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Proteína de unión al ADN de células hambrientas

Las proteínas de unión al ADN de células hambrientas (Dps) son proteínas bacterianas que pertenecen a la superfamilia de la ferritina y se caracterizan por fuertes similitudes pero también por diferencias distintivas con respecto a las ferritinas "canónicas" .

Las proteínas Dps son parte de un complejo sistema de defensa bacteriano que protege el ADN contra el daño oxidativo y están ampliamente distribuidas en el reino bacteriano.

Descripción

Las dps son proteínas dodecaméricas altamente simétricas de 20 kDa caracterizadas por una estructura tipo concha de simetría tetraédrica 2:3 ensamblada a partir de subunidades idénticas con un diámetro externo de ~ 9 nm y una cavidad central de ~ 4,5 nm de diámetro. [2] [3] [4] Las proteínas dps pertenecen a la superfamilia de la ferritina y la protección del ADN se proporciona mediante un doble mecanismo:

El primero fue descubierto en Escherichia coli Dps en 1992 [5] y ha dado el nombre a la familia de proteínas ; durante la fase estacionaria, Dps se une al cromosoma de forma no específica, formando un co-cristal de ADN Dps altamente ordenado y estable dentro del cual el ADN cromosómico se condensa y se protege de diversos daños. [6] El extremo N rico en lisina es necesario para la autoagregación, así como para la condensación de ADN impulsada por Dps . [7]

El segundo modo de protección se debe a la capacidad de las proteínas Dps de unirse y oxidar Fe(II) en el centro ferroxidasa intersubunitario característico y altamente conservado . [8] [9]

Los centros de ferroxidasa dinuclear se encuentran en las interfases entre subunidades relacionadas por ejes de simetría doble. [10] El Fe(II) es secuestrado y almacenado en forma de mineral oxihidróxido de Fe(III), que puede liberarse después de la reducción. En el núcleo de hierro mineral se pueden depositar hasta 500 Fe(III). Un peróxido de hidrógeno oxida dos iones Fe2 + , lo que impide la producción de radicales hidroxilo mediante la reacción de Fenton (reacción I):

2Fe2 + + H2O2 + 2H + = 2Fe3 + + 2H2O​

El Dps también protege a la célula de la irradiación UV y de los rayos gamma , de la toxicidad del hierro y del cobre, del estrés térmico y de los choques ácidos y básicos. [1] También muestra una actividad catalasa débil.

Condensación de ADN

Los dodecámeros de Dps pueden condensar el ADN in vitro a través de un mecanismo de unión cooperativa . La eliminación de porciones del extremo N [7] o la mutación de residuos de lisina clave en el extremo N [11] pueden perjudicar o eliminar la actividad de condensación de Dps. Los estudios de moléculas individuales han demostrado que los complejos de ADN-Dps pueden quedar atrapados en estados metaestables de larga duración que exhiben histéresis. [12] Debido a esto, el grado de condensación del ADN por Dps puede depender no solo de las condiciones actuales del tampón sino también de las condiciones en el pasado. Se puede utilizar un modelo de Ising modificado para explicar este comportamiento de unión. La nucleación de la condensación de Dps en el ADN requiere múltiples hebras de ADN muy próximas (de tamaño similar al de Dps). Por ejemplo, Dps muestra una mayor preferencia por el ADN superenrollado donde dos hebras de ADN están más próximas. [13]

Expresión

En Escherichia coli, la proteína Dps es inducida por rpoS e IHF en la fase estacionaria temprana. La Dps también es inducida por oxyR en respuesta al estrés oxidativo durante la fase exponencial. ClpXP probablemente regula directamente la proteólisis de la Dps durante la fase exponencial. ClpAP parece desempeñar un papel indirecto en el mantenimiento de la síntesis continua de Dps durante la fase estacionaria.

Aplicaciones

Para la síntesis de nanopartículas

Las cavidades formadas por las proteínas Dps y ferritina se han utilizado con éxito como cámara de reacción para la fabricación de nanopartículas metálicas (NP). [14] [15] [16] [17] Las capas de proteínas sirvieron como plantilla para restringir el crecimiento de partículas y como revestimiento para evitar la coagulación/agregación entre las NP. Utilizando capas de proteínas de distintos tamaños, se pueden sintetizar fácilmente NP de distintos tamaños para aplicaciones químicas, físicas y biomédicas.

