Un mecanismo de fusión es cualquier mecanismo por el cual se lleva a cabo la fusión celular o la fusión virus-célula, así como la maquinaria que facilita estos procesos. La fusión celular es la formación de una célula híbrida a partir de dos células separadas. [1] [2] Hay tres acciones principales que se llevan a cabo tanto en la fusión virus-célula como en la fusión célula-célula: la deshidratación de los grupos de cabezas polares, la promoción de un tallo de hemifusión y la apertura y expansión de poros entre las células fusionadas. [3] Las fusiones virus-célula ocurren durante infecciones de varios virus que son problemas de salud relevantes en la actualidad. Algunos de estos incluyen VIH , Ébola y gripe . [4] Por ejemplo, el VIH infecta fusionándose con las membranas de las células del sistema inmunológico . Para que el VIH se fusione con una célula, debe poder unirse a los receptores CD4 , CCR5 y CXCR4 . La fusión celular también ocurre en una multitud de células de mamíferos, incluidos los gametos y los mioblastos . [5]
Las proteínas que permiten que las membranas virales o celulares superen las barreras de fusión se denominan fusógenos . Los fusógenos que participan en los mecanismos de fusión entre virus y células fueron las primeras de estas proteínas que se descubrieron. [6] Las proteínas de fusión viral son necesarias para que se produzca la fusión de membranas. Hay evidencia de que las especies ancestrales de mamíferos pueden haber incorporado estas mismas proteínas a sus propias células como resultado de una infección. Por esta razón, se utilizan mecanismos y maquinarias similares en la fusión entre células. [7]
En respuesta a ciertos estímulos, como un pH bajo o la unión a receptores celulares, estos fusógenos cambiarán su conformación. El cambio de conformación permite la exposición de regiones hidrofóbicas de los fusógenos que normalmente estarían ocultas internamente debido a interacciones energéticamente desfavorables con el citosol o el fluido extracelular . Estas regiones hidrofóbicas se conocen como péptidos de fusión o bucles de fusión, y son responsables de causar inestabilidad y fusión localizadas de la membrana. Los científicos han descubierto que las siguientes cuatro clases de fusógenos están involucradas en las fusiones virus-célula o célula-célula. [4]
Estos fusógenos son triméricos , lo que significa que están formados por tres subunidades . Sus bucles de fusión están ocultos internamente en las uniones de los monómeros antes de que se produzca la fusión. Una vez que se completa la fusión, se pliegan en una estructura trimérica diferente a la que tenían antes de la fusión. Estos fusógenos se caracterizan por un grupo de seis hélices α en su estructura posterior a la fusión. Esta clase de fusógenos contiene algunas de las proteínas utilizadas por la gripe , el VIH , los coronavirus y el ébola durante la infección. Esta clase de fusógenos también incluye sincitinas , que se utilizan en las fusiones de células de mamíferos. [8] [4] [9]
Los fusógenos de clase II contienen múltiples láminas plegadas en β . Estas proteínas también son triméricas y participan en la inserción de bucles de fusión en la membrana objetivo. Sus cambios de conformación pueden desencadenarse por la exposición a entornos ácidos. [8] [4] Los fusógenos de clase II tienen una estructura distinta de los fusógenos de clase I, pero de manera similar reducen la barrera energética para la fusión de la membrana. Los fusógenos de clase I están involucrados en flavivirus ( encefalitis transmitida por garrapatas ); alfavirus ( virus del bosque Semliki , virus Sindbis , chikungunya y rubéola ); y flebovirus ( virus de la fiebre del Valle del Rift y virus Uukuniemi ). [8]
Los fusógenos de clase III participan en las fusiones entre virus y células. Al igual que los fusógenos de las dos clases anteriores, estas proteínas son triméricas. Sin embargo, contienen tanto hélices α como láminas β plegadas. Durante la fusión celular, los monómeros de estas proteínas se disocian, pero vuelven a una estructura trimérica diferente una vez que se completa la fusión. También participan en la inserción de bucles de fusión en la membrana. [4]
Estos fusógenos de célula-célula de los reovirus contienen bucles de fusión que pueden inducir la fusión celular. Forman estructuras poliméricas para inducir la fusión de membranas. Los reovirus no tienen membranas, por lo que los fusógenos de clase IV no suelen estar involucrados en la fusión tradicional virus-célula. Sin embargo, cuando se expresan en la superficie de las células, pueden inducir la fusión célula-célula. [4]
Los fusógenos de las clases I a III tienen muchas diferencias estructurales. Sin embargo, el método que utilizan para inducir la fusión de membranas es similar desde el punto de vista mecánico. Cuando se activan, todos estos fusógenos forman estructuras triméricas alargadas y entierran sus péptidos de fusión en la membrana de la célula diana. Se fijan en la membrana viral mediante regiones transmembrana hidrofóbicas. Estos fusógenos se pliegan sobre sí mismos formando una estructura que recuerda a una horquilla. [4] Esta acción de plegado acerca la región transmembrana y el bucle de fusión. En consecuencia, la membrana viral y la membrana de la célula diana también se acercan. [6] A medida que las membranas se acercan, se deshidratan, lo que permite que entren en contacto. [3] Las interacciones entre los residuos de aminoácidos hidrofóbicos y las membranas adyacentes provocan la desestabilización de las membranas. Esto permite que los fosfolípidos de la capa externa de cada membrana interactúen entre sí. Las láminas externas de las dos membranas forman un tallo de hemifusión para minimizar las interacciones energéticamente desfavorables entre las colas de fosfolípidos hidrofóbicos y el medio ambiente. Este tallo se expande, lo que permite que las láminas internas de cada membrana interactúen. Luego, estas láminas internas se fusionan y forman un poro de fusión. En este punto, los componentes citoplasmáticos de la célula y el virus comienzan a mezclarse. A medida que el poro de fusión se expande, se completa la fusión entre el virus y la célula. [6]
