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Jan 30, 2024

El mecanismo de eliminación de proteínas proteasómicas recientemente identificado evita el etiquetado de ubiquitina

El proteasoma colabora con la ubiquitina para degradar las proteínas. [Love Employee/Getty Images] Investigadores de la Facultad de Medicina de Harvard (HMS) han descubierto cómo una proteína llamada midnolina desempeña un papel clave en

El proteasoma colabora con la ubiquitina para degradar las proteínas. [Me encanta el empleado/Getty Images]

Investigadores de la Facultad de Medicina de Harvard (HMS) han descubierto cómo una proteína llamada midnolina desempeña un papel clave en la degradación de muchas proteínas nucleares de vida corta. Su estudio demostró que la midnolina actúa agarrando directamente estas proteínas y llevándolas al sistema de eliminación de desechos celulares, llamado proteosoma, donde se destruyen. Y aunque las células suelen etiquetar proteínas destinadas a la destrucción proteasomal con la pequeña molécula ubiquitina, el estudio recientemente publicado encontró que el mecanismo midnolina-proteasoma pasa por alto este sistema de ubiquitinación canónico.

Debido a que las proteínas descompuestas mediante el proceso recientemente identificado modulan genes con funciones importantes relacionadas con el cerebro, el sistema inmunológico y el desarrollo, los científicos eventualmente podrán enfocarse en el proceso como una forma de controlar los niveles de proteínas para alterar estas funciones y corregir cualquier problema. disfunción. "Estas proteínas particulares de vida corta se conocen desde hace más de 40 años, pero nadie había establecido cómo se degradan realmente", dijo Xin Gu, PhD, investigador en neurobiología en HMS. "El mecanismo que encontramos es muy simple y bastante elegante", comentó Christopher Nardone, candidato a doctorado en genética en HMS. "Es un descubrimiento científico básico, pero tiene muchas implicaciones para el futuro".

Los coautores principales Gu, Nardone y sus colegas informaron sobre sus hallazgos en Science, en un artículo titulado "La vía midnolina-proteasoma captura proteínas para la degradación independiente de la ubiquitinación", en el que concluyeron: "Nuestro estudio sugiere que la midnolina-proteasoma captura proteínas para la degradación independiente de la ubiquitinación". La vía del proteasoma puede representar un mecanismo general por el cual el proteasoma evita el sistema de ubiquitinación canónico para lograr la degradación selectiva de proteínas nucleares, muchas de las cuales son cruciales para la transcripción”.

Las proteínas de vida corta controlan la expresión genética en las células para llevar a cabo una serie de tareas vitales, desde ayudar al cerebro a formar conexiones hasta ayudar al cuerpo a desarrollar una defensa inmune. Estas proteínas se producen en el núcleo y se destruyen rápidamente una vez que han hecho su trabajo. Sin embargo, a pesar de la importancia de estas proteínas, el proceso mediante el cual se descomponen y eliminan de las células una vez que ya no son necesarias ha eludido a los científicos durante décadas.

Está bien establecido que las células pueden descomponer las proteínas etiquetándolas con ubiquitina. La etiqueta le dice al proteosoma que las proteínas ya no son necesarias y las destruye. Sin embargo, a veces el proteosoma descompone proteínas sin la ayuda de etiquetas de ubiquitina, lo que apunta a la existencia de otro mecanismo de degradación de proteínas independiente de la ubiquitina. "Ha habido evidencia esporádica en la literatura de que de alguna manera el proteasoma puede degradar directamente proteínas no marcadas, pero nadie entendió cómo puede suceder eso", dijo Nardone.

