correlación entre las diferentes proteínas para determinar la causa de una enfermedad neurológica. Se están desarrollando nuevas técnicas que permiten identificar proteínas una vez separadas mediante electroforesis bidimensional en gel (2D PAGE).

Las técnicas de separación de proteínas, como la electroforesis bidimensional en gel (2D PAGE), presentan limitaciones, ya que no pueden procesar proteínas de muy alto o bajo peso molecular. Se han desarrollado métodos alternativos para abordar estos casos. Entre ellos se incluyen la cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas (LC-MS) junto con la electroforesis en gel de poliacrilamida con dodecilsulfato de sodio (SDS-PAGE), o la LC-MS realizada en múltiples dimensiones. En comparación con la 2D PAGE simple, la LC-MS puede procesar un rango más amplio de tamaños de proteínas, pero tiene limitaciones en la cantidad de muestra proteica que puede analizar simultáneamente. La LC-MS también se ve limitada por la falta de un mapa de referencia. Generalmente se utilizan algoritmos complejos para analizar los resultados atípicos que se producen tras la ejecución del procedimiento. Sin embargo, las porciones desconocidas de las proteínas no suelen analizarse, priorizando los proteomas conocidos. Este hecho revela una deficiencia de la tecnología actual; se necesitan nuevas técnicas para aumentar tanto la especificidad como el alcance del mapeo del proteoma.

Es bien sabido que la adicción a las drogas implica una plasticidad sináptica permanente de diversos circuitos neuronales. La neuroproteómica se aplica para estudiar el efecto de la adicción a las drogas en la sinapsis. La investigación se lleva a cabo aislando distintas regiones del cerebro donde tiene lugar la transmisión sináptica y definiendo el proteoma de cada región. Sin embargo, es necesario estudiar las diferentes etapas del abuso de drogas para comprender la progresión de los cambios proteicos a lo largo de la adicción. Estas etapas incluyen la inducción, la ingesta, la abstinencia, la adicción y la eliminación. El proceso comienza con el cambio en el genoma a través de la transcripción que se produce debido al abuso de drogas. Continúa identificando las proteínas con mayor probabilidad de verse afectadas por las drogas y centrándose en esa área. En el caso de la adicción a las drogas, la sinapsis es el objetivo más probable, ya que implica la comunicación entre neuronas. La falta de comunicación sensorial en las neuronas suele ser un signo externo de abuso de drogas , por lo que la neuroproteómica se aplica para descubrir qué proteínas se ven afectadas e impiden el transporte de neurotransmisores. En particular, se está estudiando el proceso de liberación de vesículas para identificar las proteínas implicadas en la sinapsis durante el abuso de drogas. Proteínas como la sinaptotagmina y la sinaptobrevina interactúan para fusionar la vesícula con la membrana. La fosforilación también involucra un conjunto de proteínas que trabajan conjuntamente para permitir el correcto funcionamiento de la sinapsis. Drogas como la morfina alteran propiedades como la adhesión celular , el volumen de neurotransmisores y el tráfico sináptico. Tras una administración significativa de morfina, las tirosina quinasas reciben menos fosforilación y, por lo tanto, envían menos señales dentro de la célula. Estas proteínas receptoras no pueden iniciar los procesos de señalización intracelular que permiten la supervivencia de la neurona, lo que puede provocar necrosis o apoptosis. A medida que aumenta el número de neuronas afectadas en esta cadena de muerte celular, puede producirse una pérdida permanente de la función sensorial o motora. Al identificar las proteínas que se modifican con el abuso de drogas, la neuroproteómica puede proporcionar a los médicos biomarcadores aún más tempranos para realizar pruebas y prevenir el daño neurológico permanente.

Recientemente, investigadores de la Universidad de Florida, del laboratorio del Dr. Mark S. Gold, acuñaron un nuevo término (psicoproteómica). Kobeissy et al. definieron la psicoproteómica como un enfoque proteómico integral dedicado al estudio de los cambios proteómicos en el campo de los trastornos psiquiátricos, en particular la neurotoxicidad por abuso de sustancias y drogas .

