Las galectinas son una clase de proteínas que se unen específicamente a los azúcares β-galactósidos , como la N- acetil-lactosamina (Galβ1-3GlcNAc o Galβ1-4GlcNAc), que se pueden unir a las proteínas mediante glicosilación ligada a N o ligada a O. También se denominan lectinas de tipo S debido a su dependencia de los enlaces disulfuro para la estabilidad y la unión a los carbohidratos. Se han descubierto alrededor de 15 galectinas en mamíferos, codificadas por los genes LGALS, que están numerados de manera consecutiva. Solo las galectina-1, -2, -3, -4, -7, -7B, -8, -9, -9B, 9C, -10, -12, -13, -14 y -16 se han identificado en humanos. [1] La galectina-5 y -6 se encuentran en roedores, mientras que la galectina-11 y -15 se encuentran únicamente en ovejas y cabras. También se han descubierto miembros de la familia de las galectinas en otros mamíferos , aves , anfibios , peces , nematodos , esponjas y algunos hongos . A diferencia de la mayoría de las lectinas, no están unidas a la membrana, sino que son proteínas solubles con funciones tanto intra como extracelulares . Tienen distribuciones distintas pero superpuestas [2] pero se encuentran principalmente en el citosol , el núcleo , la matriz extracelular o en la circulación. Aunque muchas galectinas deben secretarse, no tienen un péptido señal típico requerido para la secreción clásica . Se desconoce el mecanismo y la razón de esta vía de secreción no clásica. [2]
Existen tres formas diferentes de estructura de galectina: dimérica, en tándem o quimera. Las galectinas diméricas, también llamadas galectinas prototípicas, son homodímeros, que consisten en dos subunidades de galectina idénticas que se han asociado entre sí. Las galectinas que caen dentro de esta categoría son galectina-1, -2, -5, -7, -10, -11, -14 y -15. Las galectinas en tándem contienen al menos dos dominios de reconocimiento de carbohidratos (CRD) distintos dentro de un polipéptido, por lo que se consideran intrínsecamente divalentes. Los CRD están unidos con un pequeño dominio peptídico. Las galectinas en tándem incluyen galectina-4, -6, -8, -9 y -12. La galectina final es la galectina-3, que es la única galectina que se encuentra en la categoría de quimera en vertebrados. La galectina-3 tiene un CRD y un dominio largo que no es de lectina. La galectina-3 puede existir en forma monomérica o puede asociarse a través del dominio no lectina en complejos multivalentes hasta una forma pentamérica. [3] Esto permite que la galectina-3 se una de manera efectiva entre diferentes ligandos y forme redes adhesivas. La formación de multímeros depende de la concentración. Cuando la galectina-3 está en una concentración baja, es monomérica y es probable que inhiba la adhesión. Se une a proteínas de adhesión como las integrinas y bloquea la unión posterior a otras células o la matriz extracelular. Cuando las concentraciones de galectina-3 son altas, forma grandes complejos que ayudan a la adhesión al unir las células o las células y la matriz extracelular. Se han encontrado muchas isoformas de galectinas debido a diferentes variantes de empalme . Por ejemplo, la galectina-8 tiene siete ARNm diferentes que codifican tanto formas en tándem como diméricas. El tipo de galectina-8 que se expresa depende del tejido. [4] La galectina-9 tiene tres isoformas diferentes que difieren en la longitud de la región de enlace. [4]
El dominio de reconocimiento de carbohidratos (CRD) de la galectina está formado por una lámina beta de aproximadamente 135 aminoácidos . Las dos láminas están ligeramente dobladas, con 6 hebras que forman el lado cóncavo y 5 hebras que forman el lado convexo. El lado cóncavo forma un surco en el que se puede unir el ligando de carbohidratos, y que es lo suficientemente largo como para contener aproximadamente un tetrasacárido lineal . [5]
Las galectinas se unen esencialmente a los glicanos que contienen galactosa y sus derivados. Sin embargo, fisiológicamente, es probable que requieran lactosa o N -acetil-lactosamina para una unión significativamente fuerte. En general, cuanto más largo sea el azúcar, más fuertes serán las interacciones. Por ejemplo, la galectina-9 se une a las cadenas de polilactosamina con mayor afinidad que a un monómero de N -acetil-lactosamina. Esto se debe a que pueden ocurrir más interacciones de Van der Waals entre el azúcar y el bolsillo de unión. La unión de carbohidratos es independiente del calcio, a diferencia de las lectinas de tipo C. La fuerza de la unión del ligando está determinada por una serie de factores: la multivalencia tanto del ligando como de la galectina, la