Las proteínas quimiosensoriales ( CSP ) son pequeñas proteínas solubles que median el reconocimiento olfativo en la periferia de los receptores sensoriales en insectos, de manera similar a las proteínas que se unen a los odorantes . [1] [2] [3] [4] La estructura típica de las CSP está formada por seis o siete cadenas α-helicoidales de aproximadamente 110-120 aminoácidos (10-12 kDa), incluidas cuatro cisteínas que forman dos pequeños bucles, dos puentes disulfuro adyacentes y una estructura funcional globular "similar a un prisma" [5]. Se han resuelto tres estructuras de CSP en polillas ( Mamestra brassicae y Bombyx mori ) y langostas ( Schistocerca gregaria ) [5-8].
La estructura de las CSP es muy flexible. Las CSP se caracterizan por la edición de ARN y/o modificaciones postraduccionales, como se descubrió en la polilla del gusano de seda, B. mori [9-14]. La adición de glicina cerca de la cisteína en una ubicación específica, la inversión de aminoácidos y la inserción de motivos en la secuencia de proteínas son un fuerte argumento a favor de la existencia de recodificación a nivel de síntesis de proteínas en la familia CSP [9-14]. Además, son capaces de respirar o de realizar cambios conformacionales específicos tras la unión del ligando, lo que puede representar otra característica clave de la proteína de unión soluble multifuncional primitiva ancestral [15].
El número de genes CSP es generalmente muy bajo en insectos como los encontrados en moscas Drosophila , mosquitos Anopheles , piojos Pediculus , abejas melíferas y avispas joya (4-8) [4, 24, 40-41]. Existe un número significativamente mayor de genes CSP en los genomas de mariposas, polillas y escarabajos (nb CSPs=19-20) [32, 42-43]. Las especies de mosquitos Culex tienen entre 27 y 83 genes CSP [44]. Más de cientos de variantes de proteínas pueden producirse a partir de genes CSP a través de o mediadas por modificaciones postraduccionales y/o edición de péptidos de ARN como en el caso de Dscam y genes sensoriales cocleares [9-14].
Los genes CSP evolucionaron a través de duplicación, pérdida y ganancia de intrones y eventos de retrotransposición [4, 14, 32, 40-41, 45]. Se ha propuesto una única hipótesis unificada de edición de ARN y evolución impulsada por retrotransposición de CSP, es decir, producción inicial de nuevos motivos de proteína CSP a través de polimerización de ARN dependiente de ADN y ARN antes de la retrotransposición de variantes de ARN-CSP editadas, en polillas [11].
En los insectos, los CSP se encuentran a lo largo de todo el proceso de desarrollo del insecto, desde huevos y larvas hasta etapas ninfales y adultas [4, 16-19]. En las langostas , se expresan principalmente en las antenas, tarsos y patas, y se encontró que están asociados con el cambio de fase [3-4, 20-22]. Los CSP no son propiedad de los insectos. También se expresan en muchos organismos diferentes, como crustáceos , camarones y muchas otras especies de artrópodos [23]. Sin embargo, no son específicos del reino de los artrópodos. También se expresan a nivel del superreino bacteriano, lo que demuestra su existencia no solo en eucariotas , sino también en organismos procariotas [23-24]. Los CSP procariotas son gemelos o gemelos idénticos a los CSP de los insectos [24]. Se han reportado en especies bacterianas como el cocobacilo Acinetobacter baumannii , Macrococcus/Staphylococcus caseolyticus, el actinomiceto filamentoso Kitasatospora griseola, un género Actinobacteria de la familia Streptomycetaceae y Escherichia coli (E. coli), que se conocen como bacterias comunes del tracto digestivo, principales metabolitos secundarios procariotas, patógenos oportunistas resistentes a múltiples fármacos , reacciones altamente positivas de la citocromo c oxidasa y simbiontes de múltiples especies de insectos [24].
