Sulfato de heparán

El heparán sulfato ( HS ) es un polisacárido lineal que se encuentra en todos los tejidos animales. ^[1] Se presenta como un proteoglicano (HSPG, es decir, heparán sulfato proteoglicano) en el que dos o tres cadenas de HS están unidas en estrecha proximidad a las proteínas de la superficie celular o de la matriz extracelular . ^{[2] [3]} En esta forma, el HS se une a una variedad de ligandos proteicos , incluido Wnt , ^{[4] [5]} y regula una amplia gama de actividades biológicas, incluidos los procesos de desarrollo, la angiogénesis , la coagulación sanguínea , la abolición de la actividad de desprendimiento por GrB ( Granzima B ), ^[6] y la metástasis tumoral . También se ha demostrado que el HS sirve como receptor celular para varios virus, incluido el virus respiratorio sincitial . ^[7] Un estudio sugiere que el heparán sulfato celular tiene un papel en la infección por SARS-CoV-2, particularmente cuando el virus se une con ACE2. ^[8]

Los principales HSPG de la membrana celular son los sindecanos transmembrana y los glipicanos anclados al glicosilfosfatidilinositol (GPI) . ^{[9] [10]} Otras formas menores de HSPG de membrana incluyen betaglicano ^[11] y la isoforma V-3 de CD44 presente en los queratinocitos y monocitos activados . ^[12]

En la matriz extracelular, especialmente las membranas basales y las fractonas , ^[13] las proteínas centrales multidominio perlecano , ^[14] agrina ^[15] y colágeno XVIII ^[16] son ​​las principales especies portadoras de HS.

El heparán sulfato es un miembro de la familia de carbohidratos de los glicosaminoglicanos (GAG) y su estructura está muy relacionada con la de la heparina . Ambos están formados por una unidad de disacárido repetida con sulfatación variable . Las principales unidades de disacárido presentes en el heparán sulfato y la heparina se muestran a continuación.

La unidad de disacárido más común dentro del sulfato de heparán está compuesta por un ácido glucurónico (GlcA) unido a N -acetilglucosamina (GlcNAc), que normalmente constituye alrededor del 50% de las unidades de disacárido totales. Compárese esto con la heparina, donde IdoA(2S)-GlcNS(6S) constituye el 85% de las heparinas de pulmón de res y alrededor del 75% de las de mucosa intestinal porcina. Surgen problemas al definir GAG híbridos que contienen estructuras tanto "similares a la heparina" como "similares a HS". Se ha sugerido que un GAG debería calificar como heparina solo si su contenido de grupos N-sulfato excede en gran medida el de grupos N-acetilo y la concentración de grupos O-sulfato excede la de N-sulfato. De lo contrario, debería clasificarse como HS. ^[17]

A continuación no se muestran los raros disacáridos que contienen una glucosamina 3-O-sulfatada (GlcNS(3S,6S)) o un grupo amina libre (GlcNH ₃ ⁺ ). En condiciones fisiológicas, los grupos sulfato de éster y amida se desprotonan y atraen contraiones cargados positivamente para formar una sal. ^[18] Se cree que el HS existe en esta forma en la superficie celular.

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  GlcA-GlcNAc
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  GlcA-GlcNS
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  IdoA-GlcNS
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  IdoA(2S)-GlcNS
• 
  IdoA-GlcNS(6S)
• 
  IdoA(2S)-GlcNS(6S)

• GAG = glicosaminoglicano
• GlcA = β- D - ácido glucurónico
• IdoA = ácido α- L - idurónico
• IdoA(2S) = ácido 2- O -sulfo-α- L -idurónico
• GlcNAc = 2-desoxi-2-acetamido-α- D -glucopiranosil
• GlcNS = 2-desoxi-2-sulfamido-α- D -glucopiranosil
• GlcNS(6S) = 2-desoxi-2-sulfamido-α- D -glucopiranosil-6- O -sulfato

Muchos tipos de células diferentes producen cadenas de HS con muchas estructuras primarias diferentes. Por lo tanto, existe una gran variabilidad en la forma en que se sintetizan las cadenas de HS, lo que produce una diversidad estructural englobada en el término "heparanoma", que define la gama completa de estructuras primarias producidas por una célula, tejido u organismo en particular. ^[19] Sin embargo, esencial para la formación de HS independientemente de la secuencia primaria es una gama de enzimas biosintéticas. Estas enzimas consisten en múltiples glicosiltransferasas , sulfotransferasas y una epimerasa . Estas mismas enzimas también sintetizan heparina .