longitud del carbohidrato y el modo de presentación del ligando al dominio de reconocimiento de carbohidratos. Diferentes galectinas tienen distintas especificidades de unión para unirse a oligosacáridos dependiendo del tejido en el que se expresan y la función que poseen. Sin embargo, en cada caso, la galactosa es esencial para la unión. Los experimentos de cristalización de galectinas en complejo con N -acetil-lactosamina muestran que la unión surge debido a interacciones de enlaces de hidrógeno de los grupos hidroxilo de carbono-4 y carbono-6 de la galactosa y carbono-3 de la N -acetilglucosamina (GlcNAc) a las cadenas laterales de aminoácidos en la proteína. No pueden unirse a otros azúcares como la manosa porque este azúcar no encaja dentro del dominio de reconocimiento de carbohidratos sin impedimento estérico . Debido a la naturaleza del bolsillo de unión, las galectinas pueden unirse a azúcares terminales o azúcares internos dentro de un glicano. Esto permite la unión entre dos ligandos en la misma célula o entre dos ligandos en diferentes células. [6]
Las galectinas son una gran familia con una especificidad relativamente amplia. Por lo tanto, tienen una amplia variedad de funciones, incluida la mediación de interacciones entre células, la adhesión entre células y la matriz y la señalización transmembrana . Su expresión y secreción están bien reguladas, lo que sugiere que pueden expresarse en diferentes momentos durante el desarrollo. [6] No hay defectos graves cuando se eliminan genes de galectinas individuales en modelos de ratones knock-out . Esto se debe a que existe una superposición sustancial para las funciones esenciales. La lista de funciones de las galectinas es extensa y es poco probable que se hayan descubierto todas. A continuación se describen algunas de las funciones principales.
Las galectinas se distinguen por su capacidad para regular la muerte celular tanto intracelular como extracelularmente. Extracelularmente, forman enlaces cruzados con glicanos en el exterior de las células y transducen señales a través de la membrana para provocar directamente la muerte celular o activar la señalización posterior que desencadena la apoptosis . [7] Intracelularmente, pueden regular directamente las proteínas que controlan el destino celular. Muchas galectinas desempeñan funciones en la apoptosis:
La galectina-3 tiene un papel esencial en la regulación negativa de la activación del receptor de células T (TCR). La reticulación de los receptores de células T y otras glicoproteínas por la galectina-3 en la membrana de las células T evita la agrupación de los TCR y, en última instancia, suprime la activación. Esto evita la autoactivación. Los experimentos en ratones transgénicos con deficiencia de N -acetilglucosamina transferasa V (GnTV) han aumentado la susceptibilidad a las enfermedades autoinmunes . [6] La GnTV es la enzima necesaria para sintetizar cadenas de polilactosamina, que son el ligando de la galectina-3 en los receptores de células T. Esta inactivación significa que la galectina-3 no puede evitar la autoactivación del TCR, por lo que las células T son hipersensibles. También dentro del sistema inmunológico, se ha demostrado que las galectinas actúan como quimioatrayentes para las células inmunes y activan la secreción de citocinas inflamatorias . [3]
Las galectinas pueden promover e inhibir la adhesión mediada por integrinas. Para mejorar la adhesión mediada por integrinas, establecen enlaces cruzados entre dos glicanos en diferentes células. Esto acerca las células y permite la unión de las integrinas. También pueden obstaculizar la adhesión al unirse a dos glicanos en la misma célula, lo que bloquea el sitio de unión de la integrina [9] . La galectina-8 es específica para los glicanos unidos a la integrina y tiene un papel directo en la adhesión, así como en la activación de las cascadas de señalización específicas de la integrina [10] .
Sorprendentemente, se ha descubierto que la galectina-1 y la galectina-3 se asocian con complejos de ribonucleoproteína nuclear, incluido el espliceosoma . [11] Los estudios revelaron que la galectina-1 y la -3 son factores de empalme necesarios, ya que la eliminación de las galectinas mediante cromatografía de afinidad con lactosa resultó en la pérdida de la actividad de empalme. [12] Parece que la capacidad de empalme de las galectinas es independiente de sus especificidades de unión al azúcar. Los estudios de mutagénesis dirigida al dominio de reconocimiento de carbohidratos eliminan la unión de glicano pero no evitan la asociación con el espliceosoma.
