Una ubiquitina ligasa (también llamada ubiquitina ligasa E3 ) es una proteína que recluta una enzima conjugadora de ubiquitina E2 que ha sido cargada con ubiquitina , reconoce un sustrato proteico y ayuda o cataliza directamente la transferencia de ubiquitina desde el E2 al sustrato proteico. . En términos simples y más generales, la ligasa permite el movimiento de ubiquitina desde un portador de ubiquitina a otra cosa (el sustrato) mediante algún mecanismo. La ubiquitina , una vez llega a su destino, acaba unida mediante un enlace isopéptido a un residuo de lisina , que forma parte de la proteína diana. [2] Las ligasas E3 interactúan tanto con la proteína diana como con la enzima E2, y así imparten especificidad de sustrato a la E2. Comúnmente, los E3 poliubiquitinan su sustrato con cadenas de ubiquitina unidas a Lys48, apuntando al sustrato para su destrucción por el proteosoma . Sin embargo, son posibles muchos otros tipos de enlaces que alteran la actividad, las interacciones o la localización de una proteína. La ubiquitinación por las ligasas E3 regula diversas áreas como el tráfico celular, la reparación del ADN y la señalización y es de gran importancia en la biología celular. Las ligasas E3 también son actores clave en el control del ciclo celular, mediando en la degradación de las ciclinas , así como de las proteínas inhibidoras de la quinasa dependientes de ciclina . [3] El genoma humano codifica más de 600 supuestas ligasas E3, lo que permite una enorme diversidad de sustratos. [4]
La ubiquitina ligasa se conoce como E3 y opera junto con una enzima activadora de ubiquitina E1 y una enzima conjugadora de ubiquitina E2 . Hay una enzima E1 principal, compartida por todas las ubiquitina ligasas, que utiliza ATP para activar la ubiquitina para la conjugación y la transfiere a una enzima E2. La enzima E2 interactúa con una pareja E3 específica y transfiere la ubiquitina a la proteína objetivo . El E3, que puede ser un complejo multiproteico , es, en general, responsable de dirigir la ubiquitinación a proteínas sustrato específicas . [ cita necesaria ]
La reacción de ubiquitilación se desarrolla en tres o cuatro pasos dependiendo del mecanismo de acción de la ubiquitina ligasa E3. En el primer paso conservado, un residuo de cisteína E1 ataca la glicina C-terminal activada por ATP en la ubiquitina, lo que da como resultado un complejo de tioéster Ub-S-E1. La energía del ATP y la hidrólisis del difosfato impulsa la formación de este tioéster reactivo, y los pasos posteriores son termoneutrales. A continuación, se produce una reacción de transtiolación, en la que un residuo de cisteína E2 ataca y reemplaza a la E1. Las ligasas E3 de dominio HECT tendrán una reacción de transtiolación más para transferir la molécula de ubiquitina a E3, mientras que las ligasas de tipo de dominio de dedo RING, mucho más comunes , transfieren ubiquitina directamente desde E2 al sustrato. [5] El paso final en el primer evento de ubiquitilación es un ataque del grupo lisina amina de la proteína objetivo, que eliminará la cisteína y formará un enlace isopéptido estable. [6] Una excepción notable a esto es la proteína p21 , que parece estar ubiquitilada utilizando su amina N-terminal, formando así un enlace peptídico con la ubiquitina. [7]
Se estima que los seres humanos tienen entre 500 y 1000 ligasas E3, que confieren especificidad de sustrato a E1 y E2. [8] Las ligasas E3 se clasifican en cuatro familias: HECT, RING-finger, U-box y PHD-finger. [8] Las ligasas E3 de dedo RING son la familia más grande y contienen ligasas como el complejo promotor de anafase (APC) y el complejo SCF ( complejo proteico Skp1 - Cullin -F-box). Los complejos SCF constan de cuatro proteínas: Rbx1, Cul1, Skp1, que son invariantes entre los complejos SCF, y una proteína F-box, que varía. Se han identificado alrededor de 70 proteínas F-box humanas. [9] Las proteínas F-box contienen una F-box, que se une al resto del complejo SCF, y un dominio de unión al sustrato, que le da al E3 su especificidad de sustrato. [8]
La señalización de ubiquitina se basa en la diversidad de etiquetas de ubiquitina para la especificidad de su mensaje. Una proteína se puede etiquetar con una sola molécula de ubiquitina (monoubiquitilación) o con una variedad de cadenas diferentes de moléculas de ubiquitina (poliubiquitilación). [11] Las ubiquitina ligasas E3 catalizan eventos de poliubiquitinación de la misma manera que el mecanismo de ubiquitinación única, utilizando en su lugar un residuo de lisina de una molécula de ubiquitina actualmente unida a la proteína sustrato para atacar el extremo C de una nueva molécula de ubiquitina. [6] [11] Por ejemplo, una etiqueta común de 4-ubiquitina, unida a través de la lisina en la posición 48 (K48), recluta la proteína marcada en el proteosoma y su posterior degradación. [11] Sin embargo, los siete residuos de ubiquitina lisina (K6, K11, K27, K29, K33, K48 y K63), así como la metionina N-terminal, se utilizan en cadenas in vivo. [11]
La monoubiquitinación se ha relacionado con vías de endocitosis de proteínas de membrana . Por ejemplo, la fosforilación de la tirosina en la posición 1045 en el receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) puede reclutar la ligasa c-Cbl E3 tipo RING, a través de un dominio SH2 . C-Cbl monoubiquitila EGFR, señalando su internalización y tráfico al lisosoma. [12]