Aunque hay mucha variación en las diferentes fusiones entre células de mamíferos, hay cinco etapas que ocurren en la mayoría de estos eventos de fusión: "programación del estado competente para la fusión, quimiotaxis , adhesión de la membrana, fusión de la membrana y restablecimiento posterior a la fusión". [5]
Este primer paso, también conocido como preparación, abarca los eventos necesarios que deben tener lugar para que las células adquieran la capacidad de fusionarse. Para que una célula se vuelva competente para la fusión, debe manipular la composición de su membrana para facilitar la fusión de membranas. También debe construir las proteínas necesarias para mediar la fusión. Por último, debe eliminar los obstáculos a la fusión. Por ejemplo, una célula podría liberarse de la matriz extracelular para permitirle una mayor movilidad que facilite la fusión. [5]
Los monocitos y macrófagos pueden volverse competentes para la fusión en respuesta a las citocinas , que son moléculas de señalización proteica. Algunas interleucinas incitan a los monocitos y macrófagos a fusionarse para formar células gigantes de cuerpo extraño como parte de la respuesta inmunitaria de un cuerpo. Por ejemplo, la interleucina-4 puede promover la activación del factor de transcripción STAT6 por fosforilación. Esto puede luego desencadenar la expresión de la metaloproteinasa de matriz 9 ( MMP9 ). [5] La MMP9 puede degradar proteínas en la matriz extracelular, lo que ayuda a preparar a los macrófagos para la fusión. [7]
Los osteoclastos son células multinucleadas que se encargan de la reabsorción ósea. Se forman por la fusión de monocitos diferenciados, de forma muy similar a las células gigantes de cuerpo extraño. Sin embargo, las moléculas que inducen la competencia de fusión en los macrófagos destinados a convertirse en osteoclastos son diferentes de las que promueven la formación de células gigantes de cuerpo extraño. Por ejemplo, el factor de transcripción NFATC1 regula genes específicos de la diferenciación de los osteoclastos. [5]
La formación del cigoto es un paso crucial en la reproducción sexual y depende de la fusión de los espermatozoides y los óvulos. En consecuencia, estas células deben ser preparadas para adquirir la capacidad de fusión. La fosfatidilserina es un fosfolípido que normalmente reside en la capa interna de la membrana celular. Una vez que los espermatozoides están preparados, la fosfatidilserina se puede encontrar en la capa externa de la membrana. Se cree que esto ayuda a estabilizar la membrana en la cabeza del espermatozoide y que puede desempeñar un papel en permitir que el espermatozoide entre en la zona pelúcida que cubre los óvulos. Esta ubicación inusual de la fosfatidilserina es un ejemplo de reestructuración de la membrana durante la preparación para la fusión celular. [5]
La quimiotaxis es el proceso de reclutamiento en respuesta a la presencia de ciertas moléculas señalizadoras. Las células destinadas a fusionarse se atraen entre sí mediante la quimiotaxis. Por ejemplo, los espermatozoides son atraídos hacia el óvulo mediante la señalización de la progesterona. [5] De manera similar, en el tejido muscular, los mioblastos pueden ser reclutados para la fusión por IL-4. [7]
Antes de que las células puedan fusionarse, deben estar en contacto entre sí. Esto se puede lograr a través del reconocimiento celular y la unión por parte de la maquinaria celular. [5] La sincitina-1 es un fusógeno de clase I que participa en la fusión de células para formar osteoclastos en humanos. [10] Durante las primeras acciones de los fusógenos de clase I en la fusión celular, insertan sus bucles de fusión en una membrana objetivo. En consecuencia, la acción de la sincitina-1 es un ejemplo de adhesión a la membrana, ya que une las dos células para prepararlas para la fusión. [6] Este paso también abarca la deshidratación de las membranas en el sitio de fusión. Esto es necesario para superar los requisitos de energía necesarios para la fusión y para garantizar que las membranas estén muy cerca para que se produzca la fusión. [3]
La fusión de membranas se caracteriza por la formación de un poro de fusión , que permite que el contenido interno de ambas células se mezcle. [5] Primero se logra mediante la mezcla de lípidos de las capas externas de las membranas fusionadas, lo que forma un tallo de hemifusión. [6] Luego, los folíolos internos pueden interactuar y fusionarse, creando un espacio abierto donde las membranas se han fusionado. Este espacio es el poro de fusión. Este proceso está mediado por fusógenos. [5] Los fusógenos están altamente conservados en los mamíferos, y se teoriza que los mamíferos los adoptaron después de la infección por retrovirus. [7] Debido a que están altamente conservados, realizan su tarea a través de un mecanismo similar al utilizado por los fusógenos virales como se describió anteriormente. [6] Se teoriza que la polimerización de actina y otras acciones del citoesqueleto podrían ayudar a ensanchar el poro de fusión para completar la fusión. [5]
Una vez completada la fusión, la maquinaria utilizada para la fusión debe desmontarse o modificarse para evitar la fusión de la nueva célula multinucleada con más células. [5] Un ejemplo de esto es la estructura trimérica final que adoptan los fusógenos de clase I, II y III. Cada uno de ellos adopta una estructura que es marcadamente diferente de la que tenían antes de que se produjera la fusión. [4] Esto probablemente altera su actividad, impidiéndoles iniciar otra fusión. [ cita requerida ]
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