La pluripotencialización de proteínas es un fenómeno por el cual una proteína puede realizar más de una función. [2] Es un excelente ejemplo de intercambio de genes. [3]
Las proteínas moonlighting ancestrales poseían originalmente una sola función pero, a través de la evolución , adquirieron funciones adicionales. Muchas proteínas moonlighting son enzimas ; otras son receptores , canales iónicos o chaperonas . La función primaria más común de las proteínas moonlighting es la catálisis enzimática , pero estas enzimas han adquirido funciones secundarias no enzimáticas. Algunos ejemplos de funciones de las proteínas moonlighting secundarias a la catálisis incluyen la transducción de señales , la regulación transcripcional , la apoptosis , la motilidad y la estructura. [4]
La pluriactividad de proteínas ocurre ampliamente en la naturaleza. [5] [6] [7] La pluriactividad de proteínas mediante el intercambio de genes difiere del uso de un solo gen para generar diferentes proteínas mediante empalme alternativo de ARN , reordenamiento de ADN o procesamiento postraduccional . También es diferente de la multifuncionalidad de la proteína, en la que la proteína tiene múltiples dominios, cada uno de los cuales cumple una función diferente. La pluriactividad de proteínas mediante el intercambio de genes significa que un gen puede adquirir y mantener una segunda función sin duplicación genética y sin pérdida de la función primaria. Dichos genes están sujetos a dos o más restricciones selectivas completamente diferentes. [8]
Se han utilizado diversas técnicas para revelar funciones secundarias en las proteínas. La detección de una proteína en lugares inesperados dentro de las células, tipos celulares o tejidos puede sugerir que una proteína tiene una función secundaria. Además, la homología de secuencia o estructura de una proteína puede utilizarse para inferir tanto funciones primarias como funciones secundarias secundarias de una proteína.
Los ejemplos mejor estudiados de compartición de genes son las cristalinas . Estas proteínas, cuando se expresan en niveles bajos en muchos tejidos, funcionan como enzimas, pero cuando se expresan en niveles altos en el tejido ocular, se compactan y forman lentes. Si bien el reconocimiento de la compartición de genes es relativamente reciente (el término se acuñó en 1988, después de que se descubriera que las cristalinas en pollos y patos eran idénticas a enzimas identificadas por separado), estudios recientes han encontrado muchos ejemplos en todo el mundo viviente. Joram Piatigorsky ha sugerido que muchas o todas las proteínas exhiben compartición de genes en cierta medida, y que la compartición de genes es un aspecto clave de la evolución molecular . [9] : 1–7 Los genes que codifican las cristalinas deben mantener secuencias para la función catalítica y la función de mantenimiento de la transparencia. [8]
El trabajo extralaboral inadecuado es un factor que contribuye a algunas enfermedades genéticas, y constituye un posible mecanismo por el cual las bacterias pueden volverse resistentes a los antibióticos. [10]
La primera observación de una proteína que realiza múltiples funciones fue realizada a fines de los años 1980 por Joram Piatigorsky y Graeme Wistow durante su investigación sobre las enzimas cristalinas . Piatigorsky determinó que la conservación y la varianza de la cristalina del cristalino se deben a otras funciones que realizan múltiples funciones fuera del cristalino. [11] Originalmente, Piatigorsky llamó a estas proteínas proteínas "que comparten genes", pero la descripción coloquial de "proteína que realiza múltiples funciones" fue posteriormente aplicada a las proteínas por Constance Jeffery en 1999 [12] para establecer una similitud entre las proteínas que realizan múltiples tareas y las personas que tienen dos trabajos. [13] La frase "compartir genes" es ambigua ya que también se usa para describir la transferencia horizontal de genes , por lo que la frase "proteína que realiza múltiples funciones" se ha convertido en la descripción preferida para las proteínas con más de una función. [13]
Se cree que las proteínas moonlighting surgieron por medio de la evolución a través de la cual las proteínas unifuncionales adquirieron la capacidad de realizar múltiples funciones. Con alteraciones, gran parte del espacio no utilizado de la proteína puede proporcionar nuevas funciones. [10] Muchas proteínas moonlighting son el resultado de la fusión genética de dos genes de función única. [14] Alternativamente, un solo gen puede adquirir una segunda función ya que el sitio activo de la proteína codificada normalmente es pequeño en comparación con el tamaño total de la proteína, lo que deja un espacio considerable para acomodar un segundo sitio funcional. En una tercera alternativa, el mismo sitio activo puede adquirir una segunda función a través de mutaciones del sitio activo.
