Las integrinas son receptores transmembrana que ayudan a la adhesión célula-célula y célula- matriz extracelular (ECM). [3] Tras la unión del ligando, las integrinas activan vías de transducción de señales que median señales celulares como la regulación del ciclo celular , la organización del citoesqueleto intracelular y el movimiento de nuevos receptores a la membrana celular. [4] La presencia de integrinas permite respuestas rápidas y flexibles a eventos en la superficie celular ( p. ej ., enviar señales a las plaquetas para que inicien una interacción con factores de coagulación ).
Existen varios tipos de integrinas y, por lo general, una célula tiene varios tipos diferentes en su superficie. Las integrinas se encuentran en todos los animales, mientras que los receptores similares a las integrinas se encuentran en las células vegetales. [3]
Las integrinas actúan junto con otras proteínas, como las cadherinas , las moléculas de adhesión celular de la superfamilia de las inmunoglobulinas , las selectinas y los sindecanos , para mediar la interacción célula-célula y célula-matriz. Los ligandos de las integrinas incluyen fibronectina , vitronectina , colágeno y laminina .
Las integrinas son heterodímeros obligados compuestos por subunidades α y β . Varios genes codifican múltiples isoformas de estas subunidades, lo que da lugar a una serie de integrinas únicas con actividad variada. En los mamíferos, las integrinas se ensamblan a partir de dieciocho subunidades α y ocho β, [5] en Drosophila cinco subunidades α y dos β, y en los nematodos Caenorhabditis dos subunidades α y una subunidad β. [6] Las subunidades α y β son proteínas transmembrana de clase I, por lo que cada una penetra la membrana plasmática una vez y puede poseer varios dominios citoplasmáticos . [7]
Las variantes de algunas subunidades se forman mediante el empalme diferencial del ARN ; por ejemplo, existen cuatro variantes de la subunidad beta-1. Mediante diferentes combinaciones de las subunidades α y β, se generan 24 integrinas mamíferas únicas, excluyendo las variantes de empalme y glicosilación. [8]
Las subunidades de integrina se extienden por la membrana celular y tienen dominios citoplasmáticos cortos de 40 a 70 aminoácidos. La excepción es la subunidad beta-4, que tiene un dominio citoplasmático de 1.088 aminoácidos, uno de los más grandes de cualquier proteína de membrana. Fuera de la membrana celular, las cadenas α y β se encuentran juntas a lo largo de una longitud de unos 23 nm ; los extremos N de 5 nm finales de cada cadena forman una región de unión de ligando para la matriz extracelular. Se las ha comparado con las pinzas de langosta , aunque en realidad no "pellizcan" su ligando, sino que interactúan químicamente con él en el interior de las "puntas" de sus "pinzas".
La masa molecular de las subunidades de integrina puede variar de 90 kDa a 160 kDa. Las subunidades beta tienen cuatro secuencias repetidas ricas en cisteína . Tanto las subunidades α como las β se unen a varios cationes divalentes . Se desconoce el papel de los cationes divalentes en la subunidad α, pero pueden estabilizar los pliegues de la proteína. Los cationes en las subunidades β son más interesantes: están directamente involucrados en la coordinación de al menos algunos de los ligandos a los que se unen las integrinas.
Las integrinas se pueden clasificar de múltiples maneras. Por ejemplo, algunas cadenas α tienen un elemento estructural adicional (o "dominio") insertado hacia el extremo N , el dominio alfa-A (llamado así porque tiene una estructura similar a los dominios A que se encuentran en la proteína factor von Willebrand ; también se denomina dominio α-I). Las integrinas que llevan este dominio se unen a colágenos (por ejemplo, las integrinas α1 β1 y α2 β1) o actúan como moléculas de adhesión célula-célula (integrinas de la familia β2). Este dominio α-I es el sitio de unión para los ligandos de dichas integrinas. Aquellas integrinas que no llevan este dominio insertado también tienen un dominio A en su sitio de unión de ligando, pero este dominio A se encuentra en la subunidad β.
En ambos casos, los dominios A llevan hasta tres sitios de unión de cationes divalentes. Uno está ocupado permanentemente en concentraciones fisiológicas de cationes divalentes y lleva un ion calcio o magnesio, los principales cationes divalentes en la sangre a concentraciones medias de 1,4 mM (calcio) y 0,8 mM (magnesio). Los otros dos sitios quedan ocupados por cationes cuando se unen los ligandos, al menos para aquellos ligandos que involucran un aminoácido ácido en sus sitios de interacción. Un aminoácido ácido aparece en el sitio de interacción de integrinas de muchas proteínas de la matriz extracelular, por ejemplo, como parte de la secuencia de aminoácidos Arginina-Glicina-Ácido aspártico ("RGD" en el código de aminoácidos de una letra).