Un grupo de proteínas que parecían degradarse mediante un mecanismo alternativo son los factores de transcripción inducidos por estímulos. Estas proteínas se producen en respuesta a estímulos celulares y viajan al núcleo de una célula para activar genes, después de lo cual se destruyen rápidamente. "En los mamíferos, la respuesta transcripcional al factor de crecimiento y a los estímulos neuronales e inmunes está mediada por un grupo de genes llamados genes tempranos inmediatos (IEG)", señalaron los autores. "Los ARNm de IEG se acumulan minutos después del estímulo inicial y, una vez traducidos, sus proteínas se degradan rápidamente para permitir un estallido transitorio de expresión de proteínas". Gu añadió: "Lo que me llamó la atención al principio es que estas proteínas son extremadamente inestables y tienen una vida media muy corta: una vez que se producen, llevan a cabo su función y luego se degradan rápidamente".

Estos factores de transcripción apoyan una variedad de procesos biológicos importantes en el cuerpo, sin embargo, incluso después de décadas de investigación, "el mecanismo de su renovación era en gran medida desconocido", señaló Michael Greenberg, profesor Nathan Marsh Pusey de Neurobiología en el Instituto Blavatnik de HMS y coautor principal del artículo con Stephen Elledge, profesor Gregor Mendel de Genética y Medicina en HMS y Brigham and Women's Hospital. Los autores continuaron: "Aunque los mecanismos que regulan la transcripción de IEG están bien caracterizados, cómo las proteínas IEG son rápidamente atacadas para su destrucción ha seguido siendo un misterio durante muchos años... no está claro cómo se degradan las proteínas IEG".

Para identificar el mecanismo por el cual estas proteínas se destruyen una vez que han completado su trabajo, el equipo se centró en dos factores de transcripción familiares, Fos, estudiado extensamente por el laboratorio de Greenberg por su papel en el aprendizaje y la memoria, y EGR1, que participa en división celular y supervivencia. "Presumimos que existe una vía celular dedicada a la rápida destrucción de c-Fos y otras proteínas IEG", escribieron.

El equipo llevó a cabo análisis CRISPR-Cas9 de todo el genoma para buscar genes que regularan la estabilidad de las proteínas IEG en líneas celulares humanas diseñadas para expresar un reportero. El mayor éxito de las pantallas fue el gen MIDN, que, en los mamíferos, codifica la proteína midnolina, en gran medida no caracterizada. El equipo validó los resultados de su análisis confirmando que la eliminación de MIDN en líneas celulares humanas aumentaba la estabilidad tanto de EGR1 como de FosB. Curiosamente, descubrieron que la sobreexpresión de midnolina disminuía los niveles de cFos, FosB y EGR.

Los experimentos posteriores revelaron que, además de Fos y EGR1, la midnolina también puede participar en la degradación de cientos de otros factores de transcripción en el núcleo. “A través de una prueba genética de ganancia de función, identificamos un gran grupo de objetivos potenciales de midnolina fuertemente enriquecidos en proteínas nucleares, especialmente reguladores transcripcionales, lo que revela que la midnolina funciona ampliamente para promover la degradación de proteínas en el núcleo, donde la propia midnolina se encuentra. predominantemente localizado”, señalaron los investigadores.

Gu y Nardone recuerdan haberse sentido conmocionados y escépticos acerca de sus resultados. Para confirmar sus hallazgos, decidieron que necesitaban descubrir exactamente cómo la midnolina ataca y degrada tantas proteínas diferentes. "Una vez que identificamos todas estas proteínas, surgieron muchas preguntas desconcertantes sobre cómo funciona realmente el mecanismo de la midnolina", dijo Nardone.

