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Receptor de manosa 6-fosfato

Los receptores de manosa 6-fosfato ( MPR ) son glicoproteínas transmembrana que dirigen enzimas a los lisosomas en los vertebrados . [1]

Los receptores de manosa 6-fosfato se unen a las hidrolasas lisosomales recién sintetizadas en la red trans-Golgi (TGN) y las entregan a los compartimentos prelisosomales. Hay dos MPR diferentes, uno de ~300 kDa y un receptor dimérico más pequeño de ~46 kDa. [2] [3] El receptor más grande se conoce como receptor de manosa 6-fosfato independiente de cationes ( CI-MPR ), mientras que el receptor más pequeño ( CD-MPR ) requiere cationes divalentes para reconocer eficientemente las hidrolasas lisosomales. [3] Si bien los cationes divalentes no son esenciales para la unión del ligando mediante el CD-MPR humano, se ha conservado la nomenclatura. [4]

Ambos receptores se unen a manosa 6-fosfato terminal con afinidad similar (CI-MPR = 7 μM, CD-MPR = 8 μM) [5] y tienen señales similares en sus dominios citoplasmáticos para el tráfico intracelular. [6]

Historia

Elizabeth Neufeld estaba estudiando pacientes que tenían múltiples cuerpos de inclusión presentes en sus células . [7] Debido a la gran cantidad de cuerpos de inclusión, llamó a esta condición enfermedad de células I. Estos cuerpos de inclusión representaban lisosomas llenos de material no digerible. Al principio, Neufeld pensó que estos pacientes debían tener una falta de enzimas lisosomales . . Estudios posteriores demostraron que se estaban produciendo todas las enzimas lisosomales, pero se estaban dirigiendo a ellas de manera incorrecta . En lugar de enviarse al lisosoma , estaban siendo secretados. Además, se descubrió que estas enzimas mal dirigidas no estaban fosforiladas . Por lo tanto, Neufeld sugirió que la enfermedad de las células I fue causada por una deficiencia en las enzimas que añaden una etiqueta específica de manosa 6-fosfato a las enzimas lisosomales para que puedan dirigirse al lisosoma .

Los estudios sobre la enfermedad de las células I llevaron al descubrimiento de los receptores que se unen a esta etiqueta específica. En primer lugar, se descubrió y aisló el CI-MPR mediante el uso de cromatografía de afinidad . Sin embargo, los científicos descubrieron que algunas de las enzimas lisosomales aún llegaban al lisosoma en ausencia del CI-MPR. Esto llevó a la identificación de otro receptor de unión a manosa 6-fosfato , el CD-MPR, que se une a su ligando en presencia de un catión divalente como Mn 2+ . [8] [9]

Se han clonado y caracterizado los genes de cada receptor . Se cree que han evolucionado a partir del mismo gen ancestral ya que existe conservación en algunos de sus bordes intrón / exón y existe homología en sus dominios de unión . [7]

Función

La función principal de los MPR es dirigir las enzimas lisosomales al lisosoma .

Mecanismo de focalización

Las enzimas lisosomales se sintetizan en el retículo endoplásmico rugoso junto con una variedad de otras proteínas secretoras . Se ha desarrollado una etiqueta de reconocimiento específica para evitar que estas enzimas lisosomales dañinas sean secretadas y para garantizar que se dirijan al lisosoma. [7] Esta etiqueta es un residuo de manosa 6-fosfato.

Una vez que la enzima lisosomal se ha translocado al retículo endoplásmico rugoso, un oligosacárido compuesto por Glc 3 Man 9 GlcNAc 2 se transfiere en bloque a la proteína. [1] El oligosacárido presente en las enzimas lisosomales se procesa de la misma manera que otras proteínas secretoras mientras se transloca desde el retículo endoplásmico al cis -Golgi .

Una imagen que muestra la estructura general del CI-MPR y el CD-MPR. Esta imagen ha sido adaptada de una 'Introducción a la glicobiología' [1]

