Proteostasis

La proteostasis es la regulación dinámica de un proteoma funcional y equilibrado . La red de proteostasis incluye vías biológicas competitivas e integradas dentro de las células que controlan la biogénesis , el plegamiento, el tráfico y la degradación de las proteínas presentes dentro y fuera de la célula. ^{[1] [2]} La pérdida de proteostasis es fundamental para comprender la causa de las enfermedades asociadas con el plegamiento y la degradación excesivos de proteínas que conducen a fenotipos de pérdida de función , ^[3] así como trastornos degenerativos asociados a la agregación. ^[4] La restauración terapéutica de la proteostasis puede tratar o resolver estas patologías. ^[5]

La proteostasis celular es clave para garantizar un desarrollo exitoso, un envejecimiento saludable , la resistencia a las tensiones ambientales y para minimizar las perturbaciones homeostáticas de patógenos como los virus . ^[2] Los mecanismos celulares para mantener la proteostasis incluyen la traducción regulada de proteínas, el plegamiento de proteínas asistido por chaperonas y las vías de degradación de proteínas. Ajustar cada uno de estos mecanismos en función de la necesidad de proteínas específicas es esencial para mantener todas las funciones celulares que dependen de un proteoma plegado correctamente .

Uno de los primeros puntos de regulación de la proteostasis se produce durante la traducción . Esta regulación se lleva a cabo a través de la estructura del ribosoma , un complejo fundamental para la traducción. Sus características determinan la forma en que se pliega la proteína e influyen en las interacciones futuras de la proteína. La síntesis de una nueva cadena peptídica utilizando el ribosoma es muy lenta; el ribosoma puede incluso detenerse cuando encuentra un codón raro , un codón que se encuentra en bajas concentraciones en la célula. ^[6] La lenta tasa de síntesis y cualquier pausa de este tipo proporcionan a un dominio proteico individual el tiempo necesario para plegarse antes de la producción de dominios posteriores. Esto facilita el plegamiento correcto de proteínas multidominio. ^[6]

La cadena peptídica recién sintetizada sale del ribosoma hacia el entorno celular a través del estrecho canal de salida del ribosoma (ancho: 10Å a 20Å, longitud 80Å). ^[6] Las características del canal de salida controlan la formación de estructuras secundarias y terciarias limitadas en la cadena naciente. Por ejemplo, una hélice alfa es una propiedad estructural que se induce comúnmente en este canal de salida. ^[7] Al mismo tiempo, el canal de salida evita el plegamiento prematuro al impedir interacciones a gran escala dentro de la cadena peptídica que requerirían más espacio.

Para mantener la homeostasis proteica postraduccionalmente, la célula hace uso de chaperonas moleculares que a veces incluyen chaperoninas , que ayudan en el ensamblaje o desensamblaje de proteínas. ^[8] Reconocen segmentos expuestos de aminoácidos hidrófobos en la cadena peptídica naciente y luego trabajan para promover la formación adecuada de interacciones no covalentes que conducen al estado plegado deseado. ^[8] Las chaperonas comienzan a ayudar en el plegamiento de proteínas tan pronto como una cadena naciente de más de 60 aminoácidos emerge del canal de salida del ribosoma. ^[9]

Uno de los chaperonas de unión a ribosomas más estudiados es el factor desencadenante. El factor desencadenante funciona para estabilizar el péptido, promueve su plegamiento, previene la agregación y promueve el replegamiento de sustratos modelo desnaturalizados. ^[10] Los experimentos de perfilado de ribosomas han demostrado que el TF se dirige predominantemente a los ribosomas que traducen proteínas de membrana externa in vivo y, además, está subrepresentado en los ribosomas que traducen proteínas de membrana interna. ^[11] El factor desencadenante no solo trabaja directamente para plegar correctamente la proteína, sino que también recluta otras chaperonas al ribosoma, como Hsp70. Hsp70 rodea una cadena peptídica desplegada, lo que evita la agregación y promueve el plegamiento. ^{[8] [9]}