El desarrollo de proteínas que cumplen múltiples funciones puede ser favorable desde el punto de vista evolutivo para el organismo, ya que una sola proteína puede hacer el trabajo de múltiples proteínas, conservando los aminoácidos y la energía necesarios para sintetizar estas proteínas. [12] Sin embargo, no existe una teoría universalmente aceptada que explique por qué evolucionaron las proteínas con múltiples funciones. [12] [13] Si bien el uso de una proteína para realizar múltiples funciones parece ventajoso porque mantiene el genoma pequeño, podemos concluir que probablemente esta no sea la razón para el desarrollo de proteínas que cumplen múltiples funciones debido a la gran cantidad de ADN no codificante . [13]
Muchas proteínas catalizan una reacción química . Otras proteínas cumplen funciones estructurales, de transporte o de señalización. Además, numerosas proteínas tienen la capacidad de agregarse en conjuntos supramoleculares . Por ejemplo, un ribosoma está formado por 90 proteínas y ARN .
Varias de las proteínas que se conocen actualmente como "moonlighting" se derivan evolutivamente de enzimas altamente conservadas , también llamadas enzimas antiguas. Con frecuencia se especula que estas enzimas han desarrollado funciones "moonlighting". Dado que las proteínas altamente conservadas están presentes en muchos organismos diferentes, esto aumenta la posibilidad de que desarrollen funciones "moonlighting" secundarias. [13] Una gran fracción de enzimas involucradas en la glucólisis , una antigua vía metabólica universal, exhiben un comportamiento "moonlighting". Además, se ha sugerido que hasta 7 de cada 10 proteínas en la glucólisis y 7 de cada 8 enzimas del ciclo del ácido tricarboxílico exhiben un comportamiento "moonlighting". [4]
Un ejemplo de una enzima que actúa como segunda enzima es la piruvato carboxilasa . Esta enzima cataliza la carboxilación del piruvato en oxaloacetato , reponiendo así el ciclo del ácido tricarboxílico . Sorprendentemente, en especies de levadura como H. polymorpha y P. pastoris , la piruvato carboxilasa también es esencial para la orientación y el ensamblaje adecuados de la proteína alcohol oxidasa (AO) peroxisomal. La AO, la primera enzima del metabolismo del metanol, es una flavoenzima homooctámera . En las células de tipo salvaje, esta enzima está presente como octámeros de AO enzimáticamente activos en la matriz peroxisomal . Sin embargo, en las células que carecen de piruvato carboxilasa, los monómeros de AO se acumulan en el citosol, lo que indica que la piruvato carboxilasa tiene una segunda función completamente no relacionada en el ensamblaje y la importación. La función en la importación/ensamblaje de AO es completamente independiente de la actividad enzimática de la piruvato carboxilasa, porque se pueden introducir sustituciones de aminoácidos que inactiven completamente la actividad enzimática de la piruvato carboxilasa, sin afectar su función en el ensamblaje e importación de AO. Por el contrario, se conocen mutaciones que bloquean la función de esta enzima en la importación y ensamblaje de AO, pero no tienen efecto sobre la actividad enzimática de la proteína. [13]
La proteína antioxidante tiorredoxina de E. coli es otro ejemplo de una proteína que actúa como segunda opción. Tras la infección con el bacteriófago T7 , la tiorredoxina de E. coli forma un complejo con la ADN polimerasa de T7 , lo que da como resultado una mayor replicación del ADN de T7, un paso crucial para el éxito de la infección con T7. La tiorredoxina se une a un bucle de la ADN polimerasa de T7 para unirse con más fuerza al ADN. La función antioxidante de la tiorredoxina es completamente autónoma e independiente de la replicación del ADN de T7, en la que la proteína probablemente cumple el papel funcional. [13]
ADT2 y ADT5 son otros ejemplos de proteínas de luz de luna que se encuentran en las plantas. Ambas proteínas tienen funciones en la biosíntesis de fenilalanina como todas las demás ADT. Sin embargo, ADT2, junto con FtsZ, es necesaria en la división de cloroplastos y ADT5 es transportada por estrómulos al núcleo. [15]
