California2+
La proteína quinasa II dependiente de calmodulina ( CaM quinasa II o CaMKII ) es una proteína quinasa específica de serina/treonina que está regulada por el Ca2+
/ complejo de calmodulina . CaMKII participa en muchas cascadas de señalización y se cree que es un mediador importante del aprendizaje y la memoria. [1]
CaMKII también es necesario para Ca2+
homeostasis y recaptación en cardiomiocitos , [2]
transporte de cloruro en epitelios, [3] selección
positiva de células T , [4]
y activación de células T CD8 . [5]
La mala regulación de CaMKII está relacionada con la enfermedad de Alzheimer , el síndrome de Angelman y la arritmia cardíaca . [6]
Hay dos tipos de CaM quinasa:
CaMKII representa del 1 al 2% de todas las proteínas del cerebro [7] [8] y tiene 28 isoformas diferentes . Las isoformas derivan de los genes alfa, beta, gamma y delta.
Todas las isoformas de CaMKII tienen: un dominio catalítico , un dominio autoinhibidor, un segmento variable y un dominio de autoasociación. [9]
El dominio catalítico tiene varios sitios de unión para ATP y otras proteínas de anclaje al sustrato. Es responsable de la transferencia de fosfato del ATP a los residuos Ser o Thr en los sustratos. El dominio autoinhibidor presenta un sitio pseudosustrato, que se une al dominio catalítico y bloquea su capacidad para fosforilar proteínas. [10]
La característica estructural que gobierna esta autoinhibición es el residuo de treonina 286. La fosforilación de este sitio activará permanentemente la enzima CaMKII. Una vez que se ha fosforilado el residuo de treonina 286, el dominio inhibidor se bloquea del sitio del pseudosustrato. Esto bloquea eficazmente la autoinhibición, permitiendo la activación permanente de la enzima CaMKII. Esto permite que CamKII esté activo, incluso en ausencia de calcio y calmodulina. [11]
Los otros dos dominios en CaMKII son los dominios variable y de autoasociación. Las diferencias en estos dominios contribuyen a las diversas isoformas de CaMKII. [12]
El dominio de autoasociación (CaMKII AD) se encuentra en el extremo C , la función de este dominio es el ensamblaje de proteínas individuales en multímeros grandes (8 a 14 subunidades) [13]
La sensibilidad de la enzima CaMKII al calcio y la calmodulina está gobernada por los dominios variable y autoasociativo. Este nivel de sensibilidad de CaMKII también modulará los diferentes estados de activación de la enzima. Inicialmente, la enzima se activa; sin embargo, la autofosforilación no ocurre porque no hay suficiente calcio o calmodulina para unirse a las subunidades vecinas. A medida que se acumulan mayores cantidades de calcio y calmodulina, se produce una autofosforilación que conduce a una activación persistente de la enzima CaMKII durante un corto período de tiempo. Sin embargo, el residuo de treonina 286 eventualmente se desfosforila, lo que lleva a la inactivación de CaMKII. [14] [15]
La autofosforilación es el proceso en el que una quinasa se une un grupo fosfato a sí misma. Cuando CaMKII se autofosforila, se vuelve persistentemente activo. La fosforilación del sitio Treonina 286 permite la activación del dominio catalítico. La estructura de la holoenzima mejora la autofosforilación porque está presente en dos anillos apilados. La proximidad de estos anillos adyacentes aumenta la probabilidad de fosforilación de enzimas CaMKII vecinas, lo que promueve la autofosforilación. [16] Un mecanismo que promueve la autofosforilación incluye la inhibición de PP1 (proteína fosfatasa I) . Esto permite que CaMKII esté constantemente activo al aumentar la probabilidad de autofosforilación. [17]
La proteína quinasa II dependiente de calcio/calmodulina también está muy implicada en la potenciación a largo plazo (LTP), el proceso molecular de fortalecimiento de las sinapsis activas que se cree que es la base de los procesos de la memoria. Está involucrado en muchos aspectos de este proceso. La LTP se inicia cuando los receptores NMDA se encuentran en un entorno local con un potencial de voltaje lo suficientemente alto como para desplazar el ion Mg 2+ cargado positivamente del poro del canal. Como resultado del desbloqueo del canal, los iones Ca 2+ pueden ingresar a la neurona postsináptica a través del canal del receptor NMDA. Este influjo de Ca 2+ activa CaMKII. Se ha demostrado que hay un aumento en la actividad de CaMKII directamente en la densidad postsináptica de las dendritas después de la inducción de LTP , lo que sugiere que la activación es un resultado directo de la estimulación. [18] [19]