A pesar de muchos años de esfuerzo, descubrir la estructura de alta resolución de las integrinas resultó ser un desafío, ya que las proteínas de membrana son clásicamente difíciles de purificar y las integrinas son grandes, complejas y altamente glicosiladas con muchos "árboles" de azúcar unidos a ellas. Imágenes de baja resolución de extractos de detergente de integrina intacta GPIIbIIIa, obtenidas mediante microscopía electrónica , e incluso datos de técnicas indirectas que investigan las propiedades de la solución de las integrinas mediante ultracentrifugación y dispersión de luz, se combinaron con datos cristalográficos o de RMN fragmentarios de alta resolución de dominios simples o pareados de cadenas de integrina simples, y modelos moleculares postulados para el resto de las cadenas.
La estructura cristalina de rayos X obtenida para la región extracelular completa de una integrina, αvβ3, [1] muestra que la molécula está plegada en una forma de V invertida que potencialmente acerca los sitios de unión del ligando a la membrana celular. Quizás más importante aún, la estructura cristalina también se obtuvo para la misma integrina unida a un ligando pequeño que contiene la secuencia RGD, el fármaco cilengitide . [9] Como se detalló anteriormente, esto finalmente reveló por qué los cationes divalentes (en los dominios A) son críticos para la unión del ligando RGD a las integrinas. Se cree que la interacción de dichas secuencias con las integrinas es un interruptor primario por el cual la matriz extracelular ejerce sus efectos sobre el comportamiento celular.
La estructura plantea muchas preguntas, especialmente en relación con la unión del ligando y la transducción de señales. El sitio de unión del ligando está dirigido hacia el extremo C-terminal de la integrina, la región donde la molécula emerge de la membrana celular. Si emerge ortogonalmente de la membrana, el sitio de unión del ligando aparentemente estaría obstruido, especialmente porque los ligandos de integrina son típicamente componentes masivos y bien entrecruzados de la matriz extracelular. De hecho, se sabe poco acerca del ángulo que las proteínas de membrana subtienden con el plano de la membrana; este es un problema difícil de abordar con las tecnologías disponibles. La suposición predeterminada es que emergen más bien como pequeñas piruletas, pero hay poca evidencia de esto. La estructura de la integrina ha llamado la atención sobre este problema, que puede tener implicaciones generales para el funcionamiento de las proteínas de membrana. Parece que las hélices transmembrana de la integrina están inclinadas (ver "Activación" a continuación), lo que sugiere que las cadenas extracelulares también pueden no ser ortogonales con respecto a la superficie de la membrana.
Aunque la estructura cristalina cambió sorprendentemente poco después de la unión a cilengitide, la hipótesis actual es que la función de la integrina implica cambios en la forma para mover el sitio de unión del ligando a una posición más accesible, lejos de la superficie celular, y este cambio de forma también desencadena la señalización intracelular. Existe una amplia bibliografía bioquímica y de biología celular que respalda esta opinión. Quizás la evidencia más convincente involucra el uso de anticuerpos que solo reconocen las integrinas cuando se han unido a sus ligandos o están activadas. Como la "huella" que deja un anticuerpo en su objetivo de unión es aproximadamente un círculo de unos 3 nm de diámetro, la resolución de esta técnica es baja. Sin embargo, estos anticuerpos llamados LIBS (sitios de unión inducidos por ligando) muestran inequívocamente que ocurren rutinariamente cambios dramáticos en la forma de la integrina. Sin embargo, todavía se desconoce cómo se ven en la estructura los cambios detectados con anticuerpos.
