JUNQ y IPOD

JUNQ e IPOD son tipos de cuerpos de inclusión de proteínas citosólicas en eucariotas .

Las enfermedades neurodegenerativas , como el Parkinson , el Alzheimer y el Huntington , están asociadas y correlacionadas con la agregación de proteínas y la acumulación de proteínas mal plegadas en cuerpos de inclusión . Durante muchos años, la agregación de proteínas se consideró un proceso aleatorio por el cual las proteínas mal plegadas se pegan entre sí para formar inclusiones ^[1] (imagínese un manojo de pelos amontonados al azar en una esquina de una habitación). Además, se pensaba que los agregados de proteínas eran agentes tóxicos y la causa de la disfunción y la muerte neuronal. Sin embargo, estudios recientes, utilizando métodos avanzados (es decir, microscopía de fluorescencia ), muestran que la agregación de proteínas puede ser en realidad un proceso organizado y estrechamente regulado, por el cual la célula se protege a sí misma de las proteínas tóxicas mediante el secuestro en cuerpos de inclusión. ^[2] En 2008, Daniel Kaganovich, que trabajaba en el laboratorio de Frydman, demostró que las células eucariotas clasifican las proteínas mal plegadas en dos cuerpos de inclusión distintos en un proceso celular bien gestionado: ^[3]

1. El JUNQ (Compartimento de control de calidad nuclear de JUxta)
2. El IPOD (depósito de proteína insoluble)

JUNQ e IPOD se conservan evolutivamente y se encuentran en sitios celulares específicos y definidos. La entrega de proteínas mal plegadas y agregadas a JUNQ e IPOD requiere un citoesqueleto intacto y componentes específicos de control de calidad celular, como las proteínas de choque térmico (HSP) . ^[4] La partición en los dos cuerpos de inclusión distintos se debe al diferente manejo y procesamiento de diferentes tipos de proteínas mal plegadas (por ejemplo, proteínas ubiquitinadas frente a no ubiquitinadas). La segregación de agregados de proteínas tóxicas en cuerpos de inclusión JUNQ e IPOD es un medio por el cual las células de mamíferos pueden rejuvenecerse a través de la división asimétrica. ^[5]

Por lo tanto, el descubrimiento de JUNQ e IPOD proporcionó una nueva perspectiva sorprendente de cómo las células gestionan las proteínas agregadas mal plegadas y proporcionó una prueba convincente de que la agregación de proteínas es un proceso celular no aleatorio, bien regulado y controlado. Además, el descubrimiento de JUNQ e IPOD sugirió que, además del control de calidad temporal (es decir, la administración dependiente del tiempo de las proteínas dañadas), las células explotan la homeostasis espacialmente: ^[6] Si no hay degradación disponible, la protección del entorno celular de una proteína mal plegada se logra mediante su secuestro en una inclusión agregada. ^{[ cita requerida ]}

Para funcionar correctamente, la mayoría de las proteínas deben conservar una estructura tridimensional de baja energía conocida como estado nativo . La estabilidad de una proteína está estrechamente regulada a lo largo de todas sus etapas de vida: desde la cuna, cuando se sintetiza en el ribosoma , pasando por el plegamiento o ensamblaje , hasta la tumba, cuando la proteína se degrada y se elimina del entorno celular. ^[7] La ​​homeostasis de las proteínas (proteostasis), ^[8] resulta de la acción coordinada de los diferentes brazos del sistema de control de calidad celular: chaperonas moleculares , proteasas y otros factores reguladores. Por lo tanto, la viabilidad celular depende de una gestión oportuna y eficiente de las proteínas mal plegadas. Dicha gestión, por parte de la maquinaria de control de calidad, incluye el reconocimiento de la proteína mal plegada por chaperonas y ligasas E3 , ubiquitinación y degradación . ^{[ cita requerida ]}

El colapso de la proteostasis, debido al daño, el estrés, las mutaciones y el envejecimiento , se ha implicado como base para un gran número de trastornos humanos comunes, como las enfermedades neurodegenerativas . ^[9] Aunque causadas por diferentes tipos de proteínas mutadas (por ejemplo, en la enfermedad de Huntington , la proteína Huntingtin ) y disruptivas para distintos tejidos (por ejemplo, en la enfermedad de Huntington , el cuerpo estriado ), estas enfermedades comparten una característica común: la acumulación de proteínas mal plegadas en cuerpos de inclusión . Por lo tanto, se pensó que los cuerpos de inclusión son la causa de tales enfermedades. Sin embargo, la naturaleza y las características de esos cuerpos de inclusión intracelulares siguieron siendo esquivas. Se informó que diferentes tipos de proteínas (por ejemplo , priones , sustratos ERAD ) forman diferentes tipos de cuerpos de inclusión (por ejemplo, agresomas , amiloides ), pero permaneció oscuro si esas observaciones se combinan en una sola y se relacionan con el mismo sitio subcelular. Además, las vías que conducen a la formación de inclusiones y la participación de la maquinaria de control de calidad de proteínas celulares no estaban definidas y eran desconocidas. Por lo tanto, se requería un estudio sistemático que proporcionara una comprensión integral de la agregación de proteínas y los cuerpos de inclusión . El descubrimiento de JUNQ e IPOD ^[3] sugirió nuevos conocimientos sobre cómo la célula maneja diferentes tipos de proteínas mal plegadas y ofreció un nuevo marco para armar el gran rompecabezas de la agregación de proteínas . ^[2]

