Los sitios de contacto de membrana ( MCS ) son aposiciones cercanas entre dos orgánulos . Los estudios ultraestructurales típicamente revelan una distancia intermembrana del orden del tamaño de una sola proteína , tan pequeña como 10 nm o más ancha, sin un límite superior claro. Estas zonas de aposición están altamente conservadas en la evolución . [1] Se cree que estos sitios son importantes para facilitar la señalización , y promueven el paso de moléculas pequeñas, incluidos iones , lípidos [2] y (descubierto más tarde) especies reactivas de oxígeno . [3] [4] Los MCS son importantes en la función del retículo endoplasmático (RE), [5] ya que este es el principal sitio de síntesis de lípidos dentro de las células. [6] El RE hace contacto cercano con muchos orgánulos, incluidas las mitocondrias , el Golgi , los endosomas , los lisosomas , los peroxisomas , los cloroplastos y la membrana plasmática . [7] Tanto las mitocondrias como los endosomas de clasificación sufren reordenamientos importantes que conducen a la fisión donde entran en contacto con el RE. [5] También se pueden formar sitios de aposición cercana entre la mayoría de estos orgánulos en la mayoría de las combinaciones por pares. [8] Las primeras menciones de estos sitios de contacto se pueden encontrar en artículos publicados a fines de la década de 1950, principalmente visualizados mediante técnicas de microscopía electrónica (EM). Copeland y Dalton los describieron como "forma tubular altamente especializada de retículo endoplasmático en asociación con las mitocondrias y, aparentemente, a su vez, con el borde vascular de la célula". [9]
Los MCS entre ER y PM existen en diferentes tipos de células, desde neuronas hasta células musculares , desde Homo sapiens hasta Saccharomyces cerevisiae . Algunos estudios mostraron que hay más de 1000 sitios de contacto presentes en cada célula de levadura y la distancia entre la bicapa lipídica varía de 10 a 25 nm (el orden del tamaño de una sola proteína ). Los sitios de contacto PM-ER se han relacionado con las principales funciones de MCS: síntesis de lípidos , tráfico de lípidos y homeostasis del calcio . [3] Se ha desarrollado un conjunto de herramientas moleculares (por ejemplo, LiMETER y MAPPER) para etiquetar y manipular la formación de uniones ER-PM en células vivas. [10] [11]
La distribución desigual de los esteroles entre las membranas de los orgánulos celulares depende en gran medida de la vía de transferencia no vesicular. Por ejemplo, en el RE, donde se sintetizan, representan alrededor del 5%, pero están mucho más concentrados en la PM, donde representan más del 30% del contenido lipídico . [12]
Debido a que los lípidos son insolubles en agua (por ejemplo, los esteroles <100 nM) y el movimiento espontáneo de lípidos entre bicapas y transbicapas tiene un tiempo de semidesintegración que varía de 1-2 h hasta 10 3 h, se acepta generalmente que el tráfico de lípidos debe estar mediado por proteínas de transferencia de lípidos (LTP) junto con el tráfico vesicular, que no es una ruta principal para los esteroles. Se han identificado varias familias de LTP: pueden transportar la molécula de lípidos protegiendo sus cadenas lipofílicas del ambiente acuoso del citosol . [7]
OSBP es el miembro más ampliamente estudiado de la familia de proteínas relacionadas con la proteína de unión a oxisterol (OSBP) ( ORP ). Se describió por primera vez como el receptor citoplasmático para 25-hidroxicolesterol, [13] y después de más de 20 años se demostró que es una proteína regulada por colesterol en complejo con ERK . [14] Ahora, después de la descripción de la base estructural para la detección y transporte de esteroles, [15] se sabe que los miembros de la familia de proteínas ORP son esenciales para la señalización de esteroles y las funciones de transporte de esteroles. Su estructura peculiar se caracteriza por un pliegue de unión de esteroles de barril β conservado con dominios adicionales que pueden dirigirse a múltiples membranas de orgánulos.
