Proteína asociada al citoesqueleto regulada por la actividad

La proteína asociada al citoesqueleto regulada por la actividad es una proteína de plasticidad que en humanos está codificada por el gen ARC . Se cree que este gen deriva de un retrotransposón . ^{[ 5 ]} La proteína se encuentra en las neuronas de tetrápodos y otros animales, donde puede formar cápsides similares a virus que transportan ARN entre neuronas. ^{[ 5 ]}

El ARNm de ARC se localiza en sitios sinápticos activados de manera dependiente del receptor NMDA , ^{[ 6 ] [ 7 ]} donde se cree que la proteína recién traducida juega un papel crítico en los procesos moleculares relacionados con el aprendizaje y la memoria. ^{[ 8 ]} La proteína Arc se considera ampliamente importante en neurobiología debido a su regulación de la actividad, localización y utilidad como marcador de cambios plásticos en el cerebro. La disfunción en la producción de la proteína Arc se ha implicado como un factor importante para comprender diversas afecciones neurológicas, incluyendo amnesia , ^{[ 9 ]} enfermedad de Alzheimer , trastornos del espectro autista y síndrome del cromosoma X frágil . ^{[ 10 ]}

ARC se caracterizó por primera vez en 1995 ^{[ 11 ] [ 12 ]} y es un miembro de la familia de genes de respuesta temprana inmediata (IEG), una clase de genes de activación rápida definidos funcionalmente por su capacidad de transcribirse en presencia de inhibidores de la síntesis de proteínas . Junto con otros IEG como ZNF268 y HOMER1 , ARC es una herramienta importante para la neurociencia de sistemas, como lo ilustra el desarrollo del análisis del compartimento celular de la actividad temporal mediante hibridación in situ fluorescente , o técnica catFISH ^{[ 13 ] [ 14 ]} (véase hibridación in situ fluorescente ) .

Comparación de las cápsides ARC con el retrotransposón Ty3/gypsy y el VIH2

Modelo de expresión de ARC en neuronas .

El gen ARC , ubicado en el cromosoma 15 en el ratón , ^{[ 15 ]} el cromosoma 7 en la rata , ^{[ 16 ]} y el cromosoma 8 en el ser humano , ^{[ 17 ]} está conservado en todas las especies de vertebrados y tiene baja homología de secuencia con la espectrina , ^{[ 11 ]} una proteína del citoesqueleto involucrada en la formación de la corteza celular de actina . Se han identificado varias regiones promotoras y potenciadoras que median la transcripción de Arc dependiente de la actividad: un elemento de respuesta al suero (SRE; véase factor de respuesta al suero ) a ~1,5 kb aguas arriba del sitio de iniciación. ^{[ 18 ] [ 19 ]} un segundo SRE a ~6,5 kb; ^{[ 19 ]} y una secuencia de elemento de respuesta a la actividad sináptica (SARE) a ~7 kb aguas arriba que contiene sitios de unión para la proteína de unión al elemento de respuesta al AMP cíclico (CREB), el factor potenciador de miocitos 2 (MEF2) y SRF. ^{[ 20 ]}

La región 3' UTR del ARNm contiene un elemento cis-regulador necesario para la localización de Arc en las dendritas neuronales , ^{[ 21 ]} así como sitios para dos complejos de unión de exones (EJC) ^{[ 22 ]} que hacen de Arc un objetivo natural para la degradación mediada por codones de terminación prematura (NMD). ^{[ 23 ]} También es importante para la translocación del ARNm citoplasmático de Arc a las sinapsis activadas un sitio de unión de 11 nucleótidos para la ribonucleoproteína nuclear heterogénea A2 (hnRNP A2). ^{[ 24 ]}

Se sospecha que el gen ARC se originó a partir del gen gag de un retrotransposón Ty3/gypsy y fue reutilizado para mediar la comunicación entre neuronas. ^{[ 5 ]}

Después de la transcripción, el ARNm de Arc es transportado fuera del núcleo y localizado en las dendritas neuronales ^{[ 11 ]} y sinapsis activadas, ^{[ 25 ]} un proceso dependiente de la 3' UTR, ^{[ 21 ]} polimerización de actina , ^{[ 26 ]} y fosforilación de ERK . ^{[ 26 ]} El ARNm (y la proteína agregada) es transportado a lo largo de los microtúbulos que irradian desde el núcleo por la kinesina (específicamente KIF5) ^{[ 27 ]} y probablemente translocado a las espinas dendríticas por la proteína motora basada en actina miosina -Va. ^{[ 28 ]} Se ha demostrado que Arc está asociado con polirribosomas en sitios sinápticos, ^{[ 29 ]} y se traduce en fracciones sinaptoneurosomales aisladas in vitro ^{[ 30 ]} lo que indica que la proteína probablemente se traduce localmente in vivo .

