Las sinaptotagminas (SYT) constituyen una familia de proteínas que se desplazan por la membrana y que se caracterizan por una región transmembrana N-terminal (TMR), un enlazador variable y dos dominios C2 C-terminales : C2A y C2B. Hay 17 isoformas en la familia de sinaptotagminas de mamíferos. [2] Hay varias familias de proteínas que contienen dominios C2 que están relacionadas con las sinaptotagminas, incluidas las proteínas transmembrana (Ferlins, proteínas de membrana Extended-Synaptotagmin (E-Syt) y MCTP) y solubles ( RIMS1 y RIMS2 , UNC13D , proteínas relacionadas con la sinaptotagmina y B/K). La familia incluye la sinaptotagmina 1 , un sensor de Ca 2+ en la membrana de la terminal axónica presináptica, codificada por el gen SYT1 . [3]
Basándose en su distribución cerebral/endocrina y sus propiedades bioquímicas, en particular los dominios C2 de ciertas sinaptotagminas unidas al calcio, se propuso que las sinaptotagminas funcionaran como sensores de calcio en la regulación de la liberación de neurotransmisores y la secreción de hormonas. Aunque las sinaptotagminas comparten una estructura de dominio similar y un alto grado de homología en los dominios C2, no todas las sinaptotagminas se unen al calcio. De hecho, solo ocho de las quince sinaptotagminas son capaces de unirse al calcio. Las sinaptotagminas que se unen al calcio incluyen las sinaptotagminas 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9 y 10. Las siete sinaptotagminas restantes no se unen al calcio debido a la falta de residuos de coordinación de calcio o la orientación espacial de los residuos ácidos (consulte la sección sobre dominios C2 para obtener más detalles).
Las sinaptotagminas que se unen al calcio actúan como sensores de Ca 2+ y están involucradas en:
Las sinaptotagminas afectan directamente la sincronicidad de la neurotransmisión dependiente del calcio. Si bien la supresión de Syt1 bloquea la neurotransmisión rápida y sincrónica, también mejora la neurotransmisión lenta y asincrónica. [11] Por otro lado, la supresión de Syt7 obstaculiza la liberación más lenta y asincrónica de neurotransmisores. Esto sugiere que la sinaptotagmina-7 es responsable de mediar una forma más lenta de liberación desencadenada por Ca(2+), mientras que la liberación más rápida es inducida por la sinaptotagmina-1. Estas discrepancias ilustran distinciones importantes entre las isoformas de la sinaptotagmina y cómo subyacen a la cinética de la neurotransmisión y la potenciación a largo plazo .
El dominio C2 es un motivo de secuencia conservada de 130 a 140 residuos de aminoácidos que se encuentra ampliamente presente y que se definió por primera vez como la segunda secuencia constante en las isoformas de PKC . [12] Se demostró por primera vez que el dominio C2 se une al calcio en la sinaptotagmina-1. El análisis posterior de la estructura atómica de la sinaptotagmina-1 a una resolución de 1,9 Å indicó que sus dominios C2 están compuestos por un sándwich β estable de ocho cadenas con bucles flexibles que emergen de la parte superior e inferior. Los estudios de resonancia magnética nuclear (RMN) de la sinaptotagmina-1 revelaron que el calcio se une exclusivamente a los bucles superiores, y que los bolsillos de unión están coordinados por cinco residuos de aspartato conservados: tres iones de calcio se unen a C2A a través de D172, D178, D230, D232, S235 y D238, y dos iones de calcio se unen a C2B a través de D303, D309, D363, 365 y D371. No todos los dominios C2 de la sinaptotagmina se unen al calcio. De hecho, basándose en las similitudes de secuencia y la posterior confirmación mediante análisis bioquímicos, solo ocho sinaptotagminas se unen al calcio, a saber, sinaptotagmina-1, -2, -3, -5, -6, -7, -9 y -10. La falta de residuos críticos involucrados en la unión del calcio explica la mayoría de los fallos en la unión del calcio por parte de las otras sinaptotagminas. Esto incluye tanto los dominios C2 de la sinaptotagmina-11, -12, -13, -14 y -15, como el dominio C2A de la sinaptotagmina-4 y -8. Sin embargo, los dominios C2B de la sinaptotagmina-4 y -11, que poseen los cinco residuos ácidos en los bucles superiores, no se unen al calcio debido a la orientación espacial de los ligandos de calcio que no logran formar sitios de unión de calcio adecuados. En el caso de las sinaptotagminas que se unen al calcio, aunque los residuos de aminoácidos en los bucles superiores distintos de los mencionados anteriormente no están directamente involucrados en la coordinación de la unión al calcio, afectan la afinidad de unión al calcio, como R233 en la sinaptotagmina-1. La diversidad de secuencias y estructuras que flanquean los residuos de aminoácidos que coordinan el calcio hace que las ocho sinaptotagminas se unan al calcio con diversas afinidades, lo que cubre todo el rango de requisitos de calcio para la exocitosis regulada.
