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TEMAS
Proteolisis intracelular (Proteasoma)
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Fecha de Publicación: 3-4-2008 Última actualización : 3-4-2008
Resumen
Uno de los medios que emplean las células para controlar la función de las proteínas es regular su concentración controlando el balance entre síntesis y degradación. El proteasoma es el sistema más importante de degradación de proteínas. Es un complejo de proteínas de 2500 KDa (26S) presente en la mayoría de los seres vivos. Para que una proteína sea reconocida y degradada en el proteasoma es necesario un marcaje previo con ubiquitina. La ubiquitinación de proteínas es un mecanismo de etiquetado, como lo son la fosforilación o la glicosilación. Las proteínas ubiquitinadas sufren degradación en el proteasoma 26S. Existen también un grupo de enzimas (DUBs) que eliminan las ubiquitinas del sustrato. El proteasoma puede degradar proteínas mal formadas o que precisan un recambio por antigüedad. El proteasoma cobra especial importancia en la degradación de proteínas de vida media muy corta como las ciclinas del ciclo celular, las proteínas que participan en la cascada de señalización intracelular en respuesta a señales externas o las que participan en la reparación del daño en el ADN. Debido a la gran cantidad de procesos en los que participan el proteasoma y el sistema de marcaje por ubiquitinación la repercusión de sus alteraciones puede tener un gran alcance. Alteraciones en elementos del proteasoma parecen relacionarse con Parkinson y con algunos tumores.
Concepto
La animación describe brevemente el proceso de proteolisis intracelular
En la célula eucariota existen dos vías importantes de degradación de proteínas: la ruta vacuolar y la ruta citoplásmica. En la ruta vacuolar participan los lisosomas, los endosomas y el retículo. La ruta citoplásmica está mediada por el sistema ubiquitina-proteasoma. La ruta citoplásmica es fundamental en la regulación de proteínas de vida media corta.

El proteosoma es un complejo proteico de 2500 KDa. Está estructurado en tres subunidades:
  • Una subunidad 20S que es la partícula núcleo de 670 KDa, con actividad catalítica
  • Dos subunidades 19S con actividad reguladora
La subunidad 20S tiene forma de barril y es un complejo de cuatro anillos apilados (véase la animación). Cada anillo está compuesto de siete proteínas. Estos anillos son idénticos dos a dos, los dos externos y los dos centrales, a los anillos externos se les llama anillos alfa y a los centrales anillos beta. El sitio activo encargado de romper el enlace peptídico se encuentra en el interior de la cavidad de la subunidad 20S entre los dos anillos beta. Los anillos alfa forman un pequeño canal que permanece cerrado, las subunidades reguladoras 19S permiten la apertura de este canal y la entrada del sustrato al proteasoma.

Las subunidades reguladoras 19S son un complejo de cerca de 1000 kDa formado por, al menos, 19 proteínas. Las subunidades 19S se pueden unir a los dos extremos de la subunidad 20S formando el proteasoma 26S. Cada subunidad 19S se puede dividir en dos subunidades: la base y la tapa. La base se localiza próxima a la subunidad 20S y contiene seis ATPasas tipo AAA (ATPases Associated with diverse cellular Activities) y cuatro subunidades no ATPasa llamadas Rpn1, Rpn2, Rpn10 y Rpn13. Se piensa que las seis ATPasas forman un anillo con capacidad de linealizar proteínas permitiendo su paso por el estrecho canal formado por la subunidad 20S. Recientes estudios indican que aunque exista una gran similitud entre estas ATPasas sus funciones no son equivalentes. Algunas ATPasas abren el poro, otras reconocen a la ubiquitina y otras se unen a receptores de ubiquitina que tienen un dominio específico. La tapa está compuesta por ocho componentes. Seis de ellos tienen un dominio PCI (Proteasome, CSN, eIF3), de función desconocida, y dos tienen el dominio MPN (Mpr1/Pad1 N-terminal) con actividad metaloproteasa que elimina la ubiquitina del sustrato.

El proteasoma puede ser regulado mediante distintas vías. Rpn4 es una proteína capaz de estimular la inducción concertada de los genes que codifican el proteasoma. Según las necesidades celulares se puede inducir la expresión de todos los genes o solamente la inducción de algunos de los genes que codifican el proteasoma.

El gen que codifica Rnp4 está sujeto a una compleja regulación en la que participan varios factores de transcripción para poder responder a los distintos estímulos y tipos de estrés celular que puedan requerir un aumento en los niveles de proteasoma. Se ha comprobado que las regiones cercanas al promotor del gen Rnp4 son reconocidas por factores de choque térmico (Hsfl), por dos factores de transcripción asociados a resistencia a fármacos (Pdr1 y Pdr3) y por el factor de transcripción Yalp relacionado con la respuesta al estrés oxidativo, entre otros. La proteína Rnp4 también actúa sobre los promotores de más de 20 genes relacionados con diversas funciones tales como la ubiquitinación, el metabolismo del ARN, la función vacuolar y la utilización de glucosa. La propia proteína Rpn4 tiene una vida media muy corta siendo su principal vía de degradación independiente de ubiquitina, aunque también puede ser degradada vía ubiquitina estableciéndose una retroalimentación negativa en el mecanismo de síntesis del proteasoma.

