La periferina es una proteína de filamento intermedio tipo III expresada principalmente en neuronas del sistema nervioso periférico . También se encuentra en neuronas del sistema nervioso central que tienen proyecciones hacia estructuras periféricas, como las neuronas motoras espinales. Su tamaño, estructura y secuencia/ubicación de motivos proteicos es similar a otras proteínas de filamento intermedio tipo III como la desmina , la vimentina y la proteína ácida fibrilar glial . Al igual que estas proteínas, la periferina puede autoensamblarse para formar redes filamentosas homopoliméricas (redes formadas a partir de dímeros de proteína de periferina ), pero también puede heteropolimerizarse con neurofilamentos en varios tipos neuronales. Esta proteína en humanos está codificada por el gen PRPH . [5] [6] Se cree que la periferina desempeña un papel en la elongación de las neuritas durante el desarrollo y la regeneración axonal después de una lesión, pero se desconoce su función exacta. También se asocia con algunas de las principales neuropatologías que caracterizan la esclerosis lateral amiotrópica (ELA), pero a pesar de la amplia investigación sobre cómo los neurofilamentos y la periferina contribuyen a la ELA, su papel en esta enfermedad aún no está identificado. [7]
La periferina, nombrada así por primera vez en 1984, también se conocía como filamento intermedio neuronal de 57 kDa antes de 1990. En 1987, una segunda proteína de bastón retiniano distinta ubicada periféricamente también recibió el nombre de periferina. Para distinguir entre las dos, esta segunda proteína se denomina periferina 2 o periferina/RDS (degeneración retiniana lenta) por su ubicación y papel en la enfermedad de la retina. [8]
La periferina fue descubierta como el filamento intermedio principal en las líneas celulares de neuroblastoma y en las células de feocromocitoma de rata . Se clasifica por la estructura genética y la secuencia codificante como una proteína de filamento intermedio tipo III debido a su homología con la vimentina, la proteína ácida fibrilar glial y la desmina. [9] Todas las proteínas de filamento intermedio comparten una estructura secundaria común que consiste en tres dominios principales, el más conservado de los cuales es el dominio de varilla α-helicoidal central. Esta bobina central está cubierta por dominios de cabeza no helicoidal ( N-terminal ) y cola ( C-terminal ). El dominio de varilla α-helicoidal contiene segmentos repetidos de aminoácidos hidrófobos , de modo que el primer y cuarto residuo de cada conjunto de siete aminoácidos son generalmente no polares. Esta estructura específica permite que dos polipéptidos de filamento intermedio se enrollen juntos y creen un "sello hidrófobo". [10] La varilla también contiene una colocación específica de residuos ácidos y básicos alternados, muchos de los cuales están espaciados a 4 aminoácidos de distancia. Este espaciamiento es óptimo para la formación de puentes salinos iónicos, que sirven para estabilizar la varilla α-helicoidal a través de interacciones intracadena. [10] Un cambio de puentes salinos intracadena a asociaciones iónicas intercadena puede ayudar en el ensamblaje del filamento intermedio al utilizar interacciones electrostáticas para estabilizar los dímeros en espiral. [10] Las regiones de cabeza y cola de las proteínas de filamento intermedio varían en longitud y composición de aminoácidos, y se producen mayores variaciones en la longitud en las regiones de la cola. [10]
La periferina, a diferencia de los FI de queratina, puede autoensamblarse y existir como homopolímeros (ver polímero ). También pueden heteropolimerizarse o coensamblarse con otras proteínas de tipo III o con la subunidad de neurofilamento ligero (NF-L) para formar redes de filamentos intermedios. [10] Las proteínas de tipo III como la periferina pueden existir en diferentes estados dentro de una célula. Estos estados incluyen partículas no filamentosas que se combinan para formar FI cortos firmes o garabatos. Estos garabatos se unen para formar FI largos que forman redes citoesqueléticas. [11] Los estudios de ensamblaje de redes en fibroblastos en expansión y células nerviosas en diferenciación muestran que las partículas se mueven a lo largo de los microtúbulos de una manera dependiente de la kinesina y la dineína y, a medida que continúa la expansión, las partículas se polimerizan en filamentos intermedios. [11]
