Ubiquitina

La ubiquitina, ubicuitina o ubicuina es una proteína reguladora pequeña (8,6 kDa) que se encuentra en la mayoría de los tejidos de los organismos eucariotas, es decir, se encuentra de forma ubicua. Fue descubierto en 1975 por Gideon Goldstein y caracterizado aún más a finales de los años setenta y ochenta. Cuatro genes en el código del genoma humano para la ubiquitina: UBB, UBC, UBA52 y RPS27A.

La adición de ubiquitina a una proteína sustrato se denomina ubiquitilación (o, alternativamente, ubiquitinación o ubiquitinilación). La ubiquitilación afecta a las proteínas de muchas maneras: puede marcarlas para su degradación a través del proteosoma, alterar su ubicación celular, afectar su actividad y promover o prevenir las interacciones entre proteínas.La ubiquitilación implica tres pasos principales: activación, conjugación y ligadura, realizados por enzimas activadoras de ubiquitina (E1), enzimas conjugadoras de ubiquitina (E2) y ligasas de ubiquitina (E3), respectivamente. El resultado de esta cascada secuencial es unir la ubiquitina a los residuos de lisina en el sustrato de la proteína a través de un enlace isopeptídico, los residuos de cisteína a través de un enlace tioéster, los residuos de serina y treonina a través de un enlace éster, o el grupo amino del extremo N de la proteína a través de un enlace enlace peptídico.

Las modificaciones de la proteína pueden ser una sola proteína de ubiquitina (monoubiquitilación) o una cadena de ubiquitina (poliubiquitilación). Las moléculas de ubiquitina secundaria siempre están unidas a uno de los siete residuos de lisina o la metionina N-terminal de la molécula de ubiquitina anterior. Estos residuos de 'enlace' están representados por una "K" o "M" (la notación de un aminoácido de una letra de lisina y metionina, respectivamente) y un número, que se refiere a su posición en la molécula de ubiquitina como en K48, K29 o M1.. La primera molécula de ubiquitina se une covalentemente a través de su grupo carboxilato C-terminal a una lisina, cisteína, serina, treonina o extremo N particular de la proteína diana. La poliubiquitilación ocurre cuando el extremo C de otra ubiquitina se une a uno de los siete residuos de lisina o la primera metionina en la molécula de ubiquitina agregada previamente, creando una cadena. Este proceso se repite varias veces, lo que lleva a la adición de varias ubiquitinas. Solo la poliubiquitilación en lisinas definidas, principalmente en K48 y K29, está relacionada con la degradación por el proteasoma (denominada "beso de la muerte molecular"), mientras que otras poliubiquitilaciones (p. ej., en K63, K11, K6 y M1) y monoubiquitilaciones pueden regular procesos como el tráfico endocítico, la inflamación, la traducción y la reparación del ADN.

El descubrimiento de que las cadenas de ubiquitina dirigen las proteínas al proteosoma, que degrada y recicla las proteínas, fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 2004.

Identificación

La ubiquitina (originalmente, polipéptido inmunopoyético ubicuo) se identificó por primera vez en 1975 como una proteína de 8,6 kDa expresada en todas las células eucariotas. Las funciones básicas de la ubiquitina y los componentes de la vía de la ubiquitilación fueron aclarados a principios de la década de 1980 en el Technion por Aaron Ciechanover, Avram Hershko e Irwin Rose por los que se otorgó el Premio Nobel de Química en 2004.

El sistema de ubiquitilación se caracterizó inicialmente como un sistema proteolítico dependiente de ATP presente en extractos celulares. Se descubrió que un polipéptido termoestable presente en estos extractos, el factor de proteólisis dependiente de ATP 1 (APF-1), se unía covalentemente al sustrato de proteína modelo lisozima en un proceso dependiente de ATP y Mg. Se unieron múltiples moléculas de APF-1 a una sola molécula de sustrato mediante un enlace isopeptídico, y se descubrió que los conjugados se degradaban rápidamente con la liberación de APF-1 libre. Poco después de caracterizar la conjugación de proteína APF-1, APF-1 se identificó como ubiquitina. El grupo carboxilo del residuo de glicina C-terminal de la ubiquitina (Gly76) se identificó como el resto conjugado con los residuos de lisina del sustrato.

La proteina

La ubiquitina es una pequeña proteína que existe en todas las células eucariotas. Realiza sus innumerables funciones a través de la conjugación con una amplia gama de proteínas diana. Puede ocurrir una variedad de modificaciones diferentes. La propia proteína ubiquitina consta de 76 aminoácidos y tiene una masa molecular de aproximadamente 8,6 kDa. Las características clave incluyen su cola C-terminal y los 7 residuos de lisina. Está muy conservado a lo largo de la evolución de los eucariotas; La ubiquitina humana y de levadura comparten un 96 % de identidad de secuencia.

Genes

La ubiquitina está codificada en mamíferos por 4 genes diferentes. Los genes UBA52 y RPS27A codifican una sola copia de ubiquitina fusionada con las proteínas ribosómicas L40 y S27a, respectivamente. Los genes UBB y UBC codifican proteínas precursoras de poliubiquitina.

