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Sod1

La superóxido dismutasa [Cu-Zn] también conocida como superóxido dismutasa 1 o hSod1 es una enzima que en los humanos está codificada por el gen SOD1 , ubicado en el cromosoma 21. SOD1 es una de las tres superóxido dismutasas humanas . [5] [6] Está implicada en la apoptosis , la esclerosis lateral amiotrófica familiar y la enfermedad de Parkinson . [6] [7]

Estructura

La SOD1 es un homodímero de 32 kDa que forma un barril beta (β-barril) y contiene un enlace disulfuro intramolecular y un sitio binuclear Cu/Zn en cada subunidad. Este sitio Cu/Zn contiene el cobre y un ion zinc y es responsable de catalizar la desproporción de superóxido a peróxido de hidrógeno y dioxígeno . [8] [9] El proceso de maduración de esta proteína es complejo y no se comprende completamente, involucra la unión selectiva de iones de cobre y zinc, la formación del enlace disulfuro intra-subunidad entre Cys-57 y Cys-146, y la dimerización de las dos subunidades. La chaperona de cobre para Sod1 (CCS) facilita la inserción de cobre y la oxidación del disulfuro. Aunque la SOD1 se sintetiza en el citosol y puede madurar allí, la fracción de SOD1 expresada pero aún inmadura que se dirige a las mitocondrias debe insertarse en el espacio intermembrana. Allí, forma el enlace disulfuro, aunque no la metalación, necesaria para su maduración. [9] La proteína madura es muy estable, [10] pero inestable cuando está en sus formas libre de metal y reducida por disulfuro. [8] [9] [10] Esto se manifiesta in vitro, ya que la pérdida de iones metálicos da como resultado una mayor agregación de SOD1, y en modelos de enfermedad, donde se observa una baja metalación para la SOD1 insoluble. Además, las cisteínas reducidas expuestas a la superficie podrían participar en la reticulación del disulfuro y, por lo tanto, en la agregación. [8]

Función

La SOD1 se une a los iones de cobre y zinc y es una de las tres superóxido dismutasas responsables de destruir los radicales superóxido libres en el cuerpo. La isoenzima codificada es una proteína soluble del espacio intermembrana citoplasmático y mitocondrial , que actúa como un homodímero para convertir los radicales superóxido naturales, pero dañinos, en oxígeno molecular y peróxido de hidrógeno . [9] [11] El peróxido de hidrógeno puede luego descomponerse por otra enzima llamada catalasa.

Se ha postulado que la SOD1 se localiza en la membrana mitocondrial externa (OMM), donde se generarían los aniones superóxido, o en el espacio intermembrana . Los mecanismos exactos para su localización siguen siendo desconocidos, pero su agregación a la OMM se ha atribuido a su asociación con BCL-2. La SOD1 de tipo salvaje ha demostrado propiedades antiapoptóticas en cultivos neuronales, mientras que se ha observado que la SOD1 mutante promueve la apoptosis en las mitocondrias de la médula espinal, pero no en las mitocondrias del hígado , aunque se expresa por igual en ambas. Dos modelos sugieren que la SOD1 inhibe la apoptosis al interactuar con las proteínas BCL-2 o con las mitocondrias mismas. [6]

Importancia clínica

Papel en el estrés oxidativo

En particular, la SOD1 es fundamental en la liberación de especies reactivas de oxígeno (ROS) durante el estrés oxidativo por lesión por isquemia-reperfusión , específicamente en el miocardio como parte de un ataque cardíaco (también conocido como enfermedad cardíaca isquémica ). La enfermedad cardíaca isquémica, que resulta de una oclusión de una de las arterias coronarias principales , sigue siendo actualmente la principal causa de morbilidad y mortalidad en la sociedad occidental. [12] [13] Durante la isquemia-reperfusión, la liberación de ROS contribuye sustancialmente al daño y muerte celular a través de un efecto directo sobre la célula, así como a través de señales apoptóticas. Se sabe que la SOD1 tiene la capacidad de limitar los efectos perjudiciales de las ROS. Como tal, la SOD1 es importante por sus efectos cardioprotectores. [14] Además, la SOD1 se ha implicado en la cardioprotección contra la lesión por isquemia-reperfusión, como durante el preacondicionamiento isquémico del corazón. [15] Aunque se sabe que una gran explosión de ROS provoca daño celular, una liberación moderada de ROS de las mitocondrias, que se produce durante episodios cortos no letales de isquemia, puede desempeñar un papel desencadenante significativo en las vías de transducción de señales del preacondicionamiento isquémico que conduce a la reducción del daño celular. Incluso se ha observado que durante esta liberación de ROS, la SOD1 desempeña un papel importante regulando la señalización apoptótica y la muerte celular.