Cuando se elimina alfa-CaMKII en ratones, la LTP se reduce en un 50%. Esto puede explicarse por el hecho de que beta-CaMKII es responsable de aproximadamente el 65% de la actividad de CaMKII. [20] [21] LTP se puede bloquear completamente si CaMKII se modifica para que no pueda permanecer activo. [2] [22] Después de la inducción de LTP, CaMKII pasa a la densidad postsináptica (PSD). Sin embargo, si la estimulación no induce LTP, la translocación es rápidamente reversible. La unión al PSD cambia CaMKII para que sea menos probable que se desfosforile. CaMKII se transforma de un sustrato para la proteína fosfatasa 2A (PP2A), que es responsable de desfosforilar CaMKII, al de la proteína fosfatasa 1. Strack, S. (1997) [18] demostró este fenómeno estimulando químicamente rodajas de hipocampo. Este experimento ilustra que CaMKII contribuye a la mejora de la fuerza sináptica. Sanhueza et al. [23] encontraron que la activación persistente de CaMKII es necesaria para el mantenimiento de la LTP. Indujo LTP en cortes de hipocampo y aplicó experimentalmente un antagonista (CaMKIINtide) para evitar que CaMKII permaneciera activo. Los cortes que se aplicaron con CaMKIINtide mostraron una disminución en la pendiente del EPSP normalizado después de la infusión del fármaco, lo que significa que la LTP inducida se revirtió. La pendiente EPSP Normalizada permaneció constante en el control; CaMKII continúa participando en el proceso de mantenimiento de LTP incluso después del establecimiento de LTP. CaMKII se activa mediante calcio/calmodulina, pero se mantiene mediante autofosforilación. CaMKII se activa mediante la elevación de calcio mediada por el receptor NMDA que se produce durante la inducción de LTP. La activación va acompañada de la fosforilación de las subunidades alfa y beta y de Thr286/287.
La LTP se puede inducir inyectando artificialmente CaMKII. Cuando CaMKII se infunde postsinápticamente en los cortes del hipocampo y la perfusión intracelular o la expresión viral, hay un aumento de dos a tres veces en la respuesta de la sinapsis al glutamato y otras señales químicas. [24] [25]
Existe evidencia sólida de que después de la activación de CaMKII, CaMKII desempeña un papel en el tráfico de receptores AMPA hacia la membrana y luego hacia la PSD de la dendrita. El movimiento de los receptores AMPA aumenta la respuesta postsináptica a la despolarización presináptica mediante el fortalecimiento de las sinapsis. Esto produce LTP.
Mecánicamente, CaMKII fosforila los receptores AMPA en el sitio P2 serina 831. Esto aumenta la conductancia del canal de las subunidades GluA1 de los receptores AMPA, [26] lo que permite que los receptores AMPA sean más sensibles de lo normal durante la LTP. El aumento de la sensibilidad del receptor AMPA conduce a un aumento de la fuerza sináptica.
Además de aumentar la conductancia del canal de las subunidades GluA1, también se ha demostrado que CaMKII ayuda en el proceso de exocitosis del receptor AMPA. Los receptores AMPA de reserva están incrustados en endosomas dentro de la célula. CaMKII puede estimular los endosomas para que se muevan hacia la membrana externa y activen los receptores AMPA incrustados. [27] La exocitosis de los endosomas aumenta y aumenta el número de receptores AMPA en la sinapsis. El mayor número de receptores AMPA aumenta la sensibilidad de la sinapsis a la despolarización presináptica y genera LTP.
Además de ayudar a establecer la LTP, se ha demostrado que CaMKII es crucial para mantener la LTP. Se cree que su capacidad de autofosforilación desempeña un papel importante en este mantenimiento. Se ha demostrado que la administración de ciertos bloqueadores de CaMKII no solo bloquea la LTP sino que también la revierte de manera dependiente del tiempo. [28]
Como se cree que la LTP es la base de los procesos de aprendizaje y memoria, CaMKII también es crucial para la formación de la memoria. Los estudios de comportamiento con ratones modificados genéticamente han demostrado la importancia de CaMKII.