Su existencia ha sido mencionada en plantas, pero esto aún necesita ser demostrado experimentalmente [25-26]. Los CSPs pueden ser extraídos del veneno de avispa [27]. En polillas, casi todos los CSPs se expresan en la glándula de feromonas femenina [9-14]. Sin embargo, las secreciones y tejidos que expresan CSP no son solo la glándula de feromonas de la polilla hembra, sino también ramas antenales, mandíbulas y saliva , cápsula cefálica, ojos, probóscide , tórax y abdomen, cabeza, epidermis, cuerpo graso, intestino, alas y patas, es decir, una amplia gama de fluidos y tejidos reproductivos y no reproductivos, sensoriales y no sensoriales del cuerpo del insecto [28-31]. Casi todos los CSPs están regulados positivamente en la mayoría de los tejidos del cuerpo del insecto, particularmente en el intestino, la epidermis y el cuerpo graso, después de la exposición a insecticidas [32].
Un patrón tan amplio en la expresión genética en un rango tan amplio de fluidos o tejidos sensoriales y no sensoriales está en fuerte acuerdo con una función básica muy general para esta familia de genes, es decir, en relación con el transporte y metabolismo de lípidos.
Recientemente, Xuan et al. (2015) han planteado el papel de las CSP en la inmunidad general, la resistencia a los insecticidas y la degradación de xenobióticos, y han demostrado una drástica y notable regulación positiva de los genes CSP en muchos tejidos diferentes tras la exposición a la molécula insecticida abamectina [32]. Se observa un aumento de la carga de CSP (ferocinas) en la hemolinfa de la mosca después de una infección microbiana o vírica [33]. Liu et al. (2016) han planteado el papel particular de las proteínas CSP en el transporte de lípidos en relación con la resistencia a los insecticidas en las moscas blancas [34]. Liu et al. demostraron una regulación positiva mediada por insecticidas y la interacción de la proteína con el lípido C18 (ácido linoleico), lo que sugiere un papel metabólico de las CSP en la defensa de los insectos en lugar del olfato o la comunicación química [34].
El primer miembro de esta familia de proteínas solubles ha sido reportado por Nomura et al. (1982) como factor de regulación positiva (p10) en las patas regenerativas de la cucaracha americana Periplaneta americana [35]. La misma proteína fue identificada en las antenas y patas de P. americana en la etapa de madurez sexual adulta con algunas diferencias aparentes entre machos y hembras, lo que sugiere más bien una función de “quimiodevol” para esta proteína, que contribuye tanto al desarrollo tisular como al reconocimiento de señales específicas del sexo, como las feromonas sexuales [2]. En experimentos de inmunocitoquímica , un anticuerpo (policlonal) contra CSP marcó el sensilio antenal, pero el marcado no se limitó a las estructuras sensoriales sino que se difundió a la cutícula y las células de soporte [3, 36].
Una función de los CSP en el transporte de lípidos es consistente con un papel crucial no solo en la inmunidad general de los insectos, la síntesis de feromonas de la polilla o el cambio de fase del comportamiento de la langosta, sino también en el desarrollo de la cabeza como se describe en las abejas melíferas [37].
Se ha propuesto que los CSP median en el reconocimiento de firmas químicas compuestas de lípidos cuticulares, como por ejemplo en las hormigas [38]. Sin embargo, no está claro si algunos CSP están involucrados en comunicaciones químicas, otros en el desarrollo u otras funciones fisiológicas. La estructura funcional de CSP está unida a moléculas de ácidos grasos [5]. Se ha demostrado que otras estructuras funcionales de CSP interactúan directamente con compuestos exógenos como compuestos químicos tóxicos (cinamaldehído) de aceites vegetales [34]. Por lo tanto, los CSP se expresan no solo en artrópodos, sino también en bacterias, y aparentemente están dotados de funciones heterogéneas. Los CSP pueden desencadenar vías inmunes innatas en plantas [39].