Ubiquitilación

La ubiquitilación (también conocida como ubiquitinación o ubiquitinilación) es una modificación enzimática postraduccional en la que una proteína ubiquitina se une a una proteína sustrato. Este proceso suele unir el último aminoácido de la ubiquitina (glicina 76) a un residuo de lisina en el sustrato. Se forma un enlace isopeptídico entre el grupo carboxilo (COO) de la glicina de la ubiquitina y el grupo épsilon-amino (ε- NH₃) de la lisina del sustrato. La escisión con tripsina de un sustrato conjugado con ubiquitina deja un "remanente" de diglicina que se usa para identificar el sitio de ubiquitilación. La ubiquitina también se puede unir a otros sitios en una proteína que son nucleófilos ricos en electrones, lo que se denomina "ubiquitilación no canónica". Esto se observó por primera vez con el grupo amino del extremo N de una proteína que se usa para la ubiquitilación, en lugar de un residuo de lisina, en la proteína MyoD y se ha observado desde entonces en otras 22 proteínas en múltiples especies, incluida la propia ubiquitina. También hay una evidencia creciente de residuos que no son de lisina como objetivos de ubiquitilación utilizando grupos que no son amina, como el grupo sulfhidrilo en la cisteína y el grupo hidroxilo en la treonina y la serina.El resultado final de este proceso es la adición de una molécula de ubiquitina (monoubiquitilación) o una cadena de moléculas de ubiquitina (poliubiquitinación) a la proteína sustrato.

La ubiquitinación requiere tres tipos de enzimas: enzimas activadoras de ubiquitina, enzimas conjugadoras de ubiquitina y ligasas de ubiquitina, conocidas como E1s, E2s y E3s, respectivamente. El proceso consta de tres pasos principales:

1. Activación: la ubiquitina se activa en una reacción de dos pasos por una enzima activadora de ubiquitina E1, que depende de ATP. El paso inicial implica la producción de un intermedio de ubiquitina-adenilato. El E1 se une tanto al ATP como a la ubiquitina y cataliza la acil-adenilación del extremo C-terminal de la molécula de ubiquitina. El segundo paso transfiere la ubiquitina a un residuo de cisteína del sitio activo, con liberación de AMP. Este paso da como resultado un enlace tioéster entre el grupo carboxilo C-terminal de la ubiquitina y el grupo sulfhidrilo de la cisteína E1. El genoma humano contiene dos genes que producen enzimas capaces de activar la ubiquitina: UBA1 y UBA6.
2. Conjugación: las enzimas conjugadoras de ubiquitina de E2 catalizan la transferencia de ubiquitina de E1 a la cisteína del sitio activo de E2 a través de una reacción de trans(tio)esterificación. Para realizar esta reacción, el E2 se une tanto a la ubiquitina activada como a la enzima E1. Los seres humanos poseen 35 enzimas E2 diferentes, mientras que otros organismos eucariotas tienen entre 16 y 35. Se caracterizan por su estructura altamente conservada, conocida como pliegue catalítico conjugado con ubiquitina (UBC).
3. Ligación: las ligasas de ubiquitina E3 catalizan el paso final de la cascada de ubiquitinación. Más comúnmente, crean un enlace isopeptídico entre una lisina de la proteína diana y la glicina C-terminal de la ubiquitina. En general, este paso requiere la actividad de uno de los cientos de E3. Las enzimas E3 funcionan como módulos de reconocimiento de sustrato del sistema y son capaces de interactuar tanto con E2 como con el sustrato. Algunas enzimas E3 también activan las enzimas E2. Las enzimas E3 poseen uno de dos dominios: el homólogo al dominio carboxilo terminal E6-AP (HECT) y el dominio del nuevo gen realmente interesante (RING) (o el dominio U-box estrechamente relacionado). Los E3 del dominio HECT se unen transitoriamente a la ubiquitina en este proceso (se forma un intermedio de tioéster obligado con la cisteína del sitio activo del E3),El complejo promotor de la anafase (APC) y el complejo SCF (para el complejo de proteína Skp1-Cullin-F-box) son dos ejemplos de E3 de múltiples subunidades involucradas en el reconocimiento y la ubiquitinación de proteínas diana específicas para la degradación por el proteasoma.

En la cascada de ubiquitinación, E1 puede unirse con muchos E2, que pueden unirse con cientos de E3 de forma jerárquica. Tener niveles dentro de la cascada permite una regulación estricta de la maquinaria de ubiquitinación. Otras proteínas similares a la ubiquitina (UBL) también se modifican a través de la cascada E1-E2-E3, aunque existen variaciones en estos sistemas.

Las enzimas E4, o factores de elongación de la cadena de ubiquitina, son capaces de agregar cadenas de poliubiquitina preformadas a las proteínas sustrato. Por ejemplo, la monoubiquitilación múltiple del supresor de tumores p53 por Mdm2 puede ir seguida de la adición de una cadena de poliubiquitina usando p300 y CBP.

Tipos

La ubiquitinación afecta el proceso celular al regular la degradación de proteínas (a través del proteosoma y el lisosoma), coordinando la localización celular de proteínas, activando e inactivando proteínas y modulando las interacciones proteína-proteína. Estos efectos están mediados por diferentes tipos de ubiquitinación del sustrato, por ejemplo, la adición de una sola molécula de ubiquitina (monoubiquitinación) o diferentes tipos de cadenas de ubiquitina (poliubiquitinación).