Una vez transportada, la proteína traducida tiene 396 residuos de longitud, con un extremo N ubicado en los aminoácidos 1-25, un extremo C en 155-396 (nótese que la homología de espectrina se encuentra en 228-380 dentro del extremo C) y un dominio putativo de hélice enrollada en los aminoácidos 26-154. ^{[ 31 ]} Además, la proteína tiene sitios de unión para endofilina 3 y dinamina 2 en los aminoácidos 89-100 y 195-214, respectivamente. ^{[ 32 ]} Si bien el ARNm de Arc está sujeto a degradación por NMD, la proteína traducida contiene una secuencia PEST en los aminoácidos 351-392, lo que indica degradación dependiente del proteasoma . ^{[ 33 ]} La proteína traducida se puede visualizar con un inmunoblot como una banda de 55 kDa. La proteína ARC puede formar cápsides similares a virus que empaquetan el ARNm y pueden transportarse entre células. ^{[ 34 ] [ 5 ]}

La proteína Arc, localizada sinápticamente, interactúa con la dinamina y la endofilina, proteínas implicadas en la endocitosis mediada por clatrina , y facilita la eliminación de los receptores AMPA de la membrana plasmática. ^{[ 32 ]} En consonancia con esto, el aumento de los niveles de Arc reduce las corrientes AMPA, ^{[ 35 ]} mientras que los ratones con deficiencia de Arc muestran un aumento en la expresión de AMPA en la superficie celular. ^{[ 36 ]}

Arc es fundamental como factor de señalización ubicuo en el desarrollo embrionario temprano y es necesario para el crecimiento y la formación de patrones durante la gastrulación . ^{[ 37 ]} Por lo tanto , los primeros ratones knockout (KO) para Arc fueron incompatibles con la vida. Los esfuerzos posteriores produjeron ratones knockout homocigotos al dirigirse al gen Arc completo en lugar de a porciones de la región codificante, eliminando así los efectos dominantes negativos . Estos animales demostraron ser viables y no presentan malformaciones macroscópicas en la arquitectura neuronal, pero expresan niveles más altos de la subunidad GluR1 y un aumento de las corrientes postsinápticas excitatorias miniatura (mEPSCs), además de mostrar deficiencias en la memoria a largo plazo . ^{[ 38 ]}

El transcrito de Arc depende de la activación de la cascada de la proteína quinasa activada por mitógeno o MAP quinasa (MAPK), ^{[ 18 ]} una vía importante para la regulación del crecimiento y la supervivencia celular. ^{[ 39 ]} La señalización extracelular a las dendritas neuronales activa los sitios postsinápticos para aumentar los niveles de Arc a través de una amplia variedad de moléculas de señalización, incluidos mitógenos como el factor de crecimiento epidérmico (EGF), ^{[ 11 ]} el factor de crecimiento nervioso (NGF), ^{[ 11 ]} y el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), ^{[ 22 ]} el glutamato que actúa en los receptores NMDA, ^{[ 6 ] [ 7 ]} la dopamina a través de la activación del subtipo de receptor D1 , ^{[ 40 ] [ 41 ]} y la dihidroxifenilglicina (DHPG). ^{[ 42 ]} El factor común para estas moléculas de señalización implica la activación del AMP cíclico y su diana corriente abajo, la proteína quinasa A (PKA). Como tal, la activación farmacológica directa del cAMP por forskolina o 8-Br-cAMP aumenta robustamente los niveles de Arc ^{[ 18 ] [ 41 ]} mientras que H89 , un antagonista de PKA, bloquea estos efectos ^{[ 41 ]} al igual que el bloqueo posterior de la proteína quinasa activada por mitógeno [sic] (MEK). ^{[ 18 ]} Nótese que la cascada MAPK es una vía de señalización que involucra múltiples quinasas que actúan secuencialmente [MAPKKK→ MAPKK→ MAPK].

MAPK puede entrar en el núcleo y realizar su actividad fosfotransferasa en varios componentes reguladores de genes ^{[ 43 ]} que tienen implicaciones para la regulación de genes de respuesta temprana inmediata. Se sabe que varios factores de transcripción están involucrados en la regulación del gen Arc (ver más arriba), incluyendo el factor de respuesta al suero (SRF), ^{[ 18 ] [ 20 ]} CREB , ^{[ 20 ]} MEF2 , ^{[ 20 ]} y zif268 . ^{[ 44 ]}

Los cambios en el ARNm y/o la proteína Arc se correlacionan con una serie de cambios conductuales, incluyendo el condicionamiento del miedo condicionado , ^{[ 45 ]} el condicionamiento del miedo contextual, ^{[ 46 ]} la memoria espacial, ^{[ 47 ] [ 48 ]} el condicionamiento operante , ^{[ 49 ] [ 50 ]} y la evitación inhibitoria. ^{[ 8 ]} El ARNm se regula positivamente de forma notable tras la estimulación eléctrica en procedimientos de inducción de LTP como la estimulación de alta frecuencia (HFS), ^{[ 47 ]} y se induce masiva y globalmente por el choque electroconvulsivo máximo (MECS). ^{[ 11 ] [ 6 ]}

Se ha descubierto que Arc pudo haber sido adquirido por los animales más de una vez. Si bien Arc parece estar estrechamente relacionado entre todos los tetrápodos , las versiones de Arc encontradas en las moscas de la fruta ( Drosophila melanogaster ), los gusanos de seda ( Bombyx mori ) y las hormigas argentinas ( Linepithema humile ) podrían haber sido transferidas a un ancestro común de estos insectos mediante otro evento. ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]}

• Ubicación del genoma humano ARC y página con detalles del gen ARC en el navegador genómico de UCSC .