THAP4

La proteína 4 que contiene el dominio THAP es una proteína que en humanos está codificada por el gen THAP4 . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Es uno de los doce miembros conocidos de la familia de proteínas asociadas a Thanatos (THAP). Los miembros de esta familia comparten un dominio THAP N-terminal conservado, así como un módulo de unión al zinc conservado que probablemente media la unión al ADN . ^{[ 5 ] [ 8 ]} THAP4 también tiene una región C-terminal estructuralmente distinta que se une al hemo , lo cual es único entre las proteínas THAP humanas. ^{[ 9 ]}

THAP4 se considera un miembro distintivo de la familia de proteínas THAP porque su dominio C-terminal puede unirse al hemo . ^{[ 9 ]} Por lo tanto, puede ser una proteína reguladora potencial que responde a señales, probablemente sensible al óxido nítrico (NO), ^{[ 9 ]} sin embargo, sus objetivos biológicos exactos y sus funciones reguladoras aún deben observarse experimentalmente.

THAP4 es una proteína de 577 aminoácidos que contiene dos regiones distintas en su estructura: la N-terminal y la C-terminal . La región N-terminal incluye el dominio THAP, así como un módulo de unión al zinc de tipo C2CH , común a toda la familia de proteínas THAP. Este dominio tiene aproximadamente 90 residuos de longitud y se cree que ayuda a secuenciar interacciones específicas del ADN, según estudios bioquímicos relacionados con las proteínas THAP. ^{[ 5 ] [ 8 ]}

El dominio THAP en sí mismo muestra una arquitectura conservada construida alrededor de átomos de zinc coordinados que estabilizan su plegamiento. Residuos clave dentro del motivo C2CH sirven como ligandos para el zinc, lo que permite que el dominio mantenga la conformación necesaria para el reconocimiento preciso del ADN. ^{[ 8 ]} Estudios estructurales de otras proteínas THAP, como THAP1, indican que el dominio THAP a menudo se une a secuencias de ADN cortas y específicas y puede participar en la regulación de genes asociados con la progresión del ciclo celular y la apoptosis . ^{[ 5 ] [ 8 ]} Aunque aún no se dispone de evidencia bioquímica directa de los objetivos de ADN de THAP4, la alta conservación del dominio THAP sugiere fuertemente que el gen THAP4 conserva las propiedades de unión al ADN observadas en proteínas relacionadas. ^{[ 5 ] [ 8 ]}

La región C-terminal de THAP4 forma una estructura compacta de barril β capaz de unirse a una molécula de hemo. El análisis estructural muestra que el hemo se ubica dentro de una cavidad hidrofóbica y está coordinado por un residuo de histidina conservado (His567). Esta región se asemeja mucho a las proteínas nitrobininas de las plantas, que también se unen al hemo, y el dominio C-terminal de THAP4 forma un dímero similar a la nitrobinina en estudios cristalográficos. ^{[ 8 ]} Dado que ninguna otra proteína THAP humana posee este tipo de dominio, THAP4 es el único miembro conocido de la familia que se une a un cofactor de esta manera. ^{[ 8 ]}

La estructura del barril β en la región C-terminal crea un entorno para la estabilización del hemo, y el posicionamiento de His567 como ligando axial del hierro del hemo muestra paralelismos con otras proteínas de unión al hemo involucradas en la regulación redox y la detección de ligandos gaseosos. ^{[ 9 ]} En la estructura cristalina, dos unidades C-terminales de THAP4 se asocian para formar un dímero, con los bolsillos de unión al hemo orientados de una manera que puede facilitar la unión cooperativa del ligando o la comunicación estructural entre las dos subunidades. Esta organización dimérica de THAP4 refleja el comportamiento de la nitrobinina, una proteína vegetal conocida por unirse al óxido nítrico (NO), y refuerza la hipótesis de que THAP4 podría interactuar con NO o moléculas relacionadas en condiciones fisiológicas. Los residuos que forman la cavidad de unión al hemo incluyen residuos de bolsillo hidrofóbicos y ligandos de histidina. En alineaciones entre especies, estos residuos se conservan en todos los ortólogos de THAP4 de vertebrados. Esto demuestra que la unión al hemo es una propiedad crítica de la proteína. ^{[ 9 ]}

Además de su capacidad de unión al hemo, este dominio presenta varios residuos superficiales conservados que podrían interactuar con otras proteínas o ácidos nucleicos, aunque no se han identificado experimentalmente socios de unión directos. La presencia de parches superficiales tanto hidrofóbicos como hidrofílicos muestra un potencial para la interacción proteína-proteína regulada, lo que podría afectar la actividad de THAP4 en respuesta a condiciones celulares como cambios redox o estrés oxidativo. ^{[ 9 ]}