Cuando se liberan en la membrana celular, se especula que los dímeros de integrina recién sintetizados se encuentran en la misma conformación "doblada" revelada por los estudios estructurales descritos anteriormente. Una escuela de pensamiento afirma que esta forma doblada les impide interactuar con sus ligandos, aunque las formas dobladas pueden predominar en las estructuras EM de alta resolución de la integrina unida a un ligando de la matriz extracelular. Por lo tanto, al menos en los experimentos bioquímicos, los dímeros de integrina aparentemente no deben estar "desdoblados" para prepararlos y permitir su unión a la matriz extracelular . En las células, la preparación se logra mediante una proteína talina, que se une a la cola β del dímero de integrina y cambia su conformación. [10] [11] Las cadenas de integrina α y β son ambas proteínas transmembrana de clase I: pasan la membrana plasmática como hélices alfa transmembrana individuales. Desafortunadamente, las hélices son demasiado largas y estudios recientes sugieren que, en el caso de la integrina gpIIbIIIa, están inclinadas entre sí y con respecto al plano de la membrana. La unión de la talina altera el ángulo de inclinación de la hélice transmembrana de la cadena β3 en los sistemas modelo y esto puede reflejar una etapa en el proceso de señalización de adentro hacia afuera que prepara a las integrinas. [12] Además, las proteínas talina pueden dimerizarse [13] y, por lo tanto, se cree que intervienen en la agrupación de dímeros de integrina que conduce a la formación de una adhesión focal . Recientemente, también se ha descubierto que las proteínas Kindlin-1 y Kindlin-2 interactúan con la integrina y la activan. [14]
Las integrinas tienen dos funciones principales: la unión de las células a la matriz extracelular y la transducción de señales desde la matriz extracelular a las células. [15] También participan en una amplia gama de otras actividades biológicas, como la extravasación, la adhesión de célula a célula, la migración celular y como receptores para ciertos virus, como el adenovirus , el echovirus , el hantavirus , el virus de la fiebre aftosa , el virus de la polio y otros virus. Recientemente, la importancia de las integrinas en el progreso de los trastornos autoinmunes también está ganando la atención de los científicos. Estos mecanorreceptores parecen regular la autoinmunidad al dictar varias vías intracelulares para controlar la adhesión de las células inmunitarias a las capas de células endoteliales seguida de su transmigración. Este proceso puede o no depender de la fuerza bruta a la que se enfrentan las partes extracelulares de las diferentes integrinas. [16]
Una función destacada de las integrinas se observa en la molécula GpIIb/IIIa , una integrina en la superficie de las plaquetas sanguíneas (trombocitos) responsable de la unión a la fibrina dentro de un coágulo sanguíneo en desarrollo. Esta molécula aumenta drásticamente su afinidad de unión con la fibrina/fibrinógeno a través de la asociación de las plaquetas con los colágenos expuestos en el sitio de la herida. Al asociarse las plaquetas con el colágeno, la GPIIb/IIIa cambia de forma, lo que le permite unirse a la fibrina y otros componentes sanguíneos para formar la matriz del coágulo y detener la pérdida de sangre.
Las integrinas acoplan la matriz extracelular (ECM) celular fuera de una célula al citoesqueleto (en particular, los microfilamentos ) dentro de la célula. El ligando en la ECM al que la integrina puede unirse se define por las subunidades α y β de las que está hecha la integrina. Entre los ligandos de las integrinas se encuentran la fibronectina , la vitronectina , el colágeno y la laminina . La conexión entre la célula y la ECM puede ayudar a la célula a soportar fuerzas de tracción sin ser arrancada de la ECM. La capacidad de una célula para crear este tipo de enlace también es de vital importancia en la ontogenia .
La adhesión celular a la matriz extracelular es un requisito básico para construir un organismo multicelular. Las integrinas no son simplemente ganchos, sino que dan a la célula señales críticas sobre la naturaleza de su entorno. Junto con las señales que surgen de los receptores de factores de crecimiento solubles como VEGF , EGF y muchos otros, imponen una decisión celular sobre qué acción biológica tomar, ya sea adhesión, movimiento, muerte o diferenciación. Por lo tanto, las integrinas se encuentran en el corazón de muchos procesos biológicos celulares. La adhesión de la célula se lleva a cabo a través de la formación de complejos de adhesión celular , que consisten en integrinas y muchas proteínas citoplasmáticas, como talina , vinculina , paxilina y alfa- actinina . Estos actúan regulando quinasas como FAK ( quinasa de adhesión focal ) y miembros de la familia de quinasas Src para fosforilar sustratos como p130CAS, reclutando así adaptadores de señalización como CRK . Estos complejos de adhesión se unen al citoesqueleto de actina. Las integrinas sirven, por tanto, para unir dos redes a través de la membrana plasmática: la matriz extracelular y el sistema filamentoso de actina intracelular. La integrina α6β4 es una excepción: se une al sistema de filamentos intermedios de queratina en las células epiteliales. [17]
