Fosforilación de proteínas
Proceso de introducción de un grupo fosfato en una proteína.
Modelo de un residuo de serina fosforilado
Serina en una cadena de aminoácidos, antes y después de la fosforilación.

La fosforilación de proteínas es una modificación postraduccional reversible de las proteínas en la que un residuo de aminoácido es fosforilado por una proteína quinasa mediante la adición de un grupo fosfato unido covalentemente. La fosforilación altera la conformación estructural de una proteína, provocando que se active, desactive o modifique de otro modo su función. [1] Aproximadamente 13.000 proteínas humanas tienen sitios que están fosforilados. [2]

La reacción inversa de la fosforilación se denomina desfosforilación y está catalizada por las fosfatasas proteínicas . Las fosfatasas proteínicas y las quinasas trabajan de forma independiente y en equilibrio para regular la función de las proteínas. [3]

Los aminoácidos más comúnmente fosforilados son serina , treonina , tirosina e histidina . [4] [5] Estas fosforilaciones desempeñan papeles importantes y bien caracterizados en las vías de señalización y el metabolismo. Sin embargo, otros aminoácidos también pueden fosforilarse postraduccionalmente, incluyendo arginina , lisina , ácido aspártico , ácido glutámico y cisteína , y se ha identificado que estos aminoácidos fosforilados están presentes en extractos de células humanas y células humanas fijadas utilizando una combinación de análisis basado en anticuerpos (para pHis) y espectrometría de masas (para todos los demás aminoácidos). [5] [6] [7] [8]

La fosforilación de proteínas fue reportada por primera vez en 1906 por Phoebus Levene en el Instituto Rockefeller de Investigación Médica con el descubrimiento de la vitelina fosforilada . [9] Sin embargo, pasaron casi 50 años hasta que se descubrió la fosforilación enzimática de proteínas por las proteínas quinasas. [10]

Historia

En 1906, Phoebus Levene en el Instituto Rockefeller de Investigación Médica identificó fosfato en la proteína vitelina (fosvitina) [9] y en 1933 había detectado fosfoserina en caseína , con Fritz Lipmann. [11] Sin embargo, pasaron otros 20 años antes de que Eugene P. Kennedy describiera la primera "fosforilación enzimática de proteínas". [10] La primera enzima fosforilasa fue descubierta por Carl y Gerty Cori a fines de la década de 1930. Carl y Gerty Cori encontraron dos formas de glucógeno fosforilasa que denominaron A y B, pero no entendieron correctamente el mecanismo de conversión de la forma B a la forma A. La interconversión de la fosforilasa b a la fosforilasa a fue descrita más tarde por Edmond Fischer y Edwin Krebs , así como por Wosilait y Sutherland , que involucra un mecanismo de fosforilación/desfosforilación. [12] Se descubrió que una enzima, llamada fosforilasa quinasa y Mg-ATP eran necesarios para fosforilar la glucógeno fosforilasa ayudando en la transferencia del grupo γ-fosforilo del ATP a un residuo de serina en la fosforilasa b. La proteína fosfatasa 1 es capaz de catalizar la desfosforilación de las enzimas fosforiladas eliminando el grupo fosfato. Earl Sutherland explicó en 1950 que la actividad de la fosforilasa aumentaba y, por lo tanto, se estimulaba la glucogenólisis cuando se incubaban cortes de hígado con adrenalina y glucagón. La fosforilación se consideró un mecanismo de control específico para una vía metabólica hasta la década de 1970, cuando Lester Reed descubrió que el complejo de piruvato deshidrogenasa mitocondrial se inactivaba por fosforilación. También en la década de 1970, se acuñó el término fosforilación multisitio en respuesta al descubrimiento de proteínas que son fosforiladas en dos o más residuos por dos o más quinasas. En 1975, se demostró que las proteínas quinasas dependientes de AMPc fosforilan residuos de serina en motivos de secuencia de aminoácidos específicos. Ray Erikson descubrió que v-Src era una quinasa y Tony Hunter descubrió que v-Src fosforilaba residuos de tirosina en proteínas en la década de 1970. [13] A principios de la década de 1980, se determinó la secuencia de aminoácidos de la primera proteína quinasa, lo que ayudó a los genetistas a comprender las funciones de los genes reguladores. A finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, se purificó la primera proteína tirosina fosfatasa (PTP1B) y se logró el descubrimiento y la clonación de las quinasas JAK , lo que llevó a muchos en la comunidad científica a denominar la década de 1990 como la década de las cascadas de proteína quinasas. [14][15] Edmond Fischer y Edwin Krebs recibieron el premio Nobel en 1992 "por sus descubrimientos sobre la fosforilación reversible de proteínas como mecanismo regulador biológico". [16]

