La metalotioneína (MT) es una familia de proteínas ricas en cisteína y de bajo peso molecular (PM que varía de 500 a 14000 Da ) . Se localizan en la membrana del aparato de Golgi . Las MT tienen la capacidad de unirse a metales pesados tanto fisiológicos (como zinc , cobre , selenio ) como xenobióticos (como cadmio , mercurio , plata , arsénico , plomo ) a través del grupo tiol de sus residuos de cisteína, que representan casi el 30% de sus residuos de aminoácidos constituyentes . [2]
MT fue descubierta en 1957 por Vallee y Margoshe a partir de la purificación de una proteína de unión a Cd de la corteza renal de caballo (equino) . [3] MT desempeña un papel en la protección contra la toxicidad del metal y el estrés oxidativo , y está involucrada en la regulación del zinc y el cobre. [4] Hay cuatro isoformas principales expresadas en humanos (familia 1, consulte el cuadro a continuación): MT1 (subtipos A , B , E , F , G , H , L, M , X ), MT2 , MT3 y MT4. En el cuerpo humano, grandes cantidades se sintetizan principalmente en el hígado y los riñones . Su producción depende de la disponibilidad de minerales dietéticos como zinc , cobre y selenio , así como de los aminoácidos histidina y cisteína.
Las metalotioneínas son ricas en tioles, lo que hace que se unan a una serie de metales traza. La metalotioneína es una de las pocas proteínas eucariotas que desempeñan un papel importante en la desintoxicación de metales. El zinc y el cadmio están coordinados tetraédricamente con los residuos de cisteína, y cada molécula de proteína metalotioneína puede unirse a hasta 7 átomos de Zn o Cd. [5] La biosíntesis de metalotioneína parece aumentar varias veces durante los períodos de estrés oxidativo para proteger a las células contra la citotoxicidad y el daño del ADN. La biosíntesis de metalotioneína también puede ser inducida por ciertas hormonas, fármacos, alcoholes y otros compuestos. [6] La expresión de metalotioneína se regula positivamente durante el desarrollo fetal, particularmente en el tejido hepático. [7]
Los MT están presentes en una amplia gama de grupos taxonómicos, que van desde procariotas (como la cianobacteria Synechococcus sp. ), protozoos (como los ciliados del género Tetrahymena ), plantas (como Pisum sativum , Triticum durum , Zea mays o Quercus suber ), levaduras (como Saccharomyces cerevisiae , Candida albicans o Neurospora crassa ), invertebrados (como el nematodo Caenorhabditis elegans , el insecto Drosophila melanogaster , el molusco Mytilus edulis o el equinodermo Strongylocentrotus purpuratus ) y vertebrados (como el pollo Gallus gallus o el mamífero Homo sapiens o Mus musculus ).
Los MT de este diverso rango taxonómico representan una secuencia de alta heterogeneidad (en cuanto a peso molecular y número y distribución de residuos de Cys) y no muestran homología general; a pesar de esto, se encuentra homología dentro de algunos grupos taxonómicos (como los MT de vertebrados).
A partir de su estructura primaria , los MTs han sido clasificados por diferentes métodos. El primero data de 1987, cuando Fowler et al. , establecieron tres clases de MTs: Clase I, que incluye los MTs que muestran homología con MTs de caballo, Clase II, que incluye el resto de MTs sin homología con MTs de caballo, y Clase III, que incluye fitoquelatinas , péptidos sintetizados enzimáticamente ricos en Cys. La segunda clasificación fue realizada por Binz y Kagi en 2001, y tiene en cuenta parámetros taxonómicos y los patrones de distribución de residuos de Cys a lo largo de la secuencia de MT. Da como resultado una clasificación de 15 familias para MTs proteínicos. La familia 15 contiene los MTs vegetales, que en 2002 han sido clasificados por Cobbet y Goldsbrough en 4 Tipos (1, 2, 3 y 4) dependiendo de la distribución de sus residuos de Cys y de unas regiones carentes de Cys (llamadas espaciadores) características de los MTs vegetales.