En muchos casos, la funcionalidad de una proteína no solo depende de su estructura, sino también de su ubicación. Por ejemplo, una sola proteína puede tener una función cuando se encuentra en el citoplasma de una célula, una función diferente cuando interactúa con una membrana y, sin embargo, una tercera función si se excreta de la célula. Esta propiedad de las proteínas moonlighting se conoce como "localización diferencial". [19] Por ejemplo, a temperaturas más altas, DegP ( HtrA ) funcionará como una proteasa mediante la degradación dirigida de proteínas y, a temperaturas más bajas, como una chaperona al ayudar al plegamiento o desplegamiento no covalente y al ensamblaje o desmontaje de otras estructuras macromoleculares. [10] Además, las proteínas moonlighting pueden exhibir diferentes comportamientos no solo como resultado de su ubicación dentro de una célula, sino también del tipo de célula en la que se expresa la proteína. [19] La multifuncionalidad también podría ser una consecuencia de modificaciones postraduccionales diferenciales (PTM). [20] En el caso de la enzima glucolítica gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa ( GAPDH ), se ha demostrado que las alteraciones en las PTM están asociadas con una multifuncionalidad de orden superior. [21] [22]
Otros métodos a través de los cuales las proteínas pueden actuar como luz de luna son cambiando su estado oligomérico , alterando las concentraciones del ligando o sustrato de la proteína, utilizando sitios de unión alternativos o, finalmente, mediante la fosforilación . Un ejemplo de una proteína que muestra una función diferente en diferentes estados oligoméricos es la piruvato quinasa , que exhibe actividad metabólica como tetrámero y actividad de unión a la hormona tiroidea como monómero. Los cambios en las concentraciones de ligandos o sustratos pueden causar un cambio en la función de una proteína. Por ejemplo, en presencia de altas concentraciones de hierro, la aconitasa funciona como una enzima, mientras que a baja concentración de hierro, la aconitasa funciona como una proteína de unión al elemento sensible al hierro (IREBP) para aumentar la absorción de hierro. Las proteínas también pueden realizar funciones separadas mediante el uso de sitios de unión alternativos que realizan diferentes tareas. Un ejemplo de esto es la ceruloplasmina , una proteína que funciona como una oxidasa en el metabolismo del cobre y como una glutatión peroxidasa independiente del cobre . Por último, la fosforilación puede provocar a veces un cambio en la función de una proteína que actúa como mediadora. Por ejemplo, la fosforilación de la fosfoglucosa isomerasa (PGI) en Ser-185 por la proteína quinasa CK2 hace que deje de funcionar como enzima, mientras que conserva su función como factor de motilidad autocrino . [4] Por lo tanto, cuando se produce una mutación que inactiva una función de una proteína que actúa como mediadora, las demás funciones no se ven necesariamente afectadas. [13]
Se han determinado las estructuras cristalinas de varias proteínas moonlighting, como la endonucleasa homing I-AniI / maturasa [23] y la prolina deshidrogenasa / factor de transcripción PutA [24] . [25] Un análisis de estas estructuras cristalinas ha demostrado que las proteínas moonlighting pueden realizar ambas funciones al mismo tiempo o, a través de cambios conformacionales , alternar entre dos estados, cada uno de los cuales puede realizar una función separada. Por ejemplo, la proteína DegP desempeña un papel en la proteólisis con temperaturas más altas y está involucrada en funciones de replegamiento a temperaturas más bajas. [25] Por último, estas estructuras cristalinas han demostrado que la segunda función puede afectar negativamente a la primera función en algunas proteínas moonlighting. Como se ve en la ƞ-cristalina, la segunda función de una proteína puede alterar la estructura, disminuyendo la flexibilidad, lo que a su vez puede perjudicar un poco la actividad enzimática. [25]
Las proteínas que cumplen funciones de luz de luna se han identificado generalmente por casualidad, ya que no existe un procedimiento claro para identificar funciones secundarias de luz de luna. A pesar de estas dificultades, el número de proteínas que cumplen funciones de luz de luna que se han descubierto está aumentando rápidamente. Además, las proteínas que cumplen funciones de luz de luna parecen ser abundantes en todos los reinos de la vida. [13]
Se han empleado varios métodos para determinar la función de una proteína, incluidas las funciones secundarias de pluripotencialización. Por ejemplo, la distribución tisular, celular o subcelular de una proteína puede proporcionar pistas sobre su función. La PCR en tiempo real se utiliza para cuantificar el ARNm y, por lo tanto, inferir la presencia o ausencia de una proteína particular que está codificada por el ARNm dentro de diferentes tipos de células. Alternativamente, se puede utilizar la inmunohistoquímica o la espectrometría de masas para detectar directamente la presencia de proteínas y determinar en qué ubicaciones subcelulares, tipos de células y tejidos se expresa una proteína particular.