Además de la especie principal de periferina, 57 kDa, se han identificado otras dos formas en ratones: Per 61 y Per 56. Estas dos alternativas se crean mediante empalme alternativo . Per 61 se crea introduciendo una inserción de 32 aminoácidos dentro de la espiral 2b del dominio de varilla α-helicoidal de la periferina. Per 56 se crea mediante un receptor en el exón 9 de la transcripción del gen de la periferina que induce un cambio de marco y reemplazo de una secuencia de 21 aminoácidos en el C-terminal que se encuentra en la forma dominante 57 con una nueva secuencia de 8 aminoácidos. Se desconocen las funciones de estas dos formas alternativas de periferina. Per 57 y 56 se coexpresan normalmente, mientras que Per 61 no se encuentra en la expresión normal de periferina en las neuronas motoras adultas. [12]
La periferina se expresa ampliamente en el cuerpo celular y los axones de las neuronas del sistema nervioso periférico . Estas incluyen neuronas ganglionares radiculares de tamaño pequeño, neuronas motoras inferiores , neuronas sensoriales y motoras de los nervios craneales y neuronas autónomas en los ganglios y el sistema nervioso entérico. También se expresa en el sistema nervioso central en un pequeño conjunto de neuronas del tronco encefálico y la médula espinal que tienen proyecciones hacia estructuras periféricas. Algunas de estas estructuras incluyen los núcleos magnocelulares hipotalámicos, los núcleos colinérgicos pontinos, algunos núcleos cerebelosos y neuronas dispersas en la corteza cerebral. [8] También se pueden encontrar en las neuronas del asta ventral y en los núcleos colinérgicos del tegmento laterodorsal (LDT) y del tegmento pedunculopontino (PPT). [13]
Una comparación de la expresión de periferina en el hipotálamo posterior y lateral en ratones mostró una expresión sesenta veces mayor en el hipotálamo posterior. Esta mayor expresión se debe a la presencia de periferina en las neuronas tuberomamilares del hipotálamo posterior del ratón. [13]
Las diversas propiedades de los filamentos intermedios, en comparación con las proteínas conservadas de los microtúbulos y los filamentos de actina, podrían ser responsables de las formas moleculares distintivas de los diferentes tipos de células. En las células nerviosas, por ejemplo, la expresión de diferentes tipos de FI se relaciona con el cambio de forma durante el desarrollo. Las primeras etapas del desarrollo en las neuronas están marcadas por el crecimiento de neuritas y axones que contribuyen a la forma asimétrica de las células. Durante estas transiciones en la forma celular, solo se forman filamentos intermedios de homopolímero de tipo III, como los que contienen periferina. A medida que la célula nerviosa madura, estos FI de tipo III son reemplazados por neurofilamentos de tipo IV más complejos que expanden el diámetro de los axones para alcanzar velocidades normales de potenciales de acción . [14]
Se desconoce la función exacta de la periferina. La expresión de periferina en el desarrollo es mayor durante la fase de crecimiento axonal y disminuye postnatalmente, lo que sugiere un papel en la elongación de las neuritas y la guía axonal durante el desarrollo. La expresión también aumenta después de una lesión axonal, como la axotomía periférica en las neuronas motoras y los ganglios de la raíz dorsal . Esta regulación positiva implica que la periferina también puede desempeñar un papel en la regeneración axonal. [13] Sin embargo, los experimentos con células PC12 sin periferina y ratones knock out de periferina proporcionan pruebas de que la mayoría de las neuronas no necesitan periferina para la guía axonal y el recrecimiento. Las células PC12 que carecen de periferina no mostraron defectos en el crecimiento de las neuritas y los ratones knock out de periferina se desarrollan normalmente sin anomalías anatómicas o fenotipos diferentes. [9] En estos