Isomerización de la prolina en la 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 . De manera similar al ácido aspártico , el aminoácido prolina tiene la rara propiedad de poder ocupar los isómeros cis y trans de sus enlaces peptídicos prolílicos con facilidad. La peptidil-prolil isomerasa , o PPIasa, es una enzima muy comúnmente asociada con la isomerización de prolina debido a su capacidad para catalizar la isomerización de prolinas. Las PPIasas están presentes en tres tipos: ciclofilinas, proteínas de unión a FK507 y parvulinas. ^[1] Las enzimas PPIasas catalizan la transición de la prolina entre los isómeros cis y trans y son esenciales para las numerosas funciones biológicas controladas y afectadas por la isomerización del prolil (es decir, la señalización celular , el plegamiento de proteínas y las modificaciones epigenéticas). ^[2] Sin las PPIasas, los enlaces peptídicos del prolil cambiarán lentamente entre los isómeros cis y trans , un proceso que puede bloquear las proteínas en una estructura no nativa que puede afectar a hacer que la proteína sea temporalmente ineficaz. Aunque este cambio puede ocurrir por sí solo, las PPIasas son responsables de la mayor parte de la isomerización de los enlaces peptídicos del prolil. El aminoácido específico que precede al enlace peptídico del prolil también puede tener un efecto en la conformación que asume el enlace. Por ejemplo, cuando un aminoácido aromático está unido a una prolina, el enlace es más favorable a la conformación cis . La ciclofilina A utiliza un "mango electrostático" para tirar de la prolina hacia 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 forma diferente al otro, lo que suele provocar 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 involucran a la prolina son las interacciones con p53 y las prolil isomerasas, específicamente Pin1 . La proteína p53, junto con p63 y p73 , son responsables 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 todas las proteínas p53 y sin la fosforilación e isomerización de motivos específicos de serina/treonina-prolina dentro de p53, no pueden exhibir control sobre sus genes diana. Los principales procesos de señalización que se ven afectados por p53 son la apoptosis y el arresto 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 la 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 la isomerización de la prolina desempeña un papel es la modificación de las colas de las histonas, específicamente las de la histona H3. Fpr4 es una PPIasa, en el 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, seguido de P30 y luego P16. Sin embargo, la eficiencia catalítica, o el aumento en las tasas de isomerización, es más alta en P16 y P30 por igual, seguido de P38 que exhibe un cambio muy pequeño en las tasas de isomerización con la unión de Fpr4. ^[6] La histona H3 tiene un residuo de lisina importante en la posición 36 (también escrito K36) en la cola N-terminal que puede ser metilada 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 comunicación cruzada 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, apiñando el área alrededor de la cola. Esto puede causar una disminución de la capacidad de las proteínas para unirse al ADN y a la cola de la histona, incluyendo prevenir 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 conduce a los efectos opuestos: permite que Set2 metile K36. Sin embargo, Set2 solo se ve afectado por la isomerización de P38 cuando crea un K36 trimetilado (comúnmente escrito 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 que comúnmente está asociada con la presencia de HDAC . 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 los aminoácidos que cuando se modifican afectan la actividad que rodea a la histona.

La isomerización del enlace peptídico entre la alanina 15 y la prolina 16 de la histona H3 se ve afectada por la acetilación en K14 y puede controlar los estados de metilación de K4. ^{[3] [11]} K4me3 reprime la transcripción génica y depende de que la subunidad Spp1 del complejo de metiltransferasa Set1 esté equilibrada con las desmetilasas Jhd2 para su correcto funcionamiento. La acetilación de K14 permite un cambio de estado en P16 y promueve principalmente el estado trans de P16. Este isómero trans de P16 reduce la metilación de K4, lo que da como resultado la represión de la transcripción. ^{[5] [11]} La isomerización de P16 tiene efectos posteriores de control de la unión de proteínas a K18 acetilado. ^[9] Cuando P16 está en la conformación trans , Spt7 puede unirse a K18ac, lo que aumenta la transcripción.