Abundancia

La fosforilación reversible de proteínas es abundante tanto en organismos procariotas como, más aún, en eucariotas . [17] [18] [19] [20] Por ejemplo, se cree que en las bacterias entre el 5 y el 10 % de todas las proteínas están fosforiladas. [21] [22] Por el contrario, se estima que un tercio de todas las proteínas humanas están fosforiladas en cualquier momento, con 230 000, 156 000 y 40 000 sitios de fosforilación únicos existentes en humanos, ratones y levaduras, respectivamente. [2] En la levadura, alrededor de 120 quinasas (de un total de ~6000 proteínas) causan 8814 eventos de fosforilación regulada conocidos, generando alrededor de 3600 fosfoproteínas (alrededor del 60 % de todas las proteínas de levadura). [23] [24] Por lo tanto, la fosforilación es un mecanismo regulador universal que afecta a una gran parte de las proteínas. Incluso si una proteína no está fosforilada, sus interacciones con otras proteínas pueden estar reguladas por la fosforilación de estas proteínas interactuantes.

Mecanismos y funciones de la fosforilación

La fosforilación introduce un grupo cargado e hidrófilo en la cadena lateral de aminoácidos, lo que posiblemente cambie la estructura de una proteína al alterar las interacciones con los aminoácidos cercanos. Algunas proteínas, como p53 , contienen múltiples sitios de fosforilación, lo que facilita una regulación compleja de múltiples niveles. Debido a la facilidad con la que las proteínas pueden ser fosforiladas y desfosforiladas, este tipo de modificación es un mecanismo flexible para que las células respondan a señales externas y condiciones ambientales. [25]

Las quinasas fosforilan proteínas y las fosfatasas desfosforilan proteínas. Muchas enzimas y receptores se activan o desactivan mediante fosforilación y desfosforilación. La fosforilación reversible produce un cambio conformacional en la estructura de muchas enzimas y receptores , lo que hace que se activen o desactiven. La fosforilación generalmente ocurre en residuos de serina , treonina , tirosina e histidina en proteínas eucariotas. La fosforilación de histidina de proteínas eucariotas parece ser mucho más frecuente que la fosforilación de tirosina. [26] En las proteínas procariotas, la fosforilación ocurre en los residuos de serina, treonina, tirosina, histidina, arginina o lisina. [17] [18] [26] [27] La ​​adición de una molécula de fosfato (PO 4 3- ) a un grupo R no polar de un residuo de aminoácido puede convertir una porción hidrofóbica de una proteína en una porción polar y extremadamente hidrofílica de una molécula. De esta manera, la dinámica de proteínas puede inducir un cambio conformacional en la estructura de la proteína a través de alosterio de largo alcance con otros residuos hidrofóbicos e hidrofílicos en la proteína.

Un ejemplo de la función reguladora que desempeña la fosforilación es la proteína supresora de tumores p53 . La proteína p53 está muy regulada [28] y contiene más de 18 sitios de fosforilación diferentes. La activación de p53 puede provocar la detención del ciclo celular, que puede revertirse en algunas circunstancias, o la muerte celular apoptótica [29] . Esta actividad se produce solo en situaciones en las que la célula está dañada o la fisiología está alterada en individuos sanos normales.

Tras la señal de desactivación, la proteína se desfosforila nuevamente y deja de funcionar. [30] [ cita requerida ] Este es el mecanismo presente en muchas formas de transducción de señales , por ejemplo, la forma en que la luz entrante se procesa en las células sensibles a la luz de la retina .