Se ha demostrado que la galectina-8 y la galectina-9 citoplasmáticas controlan mTOR ( mTORC1 ) y PRKAA (AMPK) en respuesta al daño de la membrana lisosomal. [13] La perforación lisosomal y otros daños en las endomembranas pueden ser infligidos por varios agentes, como algunos productos químicos que producen productos osmóticamente activos, sílice cristalina , posiblemente agregados amiloides y cristales orgánicos o inorgánicos citoplasmáticos, así como patógenos microbianos intracelulares como Mycobacterium tuberculosis ; dicha lesión se puede modelar utilizando precursores dipeptídicos permeables a la membrana que se polimerizan en los lisosomas. En condiciones homeostáticas de reposo, la galectina-8 interactúa con mTOR , que en su estado activo reside en el lado citosólico (citofacial) de las membranas lisosomales. Sin embargo, en condiciones que dañan los lisosomas y que conducen a la exposición de los glicanos orientados exofacialmente, es decir, lumenalmente ( glicanos y glicolípidos ), la galectina-8 reconoce los glicanos citofaciales expuestos debido al daño de la membrana y libera mTOR . En cambio, la galectina-8 ahora se une al complejo regulador de mTOR ubicado en la membrana lisosomal que incluye SLC38A9 , LAMTOR1 y RRAGA / RRAGB (RagA/B). Este complejo pierde afinidad por mTOR, lo que provoca la inactivación y translocación de mTOR desde el lisosoma al citosol. El complejo sensible al daño que contiene galectina-8 , SLC38A9 , LAMTOR1 y RRAGA / RRAGB se conoce como GALTOR. [13] La galectina-3 y la galectina-8 también interactúan con el regulador del receptor de autofagia TRIM16 que ensambla la maquinaria de iniciación de la autofagia en lisosomas dañados, [14] mientras que la galectina-8 también interactúa con el receptor de autofagia CALCOCO2 (NDP52) que reconoce la vacuola dañada por Salmonella . [9]
Los roles funcionales de las galectinas en la respuesta celular al daño de la membrana se están expandiendo, por ejemplo, la galectina-3 recluta ESCRT a los lisosomas dañados para que los lisosomas puedan repararse. [15] Esto ocurre antes de que se induzca la autofagia para reparar los endosomas y lisosomas para que no sean eliminados por la autofagia .
Las galectinas son abundantes, están ampliamente distribuidas por todo el cuerpo y tienen algunas funciones diferenciadas. Por ello, suelen estar implicadas en una amplia gama de enfermedades, como el cáncer , el VIH , las enfermedades autoinmunes , la inflamación crónica , la enfermedad de injerto contra huésped (EICH) y las reacciones alérgicas . Los mecanismos más estudiados y caracterizados son los del cáncer y el VIH, que se describen a continuación.
La galectina mejor comprendida en términos de cáncer es la galectina-3. La evidencia sugiere que la galectina-3 juega un papel considerable en los procesos relacionados con la tumorigénesis , incluyendo la transformación a una forma maligna , la metástasis y el aumento de las propiedades invasivas de las células tumorales. [16] [17] Hay alguna evidencia significativa de que la galectina-3 está involucrada en el cáncer ya que interactúa con oncogenes como Ras y activa la señalización descendente que promueve la proliferación. También puede regular algunas de las proteínas del ciclo celular , como la ciclina E y c-myc , que pueden darle propiedades tumorigénicas adicionales. [16] La concentración de galectina-3 está elevada en la circulación de pacientes con algunos tipos de cáncer, incluido el cáncer de mama . También se ha identificado unida a glicanos en la superficie de las células de cáncer de mama. En pacientes con cáncer cuyo cáncer ha hecho metástasis, la galectina-3 es aún más alta, lo que sugiere que esta galectina tiene un papel crucial en la metástasis. [18] La galectina-3 también se une a MUC-1 , una mucina transmembrana muy grande , que en las células cancerosas cambia la expresión de O-glicosilación de tipo núcleo 2 largo a O-glicosilación de tipo núcleo 1 más corto. Los glicanos del núcleo 2 terminan en galactosa o ácido siálico, mientras que el núcleo 1 está ramificado y tiene potencial para grandes extensiones de carbohidratos. Los altos niveles de MUC-1 se asocian con un mal pronóstico y un mayor potencial de metástasis. Este MUC-1 asociado al cáncer es un ligando natural para la galectina-3. [18] En las células normales, MUC-1 tiene una polarización distinta y actúa como una barrera protectora alrededor de la célula, reduciendo las interacciones célula-célula. En las células de cáncer de mama, se plantea la hipótesis de que la galectina-3 tiene una alta afinidad por MUC-1 asociado al cáncer, lo que provoca despolarización y rompe el escudo protector de la célula. Esto expone pequeñas moléculas de adhesión en la superficie de la célula, que interactúan con proteínas de adhesión en las paredes de las células endoteliales , como la E-selectina , promoviendo la intravasación en el torrente sanguíneo. [18] Los experimentos muestran que la sobreexpresión de MUC-1 por sí sola no es suficiente para aumentar el potencial metastásico y, de hecho, inhibe la entrada de células tumorales en el torrente sanguíneo. Requiere la presencia de galectina-3 regulada positivamente además de MUC-1 para aumentar las propiedades invasivas y metastásicas del cáncer. [18] Esto está respaldado por otros estudios que muestran que la inhibición de la galectina-3 en células de cáncer de mama humano pierde su malignidad in vitro . [16]Esto podría proporcionar una pista para el desarrollo de terapias contra el cáncer, como los inhibidores de la galectina-3.
