El dominio PDZ es un dominio estructural común de 80 a 90 aminoácidos que se encuentra en las proteínas de señalización de bacterias , levaduras , plantas , virus [1] y animales . [2] Las proteínas que contienen dominios PDZ desempeñan un papel clave en el anclaje de las proteínas receptoras en la membrana a los componentes citoesqueléticos. Las proteínas con estos dominios ayudan a mantener unidos y organizar complejos de señalización en las membranas celulares. Estos dominios desempeñan un papel clave en la formación y función de complejos de transducción de señales. [3] Los dominios PDZ también desempeñan un papel muy importante en el anclaje de los receptores de la superficie celular (como Cftr y FZD7 ) al citoesqueleto de actina a través de mediadores como NHERF y ezrin . [4]
PDZ es una inicial que combina las primeras letras de las tres primeras proteínas que se descubrió que comparten el dominio: la proteína de densidad postsináptica (PSD95) , el supresor de tumores grandes del disco de Drosophila (Dlg1) y la proteína zonula occludens-1 (zo-1) . [5] Los dominios PDZ se denominaban anteriormente dominios DHR (región homóloga de Dlg) [6] o GLGF ( glicina - leucina -glicina- fenilalanina ). [7]
En general, los dominios PDZ se unen a una región corta del extremo C de otras proteínas específicas. Estas regiones cortas se unen al dominio PDZ mediante aumento de lámina beta . Esto significa que la hoja beta en el dominio PDZ se extiende mediante la adición de una cadena beta adicional de la cola de la proteína asociada a la unión. [8] El grupo carboxilato C-terminal está unido por un nido (motivo estructural proteico) en el dominio PDZ, es decir, un motivo de unión a PDZ .
PDZ es un acrónimo derivado de los nombres de las primeras proteínas en las que se observó el dominio. La proteína de densidad postsináptica 95 (PSD-95) es una proteína sináptica que se encuentra únicamente en el cerebro. [7] El supresor de tumores grandes del disco de Drosophila (Dlg1) y la zona occludens 1 (ZO-1) desempeñan un papel importante en las uniones celulares y en los complejos de señalización celular. [9] Desde el descubrimiento de los dominios PDZ hace más de 20 años, se han identificado cientos de dominios PDZ adicionales. El primer uso publicado de la frase “dominio PDZ” no fue en un artículo, sino en una carta. En septiembre de 1995, la Dra. Mary B. Kennedy del Instituto de Tecnología de California escribió una carta de corrección a Trends in Biomedical Sciences. [10] A principios de ese año, otro grupo de científicos había afirmado haber descubierto un nuevo dominio proteico al que llamaron dominio DHR. [6] La Dra. Kennedy refutó que su laboratorio hubiera descrito previamente exactamente el mismo dominio como una serie de "repeticiones GLGF". [7] Continuó explicando que para “reflejar mejor el origen y la distribución del dominio”, se cambiaría el nuevo título del dominio. Así, se introdujo al mundo el nombre “dominio PDZ”.
La estructura del dominio PDZ se conserva parcialmente en las diversas proteínas que los contienen. Suelen tener 5-6 hebras β y una hélice α corta y otra larga . Aparte de este pliegue conservado, la estructura secundaria difiere entre los dominios PDZ. [3] Este dominio tiende a ser globular con un diámetro de aproximadamente 35 Å. [11]
Cuando se estudian, los dominios PDZ generalmente se aíslan como monómeros , sin embargo, algunas proteínas PDZ forman dímeros . Aún no se conoce la función de los dímeros PDZ en comparación con los monómeros. [3]
Una teoría comúnmente aceptada para el bolsillo de unión del dominio PDZ es que está constituido por varios aminoácidos hidrofóbicos , además de la secuencia GLGF mencionada anteriormente, cuyos átomos de la cadena principal forman un nido (motivo estructural proteico) que une el carboxilato C-terminal. del ligando proteico o peptídico. La mayoría de los dominios PDZ tienen un sitio de unión ubicado entre una de las cadenas β y la hélice α larga. [12]
Los dominios PDZ tienen dos funciones principales: localizar elementos celulares y regular vías celulares.
La primera función descubierta de los dominios PDZ fue anclar las proteínas receptoras en la membrana a los componentes del citoesqueleto. Los dominios PDZ también tienen funciones reguladoras en diferentes vías de señalización. [13] Cualquier proteína puede tener uno o varios dominios PDZ, que pueden ser idénticos o únicos (ver figura a la derecha). Esta variedad permite que estas proteínas sean muy versátiles en sus interacciones. Diferentes dominios PDZ en la misma proteína pueden tener diferentes funciones, cada uno de los cuales se une a una parte diferente de la proteína objetivo o a una proteína completamente diferente. [14]
Los dominios PDZ desempeñan un papel vital en la organización y el mantenimiento de formaciones de andamios complejas.