Las funciones reguladoras de la fosforilación incluyen:

  • Termodinámica biológica de reacciones que requieren energía
  • Media la inhibición enzimática.
    • Fosforilación de la enzima GSK-3 por AKT (proteína quinasa B) como parte de la vía de señalización de la insulina. [31]
    • La fosforilación de la tirosina quinasa src (pronunciada "sarc") por la quinasa Src C-terminal (Csk) induce un cambio conformacional en la enzima, lo que resulta en un pliegue en la estructura, que enmascara su dominio quinasa y, por lo tanto, se "apaga". [32]

Transporte por membrana

Degradación de proteínas

Regulación enzimática (activación e inhibición)

  • El primer ejemplo de regulación de proteínas por fosforilación que se descubrió fue la glucógeno fosforilasa . Eddie Fisher y Ed Krebs describieron cómo la fosforilación de la glucógeno fosforilasa b la convertía en la glucógeno fosforilasa a activa. Pronto se descubrió que la glucógeno sintasa, otra enzima metabólica, se inactiva por fosforilación. [35]
  • Fosforilación de la enzima GSK-3 por AKT (proteína quinasa B) como parte de la vía de señalización de la insulina. [31]
  • La fosforilación de la tirosina quinasa Src por la quinasa Src C-terminal inactiva a Src al inducir un cambio conformacional que enmascara su dominio quinasa. [32]
  • La fosforilación de las histonas H2AX en la serina 139, dentro de dos millones de bases (0,03 % de la cromatina) que rodean una rotura de doble cadena en el ADN, es necesaria para la reparación de la rotura de doble cadena. [36] La fosforilación de la metilpurina ADN glicosilasa en la serina 172 es necesaria para la reparación por escisión de bases del daño de las bases alquiladas. [37]

Interacciones proteína-proteína

  • La fosforilación de los componentes citosólicos de la NADPH oxidasa , una gran enzima multiproteica unida a la membrana presente en las células fagocíticas , desempeña un papel importante en la regulación de las interacciones proteína-proteína en la enzima. [38]
  • Importante en la degradación de proteínas.
    • A fines de la década de 1990, se reconoció que la fosforilación de algunas proteínas hace que sean degradadas por la vía ubiquitina /proteasoma dependiente de ATP. Estas proteínas diana se convierten en sustratos para determinadas ligasas de ubiquitina E3 solo cuando son fosforiladas.

Redes de señalización

La elucidación de eventos de fosforilación de vías de señalización complejas puede ser difícil. En las vías de señalización celular, la proteína A fosforila a la proteína B y la B fosforila a la C. Sin embargo, en otra vía de señalización, la proteína D fosforila a A o fosforila a la proteína C. Se han utilizado enfoques globales como la fosfoproteómica , el estudio de las proteínas fosforiladas, que es una subrama de la proteómica , combinada con la proteómica basada en espectrometría de masas , para identificar y cuantificar los cambios dinámicos en las proteínas fosforiladas a lo largo del tiempo. Estas técnicas son cada vez más importantes para el análisis sistemático de redes de fosforilación complejas. [39] Se han utilizado con éxito para identificar cambios dinámicos en el estado de fosforilación de más de 6000 sitios después de la estimulación con factor de crecimiento epidérmico . [40] Otro enfoque para comprender la red de fosforilación es medir las interacciones genéticas entre múltiples proteínas fosforilantes y sus objetivos. Esto revela patrones recurrentes interesantes de interacciones: motivos de red. [41] Se han desarrollado métodos computacionales para modelar redes de fosforilación [42] [43] y predecir sus respuestas bajo diferentes perturbaciones. [44]

Fosforilación de histonas

El ADN eucariota se organiza con proteínas histonas en complejos específicos llamados cromatina. La estructura de la cromatina funciona y facilita el empaquetamiento, la organización y la distribución del ADN eucariota. Sin embargo, tiene un impacto negativo en varios procesos biológicos fundamentales como la transcripción, la replicación y la reparación del ADN al restringir la accesibilidad de ciertas enzimas y proteínas. Se ha demostrado que la modificación postraduccional de las histonas, como la fosforilación de histonas, modifica la estructura de la cromatina al cambiar las interacciones proteína:ADN o proteína:proteína. [45] Las modificaciones postraduccionales de las histonas modifican la estructura de la cromatina. La fosforilación de histonas más comúnmente asociada ocurre durante las respuestas celulares al daño del ADN, cuando la histona H2A fosforilada separa grandes dominios de cromatina alrededor del sitio de rotura del ADN. [46] Los investigadores investigaron si las modificaciones de las histonas impactan directamente en la transcripción dirigida por la ARN polimerasa II. Los investigadores eligieron proteínas que se sabe que modifican las histonas para probar sus efectos sobre la transcripción, y descubrieron que la quinasa inducida por estrés, MSK1, inhibe la síntesis de ARN. La inhibición de la transcripción por MSK1 fue más sensible cuando la plantilla estaba en la cromatina, ya que las plantillas de ADN que no estaban en la cromatina eran resistentes a los efectos de MSK1. Se demostró que MSK1 fosforilaba la histona H2A en la serina 1, y la mutación de la serina 1 a alanina bloqueaba la inhibición de la transcripción por MSK1. Por lo tanto, los resultados sugirieron que la acetilación de las histonas puede estimular la transcripción al suprimir una fosforilación inhibidora por una quinasa como MSK1. [47]