En la célula también existen mecanismos de regulación de los proteasomas ya sintetizados. De hecho la célula es capaz de inducir la formación de configuraciones alternativas del proteasoma con propiedades que pueden ser útiles bajo ciertas condiciones celulares. Por ejemplo, el interferón gamma induce la síntesis de las proteínas LMP2, LMP7 y MECL1 que formarán parte de las 7 subunidades de proteína que componen cada anillo beta. El proteasoma que contiene estas proteínas en sus anillos beta es el implicado en el procesamiento de antígeno para su posterior presentación vía MHC de clase I.

Para que una proteína sea reconocida y procesada en el proteasoma es necesario que se encuentre marcada con ubiquitina. El proceso de ubiquitinación de una proteína requiere la participación de tres tipos de enzimas:
  • La enzima activadora de ubiquitina E1
  • La enzima conjugadora de ubiquitina E2
  • La ubiquitina ligasa E3
Gracias a la acción de estas tres enzimas el grupo carboxilo de la glicina del extremo carboxilo terminal de la ubiquitina forma un enlace con el grupo epsilon amino de un residuo de lisina del sustrato. Hay gran número de enzimas implicadas en ubiquitinación. Actualmente se cree que la especificidad de la ubiquitinación radica en el reconocimiento de los sustratos por las enzimas de tipo E, principalmente por la E3 ligasa. Se estima que en el proteoma humano existen 16 enzimas del tipo E1, 53 del tipo E2 y 527 del E3. Muchas líneas de investigación sugieren que el destino de la proteína marcada dependerá de la longitud y de la topología de la cadena de ubiquitinas que lleve.

Se puede considerar la ubiquitinación como un mecanismo de señalización celular. La ubiquitinación juega un importante papel en la regulación de la vida media de proteínas implicadas en la señalización intracelular, particularmente en la regulación de los receptores acoplados a proteínas G y de las propias proteínas G. Se ha observado en algunos casos que el proceso de activación por ligando de los receptores acoplados a proteína G provoca la ubiquitinación en alguno de los elementos que participan en la transducción de la señal como la subunidad alfa de la proteína G o el propio receptor.

El sistema proteasoma-ubiquitina es fundamental en el correcto mantenimiento de los niveles adecuados de las distintas proteínas celulares. Fallos en este sistema pueden contribuir a la aparición de enfermedades como el Parkinson, el Alzheimer, la fibrosis quística o el mieloma múltiple. Debido a la desestabilización en la concentración de proteínas supresoras de tumores o de oncoproteínas importantes en la regulación del ciclo celular las alteraciones en el proteasoma pueden ocasionar la transformación de células normales en células cancerosas. En varios estudios se relaciona niveles bajos de la proteína supresora de tumores p27 y una sobreexpresión de Skp2. Skp2 es un tipo de enzima E3 que reconoce y ubiquitina a p27. En el desarrollo de muchos tipos de cánceres se han detectado niveles bajos de p27.

Algunos virus con periodos de infección largos tienen mecanismos para interferir en la actividad del sistema ubiquitina-proteasoma. Por ejemplo, los citomegalovirus impiden la presentación antigénica vía MHC de clase I actuando sobre el proteasoma. El citomegalovirus codifica las proteínas US2 y US11 que se pueden unir a moléculas MHC promoviendo su ubiquitinación y su posterior degradación. De este modo el citomegalovirus evita la presentación antigénica.

Debido a la gran participación del sistema ubiquitina-proteasoma en la fisiología de la célula este sistema supone una diana terapéutica potencial en muchas patologías. Actualmente muchos fármacos que actúan sobre el proteasoma se encuentran bajo estudio como el Bortezomib. El Bortezomib inhibe la actividad del proteasoma al unirse de forma reversible a una treonina del sitio activo de la subunidad 20S. La interacción del Bortezomib con el proteasoma favorece la apoptosis afectando a un grupo importante de proteínas reguladoras incluyendo p53, NF-kappaB y Bax que es un inhibidor proapoptótico de Bcl-2. Dos ensayos clínicos que se encuentran en fase 2 han demostrado que el Bortezomib suministrado solo o combinado con dexametasona, es eficaz en pacientes que sufren recaídas de mieloma múltiple. Y en un ensayo en fase 3 se comprobó que el Bortezomib era más eficaz y seguro que la dexametasona.
Bibliografía