En un estudio, se informaron deleciones en el gen en dos casos familiares de queratocono . [16] Los ratones que carecen de SOD1 tienen una mayor pérdida de masa muscular relacionada con la edad ( sarcopenia ), desarrollo temprano de cataratas , degeneración macular , involución tímica , carcinoma hepatocelular y una esperanza de vida más corta. [17] Las investigaciones sugieren que el aumento de los niveles de SOD1 podría ser un biomarcador de toxicidad crónica por metales pesados ​​en mujeres con empastes de amalgama dental a largo plazo . [18]

Esclerosis lateral amiotrófica (enfermedad de Lou Gehrig)

Las mutaciones (más de 150 identificadas hasta la fecha) en este gen se han relacionado con la esclerosis lateral amiotrófica familiar . [19] [20] [21] Sin embargo, varias pruebas también muestran que la SOD1 de tipo salvaje, en condiciones de estrés celular, está implicada en una fracción significativa de casos esporádicos de ELA, que representan el 90% de los pacientes con ELA. [22] Las mutaciones más frecuentes son A4V (en los EE. UU.) y H46R (Japón). En Islandia solo se ha encontrado SOD1-G93S. El modelo de ratón de ELA más estudiado es G93A . Se han informado variantes de transcripción raras para este gen. [11]

Prácticamente todas las mutaciones conocidas del gen SOD1 que causan ELA actúan de manera dominante ; una única copia mutante del gen SOD1 es suficiente para causar la enfermedad. Se desconoce el mecanismo molecular exacto (o los mecanismos) por los cuales las mutaciones del gen SOD1 causan la enfermedad. Parece ser algún tipo de ganancia tóxica de función, [21] ya que muchos mutantes del gen SOD1 asociados con la enfermedad (incluidos G93A y A4V) conservan la actividad enzimática y los ratones knock out del gen Sod1 no desarrollan ELA (aunque sí presentan una fuerte neuropatía motora distal dependiente de la edad).

La ELA es una enfermedad neurodegenerativa caracterizada por la pérdida selectiva de neuronas motoras que causa atrofia muscular . El producto de oxidación del ADN 8-OHdG es un marcador bien establecido de daño oxidativo del ADN . 8-OHdG se acumula en las mitocondrias de las neuronas motoras espinales de personas con ELA. [23] En ratones transgénicos con ELA que albergan un gen SOD1 mutante, 8-OHdG también se acumula en el ADN mitocondrial de las neuronas motoras espinales. [24] Estos hallazgos sugieren que el daño oxidativo al ADN mitocondrial de las neuronas motoras debido a la SOD1 alterada puede ser un factor significativo en la etiología de la ELA.

Mutación A4V

A4V ( alanina en el codón 4 cambiada a valina ) es la mutación más común que causa ELA en la población estadounidense, y aproximadamente el 50 % de los pacientes con ELA SOD1 son portadores de la mutación A4V. [25] [26] [27] Aproximadamente el 10 por ciento de todos los casos de ELA familiar en los EE. UU. son causados ​​por mutaciones heterocigóticas de A4V en SOD1. La mutación rara vez se encuentra fuera de las Américas.