El dominio C2A regula el paso de fusión de la exocitosis de vesículas sinápticas . [13] [14] En consonancia con esto, la cinética de la actividad de unión a fosfolípidos dependiente de Ca 2+ del dominio C2A in vitro es compatible con la naturaleza muy rápida de la liberación de neurotransmisores (dentro de los 200 μs). [15] Se demostró que el dominio C2A se une a fosfolípidos cargados negativamente de una manera dependiente de Ca 2+ . La unión de Ca 2+ altera las interacciones proteína-proteína de la sinaptotagmina, como el aumento de la afinidad de la sinaptotagmina por la sintaxina .
El dominio C2B se une al fosfatidil-inositol-3,4,5-trifosfato (PIP3) en ausencia de iones de calcio, y al fosfatidilinositol bisfosfato (PIP2) en su presencia, [16] lo que sugiere que se produce un cambio de interacción lipídica durante la despolarización . La unión de Ca 2+ al dominio C2B confiere la dimerización de la sinaptotagmina involucrada en el paso de fusión de vesículas sinápticas por autoagrupamiento dependiente de Ca 2+ a través del dominio C2B. [17] Independiente de Ca 2+ es la interacción entre el dominio C2B y SNAP-25 , y entre el dominio C2B y el motivo "synprint" (interacción de proteína sináptica) de la subunidad formadora de poros de los canales de calcio dependientes de voltaje . El dominio C2B regula también el paso de reciclaje de vesículas sinápticas al unirse a la proteína de ensamblaje de clatrina , AP-2.
Las variantes de sinaptotagminas se han implicado en la mejora de las conexiones neuronales, lo que conduce a la potenciación a largo plazo (PLP) en las sinapsis. La localización de la sinaptotagmina en el retículo endoplasmático en el citoplasma impulsa el crecimiento de estas sinapsis. [18] Las sinaptotagminas como Syt1 y Syt7 también desempeñan un papel en la exocitosis de los receptores AMPA dependientes de calcio a la membrana neuronal. [19] Este proceso inicia la formación de LTP y subyace al aprendizaje. Además, las sinaptotagminas pueden responder a niveles elevados de calcio en las sinapsis durante potenciales de acción individuales aumentando aún más los niveles de calcio a través de la retirada de los depósitos intracelulares. [18] Esto conduce a una respuesta más fuerte en la célula postsináptica.
Se ha demostrado que las sinaptotagminas regulan la exocitosis en otros orgánulos intracelulares como los lisosomas . [20] La supresión de Syt7 en los astrocitos previene la reparación de lesiones a través de una exocitosis de lisosomas debilitada, lo que sugiere un papel de las proteínas sinaptotagminas en la mediación de la reparación después del daño cerebral al interactuar con los lisosomas.
Además de los eventos moleculares mediados por las sinaptotagminas, también se ha identificado que estas proteínas desempeñan un papel importante en el ámbito cognitivo. El trastorno bipolar es un ejemplo de un caso en el que las sinaptotagminas exhiben sus efectos en un contexto más amplio. La inactivación de las proteínas sinaptotagminas en modelos animales provocó síntomas tanto maníacos como depresivos, característicos del trastorno bipolar. [21] Esto sugiere que el agotamiento de las sinaptotagminas está asociado con la patología del trastorno bipolar.