Quinasas

Dentro de una proteína, la fosforilación puede ocurrir en varios aminoácidos . Se cree que la fosforilación en serina es la más común, seguida de la treonina. La fosforilación de tirosina es relativamente rara, pero se encuentra a la cabeza de muchas vías de señalización de fosforilación de proteínas (por ejemplo, en receptores vinculados a la tirosina quinasa) en la mayoría de los eucariotas. La fosforilación en aminoácidos, como serina, treonina y tirosina, da como resultado la formación de una fosfoproteína, cuando el grupo fosfato de la fosfoproteína reacciona con el grupo -OH de una cadena lateral Ser, Thr o Tyr en una reacción de esterificación . [48] Sin embargo, dado que las proteínas fosforiladas en tirosina son relativamente fáciles de purificar utilizando anticuerpos , los sitios de fosforilación de tirosina se comprenden relativamente bien. La fosforilación de histidina y aspartato ocurre en procariotas como parte de la señalización de dos componentes y, en algunos casos, en eucariotas en algunas vías de transducción de señales. El análisis de la histidina fosforilada utilizando métodos bioquímicos y espectrométricos de masas estándar es mucho más desafiante que el de Ser, Thr o Tyr. [49] [7] [5] y [50] En procariotas, arqueas y algunos eucariotas inferiores, el nitrógeno de la histidina actúa como un nucleófilo y se une a un grupo fosfato. [51] Una vez que la histidina se fosforila, el dominio regulador del regulador de respuesta cataliza la transferencia del fosfato al aspartato.

Receptores de tirosina quinasas

La tirosina quinasa del receptor AXL, que muestra la simetría de los receptores dimerizados

Si bien la fosforilación de tirosina se encuentra en una abundancia relativamente baja, se ha estudiado en profundidad debido a la facilidad de purificación de la fosfotirosina mediante anticuerpos. Las tirosina quinasas receptoras son una familia importante de receptores de la superficie celular que participan en la transducción de señales extracelulares, como hormonas, factores de crecimiento y citocinas. La unión de un ligando a una tirosina quinasa receptora monomérica estabiliza las interacciones entre dos monómeros para formar un dímero , después de lo cual los dos receptores unidos fosforilan los residuos de tirosina en trans . La fosforilación y activación del receptor activa una vía de señalización a través de la actividad enzimática y las interacciones con proteínas adaptadoras. [52] La señalización a través del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) , una tirosina quinasa receptora, es fundamental para el desarrollo de múltiples sistemas orgánicos, incluidos la piel, los pulmones, el corazón y el cerebro. La señalización excesiva a través de la vía del EGFR se encuentra en muchos cánceres humanos. [53]

Quinasas dependientes de ciclina

Las quinasas dependientes de ciclina (CDK) son quinasas de serina-treonina que regulan la progresión a través del ciclo celular eucariota . Las CDK son catalíticamente activas solo cuando se unen a una ciclina reguladora . Las células animales contienen al menos nueve CDK distintas que se unen a varias ciclinas con considerable especificidad. Los inhibidores de CDK (CKI) bloquean la actividad de la quinasa en el complejo ciclina-CDK para detener el ciclo celular en G1 o en respuesta a señales ambientales o daño del ADN. La actividad de diferentes CDK activa vías de señalización celular y factores de transcripción que regulan eventos clave en la mitosis, como la transición de fase G1/S. Los complejos ciclina-CDK anteriores proporcionan la señal para activar los complejos ciclina-CDK posteriores. [54]

Sitios

Hay miles de sitios de fosforilación distintos en una célula determinada ya que:

  1. Hay miles de proteínas en cualquier célula particular.
  2. Se estima que entre 1/10 y 1/2 de las proteínas están fosforiladas en algún estado celular.
  3. Entre el 30 y el 65 % de las proteínas en humanos y aproximadamente el 50 % de las proteínas en levaduras pueden estar fosforiladas. [15] [2]
  4. Se estima que existen 230.000, 156.000 y 40.000 sitios de fosforilación en humanos, ratones y levaduras, respectivamente. [2]
  5. La fosforilación a menudo ocurre en múltiples sitios distintos de una proteína determinada.