El destino de las proteínas mal plegadas y el proceso que conduce a la formación de inclusiones agregadas se estudiaron inicialmente utilizando métodos bioquímicos (por ejemplo, Western blot ). ^{[ cita requerida ]}

Un nuevo enfoque para abordar este problema, denominado "imágenes de células vivas", permitió obtener conocimientos más profundos sobre el proceso biológico de control de calidad y agregación de proteínas. ^[10]

La obtención de imágenes de células vivas permite el seguimiento in vivo de proteínas en el espacio y el tiempo, en su entorno endógeno natural. Por lo tanto, este método proporciona más información sobre la dinámica y las etapas de los eventos y procesos biológicos. El método aprovecha las proteínas fluorescentes fácilmente detectables fusionadas a una proteína de interés, que luego se pueden seguir dentro de una célula utilizando un microscopio de fluorescencia . Luego, la célula puede tratarse con una perturbación de interés (por ejemplo, un fármaco, la expresión de una proteína mal plegada ) y se pueden analizar varias propiedades de la proteína marcada con fluorescencia utilizando microscopía de lapso de tiempo :

1. Los cambios en el nivel de fluorescencia indican cambios en los niveles de expresión (es decir, niveles más altos = regulación positiva de una proteína)
2. Cambios de localización (por ejemplo, entrada de una proteína desde el citosol al núcleo )
3. Solubilidad (por ejemplo, utilizando el ensayo FRAP ^[11] )
4. Interacción con el entorno intracelular (por ejemplo, mediante el ensayo FLIP ^[11] )

Para monitorear el destino de las proteínas mal plegadas citosólicas in vivo , se clonó un plásmido que transportaba un reportero de plegamiento marcado con GFP . El reportero de plegamiento, una proteína modelo para la agregación, era un mutante Ubc9 (enzima conjugadora de SUMO) (UBC9ts), que albergaba una mutación sin sentido ( Y68L ) con un fenotipo sensible a la temperatura (ts). ^{[12] [13]} El Ubc9ts marginalmente estable es completamente funcional en condiciones fisiológicas permisivas (25 °C) debido a chaperonas celulares activas . El GFP–Ubc9ts se transformó en levadura y se visualizó utilizando un microscopio de fluorescencia . ^{[ cita requerida ]}

Se pensaba que el seguimiento del sensor de plegamiento GFP–Ubc9ts indicaba la proteostasis celular y evaluaba la capacidad del sistema de control de calidad de las proteínas celulares para lidiar con varios tipos de estrés. Luego se observó que, en condiciones normales, GFP–Ubc9ts se difunde en el núcleo y en el citosol . Sin embargo, tras un choque térmico , GFP–Ubc9ts formaba estructuras puntiformes citosólicas. Sorprendentemente, cuando el proteasoma se vio afectado y se bloqueó la eliminación de la proteína mal plegada por degradación , se observó la formación de dos inclusiones citosólicas distintas . Los métodos bioquímicos estándar y conservadores, como el fraccionamiento celular y el Western blot, no habrían revelado la partición en los dos tipos de agregados citosólicos. ^{[ cita requerida ]}

Las dos inclusiones detectadas demostraron ser compartimentos de control de calidad conservados evolutivamente , con diferentes características y funciones distintas. Se denominaron JUNQ (JUxta Nuclear Quality control compartment) e IPOD (Insoluble Protein Deposit), ^[3] y representan dos vías celulares para el secuestro y la gestión de proteínas propensas a la agregación y potencialmente tóxicas. ^{[ cita requerida ]}

La partición de los sustratos de control de calidad (es decir, las proteínas mal plegadas ) en cualquiera de los compartimentos depende de su estado de ubiquitinación y estado de agregación (es decir, solubilidad): ^{[ cita requerida ]}

Las proteínas ubiquitinadas se envían a la región JUNQ, donde el proteasoma las procesa para degradarlas . Las proteínas mal plegadas que no están ubiquitinadas ni agregadas terminalmente se secuestran en el IPOD.

Así, la localización subcelular de una proteína mal plegada (es decir, en JUNQ o en IPOD) proporciona información sobre su interacción con la maquinaria de control de calidad de la proteína celular (por ejemplo, su ligasa E3 ).

