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Regla del extremo N

La regla del extremo N es una regla que rige la tasa de degradación de proteínas a través del reconocimiento del residuo N-terminal de las proteínas. La regla establece que el aminoácido N -terminal de una proteína determina su vida media (tiempo después del cual se degrada la mitad de la cantidad total de un polipéptido dado). La regla se aplica tanto a organismos eucariotas como procariotas, pero con diferente fuerza, reglas y resultados. [1] En las células eucariotas, estos residuos N-terminales son reconocidos y seleccionados por las ligasas de ubiquitina , que median la ubiquitinación y marcan así la proteína para su degradación. [2] La regla fue descubierta inicialmente por Alexander Varshavsky y colaboradores en 1986. [3] Sin embargo, solo se pueden deducir estimaciones aproximadas de la vida media de la proteína a partir de esta "regla", ya que la modificación del aminoácido N-terminal puede provocar variabilidad y anomalías, mientras que el impacto de los aminoácidos también puede cambiar de un organismo a otro. También se pueden encontrar otras señales de degradación, conocidas como degrones , en la secuencia.

Reglas en diferentes organismos

La regla puede funcionar de manera diferente en distintos organismos.

Levadura

Residuos N -terminales: vida media aproximada de las proteínas de S. cerevisiae [3]

Mamíferos

Residuos N -terminales: vida media aproximada de las proteínas en sistemas mamíferos [4]

Bacteria

En Escherichia coli , los residuos cargados positivamente y algunos residuos alifáticos y aromáticos en el extremo N, como arginina, lisina, leucina, fenilalanina, tirosina y triptófano, tienen vidas medias cortas de alrededor de 2 minutos y se degradan rápidamente. [5] Estos residuos (cuando se encuentran en el extremo N de una proteína) se denominan residuos desestabilizadores . En las bacterias, los residuos desestabilizadores se pueden definir además como residuos desestabilizadores primarios (leucina, fenilalanina, tirosina y triptófano) o residuos desestabilizadores secundarios (arginina, lisina y en un caso especial metionina [6] ). Los residuos desestabilizadores secundarios se modifican mediante la unión de un residuo desestabilizador primario por la enzima leucil/fenilalanil-ARNt-proteína transferasa. [5] [6] Todos los demás aminoácidos cuando se encuentran en el extremo N de una proteína se denominan residuos estabilizadores y tienen vidas medias de más de 10 horas. [5] Las proteínas que llevan un residuo desestabilizador primario N-terminal son reconocidas específicamente por la N-recognina bacteriana (componente de reconocimiento) ClpS. [7] [8] ClpS es como una proteína adaptadora específica para la proteasa AAA + dependiente de ATP ClpAP y, por lo tanto, ClpS entrega sustratos N-degron a ClpAP para su degradación.

Un problema que complica la situación es que el primer residuo de las proteínas bacterianas normalmente se expresa con una formilmetionina N-terminal (f-Met). El grupo formilo de esta metionina se elimina rápidamente, y la propia metionina es luego eliminada por la metionil aminopeptidasa . La eliminación de la metionina es más eficiente cuando el segundo residuo es pequeño y no tiene carga (por ejemplo, alanina), pero ineficiente cuando es voluminoso y tiene carga, como la arginina. Una vez que se elimina la f-Met, el segundo residuo se convierte en el residuo N-terminal y está sujeto a la regla del extremo N. Por lo tanto, los residuos con cadenas laterales de tamaño medio, como la leucina como segundo residuo, pueden tener una vida media corta. [9]

Cloroplastos

Existen varias razones por las que es posible que la regla del extremo N funcione también en el orgánulo cloroplástico de las células vegetales. [10] La primera evidencia proviene de la teoría endosimbiótica que abarca la idea de que los cloroplastos se derivan de las cianobacterias , organismos fotosintéticos que pueden convertir la luz en energía. [11] [12] Se piensa que el cloroplasto se desarrolló a partir de una endosimbiosis entre una célula eucariota y una cianobacteria, porque los cloroplastos comparten varias características con la bacteria, incluidas las capacidades fotosintéticas. [11] [12] La regla del extremo N bacteriana ya está bien documentada; involucra al sistema de proteasa Clp que consiste en la proteína adaptadora ClpS y el núcleo de proteasa y chaperona ClpA/P . [5] [7] [13] Un sistema Clp similar está presente en el estroma del cloroplasto, lo que sugiere que la regla del extremo N podría funcionar de manera similar en cloroplastos y bacterias. [10] [14]