En la década de 1980, Jeffrey Esko fue el primero en aislar y caracterizar mutantes de células animales alterados en el ensamblaje del sulfato de heparán. ^[20] Muchas de estas enzimas ya han sido purificadas, clonadas molecularmente y sus patrones de expresión estudiados. A partir de este trabajo y de los primeros trabajos sobre las etapas fundamentales de la biosíntesis de HS/heparina utilizando un sistema libre de células de mastocitoma de ratón, se sabe mucho sobre el orden de las reacciones enzimáticas y su especificidad. ^[21]

La síntesis de HS se inicia con la transferencia de xilosa desde la UDP -xilosa por la xilosiltransferasa (XT) a residuos de serina específicos dentro del núcleo de la proteína. La unión de dos residuos de galactosa (Gal) por las galactosiltransferasas I y II (GalTI y GalTII) y ácido glucurónico (GlcA) por la glucuronosiltransferasa I (GlcATI) completa la formación de un cebador tetrasacárido O -ligado a una serina de la proteína central: ^[22]

βGlcUA-(1→3)-βGal-(1→3)-βGal-(1→4)-βXyl- O -Ser.

Las vías de biosíntesis de HS/heparina o de sulfato de condroitina (CS) y de dermatán sulfato (DS) divergen después de la formación de esta estructura de enlace tetrasacárido común. La siguiente enzima en actuar, GlcNAcT-I o GalNAcT-I, dirige la síntesis, ya sea hacia HS/heparina o hacia CS/DS, respectivamente. ^[23]

Se cree que la unión de la xilosa a la proteína central ocurre en el retículo endoplásmico (RE) y que el ensamblaje posterior de la región de enlace y el resto de la cadena se produce en el aparato de Golgi . ^{[22] [23]}

Después de la unión del primer residuo de N -acetilglucosamina (GlcNAc), la elongación del tetrasacárido enlazador continúa mediante la adición gradual de residuos de GlcA y GlcNAc. Estos se transfieren desde sus respectivos nucleótidos de UDP-azúcar. Esto lo llevan a cabo las proteínas de la familia EXT con actividades de glicosiltransferasa. Los genes de la familia EXT son supresores de tumores. ^{[22] [24]}

Las mutaciones en los loci del gen EXT1-3 en humanos provocan una incapacidad de las células para producir HS y el desarrollo de la enfermedad denominada exostosis hereditaria múltiple (EMH). La EHM se caracteriza por tumores con cubierta de cartílago, conocidos como osteocondromas o exostosis, que se desarrollan principalmente en los huesos largos de los individuos afectados desde la primera infancia hasta la pubertad. ^[25]

A medida que una cadena HS se polimeriza, sufre una serie de reacciones de modificación llevadas a cabo por cuatro clases de sulfotransferasas y una epimerasa. La disponibilidad del donante de sulfato PAPS es crucial para la actividad de las sulfotransferasas. ^{[26] [27]}

La primera modificación del polímero es la N-desacetilación/N-sulfatación de los residuos de GlcNAc en GlcNS. Este es un prerrequisito para todas las reacciones de modificación posteriores, y lo llevan a cabo uno o más miembros de una familia de cuatro enzimas GlcNAc N-desacetilasa/N-sulfotransferasa (NDST). En estudios tempranos, se demostró que las enzimas modificadoras podían reconocer y actuar sobre cualquier residuo N-acetilado en el polímero en formación. ^[28] Por lo tanto, la modificación de los residuos de GlcNAc debería ocurrir aleatoriamente a lo largo de la cadena. Sin embargo, en HS, los residuos N-sulfatados se agrupan principalmente y se separan por regiones de N-acetilación donde la GlcNAc permanece sin modificar.

Existen cuatro isoformas de NDST (NDST1–4). Las actividades de N-desacetilasa y N-sulfotransferasa están presentes en todas las isoformas de NDST, pero difieren significativamente en sus actividades enzimáticas. ^[29]

Debido a que la N-desacetilasa y la N-sulfotransferasa son llevadas a cabo por la misma enzima, la N-sulfatación normalmente está estrechamente acoplada a la N-acetilación. Se han encontrado residuos de GlcNH2 _resultantes de un aparente desacoplamiento de las dos actividades en la heparina y algunas especies de HS. ^[30]

La epimerización es catalizada por una enzima, la epimerasa C5 de GlcA o heparosano-N-sulfato-glucuronato 5-epimerasa ( EC 5.1.3.17). Esta enzima epimeriza la GlcA a ácido idurónico (IdoA). El reconocimiento del sustrato requiere que el residuo de GlcN unido al lado no reductor de un objetivo potencial de GlcA esté N-sulfatado. La uronosil-2-O-sulfotransferasa (2OST) sulfata los residuos de IdoA resultantes.

Se han identificado tres glucosaminil 6-O-transferasas (6OST) que dan lugar a la formación de GlcNS(6S) adyacente a IdoA sulfatado o no sulfatado. La GlcNAc(6S) también se encuentra en cadenas HS maduras.