Se incluye una tabla que incluye los principales aspectos de las dos últimas clasificaciones.
Se pueden encontrar más datos sobre esta clasificación en la página de metalotioneína de Expasy. [8]
Se han observado elementos de estructura secundaria en varios MT SmtA de Syneccochoccus , MT3 de mamíferos, SpMTA de Echinoderma, MT de peces Notothenia coriiceps y MTH de crustáceos, pero hasta el momento, el contenido de dichas estructuras se considera pobre en los MT y no se considera su influencia funcional.
La estructura terciaria de los MT también es muy heterogénea. Mientras que los MT de vertebrados, equinodermos y crustáceos muestran una estructura bidominial con metales divalentes como Zn(II) o Cd(II) (la proteína está plegada para unir metales en dos dominios funcionalmente independientes, con un grupo metálico cada uno), los MT de levaduras y procariotas muestran una estructura monodominial (un dominio con un solo grupo metálico ). En la levadura, los primeros 40 residuos de la proteína envuelven el metal formando dos grandes bucles paralelos separados por una hendidura profunda que contiene el grupo metálico. [9] Aunque no hay datos estructurales disponibles para los MT de moluscos, nematodos y Drosophila, se asume comúnmente que los primeros son bidominiales y los segundos monodominiales. No hay datos concluyentes disponibles para los MT de plantas, pero se han propuesto dos estructuras posibles: 1) una estructura bidominial similar a la de los MT de vertebrados; 2) una estructura codominial, en la que dos dominios ricos en Cys interactúan para formar un único grupo metálico.
La estructura cuaternaria no ha sido ampliamente considerada para los MT. Se han observado procesos de dimerización y oligomerización y se han atribuido a varios mecanismos moleculares, incluida la formación de disulfuro intermolecular, la formación de puentes a través de metales unidos por residuos de Cys o His en diferentes MT, o interacciones mediadas por fosfato inorgánico. Se ha demostrado que los MT diméricos y poliméricos adquieren nuevas propiedades tras la desintoxicación de metales, pero la importancia fisiológica de estos procesos se ha demostrado solo en el caso del procariota Synechococcus SmtA. El dímero de MT producido por este organismo forma estructuras similares a los dedos de zinc y tiene actividad reguladora del Zn.
Las metalotioneínas tienen diversas preferencias de unión a metales, que se han asociado con la especificidad funcional. Como ejemplo, la MT1 del mamífero Mus musculus se une preferentemente a iones metálicos divalentes (Zn(II), Cd(II),...), mientras que la CUP1 de la levadura es selectiva para iones metálicos monovalentes (Cu(I), Ag(I),...). Dallinger et al. (1997) descubrieron MT estrictamente selectivas de metales con funciones fisiológicas específicas de metales en caracoles pulmonados (Gastropoda, Mollusca). [10] El caracol romano ( Helix pomatia ), por ejemplo, posee una isoforma selectiva de Cd (CdMT) y una isoforma selectiva de Cu (CuMT) involucradas en la desintoxicación de Cd y la regulación de Cu, respectivamente. [10] Si bien ambas isoformas contienen cantidades y posiciones invariables de residuos de Cys responsables de la ligadura de metales, la selectividad de metales aparentemente se logra mediante la modulación de la secuencia de residuos de aminoácidos que no están directamente involucrados en la unión de metales (Palacios et al. 2011). [10] [11]
Actualmente se está desarrollando una nueva clasificación funcional de las MT como Zn- o Cu-tioneínas basándose en estas preferencias funcionales.