Aún no se ha establecido completamente la función bioquímica de THAP4, pero a partir de su estructura se pueden inferir varias posibilidades funcionales. El dominio THAP N-terminal sugiere una capacidad de unión al ADN que participa en la regulación transcripcional , lo cual se ha observado en otros miembros de la familia de proteínas THAP. ^{[ 5 ] [ 8 ]} Esto se debe a que se ha demostrado experimentalmente que este dominio se une a motivos de ADN específicos de manera dependiente del zinc en otras proteínas THAP (como THAP1). ^{[ 5 ]}

Dado que los dominios THAP en otras proteínas similares participan frecuentemente en la regulación de genes vinculados a la proliferación, la apoptosis y las respuestas al estrés celular, sería comprensible que THAP4 también pudiera actuar en una o más de estas vías. Las proteínas THAP en general se han relacionado con el control de la transcripción, ya sea mediante la unión directa a regiones promotoras o mediante interacciones con complejos modificadores de la cromatina más grandes. ^{[ 10 ]} Dada la estructura de dominios y el perfil de expresión de THAP4, su potencial función reguladora podría ser particularmente relevante en tejidos con alta actividad metabólica o de desarrollo, como el testículo, donde esta proteína se expresa fuertemente. ^{[ 10 ]}

El dominio de unión al hemo en el extremo C-terminal implica que THAP4 podría responder a señales oxidativas o asociadas al hemo. La similitud estructural de este dominio con la nitromindina, una proteína conocida por unirse al NO, sugiere la posibilidad de que THAP4 participe en la detección o respuesta al óxido nítrico u otras moléculas reactivas más pequeñas. ^{[ 9 ]}

Además del óxido nítrico, las proteínas de unión al hemo suelen responder a cambios en los estados redox celulares y al estrés oxidativo. Esto podría explicar cómo THAP4 actúa como un sensor molecular que transmite señales ambientales o metabólicas al núcleo. Si la unión del ligando o los cambios redox influyen en la conformación del dominio THAP, THAP4 podría funcionar como un factor de transcripción condicional cuya unión al ADN/actividad reguladora cambia según el estado oxidativo celular. Aunque esto aún debe comprobarse, las proteínas reguladoras de doble dominio como esta están bien documentadas en familias de proteínas similares y proporcionan un modelo convincente para la función biológica de THAP4. ^{[ 9 ]}

Una hipótesis principal plantea que la región de unión al hemo proporciona una vía por la cual THAP4 podría actuar como un factor regulador sensible al redox/óxido nítrico, que combinaría la unión del ligando con la actividad reguladora del dominio THAP. Sin embargo, hasta el momento, no se han confirmado experimentalmente dianas de unión directa al ADN ni vías de señalización que involucren directamente a THAP4. ^{[ 9 ]}

Otras especulaciones funcionales surgen también de los patrones de expresión conservados de THAP4. En mamíferos, la expresión de THAP4 es detectable en muchos tejidos, pero se encuentra enriquecida en el testículo, un tejido que experimenta una rápida renovación celular y fluctuaciones redox durante la espermatogénesis. ^{[ 10 ]} Estas condiciones podrían convertir a THAP4 en un importante modulador de las respuestas al estrés o de la señal de desarrollo en las células germinales. De manera similar, la regulación positiva observada de THAP4 en condiciones de choque térmico en algunas células sugiere que THAP4 podría desempeñar un papel en la coordinación de las respuestas transcripcionales al estrés celular agudo, actuando esencialmente como un mediador descendente de los cambios metabólicos inducidos por el calor que afectan el equilibrio hemo o redox. ^{[ 10 ]}

Estudios en roedores y análisis de expresión en humanos muestran que THAP4 se expresa ampliamente en los testículos, con niveles detectables en muchos tejidos somáticos. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Además, en algunos entornos experimentales, se ha observado que la expresión de THAP4 aumenta en condiciones de choque térmico, así como en ciertos estados celulares relacionados con el estrés, aunque la importancia fisiológica exacta de esta regulación no se ha caracterizado oficialmente. ^{[ 10 ]}

Más específicamente, estudios en roedores indican que el ARNm de THAP4 se expresa fuertemente en el testículo durante el desarrollo posnatal, un período en el que tiene lugar una extensa proliferación y diferenciación de células germinales. La expresión también es detectable en órganos como el corazón, el hígado y el timo, pero a niveles mucho más bajos. ^{[ 10 ]} El patrón de expresión generalizado pero variable muestra que THAP4 probablemente desempeña una función celular generalizada que puede modularse de manera específica en cada tejido. En el testículo, la alta expresión podría reflejar la participación en el mantenimiento de las células germinales o en la biología de las células de Sertoli, mientras que en condiciones de estrés, como el choque térmico, la expresión elevada podría reflejar una respuesta celular protectora o adaptativa. ^{[ 10 ]}