Con la ayuda de una herramienta de aprendizaje automático llamada AlphaFold que predice las estructuras de las proteínas, en combinación con datos de una serie de experimentos de laboratorio, el equipo pudo desarrollar los detalles del mecanismo. "Para comprender cómo interactúa la midnolina con el proteosoma y sus numerosos sustratos, utilizamos AlphaFold para obtener una estructura predicha de la midnolina, que reveló tres regiones altamente conservadas y predichas con confianza con una estructura definida", escribieron. Los investigadores denominaron a una de estas regiones de la midnolina "dominio de captura", ya que representa la parte de la proteína midnolina que capta eficazmente otras proteínas y las alimenta directamente al proteasoma, donde se descomponen. El equipo descubrió que el dominio Catch está compuesto por dos regiones separadas unidas por aminoácidos. Y, curiosamente, señalaron que "la eliminación de las regiones que se pliegan para formar el dominio Catch (los subdominios Catch1 N-terminal y Catch2 C-terminal) abolió la interacción de midnolin con sus sustratos sin afectar su capacidad para unirse al proteosoma". El dominio Catch captura efectivamente una región relativamente no estructurada de una proteína, lo que permite que la midnolina capture muchos tipos diferentes de proteínas.

Es de destacar proteínas como Fos, que son responsables de activar genes que incitan a las neuronas del cerebro a conectarse y reconectarse en respuesta a estímulos. Otras proteínas, como IRF4, activan genes que apoyan el sistema inmunológico al garantizar que las células puedan producir células B y T funcionales. Al resumir sus hallazgos, los autores señalaron: “Nuestros resultados sugieren que la vía midnolina-proteasoma puede representar un mecanismo general por el cual el proteasoma evita el sistema tradicional de ubiquitinación para lograr la degradación selectiva de muchas proteínas nucleares. Elledge añadió: "El aspecto más interesante de este estudio es que ahora entendemos un nuevo mecanismo general, independiente de la ubiquitinación, que degrada las proteínas".

A corto plazo, los investigadores quieren profundizar en el mecanismo de midnolina recién descubierto. Están planeando estudios estructurales para comprender mejor los detalles más finos de cómo la midnolina captura y degrada las proteínas. También están creando ratones diseñados que carecen de midnolina, para ayudar a obtener nuevos conocimientos sobre el papel de la proteína en diferentes células y etapas de desarrollo.

Sin embargo, también reconocieron que el mecanismo por el cual la midnolina inicia la destrucción de sus proteínas unidas aún no se reconoce completamente. “No se comprende completamente desde el punto de vista mecánico cómo la midnolina inicia la degradación de los sustratos unidos. No sabemos si la midnolina interactúa con sus objetivos antes de unirse al proteosoma o si se asocia constitutivamente con el proteosoma y luego recluta sus sustratos, definiendo así una nueva subclase de proteosomas en el núcleo”.

Los científicos sugieren que el hallazgo tiene un potencial traslacional tentador. Puede ofrecer una vía que podría aprovecharse para controlar los niveles de factores de transcripción, modulando así la expresión genética y, a su vez, los procesos asociados en el cuerpo. "La degradación de las proteínas es un proceso crítico y su desregulación es la base de muchos trastornos y enfermedades", incluidas ciertas afecciones neurológicas y psiquiátricas, así como algunos cánceres, dijo Greenberg.

Por ejemplo, cuando las células tienen demasiados o muy pocos factores de transcripción como Fos, pueden surgir problemas de aprendizaje y memoria. Como sugirieron además los autores, “dado que muchas proteínas IEG son objetivo eficiente de la degradación por la midnolina y que la expresión precisa de las IEG es fundamental para el aprendizaje y la memoria, es posible que la interrupción o el aumento de la función de la midnolina pueda afectar la capacidad de los animales para procesar eficientemente aprende y almacena información en el cerebro”. Y en el mieloma múltiple, las células cancerosas se vuelven adictas a la proteína inmune IRF4, por lo que su presencia puede alimentar la enfermedad. "... nuestro hallazgo de que IRF4 es un potente objetivo de degradación por parte de midnolina puede proporcionar información sobre la función de midnolina en el sistema inmunológico", agregaron.

Los investigadores están especialmente interesados ​​en identificar enfermedades que puedan ser buenas candidatas para el desarrollo de terapias que funcionen a través de la vía midnolina-proteosoma. "Una de las áreas que estamos explorando activamente es cómo ajustar la especificidad del mecanismo para que pueda degradar específicamente las proteínas de interés", dijo Gu.