Proteína quinasa II dependiente de Ca2+/calmodulina

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CaMKII gamma holoenzyme in its (A) closed and the (B) open conformations

La proteína quinasa II dependiente de Ca2+
/calmodulina (CaM quinasa II o CaMKII) es una proteína quinasa específica de serina/treonina que está regulada por la Ca2+
/complejo calmodulina. La CaMKII participa en muchas cascadas de señalización y se cree que es un mediador importante del aprendizaje y la memoria. La CaMKII también es necesaria para la homeostasis y la recaptación de Ca2+ en cardiomiocitos, el transporte de cloruro en los epitelios, la selección positiva de células T y la activación de células T CD8.

La regulación deficiente de CaMKII está relacionada con la enfermedad de Alzheimer, el síndrome de Angelman y la arritmia cardíaca.

Tipos

Existen dos tipos de quinasas CaM:

  • Kinasas CaM especializadas, como la cadena de luz de la miosina que fosforila la miosina, causando que los músculos lisos se contraigan.
  • Kinasas CaM multifuncionales, también llamado colectivamente CaM kinase II, que juega un papel en la secreción del neurotransmisor, la regulación del factor de transcripción y el metabolismo del glucógeno.
La estructura del dominio de asociación de CaMKII gamma renderizado por pymol de PDB 2ux0 (izquierda) espacio relleno holoenzyme (centro) dibujos animados holoemzyme (derecha) monome de dibujos animados
La estructura del dominio kinase de CaMKII (gamma) renderizado por pymol de PDB 2v7O, palos verdes = nucleótido

Estructura, función y autoregulación

Activación y autoregulación de CaMKII

La CaMKII representa entre el 1 y el 2 % de todas las proteínas del cerebro y tiene 28 isoformas diferentes. Las isoformas derivan de los genes alfa, beta, gamma y delta.

Dominio estructural

Todas las isoformas de CaMKII tienen: un dominio catalítico, un dominio autoinhibitorio, un segmento variable y un dominio de autoasociación.

El dominio catalítico tiene varios sitios de unión para ATP y otras proteínas de anclaje al sustrato. Es responsable de la transferencia de fosfato desde el ATP a los residuos de Ser o Thr en los sustratos. El dominio autoinhibitorio presenta un sitio pseudosustrato, que se une al dominio catalítico y bloquea su capacidad de fosforilar proteínas.

La característica estructural que regula esta autoinhibición es el residuo de treonina 286. La fosforilación de este sitio activará permanentemente la enzima CaMKII. Una vez que se ha fosforilado el residuo de treonina 286, se bloquea el dominio inhibidor del sitio del pseudosustrato. Esto bloquea eficazmente la autoinhibición, lo que permite la activación permanente de la enzima CaMKII. Esto permite que CamKII esté activa, incluso en ausencia de calcio y calmodulina.

Los otros dos dominios de CaMKII son los dominios variable y de autoasociación. Las diferencias en estos dominios contribuyen a las diversas isoformas de CaMKII.

El dominio de autoasociación (CaMKII AD) se encuentra en el extremo C, la función de este dominio es el ensamblaje de las proteínas individuales en multímeros grandes (de 8 a 14 subunidades)

Calcio y dependencia de la calma

La sensibilidad de la enzima CaMKII al calcio y la calmodulina está determinada por los dominios variables y autoasociativos. Este nivel de sensibilidad de la CaMKII también modulará los diferentes estados de activación de la enzima. Inicialmente, la enzima está activada; sin embargo, no se produce la autofosforilación porque no hay suficiente calcio o calmodulina presente para unirse a las subunidades vecinas. A medida que se acumulan mayores cantidades de calcio y calmodulina, se produce la autofosforilación que conduce a la activación persistente de la enzima CaMKII durante un breve período de tiempo. Sin embargo, el residuo de treonina 286 finalmente se desfosforila, lo que conduce a la inactivación de la CaMKII.

Autofosforilación

La autofosforilación es el proceso en el que una quinasa une un grupo fosfato a sí misma. Cuando la CaMKII se autofosforila, se vuelve persistentemente activa. La fosforilación del sitio de la treonina 286 permite la activación del dominio catalítico. La autofosforilación se ve potenciada por la estructura de la holoenzima, ya que está presente en dos anillos apilados. La proximidad de estos anillos adyacentes aumenta la probabilidad de fosforilación de las enzimas CaMKII vecinas, lo que fomenta la autofosforilación. Un mecanismo que promueve la autofosforilación es la inhibición de la PP1 (proteína fosfatasa I). Esto permite que la CaMKII esté constantemente activa al aumentar la probabilidad de autofosforilación.