Los dominios PDZ se encuentran en diversas proteínas, pero todos ayudan en la localización de elementos celulares. Los dominios PDZ participan principalmente en el anclaje de proteínas receptoras al citoesqueleto . Para que las células funcionen correctamente es importante que los componentes (proteínas y otras moléculas) estén en el lugar correcto en el momento correcto. Las proteínas con dominios PDZ se unen a diferentes componentes para garantizar una disposición correcta. [13] En la neurona , dar sentido a la actividad de los neurotransmisores requiere que se ubiquen receptores específicos en la membrana lipídica en la sinapsis. Los dominios PDZ son cruciales para este proceso de localización del receptor. [15] Las proteínas con dominios PDZ generalmente se asocian tanto con el extremo C del receptor como con elementos citoesqueléticos para anclar el receptor al citoesqueleto y mantenerlo en su lugar. [14] [16] Sin tal interacción, los receptores se difundirían fuera de la sinapsis debido a la naturaleza fluida de la membrana lipídica.
Los dominios PDZ también se utilizan para localizar elementos distintos de las proteínas receptoras. En el cerebro humano, el óxido nítrico suele actuar en la sinapsis para modificar los niveles de cGMP en respuesta a la activación del receptor NMDA . [17] Para garantizar una disposición espacial favorable, la óxido nítrico sintasa neuronal (nNOS) se acerca a los receptores NMDA a través de interacciones con dominios PDZ en PSD-95, que se une simultáneamente a los receptores nNOS y NMDA . [16] Con la nNOS ubicada cerca de los receptores NMDA, se activará inmediatamente después de que los iones de calcio comiencen a ingresar a la célula.
Los dominios PDZ están directamente implicados en la regulación de diferentes vías celulares. Este mecanismo de esta regulación varía ya que los dominios PDZ pueden interactuar con una variedad de componentes celulares. Esta regulación suele ser el resultado de la colocalización de múltiples moléculas de señalización, como en el ejemplo con los receptores nNos y NMDA. [16] Algunos ejemplos de regulación de la vía de señalización ejecutada por el dominio PDZ incluyen la actividad de la enzima fosfatasa , la señalización mecanosensorial y la vía de clasificación de proteínas receptoras endocitosadas .
La vía de señalización de la proteína humana tirosina fosfatasa no receptor tipo 4 (PTPN4) está regulada por dominios PDZ. Esta proteína interviene en la regulación de la muerte celular . Normalmente, el dominio PDZ de esta enzima no está unido. En este estado libre, la enzima está activa e impide la señalización celular de la apoptosis . La unión del dominio PDZ de esta fosfatasa produce una pérdida de actividad enzimática, lo que conduce a la apoptosis. La regulación normal de esta enzima evita que las células pasen prematuramente por apoptosis. Cuando se pierde la regulación de la enzima PTPN4, aumenta la actividad oncogénica a medida que las células pueden proliferar . [18]
Los dominios PDZ también tienen un papel regulador en la señalización mecanosensorial en propioceptores y células ciliadas vestibulares y auditivas . La proteína Whirlin (WHRN) se localiza en las neuronas postsinápticas de las células ciliadas que transforman el movimiento mecánico en potenciales de acción que el cuerpo puede interpretar. Las proteínas WHRN contienen tres dominios PDZ. Los dominios ubicados cerca del extremo N se unen a proteínas receptoras y otros componentes de señalización. Cuando se inhibe uno de estos dominios PDZ, las vías de señalización de las neuronas se alteran, lo que provoca deterioro auditivo, visual y vestibular. Se cree que esta regulación se basa en el posicionamiento físico de la WHRN y la selectividad de su dominio PDZ. [19]
La regulación de las proteínas receptoras se produce cuando el dominio PDZ de la proteína EBP50 se une al extremo C del receptor adrenérgico beta-2 (β2-AR). EBP50 también se asocia con un complejo que se conecta a la actina , sirviendo así como enlace entre el citoesqueleto y el β2-AR. El receptor β2-AR finalmente se endocitosa, donde será enviado a un lisosoma para su degradación o reciclado de nuevo a la membrana celular. Los científicos han demostrado que cuando se fosforila el residuo Ser-411 del dominio de unión PDZ β2-AR, que interactúa directamente con EBP50, el receptor se degrada. Si Ser-411 no se modifica, el receptor se recicla. [20] El papel desempeñado por los dominios PDZ y sus sitios de unión indican una relevancia regulatoria más allá de la simple localización de la proteína receptora.
Los dominios PDZ se están estudiando más a fondo para comprender mejor el papel que desempeñan en diferentes vías de señalización. La investigación ha aumentado a medida que estos dominios se han relacionado con diferentes enfermedades, incluido el cáncer, como se analizó anteriormente. [21]
La función del dominio PDZ puede inhibirse y activarse mediante varios mecanismos. Dos de los más frecuentes incluyen interacciones alostéricas y modificaciones postraduccionales. [3]
La modificación postraslacional más común observada en los dominios PDZ es la fosforilación . [22] Esta modificación es principalmente un inhibidor del dominio PDZ y de la actividad del ligando . En algunos ejemplos, la fosforilación de cadenas laterales de aminoácidos elimina la capacidad del dominio PDZ para formar enlaces de hidrógeno , alterando los patrones de unión normales. El resultado final es una pérdida de la función del dominio PDZ y una mayor señalización. [23] Otra forma en que la fosforilación puede alterar la función regular del dominio PDZ es alterando la relación de carga y afectando aún más la unión y la señalización. [24] En casos raros, los investigadores han visto modificaciones postraduccionales que activan la actividad del dominio PDZ [25] pero estos casos son pocos.