Monoubiquitinación

La monoubiquitinación es la adición de una molécula de ubiquitina a un residuo de proteína sustrato. La multi-monoubiquitinación es la adición de una molécula de ubiquitina a múltiples residuos de sustrato. La monoubiquitinación de una proteína puede tener efectos diferentes a la poliubiquitinación de la misma proteína. Se cree que se requiere la adición de una sola molécula de ubiquitina antes de la formación de cadenas de poliubiquitina. La monoubiquitinación afecta procesos celulares como el tráfico de membranas, la endocitosis y la gemación viral.

Cadenas de poliubiquitina

La poliubiquitinación es la formación de una cadena de ubiquitina en un solo residuo de lisina en la proteína sustrato. Después de la adición de un solo resto de ubiquitina a un sustrato de proteína, se pueden agregar más moléculas de ubiquitina al primero, lo que produce una cadena de poliubiquitina. Estas cadenas se forman uniendo el residuo de glicina de una molécula de ubiquitina a una lisina de ubiquitina unida a un sustrato. La ubiquitina tiene siete residuos de lisina y un extremo N que sirve como puntos de ubiquitinación; son K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63 y M1, respectivamente.Las cadenas unidas a lisina 48 fueron las primeras identificadas y son el tipo de cadena de ubiquitina mejor caracterizado. Las cadenas K63 también se han caracterizado bien, mientras que la función de otras cadenas de lisina, cadenas mixtas, cadenas ramificadas, cadenas lineales unidas a M1 y cadenas heterólogas (mezclas de ubiquitina y otras proteínas similares a la ubiquitina) sigue sin estar clara.

Las cadenas de poliubiquitina unidas a lisina 48 se dirigen a las proteínas para su destrucción, mediante un proceso conocido como proteólisis. Las cadenas multiubiquitina de al menos cuatro moléculas de ubiquitina de largo deben unirse a un residuo de lisina en la proteína condenada para que sea reconocida por el proteasoma 26S. Esta es una estructura en forma de barril que comprende un núcleo proteolítico central formado por cuatro estructuras anulares, flanqueadas por dos cilindros que permiten selectivamente la entrada de proteínas ubiquitinadas. Una vez dentro, las proteínas se degradan rápidamente en pequeños péptidos (generalmente de 3 a 25 residuos de aminoácidos de longitud). Las moléculas de ubiquitina se separan de la proteína inmediatamente antes de la destrucción y se reciclan para su uso posterior.Aunque la mayoría de los sustratos de proteínas están ubiquitinados, existen ejemplos de proteínas no ubiquitinadas dirigidas al proteasoma. Las cadenas de poliubiquitina son reconocidas por una subunidad del proteosoma: S5a/Rpn10. Esto se logra mediante un motivo de interacción con ubiquitina (UIM) que se encuentra en un parche hidrofóbico en la región C-terminal de la unidad S5a/Rpn10.

Las cadenas unidas a lisina 63 no están asociadas con la degradación proteasómica de la proteína sustrato. En cambio, permiten la coordinación de otros procesos como el tráfico endocítico, la inflamación, la traducción y la reparación del ADN. En las células, las cadenas unidas a la lisina 63 están unidas por el complejo ESCRT-0, lo que impide su unión al proteasoma. Este complejo contiene dos proteínas, Hrs y STAM1, que contienen un UIM, lo que le permite unirse a cadenas unidas a lisina 63.

Se sabe menos acerca de las cadenas de ubiquitina atípicas (no unidas a lisina 48), pero la investigación está comenzando a sugerir roles para estas cadenas. Hay evidencia que sugiere que las cadenas atípicas unidas por lisina 6, 11, 27, 29 y metionina 1 pueden inducir la degradación proteasomal.

Se pueden formar cadenas de ubiquitina ramificadas que contienen múltiples tipos de enlaces. Se desconoce la función de estas cadenas.

Estructura

Las cadenas unidas de forma diferente tienen efectos específicos sobre la proteína a la que están unidas, causados ​​por diferencias en las conformaciones de las cadenas proteicas. K29-, K33-,Las cadenas unidas a K63 y M1 tienen una conformación bastante lineal; se conocen como cadenas de conformación abierta. Las cadenas unidas por K6, K11 y K48 forman conformaciones cerradas. Las moléculas de ubiquitina en cadenas de conformación abierta no interactúan entre sí, excepto por los enlaces isopeptídicos covalentes que las unen. Por el contrario, las cadenas de conformación cerrada tienen interfaces con residuos que interactúan. La alteración de las conformaciones de la cadena expone y oculta diferentes partes de la proteína ubiquitina, y los diferentes enlaces son reconocidos por proteínas que son específicas para las topologías únicas que son intrínsecas al enlace. Las proteínas pueden unirse específicamente a la ubiquitina a través de los dominios de unión a ubiquitina (UBD). Las distancias entre las unidades individuales de ubiquitina en las cadenas difieren entre las cadenas con enlaces 63 y 48 de lisina. Los UBD aprovechan esto al tener pequeños espaciadores entre los motivos que interactúan con la ubiquitina que se unen a las cadenas con enlaces de lisina 48 (cadenas de ubiquitina compactas) y espaciadores más grandes para las cadenas con enlaces de lisina 63. La maquinaria involucrada en el reconocimiento de cadenas de poliubiquitina también puede diferenciar entre cadenas unidas a K63 y cadenas unidas a M1, lo que demuestra que estas últimas pueden inducir la degradación proteasómica del sustrato.