experimentos, la deficiencia de periferina produjo una regulación positiva de la α- internexina , lo que indica la posibilidad de que este filamento intermedio de tipo IV compense la pérdida de periferina. Estudios futuros de ratones con doble inactivación de los genes de periferina y α-internexina podrían abordar esta teoría. [9] Sin embargo, mientras que la mayoría de los ratones con inactivación de periferina mostraron un crecimiento neuronal normal, su ausencia afectó el desarrollo de un subconjunto de axones sensoriales no mielinizados. En dichos ratones, hubo una "reducción del 34% en el número de fibras sensoriales no mielinizadas L5 que se correlacionó con una disminución de la unión de la lectina IB4". [9]
Se ha informado de la secuencia completa de los genes de periferina (PRPH) humanos (GenBank L14565), de rata (GenBank M26232) y de ratón (EMBL X59840), y los ADN complementarios (ADNc) descritos hasta el momento son los de la periferina de rata, ratón y Xenopus. [8] El uso de una sonda de ADNc de ratón durante el procedimiento de hibridación in situ permitió la localización del gen PRPH en la región EF del cromosoma 15 del ratón y en la región q12-q13 del cromosoma 12 humano. [6]
La estructura general del gen de la periferina es de nueve exones separados por ocho intrones . Esta configuración se conserva entre las tres especies de mamíferos conocidas con codificación conocida para la periferina, a saber, el ser humano, la rata y el ratón. Las secuencias de nucleótidos de los exones humanos y de la rata fueron idénticas en un 90% y produjeron una proteína predicha que difería en solo 18 de los 475 residuos de aminoácidos. La comparación de los intrones 1 y 2 también produjo una alta homología de segmentos conservados. Las regiones flanqueantes 5' y las secuencias reguladoras también fueron muy similares y se encontró un elemento regulador negativo del factor de crecimiento nervioso, un sitio de unión de la proteína Hox (ver gen Hox ) y un elemento de choque térmico en todos los genes de periferina conocidos. [15]
El factor de crecimiento nervioso (NGF) desempeña un papel importante en la regulación de la periferina. Es a la vez un inductor transcripcional y un regulador postraduccional de la expresión de periferina en células PC12 y neuroblastoma. El mecanismo de activación inducida por NGF ocurre a través de elementos flanqueantes 5' y secuencias intragénicas que involucran la caja TATA y otros elementos anteriores, así como la depresión en un elemento negativo. Las señales específicas que regulan la expresión de periferina in vivo son desconocidas. El gen de la periferina se activa transcripcionalmente en neuronas sensoriales de tamaño pequeño y grande del ganglio de la raíz dorsal aproximadamente en el día E10, y el ARNm está presente en estas células después del día 2 posnatal y durante toda la edad adulta. Los mecanismos postranscripcionales reducen la periferina detectable solo a las células de tamaño pequeño; sin embargo, el aplastamiento de los procesos periféricos en las neuronas del ganglio de la raíz dorsal conduce a la presencia de ARNm y periferina detectable en las células de tamaño grande. [8]
Las citocinas proinflamatorias, la interleucina-6 y el factor inhibidor de la leucemia , también pueden inducir la expresión de periferina a través de la vía de señalización JAK-STAT . Esta regulación positiva específica está vinculada a la regeneración neuronal. [12]
Los agregados proteicos y neurofilamentosos son característicos de los pacientes con esclerosis lateral amiotrófica, una enfermedad neurodegenerativa progresiva y mortal . Se han encontrado esferoides, específicamente, que son agregados proteicos de filamentos intermedios neuronales, en pacientes con esclerosis lateral amiotrófica. Se ha encontrado periferina en dichos esferoides junto con otros neurofilamentos en otras enfermedades neuronales, lo que sugiere que la periferina puede desempeñar un papel en la patogénesis de la esclerosis lateral amiotrófica. [7]