Recientemente se estimó que la mutación A4V ocurrió hace 540 generaciones (aproximadamente 12.000 años). El haplotipo que rodea la mutación sugiere que la mutación A4V surgió en los ancestros asiáticos de los nativos americanos, que llegaron a América a través del estrecho de Bering . [28]

La mutación A4V pertenece a los mutantes similares a los WT. Los pacientes con mutaciones A4V presentan una edad de inicio variable, pero una evolución de la enfermedad uniformemente rápida, con una supervivencia media tras el inicio de 1,4 años (frente a los 3-5 años con otras mutaciones dominantes de SOD1 y, en algunos casos como H46R, considerablemente más larga). Esta supervivencia es considerablemente más corta que la de la ELA asociada a SOD1 no mutante.

Mutación H46R

La H46R ( histidina en el codón 46 cambiada a arginina ) es la mutación más común que causa ELA en la población japonesa, y aproximadamente el 40 % de los pacientes japoneses con ELA SOD1 son portadores de esta mutación. La H46R causa una pérdida profunda de la unión del cobre en el sitio activo de SOD1 y, como tal, la H46R es enzimáticamente inactiva. El curso de la enfermedad de esta mutación es extremadamente largo, y el tiempo típico desde el inicio hasta la muerte es de más de 15 años. [29] Los modelos de ratón con esta mutación no exhiben la patología clásica de vacuolación mitocondrial observada en ratones con ELA G93A y G37R y, a diferencia de los ratones G93A, la deficiencia de la principal enzima antioxidante mitocondrial, SOD2 , no tiene efecto en el curso de su enfermedad. [29]

Mutación G93A

G93A (glicina 93 cambiada a alanina) es una mutación comparativamente rara, pero ha sido estudiada muy intensamente ya que fue la primera mutación en ser modelada en ratones. G93A es una mutación pseudo-WT que deja la actividad enzimática intacta. [27] Debido a la fácil disponibilidad del ratón G93A de Jackson Laboratory , se han llevado a cabo muchos estudios de posibles dianas farmacológicas y mecanismos de toxicidad en este modelo. Al menos un instituto de investigación privado ( ALS Therapy Development Institute ) está realizando pruebas de fármacos a gran escala exclusivamente en este modelo de ratón. En la actualidad se desconoce si los hallazgos son específicos para G93A o aplicables a todas las mutaciones SOD1 que causan ELA. Se ha argumentado que ciertas características patológicas del ratón G93A se deben a artefactos de sobreexpresión, específicamente aquellos relacionados con la vacuolación mitocondrial (el ratón G93A comúnmente utilizado de Jackson Lab tiene más de 20 copias del gen SOD1 humano). [30] Al menos un estudio ha descubierto que ciertas características de la patología son idiosincrásicas de G93A y no extrapolables a todas las mutaciones que causan ELA. [29] Estudios posteriores han demostrado que la patogenia de los modelos G93A y H46R son claramente distintas; algunos medicamentos e intervenciones genéticas que son altamente beneficiosos/perjudiciales en un modelo tienen el efecto opuesto o ningún efecto en el otro. [31] [32] [33]

Síndrome de Down

El síndrome de Down (SD) suele estar causado por una triplicación del cromosoma 21. Se cree que el estrés oxidativo es un factor subyacente importante en las patologías relacionadas con el SD . El estrés oxidativo parece deberse a la triplicación y al aumento de la expresión del gen SOD1 ubicado en el cromosoma 21. El aumento de la expresión de SOD1 probablemente causa un aumento de la producción de peróxido de hidrógeno, lo que conduce a un aumento de la lesión celular.

Se encontró que los niveles de 8-OHdG en el ADN de personas con SD, medidos en saliva , eran significativamente más altos que en los grupos de control. [34] Los niveles de 8-OHdG también aumentaron en los leucocitos de las personas con SD en comparación con los controles. [35] Estos hallazgos sugieren que el daño oxidativo del ADN puede conducir a algunas de las características clínicas del SD.

Interacciones

Se ha demostrado que SOD1 interactúa con CCS [36] y Bcl-2 . [37] [38] [39] [40]

Referencias

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Lectura adicional

112-115. césped 1