Las protaminas son proteínas nucleares pequeñas y ricas en arginina que reemplazan a las histonas en la fase haploide de la espermatogénesis y se cree que son esenciales para la condensación de la cabeza del espermatozoide y la estabilización del ADN . Pueden permitir un empaquetamiento más denso del ADN en el espermatozoide que las histonas, pero deben descomprimirse antes de que los datos genéticos puedan usarse para la síntesis de proteínas. Sin embargo, parte del genoma del espermatozoide está empaquetado por histonas (entre el 10 y el 15 % en humanos y otros primates), que se cree que se unen a genes que son esenciales para el desarrollo embrionario temprano. [1]
Las proteínas protamina y similares a la protamina (PL) se conocen colectivamente como proteínas básicas nucleares específicas de los espermatozoides (SNBP). Las proteínas PL tienen una estructura intermedia entre la protamina y la histona H1 . El dominio C-terminal de la PL podría ser el precursor de la protamina de los vertebrados. [2]
Durante la formación del esperma, la protamina se une a la cadena principal de fosfato del ADN utilizando el dominio rico en arginina como ancla. Luego, el ADN se pliega en un toroide , una estructura en forma de O, aunque no se conoce el mecanismo. Un espermatozoide puede contener hasta 50.000 estructuras en forma de toroide en su núcleo y cada toroide contiene alrededor de 50 kilobases. [4] Antes de que se forme el toroide, las histonas se eliminan del ADN mediante proteínas nucleares de transición , de modo que la protamina pueda condensarlo. Los efectos de este cambio son 1) un aumento de la hidrodinámica del esperma para un mejor flujo a través de líquidos al reducir el tamaño de la cabeza 2) disminución de la aparición de daños en el ADN 3) eliminación de los marcadores epigenéticos que se producen con las modificaciones de las histonas. [5]
La estructura de la cabeza del espermatozoide también está relacionada con los niveles de protamina. Se ha descubierto que la proporción de protamina 2 con respecto a protamina 1 y las proteínas nucleares de transición modifican la forma de la cabeza del espermatozoide en varias especies de ratones, al alterar la expresión de protamina 2 mediante mutaciones en su región promotora. Se ha descubierto que una disminución de la proporción aumenta la capacidad competitiva de los espermatozoides en las especies Mus . Sin embargo, se requieren más pruebas para determinar cómo esta proporción influye en la forma de la cabeza y si la monogamia influye en esta selección. En los seres humanos, los estudios muestran que los hombres que tienen Prm1/Prm2 desequilibrado son subfértiles o infértiles. [6] La protamina 2 está codificada como una proteína más larga que necesita que se corte su extremo N-terminal antes de volverse funcional. La protamina humana y de chimpancé ha experimentado una rápida evolución. [7]
Cuando se mezclan con insulina , las protaminas retardan el inicio y aumentan la duración de la acción de la insulina (ver insulina NPH ). [8]
La protamina se utiliza en cirugías cardíacas, cirugías vasculares y procedimientos de radiología intervencionista para neutralizar los efectos anticoagulantes de la heparina . Los efectos adversos incluyen aumento de la presión arterial pulmonar y disminución de la presión arterial periférica, el consumo de oxígeno del miocardio, el gasto cardíaco y la frecuencia cardíaca. [9]
El sulfato de protamina es un antídoto para la sobredosis de heparina , pero puede producirse una alergia grave. [10] Una versión de cadena acortada de protamina también actúa como un potente antagonista de la heparina, pero con una antigenicidad marcadamente reducida . Inicialmente se produjo como una mezcla hecha por digestión de protamina con termolisina , [11]VSRRRRRRGGRRRR pero desde entonces se ha aislado la porción peptídica realmente efectiva . [12] También se ha producido un análogo de este péptido. [13]
En la terapia génica, la capacidad del sulfato de protamina para condensar el ADN plasmídico junto con su aprobación por parte de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) lo han convertido en un candidato atractivo para aumentar las tasas de transducción mediante mecanismos de administración mediados tanto por virus [14] como por no virus (por ejemplo, utilizando liposomas catiónicos) [15] .