Función

El sistema de ubiquitinación funciona en una amplia variedad de procesos celulares, que incluyen:

• Procesamiento de antígenos
• Apoptosis
• Biogénesis de orgánulos
• Ciclo celular y división.
• Transcripción y reparación del ADN
• Diferenciación y desarrollo
• Respuesta inmune e inflamación
• Degeneración neural y muscular
• Mantenimiento de la pluripotencialidad
• Morfogénesis de las redes neuronales
• Modulación de los receptores de la superficie celular, los canales iónicos y la vía secretora
• Respuesta al estrés y moduladores extracelulares
• Biogénesis de ribosomas
• Infección viral

Proteínas de membrana

La multimonoubiquitinación puede marcar proteínas transmembrana (por ejemplo, receptores) para eliminarlas de las membranas (internalización) y cumplir varias funciones de señalización dentro de la célula. Cuando las moléculas transmembrana de la superficie celular se marcan con ubiquitina, se altera la localización subcelular de la proteína, a menudo dirigiendo la proteína para su destrucción en los lisosomas. Esto sirve como mecanismo de retroalimentación negativa, porque a menudo la estimulación de los receptores por parte de los ligandos aumenta su tasa de ubiquitinación e internalización. Al igual que la monoubiquitinación, las cadenas de poliubiquitina unidas a lisina 63 también desempeñan un papel en el tráfico de algunas proteínas de membrana.

Mantenimiento genómico

El antígeno nuclear de células en proliferación (PCNA) es una proteína involucrada en la síntesis de ADN. En condiciones fisiológicas normales, el PCNA se sumoila (una modificación postraduccional similar a la ubiquitinación). Cuando el ADN es dañado por la radiación ultravioleta o por productos químicos, la molécula SUMO que está unida a un residuo de lisina es reemplazada por ubiquitina. El PCNA monoubiquitinado recluta polimerasas que pueden realizar la síntesis de ADN con ADN dañado; pero esto es muy propenso a errores, lo que posiblemente resulte en la síntesis de ADN mutado. La poliubiquitinación de PCNA ligada a lisina 63 le permite realizar una derivación de mutación menos propensa a errores conocida por la vía de cambio de plantilla.

La ubiquitinación de la histona H2AX está involucrada en el reconocimiento de daños en el ADN de roturas de doble cadena de ADN. Las cadenas de poliubiquitina unida a lisina 63 se forman en la histona H2AX por el par de ligasa E2/E3, Ubc13-Mms2/RNF168. Esta cadena K63 parece reclutar RAP80, que contiene un UIM, y RAP80 luego ayuda a localizar BRCA1. Esta vía eventualmente reclutará las proteínas necesarias para la reparación por recombinación homóloga.

Regulación transcripcional

Las histonas se pueden ubiquitinar y esto suele ser en forma de monoubiquitinación (aunque se producen formas poliubiquitinadas). La ubiquitinación de histonas altera la estructura de la cromatina y permite el acceso de enzimas involucradas en la transcripción. La ubiquitina en las histonas también actúa como un sitio de unión para las proteínas que activan o inhiben la transcripción y también pueden inducir modificaciones posteriores a la traducción de la proteína. Todos estos efectos pueden modular la transcripción de genes.

Desubiquitinación

Las enzimas desubiquitinantes (DUB) se oponen al papel de la ubiquitinación al eliminar la ubiquitina de las proteínas sustrato. Son cisteína proteasas que escinden el enlace amida entre las dos proteínas. Son altamente específicos, al igual que las ligasas E3 que se unen a la ubiquitina, con solo unos pocos sustratos por enzima. Pueden escindir tanto los enlaces isopeptídicos (entre la ubiquitina y la lisina) como los enlaces peptídicos (entre la ubiquitina y el N-terminal). Además de eliminar la ubiquitina de las proteínas sustrato, los DUB tienen muchas otras funciones dentro de la célula. La ubiquitina se expresa como copias múltiples unidas en una cadena (poliubiquitina) o unidas a subunidades ribosómicas. Los DUB escinden estas proteínas para producir ubiquitina activa. También reciclan la ubiquitina que se ha unido a pequeñas moléculas nucleofílicas durante el proceso de ubiquitinación.

Dominios de unión a ubiquitina

Los dominios de unión a ubiquitina (UBD) son dominios de proteínas modulares que se unen de forma no covalente a la ubiquitina, estos motivos controlan varios eventos celulares. Se conocen estructuras moleculares detalladas para varios UBD, la especificidad de unión determina su mecanismo de acción y regulación, y cómo regula las proteínas y los procesos celulares.

Asociaciones de enfermedades

Patogénesis

La vía de la ubiquitina se ha implicado en la patogenia de una amplia gama de enfermedades y trastornos, entre ellos:

• neurodegeneración
• Infección e inmunidad
• Desordenes genéticos
• Cáncer

Neurodegeneración

La ubiquitina está implicada en enfermedades neurodegenerativas asociadas con la disfunción de la proteostasis, incluida la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de las neuronas motoras, la enfermedad de Huntington y la enfermedad de Parkinson. Las variantes de transcripción que codifican diferentes isoformas de ubiquilina-1 se encuentran en lesiones asociadas con la enfermedad de Alzheimer y Parkinson. Se ha demostrado que los niveles más altos de ubiquilina en el cerebro reducen la malformación de la proteína precursora de amiloide (APP), que desempeña un papel clave en el desencadenamiento de la enfermedad de Alzheimer. Por el contrario, los niveles más bajos de ubiquilina-1 en el cerebro se han asociado con una mayor malformación de APP.Una mutación de cambio de marco en la ubiquitina B puede resultar en un péptido truncado al que le falta la glicina C-terminal. Se ha demostrado que este péptido anormal, conocido como UBB+1, se acumula selectivamente en la enfermedad de Alzheimer y otras tauopatías.

