Citrulinación

La citrulinación o deiminación es la conversión del aminoácido arginina en una proteína en el aminoácido citrulina . La citrulina no es uno de los 20 aminoácidos estándar codificados por el ADN en el código genético . En cambio, es el resultado de una modificación postraduccional . La citrulinación es distinta de la formación del aminoácido citrulina libre como parte del ciclo de la urea o como subproducto de las enzimas de la familia de la óxido nítrico sintasa .

Las enzimas llamadas arginina deiminasas catalizan la deiminación de la arginina libre, mientras que las arginina deiminasas proteicas o peptidilarginina deiminasas (PAD) reemplazan el grupo cetimina primario por un grupo cetona . La arginina tiene carga positiva a pH neutro, mientras que la citrulina no tiene carga neta. Esto aumenta la hidrofobicidad de la proteína, lo que puede provocar cambios en su plegamiento , afectando su estructura y función.

El sistema inmunitario puede atacar las proteínas citrulinadas, lo que da lugar a enfermedades autoinmunes como la artritis reumatoide y la esclerosis múltiple . La fibrina y el fibrinógeno pueden ser sitios predilectos para la deiminación de arginina en las articulaciones reumatoides. Las pruebas para detectar la presencia de anticuerpos contra proteínas citrulinadas son altamente específicas (88-96 %) para la artritis reumatoide, con una sensibilidad similar a la del factor reumatoide (70-78 %) para el diagnóstico de la AR, y se pueden detectar incluso antes del inicio de la enfermedad clínica. ^{[ 1 ]}

La vimentina citrulinada puede ser un autoantígeno en la artritis reumatoide y otras enfermedades autoinmunes, y se utiliza para estudiar la artritis reumatoide. Además, los anticuerpos contra la vimentina citrulinada mutada pueden ser útiles para monitorizar los efectos del tratamiento de la artritis reumatoide. ^{[ 2 ]} Un sistema ELISA utiliza vimentina citrulinada modificada genéticamente, una isoforma natural de la vimentina, para mejorar el rendimiento de la prueba. ^{[ 3 ]}

En la reacción de la arginina a la citrulina, uno de los átomos de nitrógeno terminales de la cadena lateral de la arginina es reemplazado por un átomo de oxígeno . De esta forma, se elimina la carga positiva de la arginina (a pH fisiológico), alterando la estructura terciaria de la proteína . La reacción utiliza una molécula de agua y produce amoníaco como subproducto.

Las PAD se encuentran en cordados pero no en animales inferiores. En mamíferos se han encontrado cinco isotipos de PAD : PAD1 , PAD2 , PAD3 , PAD4 y PAD6 . ^{[ 4 ]} Se creía que PAD5 era un isotipo único en humanos, sin embargo, se demostró que es homólogo a PAD4. ^{[ 4 ]} Estos isotipos difieren en términos de su distribución tisular y celular.

La expresión de PAD1 se ha detectado en la epidermis y el útero, y actúa en la citrulinación de la queratina y la filagrina , componentes clave de los queratinocitos . ^{[ 4 ]}

PAD2 se expresa en niveles elevados en el sistema nervioso central , incluyendo el ojo y el cerebro, así como en el músculo esquelético y el bazo. Se han encontrado transcritos de PAD en los ojos del ratón C57BL6/J desde el día embrionario 14,5. ^{[ 5 ]} También se ha demostrado que PAD2 interactúa con la vimentina en el músculo esquelético y los macrófagos, provocando la desintegración de los filamentos, lo que sugiere una función en la apoptosis . ^{[ 4 ]}

Uno de los sustratos diana de PAD2 es la proteína básica de mielina . En la retina normal , la deiminación se encuentra en casi todas las capas retinianas, incluidos los fotorreceptores . También se ha informado de deiminación en células neuronales, como astrocitos , microglía y oligodendrocitos , células de Schwann y neuronas . ^{[ 6 ]} La metilación y la fosforilación de la proteína básica de mielina están activas durante el proceso de mielinogénesis . En el desarrollo temprano del sistema nervioso central del embrión, la deiminación de la proteína básica de mielina juega un papel importante en el ensamblaje de la mielina. En adultos, la deiminación de la proteína básica de mielina ocurre en enfermedades desmielinizantes como la esclerosis múltiple. La proteína básica de mielina puede afectar a diferentes tipos de células en cada caso. ^{[ 7 ]}