En levadura, Osh4 es un homólogo de OSBP cuya estructura cristalina, obtenida tanto en estado unido a esterol como libre, mostró una proteína de barril β soluble con una superficie externa hidrófila y un bolsillo hidrófobo que puede transportar una sola molécula de esterol. Se han identificado siete homólogos de OSBP (proteínas OSH) en Saccharomyces cerevisiae , en los que se ha sugerido que su papel es más relevante para la organización de esteroles en la PM, en lugar del tráfico de esteroles desde el ER. [3] Además, Stefan et al. demostraron que las proteínas OSH controlan el metabolismo de PI4P a través de la fosfatidilinositol (PI) 4-fosfatasa Sac1 . También propusieron un mecanismo para la regulación de Sac1: los altos niveles de fosfatidilinositol 4-fosfato (PI4P) en la membrana plasmática reclutan a Osh3 en los sitios de contacto PM-ER a través de su dominio de homología de pleckstrina (PH) ; Osh3 ahora está activo y puede interactuar con las proteínas VAP residentes en el RE Scs2/Scs22 a través de su motivo FFAT (dos fenilalaninas en un tracto ácido), activando en última instancia Sac1 localizado en el RE para reducir los niveles de PI. [16]
Las proteínas asociadas a VAMP ( VAP ) son proteínas integrales de membrana del RE altamente conservadas que participan en diferentes funciones celulares. Se localizan en el RE y su capacidad para interactuar con múltiples proteínas de transferencia de lípidos, de unión de lípidos o de detección de lípidos que contienen el motivo FFAT sugiere que las VAP tienen un papel en el transporte de lípidos en los MCS. Scs2 interactúa con Osh1, Osh2 y Osh3. Diferentes VAP pueden ser los socios en los sitios de contacto entre diferentes orgánulos. [17] [18]
Los sitios de contacto PM-ER tienen un papel bien conocido en el control de la dinámica del calcio . El principal depósito intracelular de calcio es el RE y su liberación puede ser desencadenada por diferentes estímulos. En las células excitables, el acoplamiento entre la despolarización de la PM y la liberación de los depósitos intracelulares es esencial para generar la señalización de Ca 2+ . En las células musculares , en la tríada , la junctofilina , una proteína integral de la membrana del RE , está involucrada en la estabilización del contacto ER-PM al interactuar con PIP en la PM. En estos sitios de contacto, los canales de Ca 2+ dependientes de voltaje (VGCC) activan los receptores de rianodina estrechamente yuxtapuestos expresados en el RE para desencadenar la liberación de calcio durante el acoplamiento excitación-contracción . Sin embargo, los niveles de calcio deben controlarse estrictamente en todos los tipos de células. Las células no excitables regulan la entrada de calcio a través de los canales de calcio de la PM detectando los niveles de calcio luminal del RE (los canales activados por liberación de calcio ). ORAI1 es un componente molecular del CRAC e interactúa con STIM1, una proteína del ER. STIM1 puede translocarse rápidamente a un sitio de contacto PM-ER después del agotamiento de las reservas del ER. [3]
En muchos organismos existen sitios de contacto entre la membrana mitocondrial externa y el retículo endoplásmico [2] . Existen alrededor de 100 de estos sitios de contacto entre el retículo endoplásmico y las mitocondrias por célula de levadura [3] . La fracción del retículo endoplásmico que se copurifica con las mitocondrias, la denominada membrana del retículo endoplásmico asociada a las mitocondrias (MAM), ha sido ampliamente estudiada durante la última década. En la "hipótesis MAM" se ha propuesto que en el centro de la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer reside el trastorno de los sitios de contacto entre el retículo endoplásmico y las mitocondrias, en lugar de las placas amiloides o los ovillos neurofibrilares [19] .
La presencia de enzimas involucradas en la biosíntesis de fosfolípidos en la fracción MAM se conoce desde la década de 1970, y la síntesis de algunos fosfolípidos se completa en ambos orgánulos. Por ejemplo, la vía biosintética de la fosfatidilcolina involucra diferentes pasos, algunos en el RE y otros en la membrana mitocondrial interna . Connerth et al. identificaron Ups1 como una LTP de levadura que puede transportar ácido fosfatídico (PA) entre membranas mitocondriales: demostraron que la transferencia efectiva de lípidos requería la interacción de Ups1 con Mdm35 para convertir el ácido fosfatídico en cardiolipina en la membrana interna . Además, sugirieron la existencia de un mecanismo de retroalimentación reguladora que limita la acumulación de cardiolipina en las mitocondrias: altas concentraciones de cardiolipina tienen el resultado final de inhibir su síntesis y la importación mitocondrial de PA. [20] Otro estudio de Lahiri et al. Se ha demostrado que la pérdida de contactos entre el RE y las mitocondrias da como resultado una reducción grave en la biosíntesis mitocondrial de fosfatidiletanolamina (PE) debido a la reducción en el transporte de fosfatidilserina (PS), que es el precursor de la síntesis de PE. [21]