Infección e inmunidad

La ubiquitina y las moléculas similares a la ubiquitina regulan ampliamente las vías de transducción de señales inmunitarias en prácticamente todas las etapas, incluida la represión en estado estacionario, la activación durante la infección y la atenuación tras la eliminación. Sin esta regulación, la activación inmunitaria contra los patógenos puede ser defectuosa y dar como resultado una enfermedad crónica o la muerte. Alternativamente, el sistema inmunológico puede volverse hiperactivado y los órganos y tejidos pueden estar sujetos a daño autoinmune.

Por otro lado, los virus deben bloquear o redirigir los procesos de la célula huésped, incluida la inmunidad para replicarse de manera efectiva, sin embargo, muchos virus relevantes para la enfermedad tienen genomas limitados desde el punto de vista de la información. Debido a su gran número de funciones en la célula, la manipulación del sistema de ubiquitina representa una forma eficiente para que dichos virus bloqueen, subviertan o redirijan los procesos críticos de la célula huésped para respaldar su propia replicación.

La proteína del gen I inducible por ácido retinoico (RIG-I) es un sensor primario del sistema inmunitario para el ARN viral y otro invasivo en células humanas. La vía de señalización inmunitaria del receptor similar a RIG-I (RLR) es una de las más estudiadas en cuanto al papel de la ubiquitina en la regulación inmunitaria.

Desordenes genéticos

• El síndrome de Angelman es causado por una interrupción de UBE3A, que codifica una enzima ubiquitina ligasa (E3) denominada E6-AP.
• El síndrome de Von Hippel-Lindau implica la interrupción de una ubiquitina E3 ligasa denominada supresor de tumores VHL o gen VHL.
• Anemia de Fanconi: ocho de los trece genes identificados cuya alteración puede causar esta enfermedad codifican proteínas que forman un gran complejo de ubiquitina ligasa (E3).
• El síndrome 3-M es un trastorno de retraso del crecimiento autosómico recesivo asociado con mutaciones de la ubiquitina ligasa Cullin7 E3.

Uso diagnóstico

La inmunohistoquímica que usa anticuerpos contra la ubiquitina puede identificar acumulaciones anormales de esta proteína dentro de las células, lo que indica un proceso de enfermedad. Estas acumulaciones de proteínas se conocen como cuerpos de inclusión (que es un término general para cualquier colección microscópicamente visible de material anormal en una célula). Ejemplos incluyen:

• Ovillos neurofibrilares en la enfermedad de Alzheimer
• Cuerpo de Lewy en la enfermedad de Parkinson
• Pick cuerpos en la enfermedad de Pick
• Inclusiones en la enfermedad de la motoneurona y la enfermedad de Huntington
• Cuerpos de Mallory en la enfermedad hepática alcohólica
• Fibras de Rosenthal en astrocitos

Enlace al cáncer

La modificación postraduccional de proteínas es un mecanismo generalmente utilizado en la señalización de células eucariotas. La ubiquitinación, o conjugación de ubiquitina con proteínas, es un proceso crucial para la progresión del ciclo celular y la proliferación y el desarrollo celular. Aunque la ubiquitinación suele servir como señal para la degradación de proteínas a través del proteasoma 26S, también podría servir para otros procesos celulares fundamentales, por ejemplo, en la endocitosis, la activación enzimática y la reparación del ADN. Además, dado que la ubiquitinación funciona para regular estrictamente el nivel celular de ciclinas, se espera que su mala regulación tenga impactos severos. La primera evidencia de la importancia de la vía ubiquitina/proteasoma en los procesos oncogénicos se observó debido a la alta actividad antitumoral de los inhibidores del proteasoma.Diversos estudios han demostrado que los defectos o alteraciones en los procesos de ubiquitinación están comúnmente asociados o presentes en el carcinoma humano. Los tumores malignos podrían desarrollarse a través de la mutación de pérdida de función directamente en el gen supresor de tumores, aumento de la actividad de la ubiquitinación y/o atenuación indirecta de la ubiquitinación debido a la mutación en proteínas relacionadas.

Pérdida directa de mutación de función de E3 ubiquitina ligasa

Carcinoma de células renales

El gen VHL (Von Hippel-Lindau) codifica un componente de una ubiquitina ligasa E3. El complejo VHL se dirige al miembro de la familia del factor de transcripción inducible por hipoxia (HIF) para su degradación al interactuar con el dominio de destrucción dependiente de oxígeno en condiciones normóxicas. HIF activa objetivos aguas abajo, como el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), promoviendo la angiogénesis. Las mutaciones en VHL evitan la degradación de HIF y, por lo tanto, conducen a la formación de lesiones hipervasculares y tumores renales.