La espectrometría de masas se puede utilizar para detectar proteínas en función de su relación masa-carga . Debido al empalme alternativo y a la modificación postraduccional , la identificación de proteínas basándose únicamente en la masa del ion original es muy difícil. Sin embargo, la espectrometría de masas en tándem , en la que cada uno de los picos originales se fragmenta a su vez, se puede utilizar para identificar proteínas de forma inequívoca. Por lo tanto, la espectrometría de masas en tándem es una de las herramientas utilizadas en proteómica para identificar la presencia de proteínas en diferentes tipos de células o ubicaciones subcelulares. Si bien la presencia de una proteína moonlighting en una ubicación inesperada puede complicar los análisis de rutina, al mismo tiempo, la detección de una proteína en complejos multiproteicos o ubicaciones inesperadas sugiere que la proteína puede tener una función moonlighting. [19] Además, la espectrometría de masas se puede utilizar para determinar si una proteína tiene altos niveles de expresión que no se correlacionan con la actividad metabólica medida de la enzima. Estos niveles de expresión pueden significar que la proteína está realizando una función diferente a la conocida previamente. [4]
La estructura de una proteína también puede ayudar a determinar sus funciones. La estructura de la proteína, a su vez, puede dilucidarse con diversas técnicas, incluida la cristalografía de rayos X o la RMN . La interferometría de polarización dual puede utilizarse para medir cambios en la estructura de la proteína, lo que también puede dar pistas sobre la función de la proteína. Finalmente, la aplicación de enfoques de biología de sistemas [26] como la interactómica da pistas sobre la función de una proteína en función de con qué interactúa.
En el caso de la enzima glucolítica gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH), además de la gran cantidad de funciones alternativas, también se ha observado que puede estar involucrada en la misma función por múltiples medios (multifuncionalidad dentro de la multifuncionalidad). Por ejemplo, en su papel en el mantenimiento de la homeostasis del hierro celular, la GAPDH puede funcionar para importar o extrudir hierro de las células. Además, en el caso de sus actividades de importación de hierro, puede transportar a las células la holotransferrina, así como la molécula relacionada lactoferrina, por múltiples vías. [27]
En el caso de las cristalinas , los genes deben mantener secuencias para la función catalítica y la función de mantenimiento de la transparencia. [8] Las abundantes cristalinas del cristalino se han considerado generalmente como proteínas estáticas que cumplen una función estrictamente estructural en la transparencia y las cataratas . [28] Sin embargo, estudios recientes han demostrado que las cristalinas del cristalino son mucho más diversas de lo que se reconocía anteriormente y que muchas están relacionadas o son idénticas a las enzimas metabólicas y las proteínas de estrés que se encuentran en numerosos tejidos. [29] A diferencia de otras proteínas que realizan tareas altamente especializadas, como la globina o la rodopsina , las cristalinas son muy diversas y muestran numerosas diferencias entre especies. Esencialmente, todos los cristalinos de vertebrados contienen representantes de las cristalinas α y β/γ, las "cristalinas ubicuas", que son en sí mismas heterogéneas, y solo unas pocas especies o grupos taxonómicos seleccionados utilizan proteínas completamente diferentes como cristalinas del cristalino. Esta paradoja de que las cristalinas estén altamente conservadas en secuencia mientras que son extremadamente diversas en número y distribución muestra que muchas cristalinas tienen funciones vitales fuera del cristalino y la córnea, y esta multifuncionalidad de las cristalinas se logra mediante la interacción simultánea. [30]