La protamina puede utilizarse como fármaco para prevenir la obesidad. Se ha demostrado que la protamina frena el aumento de peso corporal y de lipoproteínas de baja densidad en ratas con dietas ricas en grasas. Este efecto se produce a través de la inhibición de la actividad de la lipasa , una enzima responsable de la digestión y absorción de triacilglicerol , lo que da como resultado una disminución en la absorción de grasa de la dieta. No se encontró daño hepático cuando las ratas fueron tratadas con protamina. Sin embargo, la emulsificación de ácidos grasos de cadena larga para la digestión y absorción en el intestino delgado es menos constante en humanos que en ratas, lo que variará la eficacia de la protamina como fármaco. Además, las peptidasas humanas pueden degradar la protamina a diferentes velocidades, por lo que se requieren más pruebas para determinar la capacidad de la protamina para prevenir la obesidad en humanos. [16]
Los ratones, los seres humanos [1] y ciertos peces tienen dos o más protaminas diferentes, mientras que el esperma de toro y de jabalí [17] tiene una forma de protamina debido a una mutación en el gen PRM2. En la rata, aunque el gen para PRM2 está presente, la expresión de esta proteína es extremadamente pequeña debido a la transcripción limitada debido a un promotor ineficiente además del procesamiento alterado de la transcripción del ARNm. [18]
Las dos protaminas humanas se denominan PRM1 y PRM2 . En ratones y seres humanos, PRM1, PRM2 y TNP2 están ubicadas en un grupo de genes conservados . [19]
Los mamíferos euterios generalmente tienen tanto PRM1 como PRM2. Los metaterios, por otro lado, solo tienen un homólogo de P1. [20]
Ejemplos de protaminas del pescado son:
Las protaminas de los peces son generalmente más cortas que las de los mamíferos, con una mayor cantidad de arginina. [20]
La estructura primaria de la protamina P1, la protamina utilizada para empaquetar el ADN en los espermatozoides, en los mamíferos placentarios suele tener una longitud de 49 o 50 aminoácidos. Esta secuencia se divide en tres dominios separados: un dominio rico en arginina para la unión del ADN flanqueado por secuencias peptídicas más cortas que contienen principalmente residuos de cisteína. El dominio rico en arginina consta de 3-11 residuos de arginina y se conserva entre las secuencias de protamina de pescado y protamina 1 de mamíferos con una identidad de secuencia de aproximadamente el 60-80%. [1]
Después de la traducción, la estructura de la protamina P1 se fosforila inmediatamente en los tres dominios mencionados anteriormente. Se produce otra ronda de fosforilación cuando el espermatozoide entra en el óvulo, pero la función de estas fosforilaciones es incierta. [1]
La estructura secundaria y terciaria exacta de la protamina no se conoce con certeza, pero se han publicado varias propuestas desde la década de 1970. [22] [23] [1] [24] [25] [20] [26] El amplio consenso es que la protamina forma estructuras de cadena beta que luego se reticulan a través de enlaces disulfuro (y potencialmente enlaces ditirosina y cisteína-tirosina). [25] [20] Cuando la protamina P1 se une al ADN, la cisteína del terminal amino de una protamina P1 forma enlaces disulfuro con la cisteína del terminal carboxi de otra protamina P1. Al neutralizar la carga de la cadena principal, la protamina permite que el ADN se enrolle más firmemente. [3] [26] Los enlaces disulfuro funcionan para evitar la disociación de la protamina P1 del ADN hasta que los enlaces se reducen cuando el espermatozoide ingresa al óvulo. [1] Estos polímeros largos de protamina pueden luego enrollarse alrededor del ADN dentro del surco mayor. [1] [23]