Las chaperoninas son una clase especial de chaperonas que promueven el plegamiento en estado nativo al encapsular cíclicamente la cadena peptídica. ^[9] Las chaperoninas se dividen en dos grupos. Las chaperoninas del grupo 1 se encuentran comúnmente en bacterias, cloroplastos y mitocondrias. Las chaperoninas del grupo 2 se encuentran en el citosol de las células eucariotas, así como en las arqueas. ^[12] Las chaperoninas del grupo 2 también contienen un componente helicoidal adicional que actúa como tapa para la cámara de proteína cilíndrica, a diferencia del grupo 1, que en cambio depende de una cochaperona adicional para actuar como tapa. Todas las chaperoninas exhiben dos estados (abierto y cerrado), entre los cuales pueden ciclar. Este proceso de ciclado es importante durante el plegamiento de una cadena polipeptídica individual, ya que ayuda a evitar interacciones no deseadas, así como a prevenir que el péptido entre en estados atrapados cinéticamente. ^[12]

El tercer componente de la red de proteostasis es la maquinaria de degradación de proteínas. La degradación de proteínas ocurre en la proteostasis cuando las señales celulares indican la necesidad de disminuir los niveles generales de proteína celular. Los efectos de la degradación de proteínas pueden ser locales, en los que la célula solo experimenta los efectos de la pérdida de la proteína degradada, o generalizados, en los que todo el panorama proteico cambia debido a la pérdida de las interacciones de otras proteínas con la proteína degradada. ^[7]

Existen múltiples sustratos que son objetivos de la degradación proteostática. Estos sustratos degradables incluyen fragmentos de proteínas no funcionales producidos por el bloqueo ribosómico durante la traducción, proteínas mal plegadas o desplegadas, proteínas agregadas y proteínas que ya no son necesarias para llevar a cabo la función celular.

Existen varias vías diferentes para llevar a cabo estos procesos de degradación. Cuando se determina que las proteínas están desdobladas o mal plegadas, normalmente se degradan a través de la respuesta de proteína desdoblada (UPR) o la degradación de proteína asociada al retículo endoplasmático (ERAD). Los sustratos que están desdoblados, mal plegados o que ya no son necesarios para la función celular también pueden marcarse con ubiquitina para su degradación por proteasas dependientes de ATP, como el proteasoma en eucariotas o ClpXP en procariotas. La autofagia o autoengullimiento, la orientación lisosomal y la fagocitosis (engullimiento de productos de desecho por otras células) también pueden usarse como mecanismos de degradación proteostática. ^[7]

El plegamiento incorrecto de proteínas se detecta mediante mecanismos específicos del compartimento celular en el que se produce. Se han caracterizado distintos mecanismos de vigilancia que responden a las proteínas desplegadas en el citoplasma, el retículo endoplásmico y las mitocondrias. Esta respuesta actúa localmente de manera autónoma para la célula, pero también puede extenderse a la señalización intercelular para proteger al organismo del estrés proteotóxico previsto.

Las vías de respuesta al estrés celular detectan y alivian el estrés proteotóxico que se desencadena por desequilibrios en la proteostasis. La regulación autónoma de la célula se produce a través de la detección directa de proteínas mal plegadas o la inhibición de la activación de la vía mediante el secuestro de componentes activadores en respuesta al choque térmico. Las respuestas celulares a esta señalización del estrés incluyen la activación transcripcional de la expresión de chaperonas, el aumento de la eficiencia en el tráfico de proteínas y la degradación de proteínas y la reducción de la traducción.

La HSR citosólica está mediada principalmente por la familia de factores de transcripción HSF (familia de choque térmico). HSF está constitutivamente unido por Hsp90. Ante un estímulo proteotóxico, Hsp90 es reclutada fuera de HSF, que luego puede unirse a elementos de respuesta al calor en el ADN y regular positivamente la expresión génica de proteínas involucradas en el mantenimiento de la proteostasis.