Potenciación a largo plazo

La proteína quinasa II dependiente de calcio/calmodulina también está muy implicada en la potenciación a largo plazo (PLP), el proceso molecular de fortalecimiento de las sinapsis activas que se cree que subyace a los procesos de la memoria. Está involucrada en muchos aspectos de este proceso. La LTP se inicia cuando los receptores NMDA están en un entorno local con un potencial de voltaje lo suficientemente alto como para desplazar el ion Mg2+ cargado positivamente del poro del canal. Como resultado del desbloqueo del canal, los iones Ca2+ pueden ingresar a la neurona postsináptica a través del canal del receptor NMDA. Este influjo de Ca2+ activa la CaMKII. Se ha demostrado que hay un aumento en la actividad de la CaMKII directamente en la densidad postsináptica de las dendritas después de la inducción de la LTP, lo que sugiere que la activación es un resultado directo de la estimulación.

En LTP

Cuando se inhibe la alfa-CaMKII en ratones, la LTP se reduce en un 50%. Esto se puede explicar por el hecho de que la beta-CaMKII es responsable de aproximadamente el 65% de la actividad de la CaMKII. La LTP se puede bloquear por completo si se modifica la CaMKII para que no pueda permanecer activa. Después de la inducción de la LTP, la CaMKII se mueve a la densidad postsináptica (PSD). Sin embargo, si la estimulación no induce la LTP, la translocación es rápidamente reversible. La unión a la PSD cambia la CaMKII de modo que es menos probable que se desfosforile. La CaMKII se transforma de un sustrato para la proteína fosfatasa 2A (PP2A), que es responsable de la desfosforilación de la CaMKII, al de la proteína fosfatasa 1. Strack, S. (1997) demostró este fenómeno estimulando químicamente cortes de hipocampo. Este experimento ilustra que la CaMKII contribuye a la mejora de la fuerza sináptica. Sanhueza et al. Descubrió que la activación persistente de CaMKII es necesaria para el mantenimiento de la LTP. Indujo la LTP en cortes de hipocampo y aplicó experimentalmente un antagonista (CaMKIINtide) para evitar que la CaMKII permaneciera activa. Los cortes a los que se aplicó CaMKIINtide mostraron una disminución en la pendiente de EPSP normalizada después de la infusión del fármaco, lo que significa que la LTP inducida se revirtió. La pendiente de EPSP normalizada se mantuvo constante en el control; CaMKII continúa estando involucrada en el proceso de mantenimiento de la LTP incluso después del establecimiento de la LTP. La CaMKII es activada por calcio/calmodulina, pero se mantiene por autofosforilación. La CaMKII es activada por la elevación de calcio mediada por el receptor NMDA que ocurre durante la inducción de la LTP. La activación está acompañada por la fosforilación de las subunidades alfa y beta y Thr286/287.

Inducción independiente de LTP

La LTP se puede inducir mediante la inyección artificial de CaMKII. Cuando se infunde CaMKII en la región postsináptica en cortes del hipocampo y se produce perfusión intracelular o expresión viral, se produce un aumento de dos a tres veces en la respuesta de la sinapsis al glutamato y otras señales químicas.

Función mecanicista en LTP

Existen pruebas sólidas de que, tras la activación de CaMKII, esta desempeña un papel en el tráfico de receptores AMPA hacia la membrana y, posteriormente, en la despolarización presináptica de la dendrita. El movimiento de los receptores AMPA aumenta la respuesta postsináptica a la despolarización presináptica mediante el fortalecimiento de las sinapsis. Esto produce la LTP.

Desde el punto de vista mecanístico, la CaMKII fosforila los receptores AMPA en el sitio de la serina 831 de P2. Esto aumenta la conductancia del canal de las subunidades GluA1 de los receptores AMPA, lo que permite que los receptores AMPA sean más sensibles de lo normal durante la LTP. El aumento de la sensibilidad de los receptores AMPA conduce a una mayor fuerza sináptica.

Además de aumentar la conductancia del canal de las subunidades de GluA1, también se ha demostrado que CaMKII ayuda en el proceso de exocitosis del receptor AMPA. Los receptores AMPA de reserva están incrustados en los endosomas dentro de la célula. CaMKII puede estimular los endosomas para que se desplacen a la membrana externa y activen los receptores AMPA incrustados. La exocitosis de los endosomas aumenta el tamaño y la cantidad de receptores AMPA en la sinapsis. La mayor cantidad de receptores AMPA aumenta la sensibilidad de la sinapsis a la despolarización presináptica y genera LTP.

Mantenimiento de la LTP

Además de ayudar a establecer la LTP, se ha demostrado que la CaMKII es crucial para mantener la LTP. Se cree que su capacidad de autofosforilación desempeña un papel importante en este mantenimiento. Se ha demostrado que la administración de ciertos bloqueadores de la CaMKII no solo bloquea la LTP, sino que también la revierte de manera dependiente del tiempo.

Memoria conductual

Como se cree que la LTP es la base de los procesos de aprendizaje y memoria, la CaMKII también es crucial para la formación de la memoria. Estudios de comportamiento con ratones modificados genéticamente han demostrado la importancia de la CaMKII.