En el Trans -Golgi, una GlcNAc fosfotransferasa (EC 2.7.8.17) agrega un residuo de GlcNAc -1- fosfato al grupo 6-hidroxilo de un residuo de manosa específico dentro del oligosacárido . [10] Esto forma un fosfodiéster : Man-fosfato-GlcNAc. Una vez formado el fosfodiéster, la enzima lisosomal se trasladará a través del aparato de Golgi al trans -Golgi . En el trans -Golgi, una fosfodiesterasa (EC 3.1.4.45) eliminará el residuo de GlcNAc exponiendo la etiqueta manosa 6-fosfato, permitiendo que las enzimas lisosomales se unan a CI-MPR y CD-MPR. El complejo MPR-enzima lisosomal se transloca a un compartimento prelisosomal, conocido como endosoma , en una vesícula recubierta de COPII . [11] [12] Este alejamiento de la vía secretora se logra mediante la presencia de una señal de clasificación específica, un motivo de grupo ácido/dileucina, en las colas citoplasmáticas de las MPR. [13] Ambos MPR se unen a sus ligandos con mayor eficacia a un pH de 6 a 7; permitiendo así que los receptores se unan a las enzimas lisosomales en el trans -Golgi y las liberen en el ambiente acidificado del endosoma . Una vez que la enzima se ha disociado del receptor de manosa 6-fosfato, se transloca del endosoma al lisosoma donde se elimina la etiqueta de fosfato de la enzima .

Los MPR no se encuentran en los lisosomas ; circulan principalmente entre la red trans -Golgi y los endosomas . El CI-MPR también está presente en la superficie celular . Alrededor del 10-20% del CI-MPR se puede encontrar en la membrana celular. [14] Su función aquí es capturar cualquier enzima marcada con manosa 6-fosfato que haya ingresado accidentalmente en la vía secretora. Una vez que se une a una enzima lisosomal, el receptor se internaliza rápidamente. La internalización está mediada por una señal de clasificación en su cola citoplasmática: un motivo YSKV. [13] Esto asegura que todas las enzimas lisosomales dañinas se dirigirán al lisosoma .

Estudios con ratones knockout

CI-MPR

Los ratones que carecen de CI-MPR mueren en el día 15 de gestación debido a hiperplasia cardíaca . [7] Los ratones sufren de un crecimiento anormal porque no pueden regular los niveles de IGF-II libre (factor de crecimiento similar a la insulina tipo II). La muerte de los ratones se puede prevenir si también se elimina el alelo IGF-II . Un análisis más detallado de los embriones también mostró que presentan defectos en la selección de enzimas lisosomales, ya que tienen un mayor nivel de enzimas lisosomales fosforiladas en su líquido amniótico . Aproximadamente el 70% de las enzimas lisosomales se secretan en ausencia de CI-MPR; esto sugiere que CD-MPR no puede compensar su pérdida. [1]

CD-MPR

Cuando se elimina el CD-MPR en ratones, estos parecen sanos, aparte del hecho de que tienen defectos en la dirección de múltiples enzimas lisosomales . Estos ratones muestran niveles elevados de enzimas lisosomales fosforiladas en la sangre y acumulan material no digerido en sus lisosomas . [7]

A partir de estos ratones knockout se puede deducir que ambos receptores son necesarios para la focalización eficaz de las enzimas lisosomales . Las enzimas lisosomales secretadas por las dos líneas celulares knockout diferentes forman dos conjuntos diferentes. Esto sugiere que cada MPR interactúa preferentemente con un subconjunto de enzimas lisosomales .

Estructura

El CI-MPR y el CD-MPR son receptores estructuralmente distintos, sin embargo , comparten una estructura general ya que ambos son proteínas de membrana integrales de tipo I. Ambos receptores tienen un gran dominio extracitoplasmático N-terminal , un dominio transmembrana y una cola citoplasmática C-terminal corta. Estas colas citoplasmáticas contienen múltiples señales de clasificación; [15] algunos de los cuales pueden estar fosforilados o palmitoilados . [13]

Los primeros 3 dominios N-terminales (Dominios 1, 2 y 3) del receptor de manosa 6-fosfato independiente de catión con su ligando unido. Imagen generada a partir del archivo PDB: = 1SZ0 1SZ0 usando PyMol.

CI-MPR : El CI-MPR es ~300 kDa. [16] El dominio extracitoplasmático N-terminal contiene 15 dominios de reconocimiento de carbohidratos de tipo P contiguos. [16] Se les conoce como dominios MRH (homología del receptor de manosa 6-fosfato). Los dominios son homólogos porque tienen:

Se ha determinado la estructura de 7 de los 15 dominios mediante cristalografía de rayos X y parecen compartir un pliegue similar . [16] El CI-MPR existe principalmente como un dímero en la membrana . Se ha descubierto que los dominios 3, 5 y 9 se unen a manosa 6-fosfato. Los dominios 3 y 9 pueden unirse a manosa 6-fosfato con alta afinidad . El dominio 5 sólo se une al Man-6-fosfato con una afinidad débil . Sin embargo, también se ha demostrado que el dominio 5 se une al fosfodiéster, Man-fosfato-GlcNAc. [16] Este es un mecanismo de seguridad para la célula: significa que es capaz de unirse a enzimas lisosomales que han escapado a la acción de la enzima que elimina el residuo de GlcNAc . La combinación de estos 3 dominios permite que CI-MPR se una a una amplia gama de estructuras de glucanos fosforilados . El dominio 11 se une al IGF-II .