JUNQ es el compartimento de control de calidad nuclear de JU xta .

Para mantener la homeostasis celular, el sistema de control de calidad celular debe distinguir entre proteínas plegadas y mal plegadas. Una proteína mal plegada será reconocida y controlada estrictamente mediante el replegamiento o la ubiquitinación y la degradación proteasómica.

Sin embargo, el aumento celular de las cargas de proteínas mal plegadas, debido a diversos tipos de estrés (por ejemplo, choque térmico ), puede saturar y agotar la maquinaria de control de calidad. En tales casos, la degradación de las proteínas mal plegadas no está disponible y se debe ejecutar una segunda línea de mecanismo de defensa celular activa: dirigir las proteínas mal plegadas a sitios celulares específicos. ^[2]

El JUNQ sirve como un sitio de secuestro de este tipo. Se ha demostrado ^[3] que cuando el proteasoma se ve afectado (por ejemplo, por niveles bajos de expresión de la subunidad del proteasoma RPN11), las proteínas mal plegadas ubiquitinadas se clasifican en el JUNQ. Tras la recuperación de las condiciones de estrés (por ejemplo, la recuperación de un choque térmico a una temperatura permisiva), las proteínas mal plegadas que se acumulan en el JUNQ pueden ser replegadas por la maquinaria de chaperona celular o degradadas por el proteasoma 26S . Por lo tanto, el secuestro de una proteína al JUNQ es reversible. ^{[ cita requerida ]}

El JUNQ es un sitio celular no unido a la membrana ubicado en un margen del núcleo, muy cerca del retículo endoplasmático . Los ensayos FRAP y FLIP revelaron que las proteínas en el JUNQ son solubles y se intercambian con el citosol , lo que sugiere que el JUNQ tiene una estructura dinámica.

La entrega al JUNQ depende de chaperonas moleculares y co-chaperonas y del citoesqueleto de actina . ^[4] Las proteínas mal plegadas deben ser ubiquitinadas para ser clasificadas en el JUNQ. Si la ubiquitinación está bloqueada, una proteína mal plegada será dirigida a la inclusión IPOD. La acumulación de proteínas mal plegadas recluta proteosomas 26S al JUNQ.

IPOD es el compartimento de depósito de proteínas insolubles .

Cada vez es más evidente que la capacidad celular para mantener la proteostasis ^[8] disminuye con la edad, ^[9] lo que provoca la aparición tardía de enfermedades neurodegenerativas . En dichas enfermedades (por ejemplo, la enfermedad de Huntington ), una proteína mutada se pliega incorrectamente y se vuelve tóxica para el entorno celular de diversas formas, como la desnaturalización de las proteínas citosólicas. ^[14] Incapaz de degradar esas especies tóxicas, la célula debe aislarlas para evitar su interacción peligrosa con el proteoma celular. Se ha demostrado ^[3] que el IPOD es el sitio subcelular al que se secuestran las proteínas amiloidogénicas tóxicas , lo que sirve como un compartimento de control de calidad protector.

Además, el grupo de Lindquist sugirió que el IPOD es el sitio donde los priones de levadura experimentan un proceso de maduración. ^[15] Por lo tanto, el IPOD puede servir no solo como un sitio de secuestro, sino también como un compartimento funcional. ^[15]

El IPOD es un sitio celular no unido a la membrana , que en la levadura se encuentra junto a la vacuola . Los ensayos FRAP y FLIP revelaron que las proteínas en el IPOD están muy compactas, son insolubles y no se intercambian con el citosol . Las proteínas amiloidogénicas , como la proteína huntingtina , son los sustratos del IPOD. ^{[ cita requerida ]}

Las proteínas mal plegadas deben estar no ubiquitinadas para ser clasificadas en el IPOD. La ubiquitinación de un sustrato que de otro modo sería IPOD, como el prión fúngico RNQ1 , dará como resultado su secuestro en la inclusión JUNQ. ^{[ cita requerida ]}

Tras la acumulación de proteínas mal plegadas , la chaperona desagregante , la proteína AAA HSP104, se localiza en el IPOD. Aún está por determinar si la HSP104 funciona en el IPOD o simplemente se encuentra secuestrada allí al estar enganchada a un sustrato.

La estructura preautofagosómica (PAS) está localizada por el IPOD. ^[16] Sin embargo, no se ha demostrado que los sustratos del IPOD se entreguen a la vacuola, por lo que aún queda por determinar el vínculo entre el IPOD y la autofagia . ^[3]

• Microscopía láser de barrido confocal
• Agregación de proteínas

• Agregación de proteínas
• Plegamiento de proteínas
• Imágenes de células vivas
• Jennifer Lippincott-Schwartz: Imágenes fluorescentes intracelulares: una introducción
• Susan Lindquist (MIT): Plegamiento de proteínas y priones