Dado que la fosforilación de cualquier sitio de una proteína determinada puede cambiar la función o la localización de esa proteína, para comprender el "estado" de una célula es necesario conocer el estado de fosforilación de sus proteínas. Por ejemplo, en general, si el aminoácido serina-473 de la proteína AKT está fosforilado, AKT es funcionalmente activa como quinasa, y si no está fosforilado, AKT es una quinasa inactiva.

Los sitios de fosforilación son cruciales para las proteínas y su transporte y funciones. Son la modificación covalente de las proteínas a través de la fosforilación reversible. Esto permite que las proteínas permanezcan dentro de una célula ya que el sitio fosforilado negativo impide su permeabilidad a través de la membrana celular. La desfosforilación de proteínas permite que la célula reponga fosfatos a través de la liberación de pirofosfatos , lo que ahorra el uso de ATP en la célula. [55] Un ejemplo de enzima fosforilante se encuentra en la bacteria E. coli . Posee fosfatasa alcalina en su región periplásmica de su membrana. La membrana más externa es permeable a las moléculas fosforiladas, sin embargo, la membrana citoplasmática interna es impermeable debido a las grandes cargas negativas. [56] De esta manera, la bacteria E. coli almacena proteínas y pirofosfatos en su membrana periplásmica hasta que cualquiera de ellos sea necesario dentro de la célula.

Los recientes avances en la identificación fosfoproteómica han dado como resultado el descubrimiento de innumerables sitios de fosforilación en proteínas. Esto requirió un medio integrador para datos accesibles en los que se organizaran los sitios de fosforilación conocidos de las proteínas. Se creó una base de datos curada de dbPAF, que contiene sitios de fosforilación conocidos en H. sapiens , M. musculus , R. norvegicus , D. melanogaster , C. elegans , S. pombe y S. cerevisiae . La base de datos actualmente contiene 294.370 sitios de fosforilación no redundantes de 40.432 proteínas. [57] Otras herramientas de predicción de la fosforilación en proteínas incluyen NetPhos [58] para eucariotas, NetPhosBac [58] para bacterias y ViralPhos [59] para virus.

Serina y treonina

Hay una gran variedad de residuos de serina y la fosforilación de cada residuo puede tener diferentes consecuencias metabólicas.

  • La proteína quinasa N1 es responsable de la fosforilación del factor asociado al receptor de TNF (TRAF1) en la serina 139 en condiciones específicas. La TRAF1 murina también es fosforilada por la misma quinasa, lo que conduce al silenciamiento de la actividad de IKK/NF-κB. La eliminación de la fosforilación en la serina 139 se puede lograr mediante el reemplazo de TRAF1 con un residuo de alanina, lo que conduce en consecuencia a un mejor reclutamiento de TBK1. [60]
  • En el residuo de serina 789, el FGFR1 es fosforilado por RSK2 cuando la quinasa está en su forma activa. Las capacidades de señalización del FGFR1 en el sitio de serina 777 pueden verse debilitadas por la fosforilación. La serina 1047 y la serina 1048 se han relacionado con la disminución de la afinidad de unión de la ubiquitina ligasa c-Cbl a EFGR cuando están fosforiladas. [61]
  • Cuando se fosforila la serina 349, se fortalece la afinidad de unión entre el complejo proteico p62 y la proteína Keap1, lo que está vinculado a la respuesta al estrés. [62]
  • Cuando la serina 337 es fosforilada por la proteína quinasa A in vitro, la eficiencia de unión al ADN de la subunidad p50 de NF-κB aumenta considerablemente. [63]

Se sabe que la fosforilación de residuos de serina y treonina interactúa con la modificación de residuos de serina y treonina con O -GlcNAc .