Se ha demostrado que la galectina-8, que aumenta la adhesión mediada por integrinas, está regulada a la baja en algunos cánceres. [4] Esto beneficia al cáncer, ya que las interacciones de las integrinas con la matriz extracelular previenen la metástasis. Sin embargo, los estudios sobre cáncer de pulmón han demostrado una mayor adhesión a la galectina-8 con un mayor potencial metastásico, que puede estar mediado por una mayor expresión superficial y la activación de la integrina α3β1. [17]
Se ha demostrado que la galectina-8 desempeña un papel específico en la evaluación de la integridad endosómica. Después de que los patógenos, como las bacterias o los virus, son engullidos por las células, normalmente intentan salir del endosoma para acceder a los nutrientes del citosol. La galectina-8 se une específicamente a la glicosilación que se encuentra dentro del endosoma y recluta a la molécula adaptadora CALCOCO2 , que activa la autofagia antibacteriana. [9] Se ha demostrado que la galectina-3, la galectina-8 y la galectina-9 desempeñan funciones adicionales en la autofagia, tanto a través del control de mTOR (galectina-8) y AMPK (galectina-9), [13] y como un factor (galectina-3) en el ensamblaje del complejo iniciador ULK1 - Beclin 1 - ATG16L1 en TRIM16 durante el daño de la endomembrana. [14]
Se ha demostrado que la galectina-1 mejora la infección por VIH debido a su especificidad de unión a la galactosa. El VIH infecta preferentemente a las células T CD4 + y otras células del sistema inmunitario, inmovilizando el sistema inmunitario adaptativo . El VIH es un virus que infecta a las células CD4 + mediante la unión de su complejo de glucoproteína de envoltura viral, que consta de gp120 y gp41 . La glucoproteína gp120 contiene dos tipos de N-glicano, oligómeros de alto contenido en manosa y cadenas de N -acetil-lactosamina en un núcleo de trimanosa. [19] Los oligómeros de alto contenido en manosa son patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP) y son reconocidos por la lectina de tipo C DC-SIGN que se encuentra en las células dendríticas . Las cadenas de N -acetil-lactosamina son ligandos para la galectina-1. [20] La galectina-1 se expresa en el timo. En particular, es secretada en abundancia por las células Th1 . [8] [19] En su función normal, la galectina-1 se une a los glicanos en el correceptor CD4 de las células T para prevenir la autorreactividad. Cuando el VIH está presente, la galectina forma un puente entre el correceptor CD4 y los ligandos gp120, facilitando así la infección por VIH de la célula T. La galectina-1 no es esencial para la infección por VIH, pero la asiste acelerando la cinética de unión entre gp120 y CD4. El conocimiento del mecanismo entre la galectina y el VIH puede proporcionar importantes oportunidades terapéuticas. Se puede utilizar un inhibidor de la galectina-1 junto con medicamentos antirretrovirales para disminuir la infectividad del VIH y aumentar la eficacia del medicamento. [21] La galectina-3 se une a TRIM5α , un factor de restricción citosólico contra el VIH que actúa durante la desprotección de la cápside del VIH, aunque aún queda por determinar el papel preciso de esta asociación. [22] Varias galectinas se unen a otros TRIM [22], algunos de los cuales se sabe que contribuyen a la restricción antiviral.
La infección de células cardíacas por Trypanosoma cruzi , causa de la afectación cardíaca en la enfermedad de Chagas , se reduce con la galectina-1, que también puede proteger contra la apoptosis de los cardiomiocitos infectados . [23] Sin embargo, Benatar et al. (2015) también demostraron quelos cardiomiocitos murinos infectados por T. cruzi reducen la concentración de poli- N-acetil-lactosamina superficial , un ligando de galectina-1, dentro de sus glicanos unidos a N y O , posiblemente creando un "glicofenotipo resistente a Gal-1". [23]