Además, el dominio de unión al hemo se asemeja a proteínas implicadas en la señalización del óxido nítrico y, por ello, los niveles de expresión de THAP4 podrían fluctuar en condiciones asociadas con inflamación y disfunción mitocondrial, aunque esto no se ha documentado experimentalmente. Futuros estudios transcriptómicos y proteómicos podrían aclarar hasta qué punto la expresión de THAP4 responde a estímulos ambientales o metabólicos. ^{[ 9 ]}

Una mutación espontánea en ratas conocida como pet/pet o petit presenta una deleción de 2 pb en el exón 2 del gen THAP4. ^{[ 10 ]} Esta mutación produce posteriormente un cambio en el marco de lectura que conduce a la terminación prematura de la proteína THAP4. Esto eliminó la mayor parte de la región C-terminal, incluido el dominio de unión al hemo. ^{[ 10 ]} Se ha descubierto que las ratas que tienen esta mutación presentan enanismo, que es evidente al nacer y suele ser fatal. Además, se han encontrado defectos testiculares como testículos más pequeños y degeneración de los túbulos seminíferos. Otro defecto que puede surgir de esta mutación es una reducción del tamaño del timo o hipoplasia tímica. ^{[ 10 ]} Debido a esto, se muestra que THAP4 es al menos parcialmente responsable del crecimiento posnatal, el desarrollo testicular normal y el tamaño del timo en ratas.

Además de estos fenotipos, las ratas afectadas mostraron tasas de supervivencia variables según el trasfondo genético, lo que podría sugerir que la función de THAP4 puede interactuar con genes modificadores o vías relacionadas con el estrés. El análisis histológico reveló que los túbulos seminíferos en ratas mutantes a menudo carecían por completo de células germinales. ^{[ 10 ]} En cambio, contenían células de Sertoil, lo que se asemeja al síndrome de solo células de Sertoil (SCOS) en humanos. Otros túbulos mostraron espermatogénesis parcial, pero con un diámetro reducido, lo que indica que la integridad estructural de los túbulos estaba comprometida. La hipoplasia tímica se asoció con un aumento de la apoptosis y vías en los tejidos inmunitarios en desarrollo. En conjunto, estos hallazgos demuestran un amplio requerimiento de THAP4 para el soporte del crecimiento normal y el desarrollo de órganos inmunitarios en ratas. ^{[ 10 ]}

Los modelos de ratón knockout son animales modificados genéticamente en los que se ha inactivado o "eliminado" un gen para estudiar su función. Este modelo se aplicó al gen THAP4 para estudiar su efecto en diferentes organismos modelo. La eliminación del exón 2 del gen THAP4 del ratón produjo animales knockout homocigotos viables, pero tanto machos como hembras mostraron un tamaño corporal reducido en comparación con los ratones de tipo silvestre. ^{[ 10 ]} Los machos, en particular, mostraron una expresión similar a la de la rata mascota, con un tamaño testicular significativamente menor y degeneración de los túbulos seminíferos. Además, se observó una pérdida de células germinales y algunas anomalías estructurales, como el desplazamiento celular hacia la luz y la alteración de los microtúbulos . En conjunto, estas observaciones demuestran que THAP4 participa en el mantenimiento de los túbulos seminíferos, así como en el crecimiento y la organización tisular en mamíferos. ^{[ 10 ]}

Estudios adicionales en ratones indican que, si bien algunos animales knockout sobreviven hasta la edad adulta, presentan un retraso en la progresión del desarrollo y diferencias significativas en el tamaño y la morfología corporal. ^{[ 10 ]} En los machos knockout, el desarrollo testicular refleja fielmente el de los mutantes de rata como pet/pet, lo que respalda aún más un requisito conservado de THAP4 en el desarrollo reproductivo masculino en roedores. Curiosamente, a diferencia de los mutantes de rata, los ratones macho knockout mostraron un tamaño de timo mayor en relación con los controles (ratones adultos), lo que sugiere una posible diferencia específica de especie en el papel de THAP4 en la homeostasis del tejido inmunitario . ^{[ 9 ] [ 10 ]} A pesar de los pronunciados defectos testiculares, los machos knockout de THAP4 permanecieron fértiles, aunque con un diámetro de túbulo seminífero significativamente reducido y una pérdida continua de células germinales. Estos resultados apuntan a una alteración parcial de la espermatogénesis en lugar de una infertilidad completa. En conjunto, los modelos de roedores muestran consistentemente que THAP4 desempeña un papel en la estructura testicular adecuada, el crecimiento somático y el mantenimiento de las células germinales. Los organismos modelo en este estudio reforzaron la posible importancia biológica de THAP4. ^{[ 10 ]}