Cáncer de mama

El gen BRCA1 es otro gen supresor de tumores en humanos que codifica la proteína BRCA1 que está implicada en la respuesta al daño del ADN. La proteína contiene un motivo RING con actividad de ubiquitina ligasa E3. BRCA1 podría formar dímero con otras moléculas, como BARD1 y BAP1, por su actividad de ubiquitinación. Las mutaciones que afectan la función de la ligasa a menudo se encuentran y se asocian con varios tipos de cáncer.

Ciclina E

Dado que los procesos en la progresión del ciclo celular son los procesos más fundamentales para el crecimiento y la diferenciación celular, y son los más comunes que se alteran en los carcinomas humanos, se espera que las proteínas reguladoras del ciclo celular estén bajo una regulación estricta. El nivel de ciclinas, como sugiere su nombre, es alto solo en cierto momento durante el ciclo celular. Esto se logra mediante el control continuo de los niveles de ciclinas o CDK a través de la ubiquitinación y la degradación. Cuando la ciclina E se asocia con CDK2 y se fosforila, una proteína F-box Fbw7 asociada a SCF reconoce el complejo y, por lo tanto, lo dirige para su degradación. Se han encontrado mutaciones en Fbw7 en más del 30 % de los tumores humanos, lo que la caracteriza como una proteína supresora de tumores.

Aumento de la actividad de ubiquitinación

Cáncer de cuello uterino

Se sabe que los tipos oncogénicos del virus del papiloma humano (VPH) secuestran la vía de la ubiquitina-proteasoma celular para la infección y replicación viral. Las proteínas E6 del VPH se unirán al extremo N de la ubiquitina ligasa E6-AP E3 celular, redirigiendo el complejo para que se una a p53, un gen supresor de tumores bien conocido cuya inactivación se encuentra en muchos tipos de cáncer. Por lo tanto, p53 sufre ubiquitinación y degradación mediada por proteasoma. Mientras tanto, E7, otro de los genes del VPH de expresión temprana, se unirá a Rb, también un gen supresor de tumores, mediando su degradación. La pérdida de p53 y Rb en ​​las células permite que se produzca una proliferación celular ilimitada.

Regulación p53

La amplificación de genes a menudo ocurre en varios casos de tumores, incluido el de MDM2, un gen que codifica para una ligasa de ubiquitina RING E3 responsable de la regulación negativa de la actividad de p53. MDM2 se dirige a p53 para la ubiquitinación y la degradación proteasómica, manteniendo así su nivel apropiado para la condición celular normal. La sobreexpresión de MDM2 provoca la pérdida de la actividad de p53 y, por lo tanto, permite que las células tengan un potencial replicativo ilimitado.

P27

Otro gen que es un objetivo de la amplificación génica es SKP2. SKP2 es una proteína de caja F que interviene en el reconocimiento de sustratos para la ubiquitinación y la degradación. SKP2 se dirige a p27, un inhibidor de las quinasas dependientes de ciclina (CDK). Las CDKs2/4 se asocian con las ciclinas E/D, respectivamente, familia de reguladores del ciclo celular para controlar la progresión del ciclo celular a través de la fase G1. El bajo nivel de proteína p27 se encuentra a menudo en varios tipos de cáncer y se debe a la sobreactivación de la proteólisis mediada por ubiquitina a través de la sobreexpresión de SKP2.

Efp

Efp, o proteína de dedo anular inducible por estrógenos, es una ubiquitina ligasa E3 cuya sobreexpresión ha demostrado ser la principal causa de cáncer de mama independiente de estrógenos. El sustrato de Efp es la proteína 14-3-3 que regula negativamente el ciclo celular.

Evasión de la ubiquitinación

Cáncer colonrectal

El gen asociado con el cáncer colorrectal es la poliposis coli adenomatosa (APC), que es un gen supresor de tumores clásico. El producto del gen APC se dirige a la beta-catenina para su degradación a través de la ubiquitinación en el extremo N, regulando así su nivel celular. La mayoría de los casos de cáncer colorrectal se encuentran con mutaciones en el gen APC. Sin embargo, en los casos en que el gen APC no está mutado, se encuentran mutaciones en el extremo N-terminal de la beta-catenina, lo que la hace libre de ubiquitinación y, por lo tanto, aumenta la actividad.

Glioblastoma

Como el cáncer más agresivo se originó en el cerebro, las mutaciones encontradas en pacientes con glioblastoma están relacionadas con la deleción de una parte del dominio extracelular del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR). Esta eliminación hace que la ligasa CBL E3 sea incapaz de unirse al receptor para su reciclaje y degradación a través de una vía lisosomal de ubiquitina. Por lo tanto, EGFR es constitutivamente activo en la membrana celular y activa sus efectores posteriores que están involucrados en la proliferación y migración celular.

