Los canales de dos poros (TPC) son canales iónicos selectivos de cationes controlados por voltaje y ligando intracelulares eucariotas . [1] Hay dos parálogos conocidos en el genoma humano, TPC1 y TPC2. [2] En los humanos, los TPC1 son selectivos de sodio y los TPC2 conducen iones de sodio, iones de calcio y posiblemente iones de hidrógeno. Los TPC1 de las plantas son canales no selectivos. La expresión de TPC se encuentra tanto en vacuolas de plantas como en orgánulos ácidos de animales . [3] Estos orgánulos consisten en endosomas y lisosomas . [3] Los TPC se forman a partir de dos subunidades transmembrana no equivalentes , similares a Shaker en tándem , formadoras de poros, dimerizadas para formar cuasi - tetrámeros . Los cuasi-tetrámeros parecen muy similares a los tetrámeros, pero no son exactamente iguales. [1] [3] Algunas funciones clave de las TPC incluyen respuestas dependientes del calcio en las contracciones musculares, la secreción de hormonas, la fertilización y la diferenciación. [ cita requerida ] Los trastornos vinculados a las TPC incluyen el tráfico de membranas , la enfermedad de Parkinson , el ébola y el hígado graso . [4] [5] [6] [7]
Como lo implica su nombre, los canales TPC poseen dos poros y fueron nombrados por sus dos repeticiones tipo Shaker, cada una de las cuales tiene un dominio de poro. [1] [8] [9] [10] [11] Esto contrasta con los canales de potasio de dos dominios de poro , que confusamente tienen solo un poro y fueron nombrados por el hecho de que cada subunidad tiene dos dominios P (poro) en su secuencia primaria. [12] [13]
Aunque todavía queda mucho por descubrir sobre la función de los canales TPC, hasta ahora se han estudiado ampliamente. Se han planteado muchas preguntas sobre la función específica de los canales TPC, así como sobre los iones y moléculas que parecen estar más estrechamente relacionados con estos canales. Algunos de estos iones son sodio, calcio y NAADP . El conocimiento actual de los TPC proviene de experimentos realizados en ratones y plantas, especialmente Arabidopsis thaliana . [14] Además, debido a la localización de estos canales en los mamíferos, es difícil utilizar registros electrofisiológicos en ellos. Por lo tanto, estos canales TPC tienen que expresarse en compartimentos u orgánulos alternativos de la célula, como las vacuolas de las plantas, para estudiarlas utilizando los métodos electrofisiológicos, especialmente la técnica de fijación de parche . Para visualizar claramente las vacuolas de las plantas, los científicos se han basado en la microscopía fluorescente en sus experimentos. Utilizando estas técnicas, los científicos han podido recopilar datos cualitativos significativos para sacar conclusiones sobre las funciones de los TPC en los mamíferos. En concreto, los científicos pudieron concluir que los TPC humanos son predominantemente canales de sodio dependientes de voltaje, y que PI(3,5)P2, un fosfoinosítido específico del endolisosoma (PIP), es un activador directo de los canales TPC mientras que el NAADP en realidad no es un activador como se suponía anteriormente. [15]
En la boca del poro del TPC, hay cuatro residuos de aminoácidos con cargas negativas que pueden interactuar con los iones que pasan a través de él. Este sitio es demasiado amplio para seleccionar iones. Debajo del grupo de cargas negativas se encuentra el filtro de selectividad, que es en gran parte hidrófobo. Hay dos subunidades formadoras de poros similares a Shaker no idénticas. La subunidad 1 consta del dominio de detección de voltaje 1 (VSD1) y la subunidad 2 consta del dominio de detección de voltaje 2 (VSD2). Los dos dominios de subunidades están separados por un dominio EF-hand que tiene un motivo de unión de iones de calcio. Este motivo de unión puede facilitar la activación del canal por iones de calcio citosólicos. Cada una de las dos subunidades está formada por 12 hélices transmembrana. Los dos dominios del poro central se combinan a partir de los dominios de detección de voltaje, VSD1 y VSD2. Tanto el dominio N-terminal (NTD) como el dominio C-terminal (CTD) se extienden hacia el lado citosólico, junto con el dominio EF-hand en el centro que se extiende hacia el citoplasma. El dominio EF-hand se extiende hacia el citosol, ubicado entre VSD1 y VSD2, donde puede ser activado por el calcio citosólico. El dominio VSD2 es activo sensible al voltaje y puede ser inhibido por el calcio en el lumen. Este es un cambio de conformación del estado de activación al estado inactivo. Dos anillos de residuos hidrófobos sellan la cavidad del poro del citoplasma; esto da como resultado la formación de la compuerta del poro. Los sensores de voltaje, el filtro de selectividad y la compuerta trabajan juntos de manera coordinada para abrir y cerrar los TPC para la regulación de la conductancia iónica. [1]