El reclutamiento de cristalinas puede ocurrir por cambios en la regulación genética que conducen a una alta expresión en el cristalino. Un ejemplo de ello es la glutatión S-transferasa/S11-cristalina, que se especializó para la expresión en el cristalino por un cambio en la regulación genética y la duplicación genética . El hecho de que factores transcripcionales similares, como Pax-6 y los receptores de ácido retinoico, regulen diferentes genes cristalinos, sugiere que la expresión específica del cristalino ha desempeñado un papel crucial para el reclutamiento de proteínas multifuncionales como las cristalinas. El reclutamiento de cristalinas ha ocurrido tanto con como sin duplicación genética, y la duplicación genética en tándem ha tenido lugar entre algunas de las cristalinas, con uno de los duplicados especializándose para la expresión en el cristalino. Las α-cristalinas ubicuas y las δ-cristalinas de las aves son dos ejemplos. [31]
Las α-cristalinas, que contribuyeron al descubrimiento de las cristalinas como proteínas prestadas, [32] han apoyado continuamente la teoría del intercambio de genes y también han ayudado a delinear los mecanismos utilizados para el intercambio de genes. Hay dos genes de α-cristalina (αA y αB), que son aproximadamente un 55% idénticos en la secuencia de aminoácidos. [29] Los estudios de expresión en células no cristalinas mostraron que la αB-cristalina, además de ser una proteína funcional del cristalino, es una pequeña proteína funcional de choque térmico. [33] La αB-cristalina es inducida por el calor y otros estreses fisiológicos, y puede proteger a las células de temperaturas elevadas [34] y estrés hipertónico. [35] La αB-cristalina también se sobreexpresa en muchas patologías, incluidas enfermedades neurodegenerativas , fibroblastos de pacientes con síndrome de Werner que muestran senescencia prematura y anomalías del crecimiento. Además de sobreexpresarse en condiciones anormales, la αB-cristalina se expresa de forma constitutiva en el corazón, el músculo esquelético, los riñones, los pulmones y muchos otros tejidos. [36] A diferencia de la αB-cristalina, excepto por su expresión de bajo nivel en el timo, el bazo y la retina, [37] la αA-cristalina está altamente especializada para su expresión en el cristalino [38] y no es inducible por estrés. Sin embargo, al igual que la αB-cristalina, también puede funcionar como chaperona molecular y proteger contra el estrés térmico.
Las β/γ-cristalinas se diferencian de las α-cristalinas en que son una gran familia multigénica. Otras proteínas, como la capa de esporas bacterianas, una proteína del quiste del moho mucilaginoso y una proteína específica de la diferenciación de la epidermis, contienen los mismos motivos clave griegos y se ubican en la superfamilia de las β/γ-cristalinas. Esta relación respalda la idea de que las β/γ-cristalinas han sido reclutadas por un mecanismo de intercambio de genes. Sin embargo, a excepción de algunos informes, aún no se ha encontrado la función no refractiva de la β/γ-cristalina. [30]
Al igual que el cristalino , la córnea es un tejido transparente y avascular derivado del ectodermo que se encarga de enfocar la luz sobre la retina . Sin embargo, a diferencia del cristalino, la córnea depende de la interfaz aire-celda y de su curvatura para la refracción. Los primeros estudios inmunológicos han demostrado que la BCP 54 comprende entre el 20 y el 40 % de la proteína soluble total en la córnea bovina. [39] Estudios posteriores han indicado que la BCP 54 es ALDH3, una enzima citosólica inducible por tumores y xenobióticos, que se encuentra en humanos, ratas y otros mamíferos. [40]
Si bien es evidente que el intercambio de genes dio como resultado que muchas de las cristalinas del cristalino fueran proteínas multifuncionales, aún no se sabe con certeza hasta qué punto las cristalinas utilizan sus propiedades no refractivas en el cristalino, o sobre qué base fueron seleccionadas. Las α-cristalinas proporcionan un caso convincente de una cristalina del cristalino que utiliza su capacidad no refractiva dentro del cristalino para prevenir la agregación de proteínas bajo una variedad de estreses ambientales [41] y para proteger contra la inactivación enzimática por modificaciones postraduccionales como la glicación . [42] Las α-cristalinas también pueden desempeñar un papel funcional en la estabilidad y remodelación del citoesqueleto durante la diferenciación de células fibrosas en el cristalino. [43] En la córnea, también se sugiere que ALDH3 es responsable de absorber la luz UV-B. [44]