Prevención de la autofosforilación

Deficit en el aprendizaje espacial

En 1998, Giese y sus colegas estudiaron ratones knockout modificados genéticamente para impedir la autofosforilación de CaMKII. Observaron que los ratones tenían problemas para encontrar la plataforma oculta en la tarea del laberinto acuático de Morris. La tarea del laberinto acuático de Morris se utiliza a menudo para representar el aprendizaje espacial dependiente del hipocampo. La incapacidad de los ratones para encontrar la plataforma oculta implica déficits en el aprendizaje espacial.

Sin embargo, estos resultados no fueron del todo concluyentes porque el déficit en la formación de la memoria también podría estar asociado con un deterioro sensoriomotor resultante de una alteración genética.

Deficit en los recuerdos del miedo

En 2006, Irvine y sus colegas demostraron que la inhibición de la autofosforilación de CaMKII provocaba que los ratones tuvieran un aprendizaje inicial deficiente del condicionamiento del miedo. Sin embargo, después de repetidos ensayos, los ratones afectados exhibieron una formación de memoria del miedo similar a la de los ratones de control. La CaMKII puede desempeñar un papel en la memoria rápida del miedo, pero no la impide por completo a largo plazo.

En 2004, Rodrigues y sus colegas descubrieron que el condicionamiento del miedo aumentaba la CaMKII fosforilada en las sinapsis de la amígdala lateral y las espinas dendríticas, lo que indica que el condicionamiento del miedo podría ser responsable de la regulación y activación de la quinasa. También descubrieron un fármaco, el KN-62, que inhibía la CaMKII y evitaba la adquisición del condicionamiento del miedo y la PLP.

Deficit en la consolidación de los trazos de memoria

Los ratones heterocigotos α-CaMKII expresan la mitad del nivel normal de proteína que el nivel de tipo salvaje. Estos ratones mostraron un almacenamiento normal de la memoria en el hipocampo, pero déficits en la consolidación de la memoria en la corteza.

Sobreexpresión

Mayford y sus colegas diseñaron ratones transgénicos que expresan CaMKII con una mutación puntual de Thr-286 a aspartato, que imita la autofosforilación y aumenta la actividad de la quinasa. Estos ratones no mostraron una respuesta de LTP a estímulos débiles y no pudieron realizar un aprendizaje espacial dependiente del hipocampo que dependía de señales visuales u olfativas.

Los investigadores especulan que estos resultados podrían deberse a la falta de células de localización estables en el hipocampo en estos animales.

Sin embargo, debido a que las modificaciones genéticas pueden causar cambios no intencionales en el desarrollo, la administración de vectores virales permite modificar el material genético de los ratones en etapas específicas del desarrollo. Con la administración de vectores virales es posible inyectar un gen específico en una región particular del cerebro de un animal ya desarrollado. De hecho, esto fue realizado por el grupo de Tonegawa a principios de los años 90 y por Poulsen y sus colegas en 2007. Ambos grupos utilizaron este método para inyectar CaMKII en el hipocampo. Descubrieron que la sobreexpresión de CaMKII resultó en una ligera mejora de la adquisición de nuevos recuerdos.

Addiction

Se ha relacionado la adicción con cambios en la función de CaMKII inducidos por fármacos.

Formas diferentes

CaMK2A

CaMKIIA es una de las principales formas de CamKII. Se ha descubierto que desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de la activación de CamKII en la densidad postsináptica. Los estudios han descubierto que los ratones knock-out sin CaMKIIA muestran una baja frecuencia de LTP. Además, estos ratones no forman células de lugar estables y persistentes en el hipocampo.

CaMK2B

CaMK2B tiene un sitio de autofosforilación en Thr287. Funciona como un módulo de fijación o acoplamiento. La reacción en cadena de la polimerasa con transcripción inversa y el análisis de secuenciación identificaron al menos cinco variantes de empalme alternativo de beta CaMKII (beta, beta6, betae, beta'e y beta7) en el cerebro y dos de ellas (beta6 y beta7) se detectaron por primera vez en alguna especie.

CaMK2D

La CaMK2D aparece tanto en tipos de células neuronales como no neuronales. Se caracteriza particularmente por muchas células tumorales, como una variedad de células tumorales pancreáticas, leucémicas, mamarias y otras. Se ha descubierto que la CaMK2D está regulada a la baja en células tumorales humanas.

CaMK2G

Se ha demostrado que la CaMK2G es una quinasa regulada por señales extracelulares crucial en las células musculares lisas diferenciadas.

Genes

  • CaMK II — CAMK2A, CAMK2B, CAMK2D, CAMK2G

Véase también

  • Actin

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  • Calcium-Calmodulin+Dependent+Protein+Kinases en la Biblioteca Nacional de Medicina de EE.UU.
  • Para aprender más sobre el CaMKII...
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