Para encapsulación de enzimas

La naturaleza utiliza arquitecturas basadas en proteínas para alojar enzimas dentro de su cavidad interior, por ejemplo: encapsulina y carboxisomas. Inspirándose en la naturaleza, la cavidad interior hueca de las jaulas de Dps y ferritina también se ha utilizado para encapsular enzimas. [18] El citocromo C, una hemoproteína con actividad similar a la peroxidasa, cuando se encapsula dentro de la jaula de Dps mostró una mejor actividad catalítica en un amplio rango de pH en comparación con la enzima libre en solución a granel. Este comportamiento se atribuyó a una alta concentración local de enzima dentro de Dps y al microambiente único proporcionado por la cavidad interior de Dps. [19]

Para administración dirigida de medicamentos

La entrega de la carga en el sitio de destino previsto sigue siendo una preocupación importante para la administración dirigida de fármacos debido a la presencia de barreras biológicas y efectos de permeabilidad y retención mejoradas (EPR). Además, la formación de una corona de proteínas alrededor de las nanopartículas inyectadas también es un tema de interés dentro del campo de la administración dirigida. Los investigadores intentaron superar estas preocupaciones mediante el uso de la biodistribución natural de nanopartículas de jaulas de proteínas para la entrega de la carga. Por ejemplo, se demostró que la proteína de unión al ADN de la jaula de células hambrientas de nutrientes (Dps) cruza la barrera de filtración glomerular y se dirige a los túbulos proximales renales. [20]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Ilari A, Stefanini S, Chiancone E, Tsernoglou D (enero de 2000). "La ferritina dodecamérica de Listeria innocua contiene un nuevo sitio de unión al hierro entre subunidades". Nature Structural Biology . 7 (1): 38–43. doi :10.1038/71236. PMID  10625425. S2CID  52872968.
  2. ^ Grant RA, Filman DJ, Finkel SE, Kolter R, Hogle JM (abril de 1998). "La estructura cristalina de Dps, un homólogo de ferritina que se une y protege el ADN". Nature Structural Biology . 5 (4): 294–303. doi :10.1038/nsb0498-294. PMID  9546221. S2CID  26711707.
  3. ^ Chiancone E, Ceci P (agosto de 2010). "La capacidad multifacética de las proteínas Dps para combatir las condiciones de estrés bacteriano: desintoxicación de hierro y peróxido de hidrógeno y unión al ADN". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Temas generales . 1800 (8): 798–805. doi :10.1016/j.bbagen.2010.01.013. PMID  20138126.
  4. ^ Chiancone E, Ceci P (enero de 2010). "El papel de la agregación de Dps (proteínas de unión al ADN de células hambrientas) en el ADN". Frontiers in Bioscience . 15 (1): 122–31. doi : 10.2741/3610 . PMID  20036810.
  5. ^ Almirón M, Link AJ, Furlong D, Kolter R (diciembre de 1992). "Una nueva proteína de unión al ADN con funciones reguladoras y protectoras en Escherichia coli hambrienta". Genes & Development . 6 (12B): 2646–54. doi : 10.1101/gad.6.12b.2646 . PMID  1340475.
  6. ^ Wolf SG, Frenkiel D, Arad T, Finkel SE, Kolter R, Minsky A (julio de 1999). "Protección del ADN mediante biocristalización inducida por estrés". Nature . 400 (6739): 83–5. Bibcode :1999Natur.400...83W. doi :10.1038/21918. PMID  10403254. S2CID  204994265.
  7. ^ ab Ceci P, Cellai S, Falvo E, Rivetti C, Rossi GL, Chiancone E (2004). "La condensación del ADN y la autoagregación de las Dps de Escherichia coli son fenómenos acoplados relacionados con las propiedades del extremo N". Nucleic Acids Research . 32 (19): 5935–44. doi :10.1093/nar/gkh915. PMC 528800 . PMID  15534364. 