Basándose en las similitudes entre el cristalino y la córnea, como la abundancia de enzimas solubles en agua, y el hecho de que derivan del ectodermo, se cree que el cristalino y la córnea han evolucionado conjuntamente como una "unidad de refracción". El intercambio de genes maximizaría la transmisión de la luz y la refracción a la retina por parte de esta unidad de refracción. Los estudios han demostrado que muchas enzimas/proteínas solubles en agua expresadas por la córnea son idénticas a las cristalinas del cristalino específicas del taxón, como ALDH1A1/η-cristalina, α-enolasa/τ-cristalina y deshidrogenasa láctica/-cristalina. Además, el epitelio corneal anuro , que puede transdiferenciarse para regenerar el cristalino, expresa abundantemente cristalinas del cristalino ubicuas, α, β y γ, además de la cristalina específica del taxón α-enolasa/τ-cristalina. En general, la similitud en la expresión de estas proteínas en la córnea y el cristalino, tanto en abundancia como en especificidad taxonómica, respalda la idea de la coevolución del cristalino y la córnea a través del intercambio de genes. [45]
El intercambio de genes está relacionado con varios conceptos de la genética, la evolución y la biología molecular, pero es distinto de ellos. El intercambio de genes implica múltiples efectos del mismo gen, pero a diferencia de la pleiotropía , implica necesariamente funciones separadas a nivel molecular. Un gen podría exhibir pleiotropía cuando la función de una sola enzima afecta a múltiples rasgos fenotípicos ; las mutaciones de un gen compartido podrían afectar potencialmente solo a un único rasgo. La duplicación de genes seguida de mutación diferencial es otro fenómeno que se considera un elemento clave en la evolución de la función de las proteínas, pero en el intercambio de genes, no hay divergencia de la secuencia de genes cuando las proteínas asumen nuevas funciones; el polipéptido único asume nuevos roles mientras retiene los antiguos. El empalme alternativo puede dar como resultado la producción de múltiples polipéptidos (con múltiples funciones) a partir de un solo gen, pero por definición, el intercambio de genes implica múltiples funciones de un solo polipéptido. [9] : 8–14
Los múltiples roles de las proteínas de luz de luna complican la determinación del fenotipo a partir del genotipo , [4] lo que dificulta el estudio de los trastornos metabólicos hereditarios .
Se sospecha que los complejos fenotipos de varios trastornos son causados por la participación de las proteínas de luz de luna. La proteína GAPDH tiene al menos 11 funciones documentadas, una de las cuales incluye la apoptosis. La apoptosis excesiva está involucrada en muchas enfermedades neurodegenerativas, como Huntington , Alzheimer y Parkinson , así como en la isquemia cerebral . En un caso, se encontró GAPDH en las neuronas degeneradas de individuos que tenían enfermedad de Alzheimer. [4]
Aunque no hay pruebas suficientes para sacar conclusiones definitivas, hay ejemplos bien documentados de proteínas que actúan como "moonlighting" y que desempeñan un papel en la enfermedad. Una de esas enfermedades es la tuberculosis . Una proteína "moonlighting" en M. tuberculosis tiene una función que contrarresta los efectos de los antibióticos. [10] [13] En concreto, la bacteria adquiere resistencia a los antibióticos contra la ciprofloxacina a partir de la sobreexpresión de la glutamato racemasa in vivo . [10] Se ha demostrado que la GAPDH localizada en la superficie de las micobacterias patógenas captura y transporta la proteína transportadora de hierro de los mamíferos, la transferrina, hacia las células, lo que da lugar a la adquisición de hierro por parte del patógeno. [46]
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