ADP-ribosilación
Durante mucho tiempo, se creía que la función de la coenzima NAD estaba relacionada con su papel en las reacciones redox. Sin embargo, en los últimos 20 años, la evidencia experimental sugirió que el NAD participa en eventos de ADP-ribosilación.
En NAD, la escisión del enlace glucosídico entre el C1′ de la ribosa y el N11 de la nicotinamida libera nicotinamida y ADP-ribosil (Fig. 24.1). Esto se puede unir a una variedad de moléculas aceptoras. Se conocen numerosas reacciones dependientes de NAD para la transferencia de ADP-ribosa (ADP-ribosilación); todas son de gran importancia funcional.
la Figura 24.1. ADP-ribosa.
Mono-ADP-ribosilación. En esta modificación postraduccional, el ADP ribosil de NAD se transfiere a un residuo de aminoacilo (arginina, cisteína, asparagina o histidina) de una proteína aceptora. Cabe señalar que la unión de la ADP-ribosil nicotinamida en el NAD es un enlace de alta energía; su ruptura proporciona la energía que hace posible la reacción. La mono-adenosinedifosfato-ribosil transferasa (ART), descrita inicialmente en toxinas bacterianas y posteriormente en células eucariotas, cataliza la reacción.
La toxina del cólera promueve la transferencia de mono-ADP-ribosil a la subunidad α de la proteína Gs y la activa. Esto conduce a la estimulación de la adenilato ciclasa, el aumento de los niveles de AMP cíclico y una mayor función de los canales de transporte iónico en la membrana luminal de los enterocitos. Esto causa diarrea severa, un síntoma característico de la infección por toxina del cólera. La toxina de la tos ferina (producida por las bacterias que causan la tos ferina) determina la ADP-ribosilación de los residuos de cisteinilo y desacopla la proteína G de su receptor. La toxina diftérica y la exotoxina de Pseudomonas detienen la síntesis de proteínas mediante ADP-ribosilación del factor de elongación 2 (EF2). La toxina de clostridium ADP-ribosilata las moléculas de actina y previene su polimerización. Estas acciones muestran que la mono-ADP-ribosilación influye notablemente en la función de la proteína modificada.
En humanos, se han reconocido varias enzimas de ADP-ribosilación. Algunos están anclados por glicosil-fosfatidilinositol a la superficie externa de la membrana plasmática (ectoenzimas) y otros están dentro de la célula (endoenzimas).
El hallazgo de ectoenzimas que actúan sobre el NAD localizado dentro de las células fue sorprendente. Se cree que estas enzimas utilizan el NAD liberado en el espacio intersticial por las células lisadas; alternativamente, se ha propuesto la existencia de canales que permiten la salida del NAD a través de la membrana plasmática. Las ectoenzimas están asociadas funcionalmente con la modulación de la diferenciación de miocitos y otros procesos asociados con las respuestas inmunitarias e inflamatorias, como la quimiotaxis, el reclutamiento de neutrófilos, la inhibición de la citotoxicidad de células T y la adhesión celular.
Las ARTES intracelulares están involucradas en la regulación de sistemas de transducción de señales en los que las proteínas G están involucradas y sirven como sustratos de las artes. La ribosilación mono-ADP puede afectar la señalización y promover varios efectos celulares. La inhibición de la traducción de proteínas, la regulación del aparato de Golgi y la función del citoesqueleto son el resultado de estas modificaciones postraduccionales.
Poli-ADP-ribosilación. Este es otro tipo de modificación postraduccional catalizada por poli-adenosinedifosfato-ribosil polimerasas (PARP). Se han identificado dieciocho genes PARP, pero no se han caracterizado todas las enzimas codificadas por estos genes. PARP se une inicialmente a ADP-ribosil con residuos de glutamilo o aspartilo en la proteína aceptora. Luego, continúa insertando moléculas ADP-ribosil, uniéndolas linealmente por enlaces glucosídicos de 1 ‘
2′. En cada 40-50 unidades, se crean puntos de ramificación en la cadena principal, insertando enlaces de 1′3′. PARP también puede someterse a auto-poli-ADP-ribosilación; uno de los principales sustratos de PARP es el propio PARP.
Los polímeros ADP-ribosa son altamente electronegativos y afectan las propiedades de la proteína modificada. El aumento de la carga proteica negativa aumenta la repulsión de la proteína ADP ribosilada con otros polianiones, como el ADN; o atrae moléculas cargadas positivamente, como las histonas.
Entre las ADP-ribosil polimerasas conocidas, algunas se encuentran en el núcleo. PARP-1 y PARP-2 se activan por la presencia de sitios escindidos en las hebras de ADN, a las que se une PARP. Estos sitios de escisión generalmente ocurren durante la replicación y reparación del ADN, o pueden ser causados por agentes externos. PARP-3, a menudo se asocia con el centrosoma y PARP-4 se asocia con partículas de ribonucleoproteína. PARP – 7 y PARP-10 están involucrados en la ribosilación de histonas. Las TNKS y las TNKS-2 también son poli-ADP-ribosil polimerasas y están asociadas a los telómeros.