La respuesta de las proteínas desplegadas en el retículo endoplasmático (RE) se activa por desequilibrios de las proteínas desplegadas dentro del RE y las proteínas que median la homeostasis proteica. Diferentes "detectores" -como IRE1, ATF6 y PERK- pueden reconocer proteínas mal plegadas en el RE y mediar respuestas transcripcionales que ayudan a aliviar los efectos del estrés del RE.

La respuesta de la proteína desplegada mitocondrial detecta desequilibrios en la estequiometría proteica de las proteínas mitocondriales y las proteínas mal plegadas. La expresión de chaperonas mitocondriales se regula positivamente mediante la activación de los factores de transcripción ATF-1 y/o DVE-1 con UBL-5.

Las respuestas al estrés también pueden desencadenarse de forma no autónoma a través de la comunicación intercelular. El estrés detectado en un tejido podría comunicarse a otros tejidos para proteger el proteoma del organismo o para regular la proteostasis sistémicamente. La activación celular no autónoma puede ocurrir para las tres respuestas al estrés.

El trabajo sobre el organismo modelo C. elegans ha demostrado que las neuronas desempeñan un papel en esta comunicación intercelular de HSR citosólico. El estrés inducido en las neuronas del gusano puede, a largo plazo, proteger otros tejidos, como los músculos y las células intestinales, de la proteotoxicidad crónica . De manera similar, el ER y la UPR mitocondrial en las neuronas se transmiten a las células intestinales. Estas respuestas sistémicas se han implicado en la mediación de la proteostasis sistémica; también influyen en el envejecimiento del organismo. ^[13]

La disfunción en la proteostasis puede surgir de errores o desregulaciones en el plegamiento de proteínas. Los ejemplos clásicos son las mutaciones sin sentido y las deleciones que modifican los parámetros termodinámicos y cinéticos del proceso de plegamiento de proteínas. ^[1] Estas mutaciones suelen ser hereditarias y varían en gravedad fenotípica desde no tener efectos perceptibles hasta la letalidad embrionaria. La enfermedad se desarrolla cuando estas mutaciones hacen que una proteína sea significativamente más susceptible al plegamiento incorrecto, la agregación y la degradación.

Si estos efectos sólo alteran la proteína mutada, las consecuencias negativas serán sólo una pérdida local de la función. Sin embargo, si estas mutaciones se producen en una chaperona o en una proteína que interactúa con muchas otras proteínas, se producirán alteraciones globales dramáticas en el límite de la proteostasis. Entre los ejemplos de enfermedades resultantes de cambios proteostáticos a causa de errores en el plegamiento de proteínas se incluyen la fibrosis quística, la enfermedad de Huntington, la enfermedad de Alzheimer, los trastornos de almacenamiento lisosomal y otros. ^[14]

Los sistemas de modelos animales pequeños han sido y siguen siendo fundamentales para la identificación de mecanismos funcionales que salvaguardan la proteostasis. Los sistemas modelo de diversas proteínas patológicas propensas al plegamiento incorrecto han revelado hasta ahora numerosos modificadores de proteotoxicidad de tipo chaperona y cochaperona . ^[15]

La división celular no regulada que caracteriza el desarrollo del cáncer requiere una mayor síntesis de proteínas para el funcionamiento y la supervivencia de las células cancerosas. Esta mayor síntesis de proteínas se observa típicamente en las proteínas que modulan el metabolismo celular y los procesos de crecimiento. Las células cancerosas a veces son susceptibles a los fármacos que inhiben las chaperonas y alteran la proteostasis, como los inhibidores de Hsp90 o los inhibidores del proteasoma . ^[1]

Además, las células cancerosas tienden a producir proteínas mal plegadas, que se eliminan principalmente por proteólisis. ^[16] Los inhibidores de la proteólisis permiten la acumulación tanto de agregados de proteínas mal plegadas como de proteínas de señalización de apoptosis en las células cancerosas. ^{[17] [18]} Esto puede cambiar la sensibilidad de las células cancerosas a los fármacos antineoplásicos; las células cancerosas mueren a una concentración menor del fármaco o sobreviven, dependiendo del tipo de proteínas que se acumulan y de la función que estas proteínas tienen. ^[19] El inhibidor del proteasoma bortezomib fue el primer fármaco de este tipo en recibir aprobación para el tratamiento del mieloma múltiple. ^[20]

