Isomerización de prolina en epigenética

En epigenética , la isomerización de prolina es el efecto que la isomerización cis-trans del aminoácido prolina tiene sobre la regulación de la expresión génica . Al igual que el ácido aspártico , el aminoácido prolina posee la propiedad singular de poder ocupar fácilmente tanto los isómeros cis como trans de sus enlaces peptídicos prolílicos . La peptidil-prolil isomerasa , o PPIasa, es una enzima muy comúnmente asociada con la isomerización de prolina debido a su capacidad para catalizar dicha isomerización. Las PPIasas se presentan en tres tipos: ciclofilinas , proteínas de unión a FK506 y parvulinas. ^{[ 1 ]} Las enzimas PPIasa catalizan la transición de la prolina entre isómeros cis y trans y son esenciales para las numerosas funciones biológicas controladas y afectadas por la isomerización de prolilo (es decir, señalización celular , plegamiento de proteínas y modificaciones epigenéticas) ^{[ 2 ]} Sin PPIasas, los enlaces peptídicos de prolilo cambiarán lentamente entre isómeros cis y trans , un proceso que puede bloquear las proteínas en una estructura no nativa que puede afectar la eficacia temporal de la proteína. Aunque este cambio puede ocurrir por sí solo, las PPIasas son responsables de la mayor parte de la isomerización de los enlaces peptídicos de prolilo. El aminoácido específico que precede al enlace peptídico de prolilo también puede tener un efecto en la conformación que adopta el enlace. Por ejemplo, cuando un aminoácido aromático se une a una prolina, el enlace es más favorable a la conformación cis . La ciclofilina A utiliza un "asa electrostática" para atraer la prolina a las formaciones cis y trans . ^{[ 3 ]} La mayoría de estas funciones biológicas se ven afectadas por la isomerización de la prolina cuando un isómero interactúa de manera diferente al otro, lo que suele generar una relación de activación/desactivación. Como aminoácido, la prolina está presente en muchas proteínas . Esto contribuye a la multitud de efectos que la isomerización de la prolina puede tener en diferentes mecanismos y funciones biológicas.

La señalización celular involucra muchos procesos y proteínas diferentes. Uno de los fenómenos de señalización celular más estudiados que involucra a la prolina son las interacciones con p53 y las prolil isomerasas, específicamente Pin1 . La proteína p53, junto con p63 y p73 , es responsable de asegurar que las alteraciones del genoma se corrijan y de prevenir la formación y el crecimiento de tumores . Los residuos de prolina se encuentran en toda la proteína p53 y, sin la fosforilación e isomerización de motivos específicos de serina/treonina-prolina dentro de p53, no pueden ejercer control sobre sus genes diana. Los principales procesos de señalización afectados por p53 son la apoptosis y la detención del ciclo celular, ambos controlados por la isomerización específica de las prolinas en p53. ^{[ 4 ]}

Aunque la isomerización de proteínas se conoce desde 1968, cuando fue descubierta por C. Tanford, la isomerización de prolina y su uso como modificación no covalente de la cola de las histonas no fue descubierta hasta 2006 por Nelson y sus colegas. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

