Una isoforma de proteína , o " variante de proteína ", [1] es un miembro de un conjunto de proteínas muy similares que se originan a partir de un único gen o familia de genes y son el resultado de diferencias genéticas. [2] Si bien muchas desempeñan funciones biológicas iguales o similares, algunas isoformas tienen funciones únicas. Se puede formar un conjunto de isoformas de proteínas a partir de empalmes alternativos , uso de promotor variable u otras modificaciones postranscripcionales de un solo gen; Las modificaciones postraduccionales generalmente no se consideran. (Para eso, consulte Proteoformas .) A través de mecanismos de empalme de ARN , el ARNm tiene la capacidad de seleccionar diferentes segmentos codificadores de proteínas ( exones ) de un gen, o incluso diferentes partes de exones del ARN para formar diferentes secuencias de ARNm. Cada secuencia única produce una forma específica de proteína.
El descubrimiento de isoformas podría explicar la discrepancia entre el pequeño número de regiones codificantes de proteínas de los genes reveladas por el proyecto del genoma humano y la gran diversidad de proteínas observadas en un organismo: diferentes proteínas codificadas por el mismo gen podrían aumentar la diversidad del proteoma . Las isoformas a nivel de ARN se caracterizan fácilmente mediante estudios de transcripción de ADNc . Muchos genes humanos poseen isoformas de empalme alternativas confirmadas . Se ha estimado que en humanos se pueden identificar aproximadamente 100.000 etiquetas de secuencia expresadas ( EST ). [1] Las isoformas a nivel de proteína pueden manifestarse en la eliminación de dominios completos o bucles más cortos, generalmente ubicados en la superficie de la proteína. [3]
Un solo gen tiene la capacidad de producir múltiples proteínas que difieren tanto en estructura como en composición; [4] [5] este proceso está regulado por el empalme alternativo del ARNm, aunque no está claro hasta qué punto dicho proceso afecta la diversidad del proteoma humano, ya que la abundancia de isoformas de transcripción de ARNm no necesariamente se correlaciona con la abundancia de isoformas de proteínas. [6] Se pueden utilizar comparaciones de estructuras de proteínas tridimensionales para ayudar a determinar cuáles isoformas, si las hay, representan productos proteicos funcionales, y AlphaFold predijo la estructura de la mayoría de las isoformas en el proteoma humano y la publicó en isoform.io. [7] La especificidad de las isoformas traducidas se deriva de la estructura/función de la proteína, así como del tipo de célula y la etapa de desarrollo durante la cual se producen. [4] [5] La determinación de la especificidad se vuelve más complicada cuando una proteína tiene múltiples subunidades y cada subunidad tiene múltiples isoformas.
Por ejemplo, la proteína quinasa activada por 5' AMP (AMPK), una enzima que desempeña diferentes funciones en las células humanas, tiene 3 subunidades: [8]
En el músculo esquelético humano, la forma preferida es α2β2γ1. [8] Pero en el hígado humano, la forma más abundante es α1β2γ1. [8]
Los mecanismos principales que producen isoformas de proteínas son el empalme alternativo y el uso de promotores variables, aunque las modificaciones debidas a cambios genéticos, como mutaciones y polimorfismos , a veces también se consideran isoformas distintas. [9]
El empalme alternativo es el principal proceso de modificación postranscripcional que produce isoformas de transcripción de ARNm y es un mecanismo molecular importante que puede contribuir a la diversidad de proteínas. [5] El espliceosoma , una ribonucleoproteína de gran tamaño , es la máquina molecular dentro del núcleo responsable de la escisión y ligación del ARN , eliminando segmentos codificantes no proteicos ( intrones ). [10]
Debido a que el empalme es un proceso que ocurre entre la transcripción y la traducción , sus efectos principales se han estudiado principalmente mediante técnicas genómicas ; por ejemplo, se han utilizado análisis de microarrays y secuenciación de ARN para identificar transcripciones empalmadas alternativamente y medir su abundancia. [9] La abundancia de transcripciones se utiliza a menudo como indicador de la abundancia de isoformas de proteínas, aunque los experimentos proteómicos que utilizan electroforesis en gel y espectrometría de masas han demostrado que la correlación entre la transcripción y los recuentos de proteínas suele ser baja, y que una isoforma de proteína suele ser dominante. [11] Un estudio de 2015 afirma que la causa de esta discrepancia probablemente ocurre después de la traducción, aunque el mecanismo es esencialmente desconocido. [12] En consecuencia, aunque el empalme alternativo ha sido implicado como un vínculo importante entre la variación y la enfermedad, no hay evidencia concluyente de que actúe principalmente mediante la producción de nuevas isoformas de proteínas. [11]