Otra modificación postraduccional que puede regular los dominios PDZ es la formación de puentes disulfuro . Muchos dominios PDZ contienen cisteínas y son susceptibles a la formación de enlaces disulfuro en condiciones oxidantes . Esta modificación actúa principalmente como un inhibidor de la función del dominio PDZ. [26]
Se ha observado que las interacciones proteína-proteína alteran la eficacia de la unión de los dominios PDZ a los ligandos. Estos estudios muestran que los efectos alostéricos de ciertas proteínas pueden afectar la afinidad de unión por diferentes sustratos . Diferentes dominios PDZ pueden incluso tener este efecto alostérico entre sí. Esta interacción PDZ-PDZ sólo actúa como inhibidor. [27] Otros experimentos han demostrado que ciertas enzimas pueden mejorar la unión de dominios PDZ. Los investigadores descubrieron que la proteína ezrin mejora la unión de la proteína PDZ NHERF1 . [4]
Las proteínas PDZ son una familia de proteínas que contienen el dominio PDZ. Esta secuencia de aminoácidos se encuentra en muchos miles de proteínas conocidas. Las proteínas del dominio PDZ están muy extendidas en eucariotas y eubacterias , [2] mientras que hay muy pocos ejemplos de la proteína en arqueas . Los dominios PDZ suelen estar asociados con otros dominios proteicos y estas combinaciones les permiten llevar a cabo sus funciones específicas. Tres de las proteínas PDZ mejor documentadas son PSD-95 , GRIP y HOMER .
PSD-95 es una proteína sináptica cerebral con tres dominios PDZ, cada uno con propiedades y estructuras únicas que permiten que PSD-95 funcione de muchas maneras. En general, los dos primeros dominios PDZ interactúan con receptores y el tercero interactúa con proteínas relacionadas con el citoesqueleto. Los principales receptores asociados al PSD-95 son los receptores NMDA . Los dos primeros dominios PDZ de PSD-95 se unen al extremo C de los receptores NMDA y los anclan en la membrana en el punto de liberación del neurotransmisor. [28] Los dos primeros dominios PDZ también pueden interactuar de manera similar con canales K+ tipo Shaker . [28] Una interacción PDZ entre PSD-95, nNOS y sintrofina está mediada por el segundo dominio PDZ. El tercer y último dominio PDZ se vincula a la proteína de unión a PDZ rica en cisteína ( CRIPT ), que permite que PSD-95 se asocie con el citoesqueleto . [28]
La proteína que interactúa con el receptor de glutamato (GRIP) es una proteína postsináptica que interactúa con los receptores AMPA de forma análoga a las interacciones PSD-95 con los receptores NMDA. Cuando los investigadores notaron una aparente homología estructural entre los extremos C de los receptores AMPA y los receptores NMDA, intentaron determinar si estaba ocurriendo una interacción PDZ similar. [29] Un sistema de dos híbridos de levadura les ayudó a descubrir que de los siete dominios PDZ de GRIP, dos (dominios cuatro y cinco) eran esenciales para la unión de GRIP a la subunidad AMPA llamada GluR2. [14] Esta interacción es vital para la localización adecuada de los receptores AMPA, que desempeñan un papel importante en el almacenamiento de la memoria . Otros investigadores descubrieron que los dominios seis y siete de GRIP son responsables de conectar GRIP a una familia de receptores tirosina quinasas llamados receptores de efrina , que son importantes proteínas de señalización. [30] Un estudio clínico concluyó que el síndrome de Fraser , un síndrome autosómico recesivo que puede causar deformaciones graves, puede ser causado por una simple mutación en GRIP. [31]
HOMER difiere significativamente de muchas proteínas PDZ conocidas, incluidas GRIP y PSD-95. En lugar de mediar receptores cerca de los canales iónicos, como es el caso de GRIP y PSD-95, HOMER participa en la señalización metabotrópica del glutamato . [32] Otro aspecto único de HOMER es que solo contiene un único dominio PDZ, que media las interacciones entre HOMER y el receptor metabotrópico de glutamato tipo 5 ( mGluR5 ). [15] La repetición única de GLGF en HOMER se une a los aminoácidos en el extremo C de mGluR5. La expresión de HOMER se mide en niveles elevados durante las etapas embriológicas en ratas, lo que sugiere una importante función del desarrollo. [15]
Hay aproximadamente 260 dominios PDZ en humanos. Varias proteínas contienen múltiples dominios PDZ, por lo que el número de proteínas únicas que contienen PDZ se acerca a 180. En la siguiente tabla se muestran algunos de los miembros de esta familia mejor estudiados:
La siguiente tabla contiene todas las proteínas PDZ conocidas en humanos (en orden alfabético):
Actualmente existe un virus conocido que contiene dominios PDZ: