La superóxido dismutasa 2 mitocondrial ( SOD2 ), también conocida como superóxido dismutasa dependiente del manganeso (MnSOD), es una enzima que en los seres humanos está codificada por el gen SOD2 en el cromosoma 6. [5] [6] Se ha identificado un pseudogén relacionado en el cromosoma 1. El empalme alternativo de este gen da como resultado múltiples variantes de transcripción. [5] Este gen es miembro de la familia de la superóxido dismutasa de hierro/manganeso. Codifica una proteína mitocondrial que forma un homotetrámero y se une a un ion manganeso por subunidad. Esta proteína se une a los subproductos de superóxido de la fosforilación oxidativa y los convierte en peróxido de hidrógeno y oxígeno diatómico . Las mutaciones en este gen se han asociado con la miocardiopatía idiopática (IDC), el envejecimiento prematuro, la enfermedad de la neurona motora esporádica y el cáncer. [5]
El gen SOD2 contiene cinco exones interrumpidos por cuatro intrones , un promotor proximal 5' no característico que posee una región rica en GC en lugar de TATA o CAAT, y un potenciador en el segundo intrón. La región promotora proximal contiene múltiples sitios de unión para factores de transcripción , incluidos el específico-1 ( Sp1 ), la proteína activadora 2 ( AP-2 ) y la respuesta de crecimiento temprano 1 ( Egr-1 ). [6] Este gen es un miembro mitocondrial de la familia de la superóxido dismutasa de hierro/manganeso. [5] [7] Codifica una proteína de la matriz mitocondrial que forma un homotetrámero y se une a un ion manganeso por subunidad . [5] [6] El sitio de manganeso forma una geometría bipiramidal trigonal con cuatro ligandos de la proteína y un quinto ligando solvente. Este ligando solvente es un hidróxido que se cree que sirve como aceptor de electrones de la enzima. La cavidad del sitio activo consiste en una red de cadenas laterales de varios residuos asociados por enlaces de hidrógeno , que se extienden desde el ligando acuoso del metal. Cabe destacar que el residuo altamente conservado Tyr34 juega un papel clave en la red de enlaces de hidrógeno, ya que la nitración de este residuo inhibe la capacidad catalítica de la proteína. [8] Esta proteína también posee una secuencia líder mitocondrial N-terminal que la dirige a la matriz mitocondrial, donde convierte las especies reactivas de oxígeno generadas por las mitocondrias de la cadena respiratoria a H2. [6] Se han caracterizado variantes de empalme transcripcional alternativas , que codifican diferentes isoformas . [5]
Como miembro de la familia de la superóxido dismutasa de hierro/manganeso , esta proteína transforma el superóxido tóxico , un subproducto de la cadena de transporte de electrones mitocondrial , en peróxido de hidrógeno y oxígeno diatómico . [5] Esta función permite a la SOD2 eliminar las especies reactivas de oxígeno (ROS) mitocondriales y, como resultado, conferir protección contra la muerte celular. [7] Como resultado, esta proteína desempeña un papel antiapoptótico contra el estrés oxidativo , la radiación ionizante y las citocinas inflamatorias . [6]
La SOD2 utiliza reacciones cíclicas de transferencia de electrones acopladas a protones para convertir el superóxido (O 2 •- ) en oxígeno (O 2 ) o peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ), dependiendo del estado de oxidación del metal manganeso y el estado de protonación del sitio activo.
Mn 3+ + O 2 •- ↔ Mn 2+ + O 2
Mn 2+ + O 2 •- + 2H + ↔ Mn 3+ + H 2 O 2
Los protones del sitio activo se han visualizado directamente y se ha revelado que la SOD2 utiliza una serie de transferencias de protones entre los residuos de su sitio activo por cada paso de transferencia de electrones. [9] Los hallazgos demuestran el uso de una química inusual por parte de la enzima que incluye una glutamina que se desprotona y protona cíclicamente y aminoácidos con pKa que son significativamente diferentes de los valores esperados. Se observa que los enlaces de hidrógeno de baja barrera y cortos y fuertes contribuyen a la catálisis al promover las transferencias de protones y estabilizar los intermediarios de una manera similar a la de algunas tríadas catalíticas Asp-Ser-His. [10]
La enzima SOD2 es un componente importante en la señalización apoptótica y el estrés oxidativo , más notablemente como parte de la vía de muerte mitocondrial y la señalización de apoptosis de miocitos cardíacos. [11] La muerte celular programada es una vía genética y bioquímica distintiva esencial para los metazoos. Se requiere una vía de muerte intacta para el desarrollo embrionario exitoso y el mantenimiento de la homeostasis tisular normal. La apoptosis ha demostrado estar estrechamente entrelazada con otras vías celulares esenciales. La identificación de puntos de control críticos en la vía de muerte celular ha producido conocimientos fundamentales para la biología básica, así como también ha proporcionado objetivos racionales para nuevas terapias. En procesos embriológicos normales , o durante una lesión celular (como una lesión por isquemia-reperfusión durante ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares ) o durante desarrollos y procesos en el cáncer , una célula apoptótica sufre cambios estructurales que incluyen encogimiento celular, formación de ampollas en la membrana plasmática, condensación nuclear y fragmentación del ADN y el núcleo . Esto es seguido por la fragmentación en cuerpos apoptóticos que son rápidamente eliminados por los fagocitos , previniendo así una respuesta inflamatoria . [12] Es un modo de muerte celular definido por cambios morfológicos, bioquímicos y moleculares característicos. Primero se describió como una "necrosis por encogimiento", y luego este término fue reemplazado por apoptosis para enfatizar su papel opuesto a la mitosis en la cinética tisular. En etapas posteriores de la apoptosis, la célula entera se fragmenta, formando una serie de cuerpos apoptóticos delimitados por la membrana plasmática que contienen elementos nucleares y/o citoplasmáticos. La apariencia ultraestructural de la necrosis es bastante diferente, siendo las características principales la hinchazón mitocondrial, la ruptura de la membrana plasmática y la desintegración celular. La apoptosis ocurre en muchos procesos fisiológicos y patológicos . Desempeña un papel importante durante el desarrollo embrionario como muerte celular programada y acompaña a una variedad de procesos involutivos normales en los que sirve como mecanismo para eliminar células "no deseadas".
Numerosos estudios han informado de asociaciones entre los polimorfismos de SOD2 y el riesgo de cáncer, pero los resultados han sido inconsistentes. Un metanálisis actualizado de dichos estudios reveló que los polimorfismos de SOD2 están relacionados con el desarrollo de linfoma no Hodgkin , cáncer de pulmón y cáncer colorrectal . [13]
En particular, la SOD2 es fundamental en la liberación de especies reactivas de oxígeno (ROS) durante el estrés oxidativo por lesión por isquemia-reperfusión, específicamente en el miocardio como parte de un ataque cardíaco (también conocido como enfermedad cardíaca isquémica ). La enfermedad cardíaca isquémica, que resulta de una oclusión de una de las arterias coronarias principales , sigue siendo actualmente la principal causa de morbilidad y mortalidad en la sociedad occidental. [14] [15] Durante la isquemia-reperfusión, la liberación de ROS contribuye sustancialmente al daño y muerte celular a través de un efecto directo sobre la célula, así como a través de señales apoptóticas. Se sabe que la SOD2 tiene la capacidad de limitar los efectos perjudiciales de las ROS. Como tal, la SOD2 es importante por sus efectos cardioprotectores. [16] Además, la SOD2 se ha implicado en la cardioprotección contra la lesión por isquemia-reperfusión, como durante el preacondicionamiento isquémico del corazón. [17] Aunque se sabe que una gran explosión de ROS provoca daño celular, una liberación moderada de ROS de las mitocondrias, que se produce durante episodios cortos no letales de isquemia, puede desempeñar un papel desencadenante significativo en las vías de transducción de señales del preacondicionamiento isquémico que conduce a la reducción del daño celular. Incluso se ha observado que durante esta liberación de ROS, la SOD2 desempeña un papel importante regulando la señalización apoptótica y la muerte celular.
Debido a sus efectos citoprotectores, la sobreexpresión de SOD2 se ha relacionado con una mayor invasividad de la metástasis tumoral . [7] Su papel en el control de los niveles de ROS también lo involucra en el envejecimiento , el cáncer y la enfermedad neurodegenerativa . [8] Las mutaciones en este gen se han asociado con la miocardiopatía idiopática (IDC), la enfermedad de la neurona motora esporádica y el cáncer. Un polimorfismo común asociado con una mayor susceptibilidad a varias patologías se encuentra en la secuencia líder mitocondrial (Val9Ala). [18] Los ratones que carecen de Sod2 mueren poco después del nacimiento, lo que indica que los niveles no controlados de superóxido son incompatibles con la vida de los mamíferos. [19] Sin embargo, los ratones deficientes en un 50% de Sod2 tienen una esperanza de vida normal y defectos fenotípicos mínimos, pero sufren un mayor daño del ADN y una mayor incidencia de cáncer. [20] En Drosophila melanogaster , se ha demostrado que la sobreexpresión de Sod2 aumenta la esperanza de vida máxima en un 20% en un estudio, [21] y hasta en un 37% en otro estudio. [22]
En la levadura de gemación de tipo salvaje Saccharomyces cerevisiae, la fragmentación del ADN nuclear aumentó 3 veces durante el envejecimiento celular, mientras que en ausencia de SOD2, la fragmentación del ADN nuclear aumentó 5 veces durante el envejecimiento. [23] La producción de especies reactivas de oxígeno también aumentó con la edad celular, pero en una cantidad mayor en las células mutantes SOD2 que en las células de tipo salvaje. En la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe , la deficiencia de SOD2 aumentó drásticamente el envejecimiento celular y disminuyó la viabilidad celular en la fase estacionaria del ciclo de crecimiento. [24]
El papel significativo de la SOD2 en el manejo del estrés oxidativo la convierte en un componente esencial de las mitocondrias. Como resultado, la SOD2, al igual que la SOD1 y la SOD3, está altamente conservada tanto en vertebrados como en invertebrados. En el estudio Multiple measures of functionality exhibe un declive progresivo de manera paralela y estocástica en mutantes Sod2 de Drosophilla . [25] En mutantes SOD2 hubo una cascada de deterioro dentro de los sistemas orgánicos. Estos deterioros no fueron lineales en el sentido de que el sistema de un órgano fallara y luego el otro, sino que, por el contrario, el deterioro fue paralelo, lo que significa que varios sistemas se verían afectados en un momento dado. La acumulación de ROS en las moscas jugó un papel sustancial al afectar los sistemas orgánicos de las moscas de tal manera que, aunque no todas las moscas observadas sufrieron daños permanentes, los daños que se observaron fueron como los asociados con la vejez en moscas de la fruta maduras. [20] Los tejidos que se ven afectados a la luz de SOD2 defectuoso en invertebrados son los músculos, el corazón y el cerebro. El efecto de las ROS en estos tejidos no solo da como resultado la pérdida de la función celular en la mayoría de los casos, sino también una pérdida sustancial de longevidad. [21] Aunque el papel de la SOD2 en el manejo del estrés oxidativo es aceptado tanto para vertebrados como para invertebrados, su necesidad ha sido cuestionada por un estudio que se realizó en Caenorhabditis elegans ( C. elegans ). La correlación entre la falta de SOD2 defectuosa y la pérdida de longevidad y función es generalmente entendida, sin embargo, se descubrió que la eliminación de algunos de los cinco miembros de la familia SOD, incluida la SOD2, resultó en el aumento de la longevidad en C. elegans mutante en comparación con el tipo salvaje. [26]
Cuando los animales se ejercitan a un ritmo de trabajo relativamente alto, el entrenamiento físico promueve un aumento en la actividad de MnSOD miocárdica. Se requiere una mayor actividad de MnSOD para lograr una protección óptima inducida por el entrenamiento contra las arritmias cardíacas inducidas por isquemia/reperfusión (IR) y el infarto. Utilizando un oligonucleótido antisentido contra MnSOD para prevenir los aumentos inducidos por ExTr en la actividad de MnSOD miocárdica, se demostró que se requiere un aumento en la actividad de MnSOD miocárdica para proporcionar protección inducida por el entrenamiento contra el infarto de miocardio inducido por IR. [27] Utilizando un enfoque de silenciamiento del gen MnSOD, informaron que la prevención del aumento inducido por ExTr en MnSOD miocárdica resultó en una pérdida de la protección inducida por el entrenamiento contra las arritmias mediadas por IR. [28]
En un modelo de ratón, el estrés oxidativo mitocondrial causado por la deficiencia de SOD2 promovió la senescencia celular y los fenotipos de envejecimiento en la piel, incluido un aumento en las roturas de doble cadena de ADN [29] (ver teoría del daño del ADN del envejecimiento ). La pérdida de SOD2 epidérmica en ratones indujo la senescencia celular , que detuvo irreversiblemente la proliferación de una fracción de queratinocitos. [30] En ratones más viejos, la deficiencia de SOD2 retrasó el cierre de la herida y redujo el grosor epidérmico.
Los ratones mutantes con una falta específica de SOD2 en el tejido conectivo tuvieron una esperanza de vida reducida y una aparición prematura de fenotipos relacionados con el envejecimiento, como pérdida de peso, atrofia de la piel, cifosis (curvatura de la columna), osteoporosis y degeneración muscular. [31]
Se descubrió que la sobreexpresión de SOD2 prolonga la esperanza de vida en ratones. [32]
Se ha demostrado que el gen SOD2 se une a:
Se ha demostrado que la proteína SOD2 interactúa con Tat del VIH-1 y Vif del VIH-1. [33]