Integrina

integrinas son receptores transmembrana que facilitan la adhesión célula-célula y célula-matriz extracelular (MEC). Tras la unión del ligando, las integrinas activan vías de transducción de señales que median señales celulares como la regulación del ciclo celular, la organización del citoesqueleto intracelular y el movimiento de nuevos receptores a la membrana celular. La presencia de integrinas permite respuestas rápidas y flexibles a eventos en la superficie celular (p. ej., señalar a las plaquetas que inicien una interacción con los factores de coagulación).

Existen varios tipos de integrinas y, por lo general, una célula tiene varios tipos diferentes en su superficie. Las integrinas se encuentran en todos los animales, mientras que los receptores similares a las integrinas se encuentran en las células vegetales.

Las integrinas funcionan junto con otras proteínas, como las cadherinas, las moléculas de adhesión celular de la superfamilia de las inmunoglobulinas, las selectinas y los sindecanos, para mediar en la interacción célula-célula y célula-matriz. Los ligandos para las integrinas incluyen fibronectina, vitronectina, colágeno y laminina.

Estructura

Las integrinas son heterodímeros obligados compuestos por subunidades α y β. Varios genes codifican múltiples isoformas de estas subunidades, lo que da lugar a una serie de integrinas únicas con actividad variada. En los mamíferos, las integrinas se ensamblan a partir de dieciocho subunidades α y ocho β, en Drosophila cinco subunidades α y dos β, y en Caenorhabditis nematodos dos subunidades α y una subunidad β. Las subunidades α y β son proteínas transmembrana de clase I, por lo que cada una penetra la membrana plasmática una vez y puede poseer varios dominios citoplasmáticos.

Las variantes de algunas subunidades se forman mediante corte y empalme diferencial de ARN; por ejemplo, existen cuatro variantes de la subunidad beta-1. A través de diferentes combinaciones de las subunidades α y β, se generan 24 integrinas de mamífero únicas, excluyendo las variantes de empalme y glicosilación.

Las subunidades de integrina atraviesan la membrana celular y tienen dominios citoplasmáticos cortos de 40 a 70 aminoácidos. La excepción es la subunidad beta-4, que tiene un dominio citoplasmático de 1088 aminoácidos, uno de los más grandes de cualquier proteína de membrana. Fuera de la membrana celular, las cadenas α y β se encuentran juntas a lo largo de unos 23 nm; los terminales N finales de 5 nm de cada cadena forman una región de unión a ligando para la MEC. Se han comparado con pinzas de langosta, aunque en realidad no "pellizcan" su ligando, interactúan químicamente con él en el interior de las "puntas" de sus "pinchers".

La masa molecular de las subunidades de integrina puede variar de 90 kDa a 160 kDa. Las subunidades beta tienen cuatro secuencias repetidas ricas en cisteína. Las subunidades α y β se unen a varios cationes divalentes. Se desconoce el papel de los cationes divalentes en la subunidad α, pero puede estabilizar los pliegues de la proteína. Los cationes de las subunidades β son más interesantes: están directamente implicados en la coordinación de al menos algunos de los ligandos a los que se unen las integrinas.

Las integrinas se pueden clasificar de varias maneras. Por ejemplo, algunas cadenas α tienen un elemento estructural adicional (o "dominio") insertado hacia el N-terminal, el dominio alfa-A (llamado así porque tiene una estructura similar a los dominios A que se encuentran en la proteína factor de von Willebrand; también se denomina dominio α-I). Las integrinas que llevan este dominio se unen a colágenos (p. ej., integrinas α1 β1 y α2 β1) o actúan como moléculas de adhesión célula-célula (integrinas de la familia β2). Este dominio α-I es el sitio de unión para los ligandos de tales integrinas. Aquellas integrinas que no llevan este dominio insertado también tienen un dominio A en su sitio de unión al ligando, pero este dominio A se encuentra en la subunidad β.

En ambos casos, los dominios A llevan hasta tres sitios de unión de cationes divalentes. Uno está permanentemente ocupado en concentraciones fisiológicas de cationes divalentes y transporta un ion de calcio o magnesio, los principales cationes divalentes en la sangre en concentraciones medias de 1,4 mM (calcio) y 0,8 mM (magnesio). Los otros dos sitios son ocupados por cationes cuando los ligandos se unen, al menos para aquellos ligandos que involucran un aminoácido ácido en sus sitios de interacción. Un aminoácido ácido aparece en el sitio de interacción con la integrina de muchas proteínas de la MEC, por ejemplo, como parte de la secuencia de aminoácidos Arginina-Glicina-Ácido aspártico ("RGD" en el código de aminoácidos de una letra).