La monoubiquitinación también puede regular la localización de proteínas citosólicas. Por ejemplo, la ligasa E3 MDM2 ubiquitila p53 ya sea para su degradación (cadena de poliubiquitina K48) o para su exportación nuclear (monoubiquitilación). Estos eventos ocurren de manera dependiente de la concentración, lo que sugiere que la modulación de la concentración de ligasa E3 es una estrategia reguladora celular para controlar la homeostasis y localización de las proteínas. [13]
Las ubiquitina ligasas son el determinante final, y potencialmente el más importante, de la especificidad del sustrato en la ubiquitinación de proteínas . [14] Las ligasas deben distinguir simultáneamente su sustrato proteico de miles de otras proteínas en la célula y de otras formas (inactivas para la ubiquitinación) de la misma proteína. Esto se puede lograr mediante diferentes mecanismos, la mayoría de los cuales implican el reconocimiento de grados : secuencias cortas específicas de aminoácidos o motivos químicos en el sustrato. [15]
La escisión proteolítica puede provocar la exposición de residuos en el extremo N de una proteína. Según la regla del extremo N , los diferentes aminoácidos N-terminales (o N-degrones) son reconocidos en diferente medida por su ubiquitina ligasa correspondiente (N-recognina), lo que influye en la vida media de la proteína. [16] Por ejemplo, los aminoácidos cargados positivamente ( Arg , Lys , His ) y voluminosos hidrofóbicos ( Phe , Trp , Tyr , Leu , Ile ) se reconocen preferentemente y, por lo tanto, se consideran grados desestabilizadores , ya que permiten una degradación más rápida de sus proteínas. [17]
Un degron se puede convertir en su forma activa mediante una modificación postraduccional [19] , como la fosforilación de un residuo de tirosina , serina o treonina . [20] En este caso, la ubiquitina ligasa reconoce exclusivamente la versión fosforilada del sustrato debido a la estabilización dentro del sitio de unión . Por ejemplo, FBW7 , la unidad de reconocimiento de sustrato F-box de una ubiquitina ligasa SCF FBW7 , estabiliza un sustrato fosforilado mediante la unión de hidrógeno de sus residuos de arginina al fosfato, como se muestra en la figura de la derecha. En ausencia de fosfato , los residuos de FBW7 repelen el sustrato. [18]
La presencia de oxígeno u otras moléculas pequeñas puede influir en el reconocimiento del grado. [18] La proteína von Hippel-Lindau (VHL) (parte de reconocimiento de sustrato de una ligasa E3 específica), por ejemplo, reconoce el factor alfa inducible por hipoxia (HIF-α) sólo en condiciones normales de oxígeno, cuando su prolina está hidroxilada . Por otro lado, en condiciones de hipoxia , el HIF-a no se hidroxila, evade la ubiquitinación y, por lo tanto, opera en la célula en concentraciones más altas que pueden iniciar una respuesta transcripcional a la hipoxia. [21] Otro ejemplo de control de la degradación de proteínas por parte de moléculas pequeñas es la fitohormona auxina en las plantas. [22] La auxina se une a TIR1 (el dominio de reconocimiento de sustrato de la ubiquitina ligasa SCF TIR1 ) aumentando la afinidad de TIR1 por sus sustratos ( represores transcripcionales : Aux/IAA) y promoviendo su degradación.
Además de reconocer aminoácidos, las ubiquitina ligasas también pueden detectar características inusuales en sustratos que sirven como señales para su destrucción. [14] Por ejemplo, San1 (antagonista de Sir 1), un control de calidad de proteína nuclear en levadura , tiene un dominio de unión al sustrato desordenado , lo que le permite unirse a dominios hidrofóbicos de proteínas mal plegadas . [14] Por otro lado, las glicoproteínas mal plegadas o en exceso sin ensamblar de la vía ERAD son reconocidas por Fbs1 y Fbs2, proteínas de caja F de mamíferos de las ligasas E3 SCF Fbs1 y SCF Fbs2 . [23] Estos dominios de reconocimiento tienen pequeñas bolsas hidrofóbicas que les permiten unirse a glicanos que contienen alto contenido de manosa .
Además de los grados lineales , la ligasa E3 también puede reconocer en algunos casos motivos estructurales en el sustrato. [14] En este caso, el motivo 3D puede permitir que el sustrato relacione directamente su función bioquímica con la ubiquitinación . Esta relación se puede demostrar con la proteína TRF1 (reguladora de la longitud de los telómeros humanos ), que es reconocida por su correspondiente ligasa E3 ( FBXO4 ) a través de una interacción de lámina beta intermolecular . TRF1 no se puede ubiquinar mientras está unido a los telómeros, probablemente porque el mismo dominio TRF1 que se une a su ligasa E3 también se une a los telómeros. [14]
Las ubiquitina ligasas E3 regulan la homeostasis, el ciclo celular y las vías de reparación del ADN y, como resultado, varias de estas proteínas están involucradas en una variedad de cánceres, incluidos los famosos MDM2, BRCA1 y el supresor de tumores de Von Hippel-Lindau . [24] Por ejemplo, se ha encontrado una mutación de MDM2 en cáncer de estómago , [25] carcinoma de células renales , [26] y cáncer de hígado [27] (entre otros) para desregular las concentraciones de MDM2 al aumentar la afinidad de su promotor por la transcripción Sp1. factor , que provoca un aumento de la transcripción del ARNm de MDM2. [25] Se encuentran disponibles varias técnicas experimentales basadas en proteómica para identificar pares de sustrato-ubiquitina ligasa E3, [28] como la identificación de biotina dependiente de la proximidad (BioID), la captura de sustrato-ubiquitina ligasa y las entidades de unión de ubiquitina en tándem (TUBE).