Ubiquitinación dependiente de fosforilación

La interacción entre la ubiquitinación y la fosforilación ha sido un interés de investigación en curso, ya que la fosforilación a menudo sirve como marcador donde la ubiquitinación conduce a la degradación. Además, la ubiquitinación también puede actuar para activar o desactivar la actividad quinasa de una proteína. El papel crítico de la fosforilación se destaca en gran medida en la activación y eliminación de la autoinhibición en la proteína Cbl. Cbl es una ligasa de ubiquitina E3 con un dominio de dedo RING que interactúa con su dominio de unión a tirosina quinasa (TKB), evitando la interacción del dominio RING con una enzima conjugadora de ubiquitina E2. Esta interacción intramolecular es una regulación de autoinhibición que evita su papel como regulador negativo de varios factores de crecimiento y la señalización de tirosina quinasa y la activación de células T.La fosforilación de Y363 alivia la autoinhibición y mejora la unión a E2. Se ha demostrado que las mutaciones que hacen que la proteína Cbl sea disfuncional debido a la pérdida de su función ligasa/supresora de tumores y al mantenimiento de su función de señalización positiva/oncogénica provocan el desarrollo de cáncer.

Como blanco de un fármaco

Detección de sustratos de ubiquitina ligasa

La identificación de sustratos de E3 ligasa es fundamental para comprender su implicación en enfermedades humanas, ya que la desregulación de las interacciones E3-sustrato a menudo se presenta como la causa principal en muchas. Para superar la limitación del mecanismo utilizado para identificar los sustratos de la ligasa de ubiquitina E3, en 2008 se desarrolló un sistema llamado 'Perfil de estabilidad global de proteínas (GPS)'. Este sistema de alto rendimiento hizo uso de proteínas indicadoras fusionadas con miles de posibles sustratos de forma independiente. Mediante la inhibición de la actividad de la ligasa (mediante la fabricación de Cul1 dominante negativo hace que no se produzca la ubiquitinación), la actividad indicadora aumentada muestra que los sustratos identificados se están acumulando. Este enfoque agregó una gran cantidad de nuevos sustratos a la lista de sustratos de ligasa E3.

Posibles aplicaciones terapéuticas

Bloqueo del reconocimiento de sustrato específico por las ligasas E3, por ejemplo, Bortezomib.

Desafío

Encontrar una molécula específica que inhiba selectivamente la actividad de una determinada ligasa E3 y/o las interacciones proteína-proteína implicadas en la enfermedad sigue siendo una de las áreas de investigación importantes y en expansión. Además, dado que la ubiquitinación es un proceso de varios pasos con varios actores y formas intermedias, es necesario tener muy en cuenta la consideración de las complejas interacciones entre los componentes al diseñar los inhibidores de moléculas pequeñas.

Proteínas similares

Aunque la ubiquitina es el modificador posterior a la traducción más conocido, existe una familia creciente de proteínas similares a la ubiquitina (UBL) que modifican los objetivos celulares en una vía que es paralela, pero distinta, a la de la ubiquitina. Las UBL conocidas incluyen: pequeño modificador similar a la ubiquitina (SUMO), proteína de reacción cruzada con ubiquitina (UCRP, también conocida como gen-15 estimulado por interferón ISG15), modificador relacionado con la ubiquitina-1 (URM1), proteína de reacción cruzada con ubiquitina (UCRP, por sus siglas en inglés), proteína 8 regulada a la baja durante el desarrollo (NEDD8, también llamada Rub1 en S. cerevisiae), asociada al antígeno leucocitario humano F (FAT10), autofagia-8 (ATG8) y -12 (ATG12), Pocas proteínas similares a la ubiquitina (FUB1), MUB (UBL anclado a la membrana), modificador de plegamiento de ubiquitina-1 (UFM1) y proteína similar a la ubiquitina-5 (UBL5, que se conoce como homóloga a la ubiquitina-1 [Hub1] enS. pombe). Si bien estas proteínas comparten solo una identidad de secuencia primaria modesta con la ubiquitina, están estrechamente relacionadas tridimensionalmente. Por ejemplo, SUMO comparte solo un 18 % de identidad de secuencia, pero contienen el mismo pliegue estructural. Este pliegue se denomina "pliegue de ubiquitina". FAT10 y UCRP contienen dos. Este pliegue de agarre beta globular compacto se encuentra en la ubiquitina, las UBL y las proteínas que comprenden un dominio similar a la ubiquitina, por ejemplo, la proteína de duplicación del cuerpo del polo del huso de S. cerevisiae, Dsk2, y la proteína NER, Rad23, ambas contienen dominios de ubiquitina N-terminal..

Estas moléculas relacionadas tienen funciones novedosas e influyen en diversos procesos biológicos. También existe una regulación cruzada entre las diversas vías de conjugación, ya que algunas proteínas pueden modificarse por más de una UBL y, a veces, incluso en el mismo residuo de lisina. Por ejemplo, la modificación SUMO a menudo actúa de manera antagónica a la de la ubiquitinación y sirve para estabilizar sustratos proteicos. Las proteínas conjugadas con UBL normalmente no son objeto de degradación por parte del proteasoma, sino que funcionan en diversas actividades reguladoras. La unión de UBL podría alterar la conformación del sustrato, afectar la afinidad por los ligandos u otras moléculas que interactúan, alterar la localización del sustrato e influir en la estabilidad de la proteína.

Las UBL son estructuralmente similares a la ubiquitina y se procesan, activan, conjugan y liberan de los conjugados mediante pasos enzimáticos que son similares a los mecanismos correspondientes de la ubiquitina. Los UBL también se traducen con extensiones C-terminal que se procesan para exponer el LRGG C-terminal invariable. Estos modificadores tienen sus propias enzimas E1 (activadoras), E2 (conjugadoras) y E3 (ligadoras) específicas que conjugan las UBL con dianas intracelulares. Estos conjugados pueden revertirse mediante isopeptidasas específicas de UBL que tienen mecanismos similares a los de las enzimas desubiquitinantes.