Estructura

A pesar de muchos años de esfuerzo, descubrir la estructura de alta resolución de las integrinas resultó ser un desafío, ya que las proteínas de membrana suelen ser difíciles de purificar y las integrinas son grandes, complejas y altamente glicosiladas con muchos "árboles" de azúcar. 39; unido a ellos. Imágenes de baja resolución de extractos detergentes de integrina GPIIbIIIa intacta, obtenidas mediante microscopía electrónica, e incluso datos de técnicas indirectas que investigan las propiedades de las integrinas en solución mediante ultracentrifugación y dispersión de luz, se combinaron con datos fragmentarios de RMN o cristalográficos de alta resolución de muestras individuales o dominios apareados de cadenas de integrinas simples y modelos moleculares postulados para el resto de las cadenas.

La estructura cristalina de rayos X obtenida para la región extracelular completa de una integrina, αvβ3, muestra que la molécula se pliega en forma de V invertida que potencialmente acerca los sitios de unión del ligando a la membrana celular. Quizás lo más importante es que también se obtuvo la estructura cristalina para la misma integrina unida a un pequeño ligando que contenía la secuencia RGD, el fármaco cilengitide. Como se detalló anteriormente, esto finalmente reveló por qué los cationes divalentes (en los dominios A) son críticos para la unión del ligando RGD a las integrinas. Se cree que la interacción de dichas secuencias con las integrinas es un interruptor principal mediante el cual la ECM ejerce sus efectos sobre el comportamiento celular.

La estructura plantea muchas preguntas, especialmente con respecto a la unión de ligandos y la transducción de señales. El sitio de unión del ligando se dirige hacia el terminal C de la integrina, la región donde la molécula emerge de la membrana celular. Si emerge ortogonalmente de la membrana, el sitio de unión del ligando aparentemente estaría obstruido, especialmente porque los ligandos de integrina son típicamente componentes masivos y bien entrecruzados de la MEC. De hecho, se sabe poco sobre el ángulo que subtienden las proteínas de membrana con respecto al plano de la membrana; este es un problema difícil de abordar con las tecnologías disponibles. La suposición predeterminada es que emergen como pequeñas paletas, pero hay poca evidencia de esto. La estructura de la integrina ha llamado la atención sobre este problema, que puede tener implicaciones generales sobre cómo funcionan las proteínas de membrana. Parece que las hélices transmembrana de la integrina están inclinadas (ver 'Activación' a continuación), lo que sugiere que las cadenas extracelulares pueden no ser ortogonales con respecto a la superficie de la membrana.

Aunque la estructura cristalina cambió sorprendentemente poco después de unirse a la cilengitida, la hipótesis actual es que la función de la integrina implica cambios en la forma para mover el sitio de unión del ligando a una posición más accesible, lejos de la superficie celular, y esta forma también cambia activa la señalización intracelular. Hay una gran cantidad de literatura sobre biología celular y bioquímica que respalda este punto de vista. Quizás la evidencia más convincente implica el uso de anticuerpos que solo reconocen las integrinas cuando se han unido a sus ligandos o están activadas. Como la "huella" que un anticuerpo crea en su objetivo de unión es aproximadamente un círculo de unos 3 nm de diámetro, la resolución de esta técnica es baja. Sin embargo, estos anticuerpos denominados LIBS (Ligand-Induced-Binding-Sites) muestran de forma inequívoca que se producen de forma rutinaria cambios drásticos en la forma de la integrina. Sin embargo, aún se desconoce cómo se ven los cambios detectados con anticuerpos en la estructura.

Activación

Cuando se liberan en la membrana celular, se especula que los dímeros de integrina recién sintetizados se encuentran en la misma membrana "doblada" conformación revelada por los estudios estructurales descritos anteriormente. Una escuela de pensamiento afirma que esta forma doblada les impide interactuar con sus ligandos, aunque las formas dobladas pueden predominar en estructuras EM de alta resolución de integrina unida a un ligando ECM. Por lo tanto, al menos en experimentos bioquímicos, los dímeros de integrina aparentemente no deben ser 'desdoblados'. para cebarlos y permitir su unión al ECM. En las células, el cebado se logra mediante una proteína talina, que se une a la cola β del dímero de integrina y cambia su conformación. Las cadenas de integrina α y β son proteínas transmembrana de clase I: atraviesan la membrana plasmática como hélices alfa transmembrana únicas. Desafortunadamente, las hélices son demasiado largas y estudios recientes sugieren que, para la integrina gpIIbIIIa, están inclinadas entre sí y con respecto al plano de la membrana. La unión de Talin altera el ángulo de inclinación de la hélice transmembrana de la cadena β3 en los sistemas modelo y esto puede reflejar una etapa en el proceso de señalización de adentro hacia afuera que prepara las integrinas. Además, las proteínas talina pueden dimerizarse y, por lo tanto, se cree que intervienen en la agrupación de dímeros de integrina que conduce a la formación de una adhesión focal. Recientemente, también se ha descubierto que las proteínas Kindlin-1 y Kindlin-2 interactúan con la integrina y la activan.