La expresión de PAD3 se ha relacionado con la modificación de la lana de oveja. La citrulinación de la tricohialina le permite unirse y entrecruzar los filamentos de queratina, dirigiendo el crecimiento de la fibra de lana. ^{[ 4 ]}

PAD4 regula la expresión génica mediante modificaciones de histonas . El ADN se enrolla alrededor de las histonas, y las proteínas histonas pueden controlar la expresión del ADN cuando se añaden o eliminan grupos químicos. Este proceso se conoce como procesamiento postraduccional o modificación postraduccional, porque tiene lugar en la proteína después de la traducción del ADN. El papel del procesamiento postraduccional en la regulación génica es objeto del creciente campo de estudio de la epigenética . Un mecanismo de modificación es la metilación . Un grupo metilo se une a una arginina en la proteína histona, alterando la unión del ADN a la histona y permitiendo que tenga lugar la transcripción. Cuando PAD convierte la arginina en citrulina en una histona, bloquea la metilación posterior de la histona, inhibiendo la transcripción. ^{[ 8 ] [ 9 ]} El principal isotipo para esto es PAD4, que desimina argininas y/o argininas monometiladas en las histonas 3 y 4, desactivando los efectos de la metilación de la arginina. ^{[ 10 ]}

En la artritis reumatoide y otras enfermedades autoinmunes, como la artritis psoriásica , el lupus eritematoso sistémico y el síndrome de Sjögren , los autoanticuerpos suelen atacar las proteínas citrulinadas. La presencia de anticuerpos antiproteínas citrulinadas es una prueba estándar para la artritis reumatoide y se asocia con una enfermedad más grave. Las proteínas citrulinadas también se encuentran en los restos celulares que acompañan la destrucción de células en la enfermedad de Alzheimer y después de fumar cigarrillos. Por lo tanto, la citrulinación parece ser parte del mecanismo que estimula el sistema inmunitario en las enfermedades autoinmunes. Sin embargo, las proteínas citrulinadas también se pueden encontrar en la mucosa del colon sana . ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

Los péptidos y proteínas citrulinados pueden detectarse mediante anticuerpos dirigidos a los residuos citrulinados, o mediante tecnologías de proteómica basadas en espectrometría de masas . La citrulinación de la arginina produce un aumento de masa monoisotópico de +0,984016 Da, que puede medirse mediante espectrometría de masas . El desplazamiento de masa es cercano a la diferencia de masa entre los diferentes isótopos peptídicos de +1,008665, lo que puede confundirse con un péptido citrulinado, especialmente en instrumentos de baja resolución. Sin embargo, esto no representa un problema con los espectrómetros de masas modernos de alta resolución y precisión. Además, el desplazamiento de masa es idéntico al causado por la desamidación de la cadena lateral del aminoácido asparagina o glutamina , modificaciones comunes.

Los residuos de citrulina pueden modificarse químicamente con butanodiona o mediante biotinilación antes del análisis, lo que produce un desplazamiento de masa diferente, y esta estrategia se ha utilizado con éxito para facilitar la identificación mediante espectrometría de masas . ^{[ 17 ] [ 18 ]}

Otro enfoque consiste en utilizar la pérdida neutra de ácido isociánico (HNCO) de los residuos de citrulina al someterse a fragmentación por disociación inducida por colisión de baja energía en espectrómetros de masas. Esta pérdida provoca un cambio de masa de −43,0058 Da, que los espectrómetros de masas pueden utilizar para seleccionar predominantemente péptidos citrulinados para su fragmentación (secuenciación). ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Finalmente, se puede aprovechar la pérdida de carga positiva a pH fisiológico causada por la citrulinación. Antes del análisis proteómico ascendente , las proteínas se escinden enzimáticamente en péptidos. Generalmente se utiliza la proteasa tripsina , que escinde después de los residuos de arginina y lisina con carga positiva . Sin embargo, la tripsina no puede escindir después de un residuo de citrulina, que es neutro. Una escisión incompleta después de un residuo de citrulina, junto con el desplazamiento de masa correcto, puede utilizarse como un marcador específico y sensible de la citrulinación, y la estrategia es compatible con los flujos de trabajo proteómicos ascendentes estándar .

El primer libro de texto completo sobre deiminación se publicó en 2014, ^{[ 21 ]} mientras que la segunda edición se publicó en 2017. ^{[ 22 ]}