  8. ^ Zhao G, Ceci P, Ilari A, Giangiacomo L, Laue TM, Chiancone E, Chasteen ND (agosto de 2002). "Propiedades de desintoxicación de hierro y peróxido de hidrógeno de la proteína de unión al ADN de células hambrientas. Una proteína de unión al ADN similar a la ferritina de Escherichia coli". The Journal of Biological Chemistry . 277 (31): 27689–96. doi : 10.1074/jbc.M202094200 . PMID  12016214.
  9. ^ Ceci P, Ilari A, Falvo E, Chiancone E (mayo de 2003). "La proteína Dps de Agrobacterium tumefaciens no se une al ADN pero lo protege frente a la escisión oxidativa: estructura cristalina de rayos X, unión de hierro y propiedades de eliminación de radicales hidroxilo". The Journal of Biological Chemistry . 278 (22): 20319–26. doi : 10.1074/jbc.M302114200 . PMID  12660233.
  10. ^ Nair S, Finkel SE (julio de 2004). "Dps protege las células contra múltiples tipos de estrés durante la fase estacionaria". Journal of Bacteriology . 186 (13): 4192–8. doi :10.1128/JB.186.13.4192-4198.2004. PMC 421617 . PMID  15205421. 
  11. ^ Karas VO, Westerlaken I, Meyer AS (octubre de 2015). "La proteína de unión al ADN de células hambrientas (Dps) utiliza funciones duales para defender a las células contra múltiples tipos de estrés". Journal of Bacteriology . 197 (19): 3206–15. doi :10.1128/JB.00475-15. PMC 4560292 . PMID  26216848. 
  12. ^ Vtyurina NN, Dulin D, Docter MW, Meyer AS, Dekker NH, Abbondanzieri EA (mayo de 2016). "La histéresis en la compactación del ADN por Dps se describe mediante un modelo de Ising". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 113 (18): 4982–7. Bibcode :2016PNAS..113.4982V. doi : 10.1073/pnas.1521241113 . PMC 4983820 . PMID  27091987. 
  13. ^ Shahu, Sneha (2024). "Los contactos de ADN puente permiten que los Dps de E. coli condensen el ADN". Nucleic Acids Research . doi : 10.1093/nar/gkae223 . PMC 11077075 . Consultado el 15 de abril de 2024 . 
  14. ^ Allen M, Willits D, Mosolf J, Young M, Douglas T (2002). "Síntesis de nanopartículas de óxido de hierro ferrimagnéticas restringidas por jaulas proteicas". Materiales avanzados . 14 (21): 1562–1565. doi :10.1002/1521-4095(20021104)14:21<1562::AID-ADMA1562>3.0.CO;2-D.
  15. ^ Allen M, Willits D, Young M, Douglas T (octubre de 2003). "Síntesis restringida de nanomateriales de óxido de cobalto en la jaula de proteína de 12 subunidades de Listeria innocua". Química inorgánica . 42 (20): 6300–5. doi :10.1021/ic0343657. PMID  14514305.
  16. ^ Ceci P, Chiancone E, Kasyutich O, Bellapadrona G, Castelli L, Fittipaldi M, Gatteschi D, Innocenti C, Sangregorio C (enero de 2010). "Síntesis de nanopartículas de óxido de hierro en Listeria innocua Dps (proteína de unión al ADN de células hambrientas): un estudio con la proteína de tipo salvaje y un mutante del centro catalítico". Química: una revista europea . 16 (2): 709–17. doi :10.1002/chem.200901138. PMID  19859920.
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  20. ^ Uchida M, Maier B, Waghwani HK, Selivanovitch E, Pay SL, Avera J, Yun E, Sandoval RM, Molitoris BA, Zollman A, Douglas T, Hato, T (septiembre de 2019). "La nanojaula Dps arqueal se dirige a los túbulos proximales del riñón a través de la filtración glomerular". Revista de investigación clínica . 129 (9): 3941–3951. doi : 10.1172/JCI127511 . PMC 6715384 . PMID  31424427.