Función

Las integrinas tienen dos funciones principales, la unión de las células a la MEC y la transducción de señales desde la MEC a las células. También participan en una amplia gama de otras actividades biológicas, incluida la extravasación, la adhesión de célula a célula, la migración celular y como receptores de ciertos virus, como adenovirus, echovirus, hantavirus y fiebre aftosa, poliomielitis. virus y otros virus. Recientemente, la importancia de las integrinas en el progreso de los trastornos autoinmunes también está llamando la atención de los científicos. Estos mecanorreceptores parecen regular la autoinmunidad al dictar varias vías intracelulares para controlar la adhesión de las células inmunitarias a las capas de células endoteliales seguidas de su transmigración. Este proceso podría o no depender de la fuerza total que enfrentan las partes extracelulares de diferentes integrinas.

Se observa una función destacada de las integrinas en la molécula GpIIb/IIIa, una integrina en la superficie de las plaquetas sanguíneas (trombocitos) responsable de la unión a la fibrina dentro de un coágulo de sangre en desarrollo. Esta molécula aumenta drásticamente su afinidad de unión por la fibrina/fibrinógeno a través de la asociación de plaquetas con colágenos expuestos en el sitio de la herida. Tras la asociación de plaquetas con colágeno, GPIIb/IIIa cambia de forma, lo que le permite unirse a la fibrina y otros componentes de la sangre para formar la matriz del coágulo y detener la pérdida de sangre.

Anexo de la celda al ECM

Las integrinas acoplan la matriz extracelular celular (MEC) fuera de una célula con el citoesqueleto (en particular, los microfilamentos) dentro de la célula. El ligando de la MEC al que se puede unir la integrina se define por las subunidades α y β de las que está compuesta la integrina. Entre los ligandos de las integrinas se encuentran la fibronectina, la vitronectina, el colágeno y la laminina. La conexión entre la celda y el ECM puede ayudar a que la celda soporte las fuerzas de tracción sin que se desprenda del ECM. La capacidad de una célula para crear este tipo de vínculo también es de vital importancia en la ontogenia.

La unión de las células a la MEC es un requisito básico para construir un organismo multicelular. Las integrinas no son simplemente ganchos, sino que le dan a la célula señales críticas sobre la naturaleza de su entorno. Junto con las señales que surgen de los receptores de factores de crecimiento solubles como VEGF, EGF y muchos otros, imponen una decisión celular sobre qué acción biológica tomar, ya sea unión, movimiento, muerte o diferenciación. Por lo tanto, las integrinas se encuentran en el corazón de muchos procesos biológicos celulares. La unión de la célula tiene lugar mediante la formación de complejos de adhesión celular, que consisten en integrinas y muchas proteínas citoplasmáticas, como talina, vinculina, paxilina y alfa-actinina. Estos actúan regulando quinasas como FAK (quinasa de adhesión focal) y miembros de la familia de quinasas Src para fosforilar sustratos como p130CAS, reclutando así adaptadores de señalización como CRK. Estos complejos de adhesión se adhieren al citoesqueleto de actina. Las integrinas sirven así para unir dos redes a través de la membrana plasmática: la ECM extracelular y el sistema filamentoso de actina intracelular. La integrina α6β4 es una excepción: se une al sistema de filamentos intermedios de queratina en las células epiteliales.

Las adherencias focales son grandes complejos moleculares, que se generan tras la interacción de las integrinas con la MEC y luego su agrupación. Es probable que los grupos proporcionen suficientes sitios de unión intracelular para permitir la formación de complejos de señalización estables en el lado citoplásmico de la membrana celular. Entonces, las adherencias focales contienen ligando de integrina, molécula de integrina y proteínas de placa asociadas. La unión es impulsada por cambios en la energía libre. Como se indicó anteriormente, estos complejos conectan la matriz extracelular con los haces de actina. La tomografía crioelectrónica revela que la adhesión contiene partículas en la membrana celular con un diámetro de 25 +/- 5 nm y espaciadas aproximadamente a 45 nm. El tratamiento con el inhibidor de la Rho-quinasa Y-27632 reduce el tamaño de la partícula y es extremadamente mecanosensible.