La isomerización de prolina de ciertas prolinas en la ARN polimerasa II es clave en el proceso de reclutamiento y colocación de factores de procesamiento durante la transcripción. ^[12] Las PPIasas se dirigen a la ARN polimerasa II al interactuar con el dominio carboxiterminal Rpb1 , o CTD. ^{[9] [12]} La isomerización de prolina se utiliza luego como parte del mecanismo del CTD para reclutar cofactores necesarios para el procesamiento cotranscripcional del ARN , regulando la actividad de la ARN polimerasa II. Nrd1 es una proteína responsable de muchas de las actividades transcripcionales de la ARN polimerasa II, específicamente a través de la vía de terminación dependiente de Nrd1 . ^[12] Esta vía requiere la parvulina Ess1, o Pin1 dependiendo del organismo, para isomerizar el enlace pSer5-Pro6 en el CTD. Sin la conformación cis del enlace pSer5-Pro6, creado por Ess1/Pin1, Nrd1 no puede unirse a la ARN polimerasa II. Cualquier variación de este proceso conduce a una disminución en la afinidad de unión de Nrd1, lo que reduce la capacidad de la ARN polimerasa II para procesar y degradar ARN no codificantes .

En los mamíferos, Cyp33 causa isomerización en MLL1 . ^[13] MLL1 es un complejo multiproteico que regula la expresión génica y las translocaciones cromosómicas que involucran a este gen a menudo conducen a la leucemia. ^[10] Los genes diana de MLL incluyen HOXC8, HOXA9, CDKN1B y C-MYC. MLL también tiene dos dominios de unión: un dominio de motivo de reconocimiento de ARN Cyp33 (RRM) y un dominio PHD3 que se une a H3K4me3 o Cyp33 RRM. Cyp33 tiene la capacidad de regular a la baja la expresión de estos genes a través de la isomerización de prolina en el enlace peptídico entre His1628 y Pro1629 dentro de MLL. ^[13] Este enlace se encuentra en una secuencia entre el dedo PHD3 de MLL1 y el bromodominio de MLL1, y su isomerización media la unión del dominio PHD3 y el dominio RRM Cyp33. Cuando estos dos dominios están unidos, la transcripción se reprime a través del reclutamiento de histonas desacetilasas a MLL1 y la inhibición de H3K4me3. ^{[9] [13]}

Los aminoácidos fosforilados son cruciales para la modulación de la unión de factores de transcripción y otras proteínas reguladoras de genes . El efecto de Pin1 en la isomerización de residuos de prolina conduce a un aumento o disminución en el reclutamiento de fosfatasas, a saber, Scp1 y Ssu72 y su reclutamiento al CTD de RNAP II. ^[13] La formación cis- Pro está asociada con un aumento de Ssu72. Scp1 en reconoce formaciones trans -Pro, y no se ve afectado por dicha isomerización. Pin1 también desencadena la activación del complejo DSIF y NELF , que son responsables de pausar RNAP II en células de mamíferos, y su conversión en factores de elongación positivos, facilitando la elongación. ^[9] Esto potencialmente podría ser un proceso dependiente de la isomerización.

Pin1 , una parvulina, regula la estabilidad y 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 Pin1. Pin1 se une a este sitio y desfosforila la serina e isomeriza el enlace peptídico entre Ser181 y Pro182. Esta isomerización causa la descomposición del ARNm 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 requisito 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 tallo-bucle (SLBP) , lo que le permite controlar la disociación de SLBP del ARNm de histona. Esto hace que Pin1 pueda afectar la degradación del ARNm de las histonas. Pin1 afecta a muchos otros genes en forma de silenciamiento génico a través de la interrupción de las vías celulares, lo que lo hace importante en la renovación del ARNm al modular la actividad de la proteína de unión al ARN.

Actualmente no existen compuestos que puedan imitar el enlace peptídico de la prolina con otros aminoácidos manteniendo solo una configuración cis o trans , porque la mayoría de los imitadores encontrados eventualmente cambiarán de un isómero a otro. Esto dificulta la investigación sobre el efecto directo de cada uno de los isómeros en los mecanismos biológicos. ^[14] Además, la isomerización real de la prolina es un proceso lento, lo que significa que cualquier estudio de los efectos de los diferentes isómeros de la prolina lleva una gran cantidad de tiempo para completarse. ^[15]