El dominio VSD2 contiene un motivo de detección de voltaje normal, residuos de arginina R1, R2 y R3 y hélice alfa S10, [16] con respecto a otras estructuras de canales iónicos dependientes del voltaje, pero este dominio adopta una conformación distinta en el estado de reposo de un sensor de voltaje. El calcio luminal actúa como un inhibidor de TPC1, evitando la conductancia iónica. Hay dos sitios de unión de calcio para VSD2 en el lado luminal. El primer sitio no afecta al canal. El sitio 2, compuesto por residuos en VSD2 y el dominio del poro, inhibe el canal al cambiar la dependencia del voltaje a voltajes más positivos. [1]
La activación de los canales transmembrana se induce por una disminución del potencial transmembrana o por un aumento de las concentraciones de calcio en el citosol. Un pH bajo del lumen y una concentración baja de calcio podrían provocar la inhibición de estos canales. Los canales transmembrana también son canales regulados por fosforilación tanto en animales como en plantas. Los sitios de fosforilación se encuentran en los dominios N-terminal y C-terminal. Estas terminales están posicionadas para proporcionar un cambio alostérico con el fin de ser activadas por el calcio del citosol. [1]
Las células TPC humanas y vegetales son multimodales en cuanto a conductancia. Es probable que el mecanismo de apertura del canal se deba a una combinación de concentraciones de calcio, voltaje e integración de la fosforegulación, con el fin de regular la conducción de iones a través de las células TPC. [1]
Se analizaron los canales de dos poros mediante métodos de biología celular, técnicas de fijación de parche endolisosomal y una variedad de otros métodos para estudiar sus funciones. A partir de estos, se sugirió que las TPC tienen cierto poder para controlar el pH luminal en las vesículas endolisosomales. Cuando la expresión de TPC2 disminuye o se inhibe, se produce un aumento resultante en la producción de melanina y, por lo tanto, del pH melanosomal, y cuando aumenta la expresión de TPC2, hay una menor producción de melanina. [17]
Las TPC también participan en la detección de nutrientes, ya que se activan de manera constitutiva al identificar el estado de los nutrientes. Esto se realiza mediante una comunicación directa entre las TPC y las dianas mecanicistas/mamíferas de la rapamicina (mTOR), que están asociadas con la detección de niveles de oxígeno, nutrientes y energía en las células y, por lo tanto, ayudan con la regulación del metabolismo. Así es como las TPC desempeñan un papel en esta regulación fisiológica a través de esta interacción. [17]
Las TPC regulan la conductancia de iones de sodio y calcio, el pH intravascular y la excitabilidad del tráfico. Se ha demostrado que el segundo mensajero, el ácido nicotínico, adenina dinucleótido fosfato ( NAADP ), media la liberación de calcio de estos orgánulos ácidos a través de las TPC. [3] [18] Las TPC2 son canales de liberación de calcio regulados por NAADP donde estas corrientes de TPC pueden ser bloqueadas por antagonistas de NAADP. [18] El TCP2 desempeña un papel fundamental en la endocitosis que permite que el virus SARS-CoV-2 entre en las células. [19]
La falta de estos canales puede provocar diversas enfermedades, desde enfermedades metabólicas e infecciosas generales hasta cáncer. Las condiciones patológicas debidas a esta falta de CPT se tratan en las siguientes secciones. [17]