Actualmente se sabe que existen siete glucosaminil 3- O -sulfotransferasas (3OST, HS3ST) en mamíferos (ocho en el pez cebra). ^{[31] [32]} Las enzimas 3OST crean varios disacáridos 3- O -sulfatados posibles, incluidos GlcA-GlcNS(3S±6S) (modificado por HS3ST1 y HS3ST5), IdoA(2S)-GlcNH ₂ (3S±6S) (modificado por HS3ST3A1 , HS3ST3B1 , HS3ST5 y HS3ST6) y GlcA/IdoA(2S)-GlcNS(3S) (modificado por HS3ST2 y HS3ST4). ^{[33] [34] [35] [36]} Al igual que todas las demás sulfotransferasas de HS, las 3OST utilizan 3'-fosfoadenosina-5'-fosfosulfato (PAPS) como donante de sulfato. A pesar de ser la familia más grande de enzimas de modificación de HS, las 3OST producen la modificación de HS más rara, la 3- O -sulfatación de residuos específicos de glucosamina en la fracción C3-OH. ^[37]

Las 3OST se dividen en dos subcategorías funcionales, las que generan un sitio de unión de la antitrombina III ( HS3ST1 y HS3ST5) y las que generan un sitio de unión de la glicoproteína D del virus del herpes simple 1 (HSV-1 gD) ( HS3ST2 , HS3ST3A1 , HS3ST3B1 , HS3ST4, HS3ST5 y HS3ST6). ^{[33] [34] [35] [36] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44]} Como las 3OST son la familia más grande de enzimas de modificación de HS y sus acciones son limitantes de la velocidad, específicas del sustrato y producen modificaciones raras, se ha planteado la hipótesis de que la HS modificada por 3OST desempeña un papel regulador importante en los procesos biológicos. ^{[36] [39]} Se ha demostrado que la 3- O -sulfatación puede mejorar la unión de Wnt al glipicano y puede desempeñar un papel en la regulación de Wnt en el cáncer. ^{[5] [10]}

El heparán sulfato se une a una gran cantidad de proteínas extracelulares. A menudo, se las denomina colectivamente “interactoma de heparina” o “proteínas de unión a heparina”, porque se aíslan mediante cromatografía de afinidad en el polisacárido relacionado heparina, aunque el término “interactoma de heparán sulfato” es más correcto. Las funciones de las proteínas de unión al heparán sulfato varían desde componentes de la matriz extracelular hasta enzimas y factores de coagulación, y la mayoría de los factores de crecimiento, citocinas, quimiocinas y morfógenos ^[45]. El laboratorio de Mitchell Ho en el NCI aisló el anticuerpo monoclonal humano HS20 con alta afinidad por el heparán sulfato mediante presentación en fagos ^{[46] . El anticuerpo se une al heparán sulfato, no al condroitín sulfato [5]} . La unión del HS20 al heparán sulfato requiere sulfatación tanto en la posición C2 como en la posición C6. HS20 bloquea la unión de Wnt al sulfato de heparán ^[5] y también inhibe la entrada infecciosa del poliomavirus JC patógeno. ^[47]

La región de unión del receptor de la superficie celular del interferón-γ se superpone con la región de unión del HS, cerca del extremo C de la proteína. La unión del HS bloquea el sitio de unión del receptor y, como resultado, los complejos proteína-HS quedan inactivos. ^[48]

El glipicano-3 (GPC3) interactúa con Wnt y Frizzled para formar un complejo y desencadena la señalización descendente. ^{[4] [10]} Se ha establecido experimentalmente que Wnt reconoce un motivo de sulfato de heparán en GPC3, que contiene IdoA2S y GlcNS6S, y que la 3-O-sulfatación en GlcNS6S3S mejora la unión de Wnt al glipicano. ^[5]

También se están estudiando las propiedades de unión al HS de varias otras proteínas:

• Antitrombina III
• Factor de crecimiento de fibroblastos
• Factor de crecimiento de hepatocitos
• Interleucina-8
• Factor de crecimiento endotelial vascular
• Wnt/Sin alas
• Endostatina

Se cree que los análogos de heparán sulfato muestran propiedades idénticas a las de heparán sulfato, con la excepción de que son estables en un entorno proteolítico como una herida. ^{[49] [50]} Debido a que el heparán sulfato se descompone en heridas crónicas por la heparanasa, los análogos solo se unen a sitios donde el heparán sulfato natural está ausente y, por lo tanto, son resistentes a la degradación enzimática. ^[51] Además, la función de los análogos de heparán sulfato es la misma que la del heparán sulfato, protegiendo una variedad de ligandos proteicos como factores de crecimiento y citocinas. Al mantenerlos en su lugar, el tejido puede usar los diferentes ligandos proteicos para la proliferación.

La exostosis múltiple hereditaria (también conocida como exostosis hereditaria múltiple u osteocondromas múltiples) es una enfermedad hereditaria con mutaciones en los genes EXT1 y EXT2 que afectan la biosíntesis de heparán sulfato. ^{[52] [53]}