Dentro de algunas especies, el reconocimiento y la destrucción de las mitocondrias de los espermatozoides a través de un mecanismo que involucra a la ubiquitina es responsable de la eliminación de las mitocondrias de los espermatozoides después de que ocurre la fertilización.

Orígenes procarióticos

Se cree que la ubiquitina desciende de proteínas bacterianas similares a ThiS (O32583) o MoaD (P30748). Estas proteínas procarióticas, a pesar de tener poca identidad de secuencia (ThiS tiene un 14% de identidad con la ubiquitina), comparten el mismo plegamiento proteico. Estas proteínas también comparten la química del azufre con la ubiquitina. MoaD, que participa en la biosíntesis de molibdopterina, interactúa con MoeB, que actúa como una enzima activadora de ubiquitina E1 para MoaD, fortaleciendo el vínculo entre estas proteínas procarióticas y el sistema de ubiquitina. Existe un sistema similar para ThiS, con su enzima similar a E1 ThiF. También se cree que la Saccharomyces cerevisiaela proteína Urm-1, un modificador relacionado con la ubiquitina, es un "fósil molecular" que conecta la relación evolutiva con las moléculas procarióticas similares a la ubiquitina y la ubiquitina.

Archaea tiene un homólogo funcionalmente más cercano del sistema de modificación de ubiquitina, donde se realiza la "muestreo" con SAMP (pequeñas proteínas modificadoras de arqueas). El sistema de muestreo solo usa E1 para guiar las proteínas al proteosoma. Las proteoarqueotas, que están relacionadas con el ancestro de los eucariotas, poseen todas las enzimas E1, E2 y E3 más un sistema Rpn11 regulado. A diferencia de SAMP, que son más similares a ThiS o MoaD, la ubiquitina de Proteoarchaeota es más similar a los homólogos eucariotas.

Proteína similar a la ubiquitina procariótica (Pup) y ubiquitina bacteriana (UBact)

La proteína similar a la ubiquitina procariótica (Pup) es un análogo funcional de la ubiquitina que se ha encontrado en el filo bacteriano grampositivo Actinomycetota. Cumple la misma función (dirigirse a proteínas para degradaciones), aunque la enzimología de ubiquitinación y pupilación es diferente, y las dos familias no comparten homología. En contraste con la reacción de tres pasos de la ubiquitinación, la pupilación requiere dos pasos, por lo tanto, solo dos enzimas están involucradas en la pupilación.

En 2017, se informaron homólogos de Pup en cinco filos de bacterias gramnegativas, en siete filos bacterianos candidatos y en una arquea. Las secuencias de los homólogos de Pup son muy diferentes de las secuencias de Pup en bacterias grampositivas y se denominaron bacterias de ubiquitina. (UBact), aunque aún no se ha demostrado que la distinción esté respaldada filogenéticamente por un origen evolutivo separado y no tiene evidencia experimental.

El hallazgo del sistema Pup/UBact-proteasoma tanto en bacterias grampositivas como gramnegativas sugiere que el sistema Pup/UBact-proteasoma evolucionó en bacterias antes de la división en clados grampositivos y negativos hace más de 3000 millones de años o, que estos sistemas fueron adquiridos por diferentes linajes bacterianos a través de transferencias horizontales de genes de un tercer organismo, aún desconocido. En apoyo de la segunda posibilidad, se encontraron dos loci UBact en el genoma de un Archaeon metanótrofo anaeróbico no cultivado (ANME-1; locus CBH38808.1 y locus CBH39258.1).

Proteínas humanas que contienen dominio de ubiquitina

Estos incluyen proteínas similares a la ubiquitina.

ANUBL1; BOLSA1; BAT3/BOLSA6; C1orf131; DDI1; DDI2; UAF; HERPUD1; HERPUD2; LÚPULO; IKBKB; ISG15; LOC391257; MIDN; NEDD8; OASL; PARQUE2; RAD23A; RAD23B; RPS27A; SACS; 8U SF3A1; SUMO1; SUMO2; SUMO3; SUMO4; TMUB1; TMUB2; UBA52; UBB; UBC; UBD; UBFD1; UBL4A; UBL4B; UBL7; UBLCP1; UBQLN1; UBQLN2; UBQLN3; UBQLN4; UBQLNL; UBTD1; UBTD2; UHRF1; UHRF2;

Proteínas relacionadas

• Dominio de proteína asociada a ubiquitina

Predicción de ubiquitinación

Los programas de predicción disponibles actualmente son:

• UbiPred es un servidor de predicción basado en SVM que utiliza 31 propiedades fisicoquímicas para predecir sitios de ubiquitinación.
• UbPred es un predictor aleatorio basado en bosques de posibles sitios de ubiquitinación en proteínas. Fue entrenado en un conjunto combinado de 266 sitios de ubiquitinación verificados experimentalmente no redundantes disponibles de nuestros experimentos y de dos estudios de proteómica a gran escala.
• CKSAAP_UbSite es una predicción basada en SVM que emplea la composición de pares de aminoácidos espaciados k que rodean un sitio de consulta (es decir, cualquier lisina en una secuencia de consulta) como entrada, utiliza el mismo conjunto de datos que UbPred.