Citrulinación

La citrulinación o deiminación es la conversión del aminoácido arginina de 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 libre citrulina como parte del ciclo de la urea o como subproducto de las enzimas de la familia de las sintetasas de óxido nítrico .

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

El sistema inmunológico puede atacar a las proteínas citrulinadas, lo que conduce a enfermedades autoinmunes como la artritis reumatoide (AR) y la esclerosis múltiple (EM). La fibrina y el fibrinógeno pueden ser sitios privilegiados para la desiminación de arginina dentro de las articulaciones reumatoides. La prueba de presencia de anticuerpos antiproteína citrulinada (ACP) es altamente específica (88-96%) para la artritis reumatoide, casi tan sensible como el factor reumatoide (70-78%) para el diagnóstico de AR, y son detectables incluso antes del inicio de la enfermedad clínica. ^[1]

La vimentina citrulinada puede ser un autoantígeno en la AR y otras enfermedades autoinmunes, y se utiliza para estudiar la AR. Además, los anticuerpos contra la vimentina citrulinada mutada (MCV) pueden ser útiles para monitorear los efectos de la terapia de la AR. ^[2] Un sistema ELISA utiliza vimentina citrulinada modificada genéticamente (MCV), 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 arginina se reemplaza por un átomo de oxígeno . De esta manera, se elimina la carga positiva de la arginina (a pH fisiológico), lo que altera la estructura terciaria de la proteína . La reacción utiliza una molécula de agua y produce amoníaco como subproducto:

Los PAD se encuentran en los cordados, pero no en los animales inferiores. En los mamíferos se han encontrado cinco isotipos de PAD : PAD1 , PAD2 , PAD3 , PAD4 y PAD6. ^[4] Se pensaba que PAD5 era un isotipo exclusivo de los humanos, pero se demostró que es homólogo de PAD4. ^[4] Estos isotipos difieren en términos de su distribución tisular y celular.

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

La PAD2 se expresa en un alto nivel en el sistema nervioso central (SNC), incluidos los ojos y el cerebro, así como en el músculo esquelético y el bazo. Se han encontrado transcripciones de PAD en los ojos de ratones C57BL6/J ya en el día embrionario 14,5. ^[5] También se ha demostrado que la PAD2 interactúa con la vimentina en el músculo esquelético y los macrófagos, lo que hace que los filamentos se desarmen, lo que sugiere un papel en la apoptosis . ^[4]

Uno de los sustratos diana de PAD2 es la proteína básica de mielina (MBP). En la retina normal , la desiminación se encuentra en casi todas las capas de la retina, incluidos los fotorreceptores . También se ha informado de desiminación en células neuronales, como astrocitos , microglia y oligodendrocitos , células de Schwann y neuronas . ^[6] La metilación y fosforilación de MBP están activas durante el proceso de mielinogénesis . En el desarrollo temprano del SNC del embrión, la desiminación de MBP juega un papel importante en el ensamblaje de la mielina. En adultos, la desiminación de MBP se encuentra en enfermedades de desmielinización como la esclerosis múltiple. MBP 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 reticular los filamentos de queratina, lo que dirige el crecimiento de la fibra de lana. ^[4]

PAD4 regula la expresión génica a través de modificaciones de histonas . El ADN se envuelve alrededor de las histonas, y las proteínas histonas pueden controlar la expresión del ADN cuando se añaden y eliminan grupos químicos. Este proceso se conoce como procesamiento postraduccional o modificación postraduccional, porque tiene lugar en la proteína después de que se traduce el ADN. El papel del procesamiento postraduccional en la regulación génica es el tema del creciente campo de estudio, la epigenética . Un mecanismo de modificación es la metilación . Un grupo metilo (CH3 ₎ se une a una arginina en la proteína histona, alterando la unión del ADN a la histona y permitiendo que se produzca la transcripción. Cuando PAD convierte la arginina en citrulina en una histona, bloquea la metilación adicional de la histona, inhibiendo la transcripción. ^{[8] [9]} El isotipo principal 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 a menudo atacan a las proteínas citrulinadas. La presencia de anticuerpos antiproteína citrulinada 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 inmunológico en la enfermedad autoinmune. Sin embargo, las proteínas citrulinadas también se pueden encontrar en la mucosa del colon sana . ^{[11] [12] [13] [14] [15] [16]}

El primer libro de texto completo sobre deiminación se publicó en 2014. ^[17]

Los péptidos y proteínas citrulinados se pueden detectar utilizando anticuerpos dirigidos a los residuos citrulinados, o detectarse utilizando tecnologías proteómicas basadas en espectrometría de masas . La citrulinación de la arginina da como resultado un aumento de masa monoisotópica de +0,984016 Da, que se puede medir con espectrometría de masas . El cambio de masa es cercano a la diferencia de masa entre los diferentes isótopos de péptidos de +1,008665 que se puede confundir con un péptido citrulinado, especialmente en instrumentos de baja resolución. Sin embargo, esto es un problema menor con los espectrómetros de masas modernos de alta resolución/alta precisión. Además, el cambio de masa es idéntico al cambio de masa causado por la desamidación de la cadena lateral del aminoácido asparagina o glutamina , que son modificaciones comunes.

Los residuos de citrulina se pueden modificar químicamente con butanodiona o por biotinilación antes del análisis, lo que produce un cambio de masa diferente, y esta estrategia se ha utilizado con éxito para facilitar la identificación por espectrometría de masas . ^{[18] [19]}

Otro enfoque consiste en utilizar la pérdida neutra de ácido isociánico (HNCO) de los residuos de citrulina cuando se someten a una fragmentación por disociación inducida por colisión de baja energía en espectrómetros de masas. La pérdida provoca un desplazamiento de masa de -43,0058 Da, que los espectrómetros de masas pueden utilizar para seleccionar predominantemente péptidos citrulinados para la fragmentación (secuenciación). ^{[20] [21]}

Por último, 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 para formar péptidos. Normalmente 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 fallida después de un residuo de citrulina junto con el cambio de masa correcto se puede utilizar como un marcador específico y sensible para la citrulinación, y la estrategia es compatible con los flujos de trabajo de proteómica ascendente estándar .