Una característica distintiva de las redes proteostáticas celulares es su capacidad de adaptarse al estrés a través de la regulación de proteínas. Las enfermedades metabólicas, como las asociadas con la obesidad, alteran la capacidad de las redes de proteostasis celular para adaptarse al estrés, a menudo con efectos perjudiciales para la salud. Por ejemplo, cuando la producción de insulina excede la capacidad de secreción de insulina de la célula, se produce un colapso proteostático y la producción de chaperonas se ve gravemente afectada. Esta alteración conduce a los síntomas de la enfermedad que presentan las personas con diabetes. ^[1]

Con el tiempo, la red de proteostasis se ve sobrecargada de proteínas modificadas por especies reactivas de oxígeno y metabolitos que inducen daño oxidativo. ^[1] Estos subproductos pueden reaccionar con las proteínas celulares y causar un plegamiento incorrecto y agregación (especialmente en células que no se dividen, como las neuronas). Este riesgo es particularmente alto para las proteínas intrínsecamente desordenadas. Se ha demostrado que la vía IGFR-1 en C. elegans protege contra estos agregados dañinos, y algunos trabajos experimentales han sugerido que la regulación positiva del receptor 1 del factor de crecimiento de insulina (IGFR-1) puede estabilizar la red proteostática y prevenir los efectos perjudiciales del envejecimiento. ^[1]

La expresión del chaperoma , el conjunto de chaperonas y co-chaperonas que interactúan en una red compleja de máquinas de plegamiento molecular para regular la función del proteoma, se reprime drásticamente en cerebros humanos envejecidos y en los cerebros de pacientes con enfermedades neurodegenerativas. Los ensayos funcionales en C. elegans y células humanas han identificado una subred de chaperoma conservada de 16 genes de chaperonas, correspondientes a 28 ortólogos humanos como una protección de proteostasis en el envejecimiento y la enfermedad neurodegenerativa de inicio en la edad. ^[21]

Existen dos enfoques principales que se han utilizado para el desarrollo terapéutico dirigido a la red proteostática: chaperonas farmacológicas y reguladores de la proteostasis. El principio detrás del diseño de chaperonas farmacológicas para la intervención en enfermedades de proteostasis es diseñar moléculas pequeñas que estabilicen las proteínas que exhiben estabilidad límite.

Anteriormente, este enfoque se ha utilizado para apuntar y estabilizar los receptores acoplados a proteína G, receptores de neurotransmisores, glicosidasas, proteínas de almacenamiento lisosomal y la proteína CFTR mutante que causa fibrosis quística y transtiretina, que puede archivarse incorrectamente y agregarse dando lugar a amiloidosis. ^[1] Vertex Pharmaceuticals y Pfizer venden chaperonas farmacológicas aprobadas por la agencia reguladora para mejorar la fibrosis quística y las amiloidosis por transtiretina, respectivamente. ^[22] Amicus vende una chaperona farmacológica aprobada por la agencia reguladora para la enfermedad de Fabry, una enfermedad de almacenamiento lisosomal.

El principio detrás de los reguladores de la proteostasis es diferente. Estas moléculas alteran la biología del plegamiento y/o degradación de proteínas al alterar la estequiometría de los componentes de la red de proteostasis en un compartimento subcelular determinado. Por ejemplo, algunos reguladores de la proteostasis inician una señalización de respuesta al estrés, como la respuesta a la proteína desplegada, que reprograma transcripcionalmente la red de proteostasis del retículo endoplasmático. ^[23]

Se ha sugerido que este enfoque podría incluso aplicarse de manera profiláctica, como por ejemplo, aumentando la regulación de ciertas vías protectoras antes de experimentar un estrés celular grave previsto. Un mecanismo teórico para este enfoque incluye la regulación positiva de la respuesta de choque térmico para rescatar a las proteínas de la degradación durante el estrés celular. ^[1]

• Terapia con chaperonas moleculares