Uno de los mecanismos epigenéticos más conocidos en los que participa la isomerización de prolina es la modificación de las colas de las histonas, específicamente las de la histona H3. Fpr4 es una PPIasa, del grupo FK507BP, que exhibe actividad catalítica en las posiciones de prolina 16, 30 y 38 (también escritas P16, P30 y P38 respectivamente) en la región N-terminal de la histona H3 en Saccharomyces cerevisiae . ^{[ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]} La afinidad de unión de Fpr4 es más fuerte en el sitio P38, seguida de P30 y luego P16. Sin embargo, la eficiencia catalítica, o el aumento en las tasas de isomerización, es mayor en P16 y P30 por igual, seguida de P38 que exhibe un cambio muy pequeño en las tasas de isomerización con la unión de Fpr4. ^{[ 6 ]} La histona H3 tiene un importante residuo de lisina en la posición 36 (también escrito K36) en la cola N-terminal que puede ser metilado por Set2, una metiltransferasa . La metilación de K36 es clave para la elongación normal de la transcripción . ^{[ 5 ]} Debido a la proximidad de P38 a K36, puede ocurrir una interacción entre la isomerización de P38 y la metilación de K36. ^{[ 1 ] [ 5 ] [ 7 ]} Esto significa que los cambios de isómero en la posición P38 pueden afectar la metilación en la posición K36. En la posición cis , P38 desplaza la cola de la histona más cerca del ADN, comprimiendo el área alrededor de la cola. Esto puede causar una disminución en la capacidad de las proteínas para unirse al ADN y a la cola de la histona, incluyendo impedir que Set2 metile K36. Además, este movimiento de la cola puede aumentar el número de interacciones entre la cola de la histona y el ADN, aumentando la probabilidad de formación de nucleosomas y potencialmente conduciendo a la creación de una estructura de cromatina de orden superior . En trans , P38 produce los efectos opuestos: permite que Set2 metile K36. Set2 solo se ve afectado por la isomerización de P38 cuando crea una K36 trimetilada (comúnmente escrita como K36me3), y no K36me2. ^{[ 1 ] [ 8 ]} Fpr4 también se une a P32 en H4, aunque sus efectos son mínimos. ^{[ 9 ]}

En las células de mamíferos, la isomerización de H3P30 interactúa con la fosforilación de H3S28 (serina en la posición 28 de la histona H3) y la metilación de H3K27. ^{[ 1 ] [ 7 ]} hFKBP25 es una PPIasa que es un homólogo de Fpr4 en células de mamíferos y se encuentra comúnmente asociada con la presencia de HDACs . Cyp33 es una ciclofilina que tiene la capacidad de isomerizar residuos de prolina H3 en las posiciones P16 y P30. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Las histonas H2A y H2B también tienen múltiples residuos de prolina cerca de aminoácidos que cuando se modifican afectan la actividad alrededor de la histona.

Pin1 , una parvulina, regula la estabilidad y la expresión del ARNm en ciertos ARNm eucariotas. ^{[ 13 ]} Estos ARNm son GM-CSF, P th y TGFβ, y cada uno de ellos tiene ARE, o elementos cis ricos en AU . La proteína de unión a ARE KSRP tiene un sitio de unión a Pin1. Pin1 se une a este sitio y desfosforila la serina e isomeriza el enlace peptídico entre Ser181 y Pro182. Esta isomerización causa la degradación del ARNm de P th . Se cree que KSRP, y otras proteínas de unión a ARE como AUF1, afectan a los otros ARNm a través de mecanismos similares a P th , con el requerimiento de una serina fosforilada unida a una prolina en una conformación específica. Pin1 también desencadena la isomerización de prolina de la proteína de unión a bucle de tallo (SLBP) , lo que le permite controlar la disociación de SLBP del ARNm de histonas. Esto permite que Pin1 afecte la degradación del ARNm de las histonas. Pin1 afecta a muchos otros genes mediante el silenciamiento génico a través de la interrupción de las vías celulares, lo que lo convierte en un gen importante en el recambio de ARNm al modular la actividad de las proteínas de unión al ARN.

Actualmente no existen compuestos que puedan imitar el enlace peptídico de la prolina con otros aminoácidos manteniendo únicamente una configuración cis o trans , ya que la mayoría de los análogos encontrados eventualmente cambian de un isómero a otro. Esto dificulta la investigación sobre el efecto directo de cada isómero en los mecanismos biológicos. ^{[ 14 ]} Además, la isomerización de la prolina es un proceso lento, lo que significa que cualquier estudio de los efectos de los diferentes isómeros de la prolina requiere mucho tiempo para completarse. ^{[ 15 ]}