La modificación por poli-ADP-ribosilación de proteínas básicas, como las histonas, altera las interacciones ADN-histona, así como las atracciones intra e internucleosómicas, promoviendo una estructura de cromatina más suelta. Esto facilita el acceso al ADN de las enzimas involucradas en los procesos de replicación y reparación, incluidas la helicasa, la topoisomerasa, la polimerasa y la ligasa. El poliribosilato de PARP-ADP-auto tiende a repeler las hebras de ADN cercanas a medida que aumenta su carga electronegativa, y finalmente se separa.
PARP asociado a los telómeros promueve la actividad de la telomerasa en el alargamiento cromosómico. Además, su presencia sirve para repeler otras hebras de ADN y prevenir anomalías, como translocaciones y fusiones de recombinación de extremo a extremo o perjudiciales.
La poli-ADP-ribosilación de algunas enzimas puede modificar su actividad; por ejemplo, puede estimular la ligasa de ADN e inhibir la endonucleasa, evitando la degradación del ADN.
PARP participa en la regulación de la estructura de la cromatina, la transcripción, la replicación, la reparación, el mantenimiento de la integridad del ADN y la estimulación de la ligasa de ADN. La ausencia o disminución de la actividad de PARP conduce a la inestabilidad del genoma.
PARP asociado a los centrosomas contribuye a una separación ordenada de los cromosomas durante la mitosis.
El PARP también participa en la diferenciación celular y la degradación de proteínas durante la muerte celular programada (apoptosis, Capítulo 32). Los mecanismos de acción aún no se comprenden claramente. PARP media la apoptosis a través de señales proinflamatorias. Controla la liberación del factor inductor de apoptosis (FIA) de las mitocondrias. Estudios recientes también han demostrado una relación entre la poli-ADP-ribosilación y la poliubiquitinación en el etiquetado de proteínas para la degradación.
En casos de estrés celular, la sobreactivación de PARP puede llevar al agotamiento de NAD y ATP, con consecuencias devastadoras para la célula que terminan en necrosis celular.
Los estudios en animales de laboratorio han demostrado que las condiciones isquémicas, en el cerebro y el corazón, bajo shock séptico o procesos inflamatorios graves mejoran cuando se inhibe la PARP. Es probable que estas observaciones tengan aplicación clínica; sin embargo, el desafío de la reducción de la actividad de la polimerasa ADP-ribosa que conduce a la desestabilización del genoma, la acumulación de mutaciones y, finalmente, a la transformación maligna (carcinogénesis), debe resolverse primero.
Los polímeros ADP-ribosa son degradados por la poli-ADP-ribosa glicohidrolasa, que libera ADP-ribosa libre. Una ADP-ribosa liasa libera la primera unidad unida a la proteína. La pirofosfatasa separa el AMP y el fosfato de ribosa.
Desacetilación dependiente de NAD. Hay una familia de proteínas deacetilasas dependientes de NAD llamadas sirtuinas, que liberan el grupo nicotinamida de NAD y utilizan acetato separado de proteínas como aceptor de ADP-ribosil para formar 2 ‘ -O-acetil-ADP-ribosa. Esta actividad se observó primero en levaduras y se designó con el acrónimo SIR (regulador de información silenciosa); más tarde también se demostró en el nematodo Caenorhabditis elegans y en Drosophila melanogaster. Su acción aumenta la vida útil de estos organismos, particularmente en condiciones donde los nutrientes en el medio están restringidos.
Las sirtuinas (SIRT) comprenden una familia de siete miembros de proteínas (SIRT-1 a SIRT-7), que pueden considerarse una variante de ADP-ribosilasas. Utilizan diversos sustratos, como histonas, proteína p53, factores de transcripción, factor nuclear kB y otros. Por ejemplo, la desacetilación de histonas induce una estructura más compacta de la cromatina, que promueve el silenciamiento de genes y protege las áreas críticas de los cromosomas, como los telómeros y los centrosomas. La desacetilación de la proteína p53 es importante para la estabilidad genómica; controla el ciclo celular, la reparación del ADN y la apoptosis. La desacetilación de p53 aparentemente aumenta su estabilidad al bloquear la ubiquitinación.
SIRT 1 participa en el metabolismo energético, la respuesta al estrés oxidativo, la senescencia celular y la protección de endotelia vascular y nervios en diferentes condiciones patológicas.
La nicotinamida liberada de desacetilaciones dependientes de NAD actúa como un potente inhibidor de la actividad de la sirtuina, contribuyendo a su regulación.
Dado que la acción de las sirtuinas contribuye a la prolongación de la vida en algunos organismos, se pensó que era un factor de prolongación general. Sin embargo, todavía no hay suficiente evidencia para extrapolar estos resultados a animales superiores.
Se cree que el mantenimiento de niveles normales de polimerasas y sirtuinas POLIPARP en las células puede prevenir o retrasar la carcinogénesis y los trastornos relacionados con el envejecimiento.
El producto 2 ‘ – O-acetil-ADP-ribosa, resultante de la actividad de la sirtuina, funciona como un segundo mensajero.
Las reacciones que no están relacionadas con la modificación postraduccional de proteínas, pero que pueden considerarse variantes de ADP-ribosilación, generan compuestos con importante acción fisiológica: ADP-ribosa cíclica y ácido nicotínico-ADP-ribosa-fosfato (NAADP) (véase p. 669).