Las protaminas son proteínas nucleares pequeñas, ricas en arginina , que reemplazan a las histonas al final de la fase haploide de la espermatogénesis y se creen esenciales para la condensación de la cabeza del espermatozoide y la estabilización del ADN . Es posible que permitan un empaquetamiento más denso del ADN en el espermatozoide que las histonas, pero deben descomprimirse antes de que los datos genéticos puedan usarse para la síntesis de proteínas. Sin embargo, parte del genoma del esperma está empaquetado por histonas (10-15% en humanos y otros primates) que se cree que se unen a genes que son esenciales para el desarrollo embrionario temprano. [1]
Las proteínas protamina y similares a la protamina (PL) se conocen colectivamente como proteínas básicas nucleares específicas de los espermatozoides (SNBP). Las proteínas PL tienen una estructura intermedia entre la protamina y la histona H1 . El dominio C-terminal de PL podría ser el precursor de la protamina de vertebrados. [2]
Durante la formación de los espermatozoides, la protamina se une a la columna vertebral de fosfato del ADN utilizando el dominio rico en arginina como ancla. Luego, el ADN se pliega en un toroide , una estructura en forma de O, aunque se desconoce el mecanismo. Un espermatozoide puede contener hasta 50.000 estructuras en forma de toroide en su núcleo y cada toroide contiene alrededor de 50 kilobases. [4] Antes de que se forme el toroide, las proteínas nucleares de transición eliminan las histonas del ADN , de modo que la protamina pueda condensarla. Los efectos de este cambio son 1) un aumento en la hidrodinámica del esperma para un mejor flujo a través de los líquidos al reducir el tamaño de la cabeza 2) disminución en la aparición de daño en el ADN 3) eliminación de los marcadores epigenéticos que ocurren con las modificaciones de las histonas. [5]
La estructura de la cabeza del espermatozoide también está relacionada con los niveles de protamina. Se ha descubierto que la proporción de protamina 2 a protamina 1 y proteínas nucleares de transición cambia la forma de la cabeza de los espermatozoides en varias especies de ratones, al alterar la expresión de protamina 2 mediante mutaciones en su región promotora. Se ha descubierto que una disminución en la proporción aumenta la capacidad competitiva de los espermatozoides en las especies de Mus . Sin embargo, se requieren más pruebas para determinar cómo influye esta proporción en la forma de la cabeza y si la monogamia influye en esta selección. En humanos, los estudios muestran que los hombres que tienen Prm1/Prm2 desequilibrados son subfértiles o infértiles. [6] La protamina 2 está codificada como una proteína más larga que necesita escindir su N-terminal antes de volverse funcional. La protamina humana y de chimpancé ha experimentado una rápida evolución. [7]
Cuando se mezclan con insulina , las protaminas ralentizan la aparición y aumentan la duración de la acción de la insulina (ver insulina NPH ). [8]
La protamina se utiliza en cirugía cardíaca, cirugía vascular y procedimientos de radiología intervencionista para neutralizar los efectos anticoagulantes de la heparina . Los efectos adversos incluyen aumento de la presión de la arteria pulmonar y disminución de la presión arterial periférica, el consumo de oxígeno del miocardio, el gasto cardíaco y la frecuencia cardíaca. [9]
El sulfato de protamina es un antídoto para la sobredosis de heparina , pero puede producirse una alergia grave. [10] Una versión de protamina de cadena acortada también actúa como un potente antagonista de la heparina, pero con una antigenicidad notablemente reducida . Inicialmente se produjo como una mezcla obtenida mediante digestión de protamina con termolisina , [11]VSRRRRRRGGRRRR pero desde entonces se ha aislado la porción peptídica eficaz real . [12] También se ha producido un análogo de este péptido. [13]
En terapia génica, la capacidad del sulfato de protamina para condensar ADN plasmídico junto con su aprobación por parte de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) lo han convertido en un candidato atractivo para aumentar las tasas de transducción tanto virales [14] como no virales (por ejemplo, utilizando liposomas catiónicos). ) [15] mecanismos de entrega mediados.
La protamina se puede utilizar como fármaco para prevenir la obesidad. Se ha demostrado que la protamina impide el aumento del peso corporal y de las lipoproteínas de baja densidad en ratas con dietas altas en grasas. Este efecto se produce mediante la inhibición de la actividad de la lipasa , una enzima responsable de la digestión y absorción de triacilgliceroles , lo que resulta en una disminución en la absorción de grasas de la dieta. No se encontró daño hepático cuando las ratas fueron tratadas con protamina. Sin embargo, la emulsificación de ácidos grasos de cadena larga para la digestión y absorción en el intestino delgado es menos constante en humanos que en ratas, lo que variará la eficacia de la protamina como fármaco. Además, las peptidasas humanas pueden degradar la protamina a diferentes velocidades, por lo que se requieren más pruebas para determinar la capacidad de la protamina para prevenir la obesidad en humanos. [dieciséis]
Los ratones, los humanos [1] y ciertos peces tienen dos o más protaminas diferentes, mientras que el esperma de toro y jabalí [17] tiene una forma de protamina debido a una mutación en el gen PRM2. En la rata, aunque el gen PRM2 está presente, la expresión de esta proteína es extremadamente pequeña debido a la transcripción limitada debido a un promotor ineficiente además del procesamiento alterado de la transcripción del ARNm. [18]
Las 2 protaminas humanas se denominan PRM1 y PRM2 . En ratones y humanos, PRM1, PRM2 y TNP2 están ubicados juntos en un grupo de genes conservados . [19]
Los mamíferos euterios generalmente tienen tanto PRM1 como PRM2. Los metaterianos, por otro lado, sólo tienen un homólogo de P1. [20]
Ejemplos de protaminas del pescado son:
La protamina de los peces es generalmente más corta que la de los mamíferos, con una mayor cantidad de arginina. [20]
La estructura primaria de la protamina P1, la protamina utilizada para empaquetar el ADN en los espermatozoides, en los mamíferos placentarios suele tener 49 o 50 aminoácidos de longitud. Esta secuencia se divide en tres dominios separados: un dominio rico en arginina para la unión al ADN, flanqueado por secuencias peptídicas más cortas que contienen principalmente residuos de cisteína. El dominio rico en arginina consta de 3 a 11 residuos de arginina y se conserva entre las secuencias de protamina de pescado y protamina 1 de mamífero con aproximadamente un 60-80 % de identidad de secuencia. [1]
Después de la traducción, la estructura de protamina P1 se fosforila inmediatamente en los tres dominios mencionados anteriormente. Otra ronda de fosforilación ocurre cuando el espermatozoide ingresa al óvulo, pero la función de estas fosforilación es incierta. [1]
No se conoce con certeza la estructura secundaria y terciaria exacta de la protamina, pero desde la década de 1970 se han publicado varias propuestas. [22] [23] [1] [24] [25] [20] [26] El amplio consenso es que la protamina forma estructuras de cadena beta que luego se reticulan a través de enlaces disulfuro (y potencialmente enlaces ditirosina y cisteína-tirosina). [25] [20] Cuando la protamina P1 se une al ADN, la cisteína del amino terminal de una protamina P1 forma enlaces disulfuro con la cisteína del carboxi terminal de otra protamina P1. Al neutralizar la carga de la columna vertebral, la protamina permite que el ADN se enrolle más estrechamente. [3] [26] Los enlaces disulfuro funcionan para prevenir la disociación de la protamina P1 del ADN hasta que los enlaces se reducen cuando el espermatozoide ingresa al óvulo. [1] Estos largos polímeros de protamina pueden luego envolver el ADN dentro del surco principal. [1] [23]