La lesión cerebral traumática se define como un “impacto físico directo o traumatismo en la cabeza seguido de una serie dinámica de eventos de lesión y reparación”. ^{[ 2 ]} Recientemente, la neuroproteómica se ha aplicado al estudio de la discapacidad con la que viven más de 5,4 millones de estadounidenses. Además de lesionar físicamente el tejido cerebral, la lesión cerebral traumática induce la liberación de glutamato que interactúa con los receptores de glutamato ionotrópicos (iGluR). Estos receptores de glutamato acidifican el líquido intracraneal circundante, causando más daño a nivel molecular a las neuronas cercanas. La muerte de las neuronas circundantes se induce a través de mecanismos normales de apoptosis, y es este ciclo el que se está estudiando con neuroproteómica. Tres derivados diferentes de proteasas de cisteína están involucrados en la vía apoptótica inducida por el ambiente ácido desencadenado por el glutamato. Estas proteasas de cisteína incluyen calpaína, caspasa y catepsina. Estas tres proteínas son ejemplos de signos detectables de lesión cerebral traumática que son mucho más específicos que la temperatura, el nivel de oxígeno o la presión intracraneal . La proteómica también ofrece un mecanismo de seguimiento mediante el cual los investigadores pueden monitorizar la progresión de la lesión cerebral traumática o de una enfermedad crónica como el Alzheimer o el Parkinson. Especialmente en el Parkinson, donde los neurotransmisores desempeñan un papel importante, la investigación proteómica reciente se ha centrado en el estudio de la sinaptotagmina. La sinaptotagmina participa en la gemación, inducida por calcio, de vesículas que contienen neurotransmisores desde la membrana presináptica. Al estudiar los mecanismos intracelulares implicados en la apoptosis neuronal tras una lesión cerebral traumática, los investigadores pueden crear un mapa que permita seguir los cambios genéticos posteriormente.

Un grupo de investigadores aplicó el campo de la neuroproteómica para examinar cómo diferentes proteínas afectan el crecimiento inicial de la neuritis. ^{[ 3 ]} El experimento comparó la actividad proteica de neuronas de control con la actividad de neuronas tratadas con factor de crecimiento nervioso (NGF) y JNJ460, un “ligando de inmunofilina”. JNJ460 es un derivado de otro fármaco que se utiliza para prevenir el ataque inmunitario cuando se realizan trasplantes de órganos. Sin embargo, no es un inmunosupresor, sino que actúa como un escudo contra la microglía. El NGF promueve la viabilidad y diferenciación neuronal al unirse a TrkA, una tirosina quinasa receptora. Este receptor es importante para iniciar vías metabólicas intracelulares, incluidas Ras, Rak y MAP quinasa.

Se midió la diferenciación de proteínas en cada muestra celular con y sin tratamiento con NGF y JNJ460. Se preparó una mezcla de péptidos lavando las porciones no unidas de la secuencia de aminoácidos en una columna inversa. La mezcla resultante se suspendió en un baño de fluido de intercambio catiónico. Las proteínas se identificaron mediante su fragmentación con tripsina y posterior análisis del producto a través de un espectrómetro de masas. Este método utiliza una forma de cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas para identificar las proteínas en la mezcla.

El tratamiento con JNJ460 produjo un aumento en las proteínas de transducción de señales, mientras que el NGF incrementó las proteínas asociadas al ribosoma y la síntesis de otras proteínas. El JNJ460 también aumentó la cantidad de proteínas estructurales asociadas al crecimiento intercelular, como la actina, la miosina y la troponina. Con el tratamiento con NGF, las células incrementaron la síntesis de proteínas y la formación de ribosomas. Este método permite analizar todos los patrones proteicos en su conjunto, en lugar de un único cambio en un aminoácido. Según los investigadores, los Western blots confirmaron los resultados, aunque los cambios en las proteínas no fueron tan evidentes en su protocolo.

La principal relevancia de estos hallazgos radica en que JNJ460 y NGF son procesos distintos que controlan la producción de proteínas celulares. JNJ460 resultó en un aumento del tamaño y la estabilidad neuronal, mientras que NGF incrementó las proteínas de membrana. Combinados, aumentan significativamente la probabilidad de crecimiento de una neurona. Si bien JNJ460 puede preparar ciertas partes de la célula para el tratamiento con NGF, no actúan conjuntamente. Se cree que JNJ460 interactúa con las células de Schwann en la regeneración de actina y miosina, componentes clave en el crecimiento axonal. NGF contribuye al crecimiento general de la neurona. Sin embargo, estas dos proteínas no participan en la comunicación con otras neuronas; simplemente aumentan el tamaño de la membrana por la que se transmite una señal. Se requieren otros proteomas de factores neurotróficos para guiar la comunicación entre neuronas y formar sinapsis.