Tirosina

La fosforilación de tirosina es una reacción rápida y reversible, y uno de los principales mecanismos reguladores en la transducción de señales . El crecimiento celular , la diferenciación , la migración y la homeostasis metabólica son procesos celulares mantenidos por la fosforilación de tirosina. La función de las proteínas tirosina quinasas y la proteína tirosina fosfatasa contrarresta el nivel de fosfotirosina en cualquier proteína. El mal funcionamiento de cadenas específicas de proteínas tirosina quinasas y proteína tirosina fosfatasa se ha relacionado con múltiples enfermedades humanas como la obesidad , la resistencia a la insulina y la diabetes mellitus tipo 2. [64] La fosforilación de tirosina ocurre en eucariotas, especies bacterianas seleccionadas y está presente entre procariotas. La fosforilación de tirosina mantiene la regulación celular en bacterias similar a su función en eucariotas. [65]

Arginina

La fosforilación de arginina en muchas bacterias Gram positivas marca las proteínas para su degradación por una proteasa Clp . [34]

Fosforilación no canónica de His, Asp, Cys, Glu, Arg y Lys en células humanas

La fosforilación generalizada de proteínas humanas ocurre en múltiples aminoácidos no canónicos, incluidos los motivos que contienen histidina fosforilada (posiciones 1 y 3), aspartato, cisteína, glutamato, arginina y lisina en extractos de células HeLa. Debido a la labilidad química y térmica de estos residuos fosforilados, se requieren procedimientos especiales y técnicas de separación para la conservación junto con la fosforilación "clásica" termoestable de Ser, Thr y Tyr. [66]

Detección y caracterización

Los anticuerpos pueden utilizarse como una herramienta poderosa para detectar si una proteína está fosforilada en un sitio en particular. Los anticuerpos se unen a la proteína y detectan los cambios conformacionales inducidos por la fosforilación. Estos anticuerpos se denominan anticuerpos fosfoespecíficos; en la actualidad existen cientos de ellos y se están convirtiendo en reactivos críticos tanto para la investigación básica como para el diagnóstico clínico.

Ejemplo de modificación postraduccional detectada en un gel 2D (límites de puntos delimitados por software de análisis, identificación por espectrometría de masas, P46462 es el identificador de proteína en Expasy)

Las isoformas de modificación postraduccional (PTM) se detectan fácilmente en geles 2D . De hecho, la fosforilación reemplaza los grupos hidroxilo neutros en serinas, treoninas o tirosinas con fosfatos cargados negativamente con pK cerca de 1,2 y 6,5. Por lo tanto, por debajo de pH 5,5, los fosfatos agregan una sola carga negativa; cerca de pH 6,5, agregan 1,5 cargas negativas; por encima de pH 7,5, agregan 2 cargas negativas. La cantidad relativa de cada isoforma también se puede determinar fácil y rápidamente a partir de la intensidad de tinción en geles 2D.

En algunos casos muy específicos, la detección de la fosforilación como un cambio en la movilidad electroforética de la proteína es posible en geles SDS-PAGE unidimensionales simples, como se describe, por ejemplo, para un coactivador transcripcional por Kovacs et al. [67]. Se cree que los fuertes cambios conformacionales relacionados con la fosforilación (que persisten en soluciones que contienen detergente) subyacen a este fenómeno. La mayoría de los sitios de fosforilación para los que se ha descrito un cambio de movilidad de este tipo caen en la categoría de sitios SP y TP (es decir, un residuo de prolina sigue al residuo de serina o treonina fosforilado).

Los análisis de espectrometría de masas a gran escala se han utilizado para determinar los sitios de fosforilación de proteínas. Se han publicado docenas de estudios, cada uno de los cuales identifica miles de sitios, muchos de los cuales no se habían descrito anteriormente. [68] [69] La espectrometría de masas es ideal para tales análisis utilizando fragmentación HCD o ETD , ya que la adición de fosforilación da como resultado un aumento en la masa de la proteína y el residuo fosforilado. Se necesitan espectrómetros de masas avanzados y de alta precisión para estos estudios, lo que limita la tecnología a laboratorios con espectrómetros de masas de alta gama. Sin embargo, el análisis de péptidos fosforilados por espectrometría de masas aún no es tan sencillo como para los péptidos "regulares", no modificados. La EThcD se ha desarrollado combinando transferencia de electrones y disociación por colisión de mayor energía. En comparación con los métodos de fragmentación habituales, el esquema EThcD proporciona espectros MS/MS más informativos para la localización inequívoca de los fosfositios. [70]