El empalme alternativo generalmente describe un proceso estrictamente regulado en el que la maquinaria de empalme genera intencionalmente transcripciones alternativas. Sin embargo, dichas transcripciones también se producen mediante errores de empalme en un proceso llamado "empalme ruidoso" y también se traducen potencialmente en isoformas de proteínas. Aunque se cree que aproximadamente el 95% de los genes multiexónicos están empalmados alternativamente, un estudio sobre empalme ruidoso observó que la mayoría de los diferentes transcritos de baja abundancia son ruido y predice que la mayoría de los transcritos alternativos y las isoformas de proteínas presentes en una célula no son funcionalmente importante. [13]
Otros pasos reguladores transcripcionales y postranscripcionales también pueden producir diferentes isoformas de proteínas. [14] El uso de promotores variables ocurre cuando la maquinaria transcripcional de una célula ( ARN polimerasa , factores de transcripción y otras enzimas ) comienza la transcripción en diferentes promotores (la región del ADN cerca de un gen que sirve como sitio de unión inicial), lo que da como resultado una proteína ligeramente modificada. Transcripciones e isoformas de proteínas.
Generalmente, una isoforma de proteína se etiqueta como secuencia canónica según criterios como su prevalencia y similitud con secuencias ortólogas (o funcionalmente análogas) en otras especies. [15] Se supone que las isoformas tienen propiedades funcionales similares, ya que la mayoría tienen secuencias similares y comparten algunos o la mayoría de los exones con la secuencia canónica. Sin embargo, algunas isoformas muestran una divergencia mucho mayor (por ejemplo, mediante trans-splicing ) y pueden compartir pocos o ningún exón con la secuencia canónica. Además, pueden tener diferentes efectos biológicos (por ejemplo, en un caso extremo, la función de una isoforma puede promover la supervivencia celular, mientras que otra promueve la muerte celular) o pueden tener funciones básicas similares pero diferir en su localización subcelular. [16] Sin embargo, un estudio de 2016 caracterizó funcionalmente todas las isoformas de 1492 genes y determinó que la mayoría de las isoformas se comportan como "aloformas funcionales". Los autores llegaron a la conclusión de que las isoformas se comportan como proteínas distintas después de observar que las funciones de la mayoría de las isoformas no se superponen. [17] Debido a que el estudio se realizó en células in vitro , no se sabe si las isoformas en el proteoma humano expresado comparten estas características. Además, debido a que la función de cada isoforma generalmente debe determinarse por separado, la mayoría de las isoformas identificadas y predichas todavía tienen funciones desconocidas.
Una glicoforma es una isoforma de una proteína que difiere sólo con respecto al número o tipo de glicano unido . Las glicoproteínas a menudo constan de varias glicoformas diferentes, con alteraciones en el sacárido u oligosacárido adjunto . Estas modificaciones pueden resultar de diferencias en la biosíntesis durante el proceso de glicosilación , o debido a la acción de glicosidasas o glicosiltransferasas . Las glicoformas se pueden detectar mediante un análisis químico detallado de glicoformas separadas, pero se detectan más convenientemente mediante una reacción diferencial con lectinas , como en la cromatografía de afinidad de lectinas y la electroforesis de afinidad de lectinas . Ejemplos típicos de glicoproteínas compuestas de glicoformas son las proteínas sanguíneas como orosomucoide , antitripsina y haptoglobina . Se observa una variación glicoforme inusual en la molécula de adhesión de células neuronales, NCAM, que involucra ácidos polisiálicos, PSA .
La monoaminooxidasa , una familia de enzimas que catalizan la oxidación de monoaminas, existe en dos isoformas, MAO-A y MAO-B.