Las adherencias focales son grandes complejos moleculares que se generan tras la interacción de las integrinas con la matriz extracelular y su posterior agrupamiento. Es probable que los agrupamientos proporcionen suficientes sitios de unión intracelular para permitir la formación de complejos de señalización estables en el lado citoplasmático de la membrana celular. Por lo tanto, las adherencias focales contienen ligando de integrina, molécula de integrina y proteínas de placa asociadas. La unión es impulsada por cambios en la energía libre. [18] Como se indicó anteriormente, estos complejos conectan la matriz extracelular a los haces de actina. La criotomografía electrónica revela que la adherencia contiene partículas en la membrana celular con un diámetro de 25 +/- 5 nm y espaciadas aproximadamente a 45 nm. [19] El tratamiento con el inhibidor de la Rho-quinasa Y-27632 reduce el tamaño de la partícula y es extremadamente mecanosensible. [20]
Una función importante de las integrinas en las células en cultivos de tejidos es su papel en la migración celular . Las células se adhieren a un sustrato a través de sus integrinas. Durante el movimiento, la célula realiza nuevas uniones al sustrato en su parte delantera y al mismo tiempo libera las de su parte trasera. Cuando se liberan del sustrato, las moléculas de integrina son devueltas a la célula por endocitosis ; son transportadas a través de la célula hasta su parte delantera por el ciclo endocítico , donde se añaden de nuevo a la superficie. De esta manera se reciclan para su reutilización, lo que permite a la célula realizar nuevas uniones en su parte delantera principal. [21] El ciclo de endocitosis de integrinas y reciclaje de vuelta a la superficie celular es importante también para que las células no migren y durante el desarrollo animal. [22]
Las integrinas desempeñan un papel importante en la señalización celular al modular las vías de señalización celular de las quinasas de proteínas transmembrana, como las quinasas de tirosina receptoras (RTK). Si bien en un principio se pensaba que la interacción entre la integrina y las quinasas de tirosina receptoras era unidireccional y de apoyo, estudios recientes indican que las integrinas tienen funciones adicionales y multifacéticas en la señalización celular. Las integrinas pueden regular la señalización de la quinasa de tirosina receptora reclutando adaptadores específicos para la membrana plasmática. Por ejemplo, la integrina β1c recluta Gab1/Shp2 y presenta Shp2 a IGF1R, lo que da como resultado la desfosforilación del receptor. [23] En una dirección inversa, cuando se activa una quinasa de tirosina receptora, las integrinas se co-localizan en la adhesión focal con las quinasas de tirosina receptoras y sus moléculas de señalización asociadas.
El repertorio de integrinas expresadas en una célula particular puede especificar la vía de señalización debido a la afinidad de unión diferencial de los ligandos de la matriz extracelular por las integrinas. La rigidez del tejido y la composición de la matriz pueden iniciar vías de señalización específicas que regulen el comportamiento celular. La agrupación y activación de los complejos integrinas/actina fortalecen la interacción de adhesión focal e inician el marco para la señalización celular a través del ensamblaje de adhesomas. [24]
Dependiendo del impacto regulador de la integrina sobre receptores de tirosina quinasas específicos, la célula puede experimentar:
El conocimiento de la relación entre las integrinas y el receptor de tirosina quinasa ha sentado las bases para nuevos enfoques en el tratamiento del cáncer. En concreto, la focalización de las integrinas asociadas con las RTK es un enfoque emergente para inhibir la angiogénesis. [26]
Las integrinas tienen una función importante en la neurorregeneración después de una lesión del sistema nervioso periférico (SNP). [27] Las integrinas están presentes en el cono de crecimiento de las neuronas dañadas del SNP y se unen a ligandos en la matriz extracelular para promover la regeneración axonal. No está claro si las integrinas pueden promover la regeneración axonal en el sistema nervioso central (SNC) adulto. Hay dos obstáculos que impiden la regeneración mediada por integrinas en el SNC: 1) las integrinas no están localizadas en el axón de la mayoría de las neuronas adultas del SNC y 2) las integrinas se inactivan por moléculas en el tejido cicatricial después de una lesión. [27]
Las siguientes son 16 de las ~24 integrinas que se encuentran en los vertebrados:
Las integrinas beta-1 interactúan con muchas cadenas de integrinas alfa. La inactivación de genes de las integrinas en ratones no siempre es letal, lo que sugiere que durante el desarrollo embrionario, una integrina puede sustituir su función por otra para permitir la supervivencia. Algunas integrinas se encuentran en la superficie celular en un estado inactivo y pueden ser rápidamente activadas, o puestas en un estado capaz de unirse a sus ligandos, por las citocinas. Las integrinas pueden asumir varias formas diferentes bien definidas o "estados conformacionales". Una vez activadas, el estado conformacional cambia para estimular la unión del ligando, que luego activa los receptores (también induciendo un cambio de forma) para desencadenar la transducción de señales de afuera hacia adentro.
Medios relacionados con Integrinas en Wikimedia Commons