En 1998, Giese y sus colegas estudiaron ratones knockout que habían sido modificados genéticamente para prevenir la autofosforilación de CaMKII. Observaron que los ratones tenían problemas para encontrar la plataforma oculta en la tarea del laberinto acuático de Morris. La tarea del laberinto acuático de Morris se utiliza a menudo para representar el aprendizaje espacial dependiente del hipocampo. La incapacidad de los ratones para encontrar la plataforma oculta implica déficits en el aprendizaje espacial. [17]
Sin embargo, estos resultados no fueron del todo concluyentes porque el déficit en la formación de la memoria también podría estar asociado con un deterioro sensoriomotor resultante de una alteración genética. [29]
Irvine y sus colegas demostraron en 2006 que la prevención de la autofosforilación de CaMKII causaba que los ratones tuvieran un aprendizaje inicial deficiente del condicionamiento del miedo. Sin embargo, después de repetidas pruebas, los ratones deteriorados exhibieron una formación de memoria de miedo similar a la de los ratones de control. CaMKII puede desempeñar un papel en la memoria rápida del miedo, pero no previene por completo la memoria del miedo a largo plazo. [30]
En 2004, Rodrigues y sus colegas descubrieron que el condicionamiento del miedo aumentaba la CaMKII fosforilada en las sinapsis de la amígdala lateral y las espinas dendríticas, lo que indica que el condicionamiento del miedo podría ser responsable de regular y activar la quinasa. También descubrieron un fármaco, KN-62 , que inhibía CaMKII y evitaba la adquisición del condicionamiento del miedo y la LTP. [31]
Los ratones heterocigotos α-CaMKII expresan la mitad del nivel de proteína normal que el nivel de tipo salvaje. Estos ratones mostraron un almacenamiento de memoria normal en el hipocampo, pero déficits en la consolidación de la memoria en la corteza. [32]
Mayford y sus colegas diseñaron ratones transgénicos que expresan CaMKII con una mutación puntual de Thr-286 a aspartato, que imita la autofosforilación y aumenta la actividad de la quinasa. Estos ratones no lograron mostrar una respuesta LTP a estímulos débiles y no lograron realizar un aprendizaje espacial dependiente del hipocampo que dependía de señales visuales u olfativas. [33]
Los investigadores especulan que estos resultados podrían deberse a la falta de células estables en el hipocampo en estos animales. [34]
Sin embargo, debido a que las modificaciones genéticas pueden causar cambios de desarrollo no intencionales, la administración de vectores virales permite modificar el material genético de los ratones en etapas específicas de desarrollo. Con la administración de vectores virales, es posible inyectar un gen específico de elección en una región particular del cerebro en un animal ya desarrollado. De hecho, esto lo hicieron el grupo Tonegawa a principios de la década de 1990 y Poulsen y sus colegas en 2007. Ambos grupos utilizaron este método para inyectar CaMKII en el hipocampo. Descubrieron que la sobreexpresión de CaMKII daba como resultado una ligera mejora en la adquisición de nuevos recuerdos. [35] [36]
Los cambios inducidos por fármacos en la función CaMKII se han implicado en la adicción.
CaMKIIA es una de las principales formas de CamKII. Se ha descubierto que desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de la activación de CamKII en la densidad postsináptica. Los estudios han encontrado que los ratones knockout sin CaMKIIA demuestran una baja frecuencia de LTP. Además, estos ratones no forman células de lugar estables y persistentes en el hipocampo. [37]
CaMK2B tiene un sitio de autofosforilación en Thr287. Funciona como un módulo de apuntamiento o de acoplamiento. La reacción en cadena de la polimerasa con transcripción inversa y el análisis de secuenciación identificaron al menos cinco variantes de empalme alternativas de beta CaMKII (beta, beta6, betae, beta'e y beta7) en el cerebro y dos de ellas (beta6 y beta7) se detectaron por primera vez en cualquier especie. . [38]
CaMK2D aparece en tipos de células tanto neuronales como no neuronales. Se caracteriza particularmente en muchas células tumorales, tales como una variedad de células tumorales pancreáticas, leucémicas, de mama y otras. [39] encontraron que CaMK2D está regulado negativamente en células tumorales humanas.
Se ha demostrado que CaMK2G es una quinasa regulada por señales extracelulares crucial en células de músculo liso diferenciadas. [40]