Una caracterización detallada de los sitios de fosforilación es muy difícil, y la cuantificación de la fosforilación de proteínas por espectrometría de masas requiere enfoques de estándares internos isotópicos. [71] Se puede obtener una cuantificación relativa con una variedad de tecnologías de etiquetado isotópico diferencial. [72] También existen varios métodos cuantitativos de fosforilación de proteínas, incluidos inmunoensayos de fluorescencia, termoforesis a microescala , FRET , TRF, polarización de fluorescencia, extinción de fluorescencia, cambio de movilidad, detección basada en perlas y formatos basados ​​en células. [73] [74]

Evolución

La fosforilación de proteínas es común en todos los clados de la vida, incluidos todos los animales, plantas, hongos, bacterias y arqueas. Los orígenes de los mecanismos de fosforilación de proteínas son ancestrales y han divergido en gran medida entre las diferentes especies. En los eucariotas, se estima que entre el 30 y el 65 % de todas las proteínas pueden estar fosforiladas, con decenas o incluso cientos de miles de sitios de fosforilación distintos. [75] [2] Algunos sitios de fosforilación parecen haber evolucionado como interruptores de "apagado" condicionales, que bloquean el sitio activo de una enzima, como en la enzima metabólica procariota isocitrato deshidrogenasa. Sin embargo, en el caso de las proteínas que deben fosforilarse para ser activas, no está tan claro cómo podrían haber surgido de ancestros no fosforilados. Se ha demostrado que un subconjunto de fosfositios de serina a menudo se reemplazan por residuos ácidos como aspartato y glutamato entre diferentes especies. Estos residuos aniónicos pueden interactuar con residuos catiónicos como la lisina y la arginina para formar puentes salinos , interacciones no covalentes estables que alteran la estructura de una proteína. Estos fosfositios a menudo participan en los puentes salinos, lo que sugiere que algunos sitios de fosforilación evolucionaron como interruptores de "encendido" condicionales para los puentes salinos, lo que permite que estas proteínas adopten una conformación activa solo en respuesta a una señal específica. [76]

Existen alrededor de 600 proteínas quinasas eucariotas conocidas, lo que las convierte en una de las familias de genes eucariotas más grandes. La mayor parte de la fosforilación la lleva a cabo una única superfamilia de proteínas quinasas que comparten un dominio quinasa conservado. La fosforilación de proteínas está altamente conservada en vías centrales para la supervivencia celular, como la progresión del ciclo celular que depende de las quinasas dependientes de ciclina (CDK), pero los sitios de fosforilación individuales suelen ser flexibles. Los objetivos de la fosforilación de CDK a menudo tienen fosfositios en segmentos desordenados , que se encuentran en ubicaciones no idénticas incluso en especies cercanas. Por el contrario, los objetivos de la fosforilación de CDK en regiones estructuralmente definidas están más conservados. Si bien la actividad de CDK es fundamental para el crecimiento y la supervivencia celular en todos los eucariotas, solo muy pocos fosfositios muestran una fuerte conservación de sus posiciones precisas. Es probable que el posicionamiento sea muy importante para los fosfatos que regulan alostéricamente la estructura de las proteínas, pero mucho más flexible para los fosfatos que interactúan con los dominios de unión de fosfopéptidos para reclutar proteínas reguladoras. [77]

Comparaciones entre eucariotas y procariotas

La fosforilación de proteínas es una modificación postraduccional reversible de las proteínas. En los eucariotas, la fosforilación de proteínas funciona en la señalización celular, la expresión génica y la diferenciación. También está involucrada en la replicación del ADN durante el ciclo celular y en los mecanismos que hacen frente a los bloqueos de replicación inducidos por estrés. En comparación con los eucariotas, los procariotas utilizan quinasas y fosfatasas de tipo Hanks para la transducción de señales. Aún no está claro si la fosforilación de proteínas en bacterias también puede regular procesos como la reparación o replicación del ADN. [78]

En comparación con la fosforilación de proteínas de los procariotas, los estudios de la fosforilación de proteínas en eucariotas, desde la levadura hasta las células humanas, han sido bastante extensos. Se sabe que los eucariotas dependen de la fosforilación del grupo hidroxilo en las cadenas laterales de serina, treonina y tirosina para la señalización celular. Estas son las principales modificaciones postraduccionales reguladoras en las células eucariotas, pero la fosforilación de proteínas de los procariotas se estudia con menos intensidad. Mientras que la serina, la treonina y la tirosina se fosforilan en eucariotas, la histidina y el aspartato se fosforilan en procariotas y eucariotas. En las bacterias, la fosforilación de la histidina ocurre en los sistemas de fosfotransferasa dependientes de fosfoenolpiruvato (PTS), que están involucrados en el proceso de internalización, así como en la fosforilación de azúcares. [79]