La principal función biológica de las metalotioneínas es mantener la homeostasis de los metales esenciales zinc y cobre , pero las metalotioneínas también protegen contra la toxicidad de los metales y el estrés oxidativo . [12]
Se ha documentado que la metalotioneína se une a una amplia gama de metales, incluidos cadmio, [13] plomo, [14] zinc, mercurio, cobre, arsénico, plata, etc. Anteriormente se informó que la metalación de MT ocurre de manera cooperativa [ cita requerida ], pero informes recientes han proporcionado evidencia sólida de que la unión de metales ocurre a través de un mecanismo secuencial, no cooperativo. [15] La observación de MT parcialmente metalada (es decir, que tiene cierta capacidad de unión de metales libres) sugiere que estas especies son biológicamente importantes.
Las metalotioneínas probablemente participan en la captación, transporte y regulación del zinc en sistemas biológicos. La MT de mamíferos se une a tres iones Zn(II) en su dominio beta y cuatro en el dominio alfa. La cisteína es un aminoácido que contiene azufre, de ahí el nombre "-tioneína". Sin embargo, se ha propuesto la participación de iones de sulfuro y cloruro inorgánicos para algunas formas de MT. En algunas MT, principalmente bacterianas, la histidina participa en la unión del zinc. Al unirse y liberar zinc, las metalotioneínas (MT) pueden regular los niveles de zinc dentro del cuerpo. El zinc, a su vez, es un elemento clave para la activación y unión de ciertos factores de transcripción a través de su participación en la región del dedo de zinc de la proteína. [16] [17] La metalotioneína también transporta iones de zinc (señales) de una parte de la célula a otra. Cuando el zinc entra en una célula, puede ser recogido por la tioneína (que así se convierte en "metalotioneína") y transportado a otra parte de la célula donde se libera a otro orgánulo o proteína. [18] De esta manera, la tioneína y la metalotioneína se convierten en un componente clave del sistema de señalización del zinc en las células. Este sistema es particularmente importante en el cerebro, donde la señalización del zinc es prominente tanto entre las células nerviosas como dentro de ellas. También parece ser importante para la regulación de la proteína supresora de tumores p53.
Los residuos de cisteína de los MT pueden capturar radicales oxidantes dañinos como los radicales superóxido e hidroxilo. [19] En esta reacción, la cisteína se oxida a cistina y los iones metálicos que estaban unidos a la cisteína se liberan al medio. Como se explica en la sección Expresión y regulación , este Zn puede activar la síntesis de más MT. Se ha propuesto que este mecanismo es un mecanismo importante en el control del estrés oxidativo por parte de los MT. El papel de los MT en la reducción del estrés oxidativo ha sido confirmado por mutantes MT Knockout, pero algunos experimentos proponen también un papel prooxidante para los MT. [ cita requerida ]
En las células de mamíferos, la mutagénesis espontánea es causada en gran medida por daño oxidativo del ADN , y la aparición de dicho daño puede ser bloqueada por la metalotioneína. [20]
La metalotioneína también desempeña un papel en la diferenciación y proliferación de células hematopoyéticas, así como en la prevención de la apoptosis de células diferenciadas tempranamente. Los niveles inducidos de MT se asociaron negativamente con la sensibilidad a la apoptosis inducida por etopósido, lo que significa que la MT es un posible controlador negativo de la apoptosis. [21]
La expresión del gen de la metalotioneína es inducida por una gran variedad de estímulos, como la exposición a metales, estrés oxidativo, glucocorticoides, vitamina D , estrés hídrico, ayuno , ejercicio , etc. La beta-hidroxi-butiración de las proteínas histonas regula positivamente la MT2. [22] El nivel de respuesta a estos inductores depende del gen MT. Los genes MT presentan en sus promotores secuencias específicas para la regulación de la expresión, elementos como elementos de respuesta a metales (MRE), elementos de respuesta a glucocorticoides (GRE), cajas ricas en GC, elementos de nivel basal (BLE) y elementos de respuesta tiroidea (TRE). [23] [24]