Una función importante de las integrinas en las células en cultivo de tejidos es su papel en la migración celular. Las células se adhieren a un sustrato a través de sus integrinas. Durante el movimiento, la célula crea nuevas uniones al sustrato en su parte delantera y, al mismo tiempo, las libera en su parte trasera. Cuando se liberan del sustrato, las moléculas de integrina regresan a la célula por endocitosis; son transportados a través de la célula hacia su frente por el ciclo endocítico, donde se agregan nuevamente a la superficie. De esta manera, se reciclan para su reutilización, lo que permite que la celda haga nuevas uniones en su frente principal. El ciclo de endocitosis de integrina y el reciclaje de regreso a la superficie celular también es importante para que las células no migren y durante el desarrollo animal.

Transducción de señales

Las integrinas desempeñan un papel importante en la señalización celular al modular las vías de señalización celular de las proteínas quinasas transmembrana, como los receptores tirosina quinasas (RTK). Si bien originalmente se pensó que la interacción entre la integrina y las tirosina quinasas receptoras era unidireccional y de apoyo, estudios recientes indican que las integrinas tienen funciones multifacéticas adicionales en la señalización celular. Las integrinas pueden regular la señalización de la tirosina quinasa del receptor reclutando adaptadores específicos a la membrana plasmática. Por ejemplo, la integrina β1c recluta Gab1/Shp2 y presenta Shp2 a IGF1R, lo que da como resultado la desfosforilación del receptor. En una dirección inversa, cuando se activa una tirosina quinasa receptora, las integrinas colocalizan en la adhesión focal con las tirosina quinasas receptoras y sus moléculas de señalización asociadas.

El repertorio de integrinas expresadas en una célula particular puede especificar la vía de señalización debido a la afinidad de unión diferencial de los ligandos de ECM por las integrinas. La rigidez del tejido y la composición de la matriz pueden iniciar vías de señalización específicas que regulan el comportamiento celular. El agrupamiento y la activación de los complejos de integrinas/actina fortalecen la interacción de adhesión focal e inician el marco para la señalización celular a través del ensamblaje de adhesomas.

Dependiendo del impacto regulatorio de la integrina en tirosina quinasas receptoras específicas, la célula puede experimentar:

• crecimiento celular
• división celular
• supervivencia celular
• diferenciación celular
• apoptosis (muerte celular programada)

El conocimiento de la relación entre las integrinas y el receptor tirosina quinasa ha sentado las bases para nuevos enfoques en la terapia del cáncer. Específicamente, dirigirse a las integrinas asociadas con RTK es un enfoque emergente para inhibir la angiogénesis.

Los integrinos se localizan en el cono de crecimiento de las neuronas regeneradoras.

Integrinas y reparación de nervios

Las integrinas tienen una función importante en la neuroregeneración después de una lesión del sistema nervioso periférico (SNP). Las integrinas están presentes en el cono de crecimiento de las neuronas del SNP dañadas y se unen a ligandos en la ECM para promover la regeneración de axones. No está claro si las integrinas pueden promover la regeneración de axones en el sistema nervioso central (SNC) adulto. Hay dos obstáculos que impiden la regeneración mediada por integrinas en el SNC: 1) las integrinas no se localizan en el axón de la mayoría de las neuronas adultas del SNC y 2) las integrinas se inactivan por moléculas en el tejido cicatricial después de una lesión.

Integrinas de vertebrados

Las siguientes son 16 de las ~24 integrinas que se encuentran en los vertebrados:

Las integrinas beta-1 interactúan con muchas cadenas de integrinas alfa. La eliminación de genes de las integrinas en ratones no siempre es letal, lo que sugiere que durante el desarrollo embrionario, una integrina puede sustituir su función por otra para permitir la supervivencia. Algunas integrinas se encuentran en la superficie celular en un estado inactivo y pueden cebarse rápidamente o ponerse en un estado capaz de unirse a sus ligandos mediante citocinas. Las integrinas pueden asumir varias formas diferentes bien definidas o "estados conformacionales". Una vez preparado, el estado conformacional cambia para estimular la unión del ligando, que luego activa los receptores, también al inducir un cambio de forma, para desencadenar la transducción de señales de afuera hacia adentro.