Las TPC desempeñan un papel integral en las vías de tráfico de membrana . Se dividen en endosomas y lisosomas , y funcionan especialmente en fusiones endolisosomales. Se ha observado que la actividad de tráfico de las TPC se conserva; pero la modificación de las TPC afecta el transporte en la vía endocítica . Las funciones exactas de las TPC son específicas del tipo de célula y del contexto. Estos canales son permeables al calcio, lo que hace que funcionen como canales de iones Ca2+. Cuando son estimulados por NAADP (un segundo mensajero de las TPC), el calcio se libera en el citosol. La afluencia de calcio es lo que regula la fusión entre el endosoma y los lisosomas y lo que media los eventos de tráfico. Cuando se pierde la función de las TPC, los sustratos se acumulan creando congestión. Cuando aumenta la función de las TPC, el lisosoma se agranda, lo que lógicamente se relaciona con un aumento de los eventos de fusión del endosoma al lisosoma. [4]
Una de las consecuencias de la disfunción del tráfico de membranas es la aparición de la enfermedad de Parkinson . Las mutaciones en la enzima LRRK2 alteran la autofagia dependiente de NAADP y TPC2. La mutación aumenta la cantidad de flujo de Ca2+ a través de TPC2 mediante señales provocadas por NAADP. Este aumento de la señalización conduce a un aumento del tamaño de los lisosomas debido al aumento de la velocidad y la cantidad de fusión. Por lo tanto, el lisosoma no puede descomponer los componentes como debería. Esta incapacidad está asociada con la aparición de la enfermedad. Como TPC2 desempeña un papel vital en este mecanismo específico del desarrollo de la enfermedad de Parkinson, puede ser potencialmente un objetivo terapéutico. [4]
El virus del Ébola aprovecha el tráfico endocítico de la membrana de la célula huésped, dejando a las células TPC como un objetivo potencial del fármaco. El virus del Ébola entra en las células a través de micropinocitosis con vesículas endosómicas. Después de la entrada en la vesícula endosómica, la membrana del virus del Ébola se fusiona con la membrana endosómica para liberar el contenido viral en el citosol antes de que el endosoma pueda fusionarse con el lisosoma. Para el movimiento del virus en los endosomas, es necesario Ca2+. Como el NAADP regula la maduración de los endosomas mediante la liberación de calcio a través de las células TPC, el funcionamiento normal de las células TPC permite que el virus del Ébola escape. Por lo tanto, cuando las células TPC no funcionan, el virus del Ébola no puede escapar antes de la fusión del endosoma con el lisosoma. De hecho, cuando los ratones son tratados con tetradina , la infección se inhibe. Esto se debe a que la tetradina bloquea el funcionamiento de las células TPC para liberar calcio y, por lo tanto, el virus del Ébola queda contenido dentro de la red endosómica destinada a ser degradada por el lisosoma. [5] [6]
Las TPC se han relacionado con enfermedades del hígado graso, como la EHGNA y la EHNA . Como la TPC2 es un canal catiónico para el tráfico de membrana endocítico, las TPC contribuyen al tráfico de moléculas de LDL para su descomposición y reciclaje. Esto ocurre principalmente dentro del hígado. La vía de degradación hace que la LDL termine en los endosomas y lisosomas, donde se encuentran las TPC. El mecanismo de las TPC permite una vez más el eflujo de calcio para la fusión de los endosomas y lisosomas (donde se degrada la LDL). Cuando las TPC no están presentes o no funcionan correctamente, la vía de degradación da como resultado un tráfico defectuoso. Sin el evento de fusión, la LDL se acumula en las células del hígado. Se ha descubierto que la pérdida de TPC es una causa de la coloración amarilla del hígado, una expresión de hígado graso que indica daño hepático. [7]
Aparte de los canales de Ca2+ y Na+ que están formados por cuatro repeticiones intramoleculares, que juntas forman el poro del canal tetramérico, el nuevo canal tenía solo dos repeticiones tipo Shaker, cada una de las cuales estaba equipada con un dominio de poro. Debido a esta topología inusual, este canal, presente tanto en animales como en plantas, se denominó Canal de dos poros 1 (TPC1).
El mejor candidato para un canal de liberación de Ca2+ vacuolar es TPC1, un homólogo de un canal de Ca2+ dependiente de voltaje de mamíferos que posee dos poros y doce tramos de membrana.
Los canales de dos poros organulares (TPC) son un tipo interesante de canal que, como sugiere el nombre, tiene dos poros.
Se ha predicho que el canal de dos poros de Arabidopsis (AtTPC1) tiene 12 hélices transmembrana y dos poros (líneas rojas).
Se cree que los TPC, con sus dos poros, se dimerizan para formar un canal funcional.