Debido a que los MT desempeñan un papel importante en la regulación de los factores de transcripción, los defectos en la función o expresión de los MT pueden conducir a la transformación maligna de las células y, en última instancia, al cáncer . [25] Los estudios han encontrado una mayor expresión de MT en algunos cánceres de mama, colon, riñón, hígado, piel (melanoma), pulmón, nasofaringe, ovario, próstata, boca, glándula salival, testículos, tiroides y vejiga urinaria; también han encontrado niveles más bajos de expresión de MT en el carcinoma hepatocelular y el adenocarcinoma de hígado. [26]
La evidencia sugiere que una mayor expresión de MT puede causar resistencia a la quimioterapia . [27]
Se ha propuesto la toxicidad por metales pesados como una etiología hipotética del autismo , y la disfunción de la síntesis y actividad de MT puede desempeñar un papel en esto. Muchos metales pesados, incluidos el mercurio , el plomo y el arsénico, se han relacionado con síntomas que se asemejan a los síntomas neurológicos del autismo. [28] Sin embargo, la disfunción de MT no se ha relacionado específicamente con los trastornos del espectro autista. Un estudio de 2006, que investigó a niños expuestos al conservante de vacunas tiomersal , encontró que los niveles de MT y anticuerpos contra MT en niños autistas no diferían significativamente de los niños no autistas. [29]
Una baja proporción de zinc y cobre se ha considerado un biomarcador del autismo y se ha sugerido como una indicación de que el sistema de metalotioneína se ha visto afectado. [30]
Además, hay indicios de que los niveles de zinc de la madre pueden afectar el estado inmunológico del bebé en desarrollo, lo que puede conducir al autismo y podría ser nuevamente una indicación de que el sistema de metalotioneína se ha visto afectado. [31]
La metalotioneína (MT) es un regulador indirecto del equilibrio redox que regula el factor nuclear 2 relacionado con los glóbulos rojos (Nrf2) en el organismo. Sin embargo, la MT desempeña un papel importante en la protección contra lesiones del sistema cardiovascular, principalmente en su efecto inhibidor sobre la lesión por isquemia-reperfusión. Además, la activación de la MT del Nrf2 media la protección contra la miocardiopatía por hipoxia intermitente (IH). [32]
Los ratones transgénicos con una eliminación de cualquier gen Nrf2 (Nrf2-KO) son altamente susceptibles a los efectos cardiovasculares de la hipoxia intermitente (IH) a través del daño oxidativo cardíaco, la inflamación, la fibrosis y la disfunción. [32]
Además, la sobreexpresión específica de Nrf2 (Nrf2-TG) en cardiomiocitos en ratones transgénicos [KC1] es inmune al daño oxidativo cardíaco, la inflamación, la fibrosis y la disfunción causada por la hipoxia intermitente (IH) [KC2] . En respuesta a la IH, Nrf2 y sus antioxidantes dependientes son fuertemente dependientes de MT y pueden [KC3] actuar como una respuesta compensatoria a la exposición a la IH al regular positivamente los MT (genes diana antioxidantes descendentes) para proteger el corazón. [32]
La exposición prolongada a IH reduce la unión del factor Nrf2 al gen promotor de MT, inhibiendo así la traducción y expresión de MT. Además, una red de señalización compleja PI3K/Akt/GSK3B/Fyn proporciona protección cardíaca contra IH cuando Nrf2 o MT se sobreexpresan en el corazón. Al activar la vía de señalización PI3K/Akt/GSK3B/Fyn, MT aumenta la expresión de Nrf2 y la función transcripcional en respuesta a la exposición a IH. Aunque aún no se ha demostrado, estos efectos sugieren que es posible activar las vías de señalización dependientes de PI3K/Akt/GSK3B/Fyn a través de la sobreexpresión cardíaca de MT para prevenir la miocardiopatía crónica inducida por IH y la regulación negativa de Nrf2. [32]
Por lo tanto, Nrf2 o MT pueden ser un tratamiento potencial para evitar la miocardiopatía crónica inducida por IH.