El primer miembro de esta familia de genes se denominó p10, en referencia al tamaño y peso molecular (en kDa) de una proteína de las patas regenerativas de los insectos. La misma proteína (llamada Pam) se encontró en las antenas y patas adultas de los dos sexos de la cucaracha americana P. americana [2, 35]. Clones similares identificados en Drosophila y Locusta en una búsqueda de genes olfativos se refirieron a la proteína tipo D olfativo-sensorial (OS-D o proteína de unión a feromonas A10) [20, 46-47]. Los clones relacionados identificados en las antenas del esfíngido Manduca sexta se denominaron proteínas de apéndice sensorial (SAP) para distinguirlas de una familia de proteínas solubles de seis cisteínas más largas, es decir, proteínas de unión a odorantes u OBP [48]. Los SAP/CSP individuales han sido designados de varias maneras: p10/Periplaneta americana (Nomura et al., 1992) [35], A10/Drosophila melanogaster (Pikielny et al., 1994) [46], OS-D/D. melanogaster (McKenna et al., 1994) [47], Pam/P. americana (Picimbon & Leal, 1999) [2], CSP/Schistocerca gregaria (Angeli et al., 1999) [3], SAP/Manduca sexta (Robertson et al., 1999) [48], Pherokine/D. melanogaster (Sabatier et al., 2003) [33], B-CSP/Acinetobacter baumannii, Macrococcus caseolyticus, Kitasatospora griseola, Escherichia coli (Liu et al., 2019) [24].
La familia de proteínas fue renombrada como proteína quimiosensorial (CSP) por Angeli et al. después de que un anticuerpo (policlonal) contra p10 marcara algunas estructuras sensoriales en las antenas adultas de la langosta del desierto Schistocerca gregaria [3]. El término “B-CSP” se utilizó para referirse a clones similares de especies bacterianas (B) [24]. Sin embargo, la importancia funcional de las proteínas CSP en el olfato/quimiosensor aún está por demostrar. Desde entonces, se ha demostrado que esta familia de genes proteicos actúa fuera del sistema quimiosensorial [32]. Se las llamó ferocinas para designar proteínas en abundancia en la hemolinfa de la mosca en respuesta a una infección microbiana o viral [33]. Incluso se propuso renombrar estas proteínas como proteínas sensoriales cuticulares para mantener el nombre pero enfatizar en su nivel de expresión no solo en los órganos sensoriales, sino también en las barreras inmunes entre el insecto y el medio ambiente [49-50].
Se organizó un foro de correo electrónico para encontrar el nombre más adecuado teniendo en cuenta la creciente evidencia de que las CSP no desempeñan un papel central y único en la quimiosensorización, si es que lo tienen [32]. El término "CSP" ha crecido y se considera que pertenece a un grupo de proteínas solubles con un patrón particular de cuatro cisteínas y un alto nivel de similitud estructural [4, 14, 23-36, 32-37, 50]. El término "CSP" es bastante inadecuado, especialmente para designar a toda la familia de genes de proteínas porque significa literalmente "proteínas quimiosensoriales" [3]. Este término no debería usarse para unir bajo un nombre común todos los genes y proteínas que están relacionados en un contexto evolutivo desde las bacterias hasta las abejas. El conocimiento para nombrar apropiadamente a los CSP llega ahora con este análisis exhaustivo de los genomas de crustáceos marinos, artrópodos, bacterias e insectos y las bases de datos de etiquetas de secuencia expresada (EST) en la continuidad de los datos moleculares que demuestran que los CSP no están ajustados exclusivamente a los órganos quimiosensoriales olfativos/gustativos [4, 14, 23-36, 32-37, 50].
Se trata de una situación similar a la de las lipocalinas (del griego lipos=grasa y del griego kalyx=copa), cuyo nombre designa una superfamilia de proteínas ampliamente distribuidas y heterogéneas, que transportan pequeñas moléculas hidrofóbicas, entre ellas esteroides y lípidos. Sin embargo, a diferencia de las lipocalinas, la familia “CSP” se refiere a proteínas homogéneas bien conservadas evolutivamente con una secuencia característica (4 cisteínas), un perfil tisular (expresadas de forma ubicua) y propiedades de unión bastante diversas (no solo a ácidos grasos (AG) largos y cadenas lipídicas rectas, sino también a compuestos cíclicos como el cinamaldehído) [34]. Por lo tanto, es bastante difícil nombrar grupos y subgrupos dentro de la familia CSP, aunque numerosas proteínas CSP se producen principalmente en el intestino y el cuerpo graso que se consideran los principales órganos de almacenamiento de energía del cuerpo del insecto en forma de AG y lípidos, que se movilizan a través del proceso de lipólisis para proporcionar combustible a otros órganos para desarrollarse, regenerarse o crecer y/o responder a un agente infeccioso [4, 14, 50]. En las polillas, se movilizan cadenas lipídicas específicas para la síntesis de feromonas [9-14].
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