CD-MPR : El CD-MPR es mucho más pequeño que el CI-MPR: solo mide ~46 kDa. [16] Su dominio extracitoplasmático N-terminal contiene solo 1 dominio de reconocimiento de carbohidratos de tipo P. El CD-MPR existe principalmente como un dímero en la membrana . Sin embargo, también se cree que existen formas monoméricas y tetraméricas . [17] El equilibrio entre estos diferentes oligómeros se ve afectado por el pH , la temperatura y la presencia de residuos de manosa 6-fosfato. Cada monómero forma un barril β de 9 cadenas que puede unirse a un único residuo de manosa 6-fosfato.

El receptor de manosa 6-fosfato dependiente de cationes con su ligando unido. La esfera violeta representa el catión Mn 2+ . Imagen generada a partir del archivo PDB: = 1C39 1C39 usando PyMol.

Unión de manosa 6-fosfato

El CI-MPR y el CD-MPR se unen a la manosa 6-fosfato de forma similar. Ambos forman un conjunto de enlaces de hidrógeno entre residuos clave y grupos hidroxilo característicos en el residuo de manosa . Los enlaces de hidrógeno con los grupos hidroxilo en las posiciones 2, 3 y 4 hacen que el sitio sea específico para la manosa sola.

Ambas MPR comparten 4 residuos que son esenciales para la unión del ligando . La mutación de cualquiera de estos residuos da como resultado la pérdida de la unión de manosa 6-fosfato. [16] Estos residuos son glutamina , arginina , ácido glutámico y tirosina y son responsables de formar los enlaces de hidrógeno que contactan grupos hidroxilo específicos en el residuo manosa .

En las enzimas lisosomales puede estar presente una amplia gama de estructuras de N-glicanos . Estos glicanos pueden variar en:

CI-MPR y CD-MPR pueden unirse a esta amplia gama de estructuras de N-glicano al tener una arquitectura de sitio de unión diferente. [1] Los MPR también se unen al grupo fosfato de una manera ligeramente diferente. El dominio 3 del CI-MPR utiliza Ser -386 y una molécula de agua ordenada para unirse al resto de fosfato . Por otro lado, el CD-MPR utiliza los residuos Asp -103, Asn -104 y His -105 para formar enlaces de hidrógeno favorables al grupo fosfato . [16] El CD-MPR también contiene un catión divalente Mn 2+ que forma enlaces de hidrógeno favorables con el resto fosfato .

CI-MPR y cáncer

Está bien establecido que el CI-MPR se une a la manosa 6-fosfato, pero cada vez hay más evidencia que sugiere que el CI-MPR también se une al IGF-II no glicosilado . Se cree que cuando el CI-MPR está presente en la superficie celular , el dominio 11 se unirá a cualquier IGF-II libre en la matriz extracelular . Luego, el receptor se internaliza rápidamente, junto con el IGF-II , a través de un motivo YSKV presente en la cola citoplásmica del CI-MPR. [13] El IGF-II luego se dirigirá al lisosoma donde se degradará. Esto regula el nivel de IGF-II libre en el cuerpo.

Esta función del CI-MPR se determinó mediante el uso de ratones knockout . Se observó que los ratones con deficiencia de CI-MPR tenían un mayor nivel de IGF-II libre y órganos agrandados (alrededor de un aumento de tamaño del 30% [7] ). Estos ratones mueren en el día 15 de gestación debido a una hiperplasia cardíaca . [7] La ​​muerte de los ratones se pudo evitar eliminando también el alelo IGF-II . Cuando se eliminan los alelos CI-MPR y IGF-II, se observa un crecimiento normal del ratón, ya que ya no hay un factor de crecimiento presente que deba regularse.

Debido a la capacidad de CI-MPR para modular los niveles de IGF-II, se ha sugerido que puede desempeñar un papel como supresor de tumores . [13] Los estudios de múltiples cánceres humanos han demostrado que la pérdida de la función CI-MPR se asocia con una progresión en la tumorigénesis . [18] La pérdida de heterocigosidad (LOH) en el locus CI-MPR se ha demostrado en múltiples tipos de cáncer , incluidos el de hígado y de mama . [13] [19] Sin embargo, este es un concepto relativamente nuevo y muchos más estudios tendrán que investigar la relación entre el CI-MPR y el cáncer .

Referencias

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Otras lecturas

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