Además, un estudio de 2013 en Arabidopsis thaliana reveló la proteína ClpS1, un posible homólogo de plástido de la reconocimineto ClpS bacteriana . [15] ClpS es una proteína adaptadora bacteriana que es responsable de reconocer sustratos proteicos a través de sus residuos N-terminales y entregarlos a un núcleo de proteasa para su degradación. [7] Este estudio sugiere que ClpS1 es funcionalmente similar a ClpS, y también desempeña un papel en el reconocimiento de sustratos a través de residuos N-terminales específicos ( degrones ) como su contraparte bacteriana. [15] Se postula que tras el reconocimiento, ClpS1 se une a estas proteínas de sustrato y las lleva a la chaperona ClpC de la maquinaria del núcleo de la proteasa para iniciar la degradación. [15]

En otro estudio, se analizaron las proteínas del estroma de Arabidopsis thaliana para determinar la abundancia relativa de residuos N-terminales específicos. [16] Este estudio reveló que la alanina, la serina, la treonina y la valina eran los residuos N-terminales más abundantes, mientras que la leucina, la fenilalanina, el triptófano y la tirosina (todos desencadenantes de la degradación en bacterias) estaban entre los residuos que rara vez se detectaban. [16]

Además, se realizó un ensayo de afinidad utilizando ClpS1 y residuos N-terminales para determinar si ClpS1 realmente tenía socios de unión específicos. [17] Este estudio reveló que la fenilalanina y el triptófano se unen específicamente a ClpS1, lo que los convierte en candidatos principales para N-degrones en cloroplastos. [17]

Actualmente se están realizando más investigaciones para confirmar si la regla del extremo N funciona en los cloroplastos. [10] [17]

Apicoplast

Un apicoplasto es un plastidio no fotosintético derivado que se encuentra en la mayoría de Apicomplexa , incluyendo Toxoplasma gondii , Plasmodium falciparum y otras especies de Plasmodium (parásitos que causan malaria). De manera similar a las plantas, varias especies de Apicomplexa , incluyendo Plasmodium falciparum , contienen todos los componentes necesarios [18] [19] requeridos para una Clp-proteasa localizada en Apicoplast, incluyendo un homólogo potencial de la ClpS bacteriana N-recognin . [20] [21] Los datos in vitro demuestran que la ClpS de Plasmodium falciparum es capaz de reconocer una variedad de residuos desestabilizadores primarios N-terminales, no solo los residuos desestabilizadores primarios bacterianos clásicos (leucina, fenilalanina, tirosina y triptófano) sino también la isoleucina N-terminal y, por lo tanto, exhibe una amplia especificidad (en comparación con su contraparte bacteriana). [21]

Referencias

  1. ^ Varshavsky A (enero de 1997). "La vía de la regla del extremo N de la degradación de proteínas". Genes to Cells . 2 (1): 13–28. doi : 10.1046/j.1365-2443.1997.1020301.x . PMID  9112437. S2CID  27736735.
  2. ^ Tasaki T, Sriram SM, Park KS, Kwon YT (2012). "La vía de la regla del extremo N". Revisión anual de bioquímica . 81 : 261–89. doi :10.1146/annurev-biochem-051710-093308. PMC 3610525 . PMID  22524314. 
  3. ^ ab Bachmair A, Finley D, Varshavsky A (octubre de 1986). "La vida media in vivo de una proteína es una función de su residuo amino-terminal". Science . 234 (4773): 179–86. Bibcode :1986Sci...234..179B. doi :10.1126/science.3018930. PMID  3018930.
  4. ^ Gonda DK, Bachmair A, Wünning I, Tobias JW, Lane WS, Varshavsky A (octubre de 1989). "Universalidad y estructura de la regla del extremo N". The Journal of Biological Chemistry . 264 (28): 16700–12. doi : 10.1016/S0021-9258(19)84762-2 . PMID  2506181.
  5. ^ abcd Tobias JW, Shrader TE, Rocap G, Varshavsky A (noviembre de 1991). "La regla del extremo N en bacterias". Science . 254 (5036): 1374–7. Bibcode :1991Sci...254.1374T. doi :10.1126/science.1962196. PMID  1962196.
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