La fosforilación de proteínas por la proteína quinasa se demostró por primera vez en E. coli y Salmonella typhimurium y desde entonces se ha demostrado en muchas otras células bacterianas. [80] Se descubrió que las bacterias utilizan la fosforilación de histidina y aspartato como modelo para la transducción de señales bacterianas. La fosforilación de serina, treonina y tirosina también está presente en las bacterias. Las bacterias portan quinasas y fosfatasas similares a las de su equivalente eucariota y también han desarrollado quinasas y fosfatasas únicas que no se encuentran en los eucariotas. [79]

Patología

La fosforilación anormal de proteínas se ha relacionado con una serie de enfermedades, entre ellas el cáncer , la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson y otros trastornos degenerativos .

La proteína tau pertenece a un grupo de proteínas asociadas a microtúbulos (MAP) que ayudan a estabilizar los microtúbulos en las células, incluidas las neuronas. [81] La asociación y la actividad estabilizadora de la proteína tau dependen de su estado fosforilado. En la enfermedad de Alzheimer, debido a los plegamientos incorrectos y los cambios conformacionales anormales en la estructura de la proteína tau, se vuelve ineficaz para unirse a los microtúbulos y no puede mantener la estructura citoesquelética neuronal organizada durante los procesos neuronales. La tau anormal inhibe y altera la organización de los microtúbulos y desacopla la tau normal de los microtúbulos a la fase citosólica. [82] Los plegamientos incorrectos conducen a la agregación anormal en ovillos fibrilares dentro de las neuronas. La proteína tau necesita ser fosforilada para funcionar, pero la hiperfosforilación de la proteína tau es una de las principales influencias en su incapacidad para asociarse. [82] Las fosfatasas PP1, PP2A, PP2B y PP2C desfosforilan la proteína tau in vitro y sus actividades se reducen en áreas del cerebro en pacientes con Alzheimer. [82] [83] La fosfoproteína tau está tres o cuatro veces hiperfosforilada en un paciente con Alzheimer en comparación con un individuo mayor no afectado. La tau de la enfermedad de Alzheimer parece eliminar MAP1 y MAP2 (otras dos proteínas asociadas importantes) de los microtúbulos y este efecto perjudicial se revierte cuando se realiza la desfosforilación, lo que evidencia la hiperfosforilación como la única causa de la actividad paralizante. [82]

Enfermedad de Parkinson

La α-sinucleína es una proteína asociada con la enfermedad de Parkinson. [84] En los humanos, esta proteína está codificada por el gen SNCA . [85] La α-sinucleína está involucrada en el reciclaje de vesículas sinápticas que transportan neurotransmisores y se presenta naturalmente en forma desplegada. Se encuentran niveles elevados de α-sinucleína en pacientes con enfermedad de Parkinson. Existe una correlación entre la concentración de α-sinucleína no fosforilada presente en el paciente y la gravedad de la enfermedad de Parkinson. [86] Específicamente, la fosforilación de Ser129 en la α-sinucleína tiene un impacto en la gravedad. Los pacientes sanos tienen niveles más altos de α-sinucleína no fosforilada que los pacientes con enfermedad de Parkinson. La medición del cambio en la relación de concentraciones de α-sinucleína fosforilada a α-sinucleína no fosforilada dentro de un paciente podría ser un marcador de la progresión de la enfermedad. Los anticuerpos que se dirigen a la α-sinucleína en la Ser129 fosforilada se utilizan para estudiar los aspectos moleculares de las sinucleinopatías. [87] [88]

La fosforilación de Ser129 está asociada con la agregación de la proteína y un mayor daño al sistema nervioso. La agregación de la α-sinucleína fosforilada puede aumentar si una proteína de andamiaje presináptica, Sept4, está presente en cantidades insuficientes. La interacción directa de la α-sinucleína con Sept4 inhibe la fosforilación de Ser129. [89] [90] [91] Sin embargo, la fosforilación de Ser129 puede observarse sin agregación de sinucleína en condiciones de sobreexpresión. [92]

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