Se identificó una variante de periferina de ratón con empalme alternativo que incluye el intrón 4, una región que se elimina de las formas abundantes de periferina. Debido al cambio en el marco de lectura, esta variante produce una forma más grande de periferina (Per61). En la periferina humana, la inclusión de los intrones 3 y 4, regiones que se eliminan de manera similar de las formas abundantes de proteína de periferina, da como resultado la generación de una proteína de periferina truncada (Per28). En ambos casos, un anticuerpo específico para un péptido codificado por las regiones del intrón tiñó las inclusiones filamentosas en los tejidos afectados por esclerosis lateral amiotrófica. Estos estudios sugieren que dicho empalme alternativo podría desempeñar un papel en la enfermedad y se prestan a una mayor investigación. [7]
Los experimentos que examinaron la sobreexpresión de periferina en ratones han sugerido que las mutaciones de PRPH desempeñan un papel en la patogénesis de la esclerosis lateral amiotrófica, y estudios más recientes han investigado la prevalencia de dichas mutaciones en humanos. Aunque existen muchas variantes polimórficas de PRPH, se observaron dos variantes de PRPH de forma única en pacientes con ELA, ambas consistían en una mutación por cambio de marco de lectura . En la primera variante, una única deleción de par de bases en el exón 1 de PRPH fue predictiva de una especie de periferina truncada a 85 aminoácidos. Este truncamiento afectó negativamente a la capacidad de la red de neurofilamentos para ensamblarse, lo que sugiere que las mutaciones en PRPH pueden desempeñar un papel en al menos un pequeño porcentaje de casos humanos de esclerosis lateral amiotrófica. [16]
La segunda variante consistió en una sustitución de aminoácidos de aspartato a tirosina como resultado de una mutación puntual única en el exón 1. Esto también demostró afectar negativamente al ensamblaje de la red de neurofilamentos. Las mutaciones de PRPH observadas en la esclerosis lateral amiotrófica causan un cambio en la estructura 3D de la proteína. En consecuencia, la periferina mutante forma agregados en lugar de la red filamentosa que forma habitualmente. [17]
La periferina puede estar implicada en la patología de la diabetes mellitus dependiente de insulina (o diabetes mellitus tipo 1 ) en animales; sin embargo, no se ha encontrado un vínculo directo en pacientes humanos. En un modelo de ratón diabético no obeso , se ha encontrado periferina como un autoantígeno conocido (véase antígeno ). También se han encontrado clones de células B reactivos a la periferina en etapas tempranas de la enfermedad. Dado que la periferina se expresa tanto en el sistema nervioso periférico como, en animales jóvenes, en las células beta de los islotes , es posible que la destrucción tanto de los elementos del sistema nervioso periférico como de las células β de los islotes en la diabetes mellitus dependiente de insulina se deba a la respuesta inmunitaria a la periferina autorreactiva. [13]
La periferina también puede desempeñar un papel en el diagnóstico definitivo de la enfermedad de Hirschsprung . Los pacientes con sospecha de padecer la enfermedad se someten a una biopsia rectal para buscar la presencia o ausencia de células ganglionares . Sin embargo, la identificación de estas células puede ser muy difícil, especialmente en recién nacidos, donde las células ganglionares inmaduras se confunden fácilmente con células endoteliales , mesenquimales e inflamatorias. Para ayudar en la identificación, se desarrolló un protocolo que utiliza periferina y tinción inmunohistoquímica S-100 para ayudar en el reconocimiento de células ganglionares en biopsias rectales. [18]
Actualmente se está investigando la posible participación de filamentos intermedios como la periferina en enfermedades neurodegenerativas. También se están estudiando las interacciones entre filamentos intermedios y otras proteínas. Se ha demostrado que la periferina se asocia con la proteína quinasa Cε, induciendo su agregación y dando lugar a un aumento de la apoptosis . Puede ser posible regular esta agregación y apoptosis utilizando ARNi y la proteína quinasa Cε. [19] Identificar la fuente y la posible resolución de los agregados de proteínas es una dirección prometedora para posibles terapias. [7]