Misterio molecular resuelto: los científicos de Harvard han descubierto una forma previamente desconocida para que las células descompongan las proteínas

Este mecanismo descompone las proteínas de vida corta que apoyan la función cerebral e inmune.

Las proteínas de vida corta controlan la expresión genética en las células y desempeñan funciones críticas que van desde ayudar a la comunicación cerebral hasta estimular la respuesta inmune del cuerpo. Estas proteínas se originan en el núcleo y se degradan rápidamente después de cumplir su propósito.

Durante décadas, el mecanismo detrás de la degradación de estas proteínas esenciales y su eliminación de las células ha seguido siendo un misterio para los investigadores, hasta ahora.

En una colaboración interdepartamental, investigadores de la Facultad de Medicina de Harvard han identificado una proteína llamada medulinulina que desempeña un papel clave en la degradación de muchas proteínas nucleares de vida corta. El estudio muestra que la medulina hace esto agarrando directamente las proteínas y arrastrándolas al sistema de eliminación de desechos celulares, llamado proteosoma, donde se destruyen.

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Ciencias.

«Estas proteínas específicamente de vida corta se conocen desde hace más de 40 años, pero nadie ha determinado cómo se degradan realmente», dijo el coautor principal Shen Guo, investigador en neurobiología del HMS.

Debido a que las proteínas descompuestas mediante este proceso modulan genes con funciones importantes relacionadas con el cerebro, el sistema inmunológico y el desarrollo, los científicos eventualmente podrán enfocar el proceso como una forma de controlar los niveles de proteínas para alterar estas funciones y corregir cualquier mal funcionamiento.

«El mecanismo que encontramos es muy simple y muy elegante», añadió el coautor principal Christopher Nardoni, candidato a doctorado en genética en el HMS. «Es un descubrimiento científico fundamental, pero tiene muchas implicaciones para el futuro».

rompecabezas molecular

Está bien establecido que las células pueden descomponer las proteínas uniéndolas a una pequeña molécula llamada ubiquitina. La etiqueta le dice al proteosoma que las proteínas ya no son necesarias y las destruye. Gran parte de la investigación pionera sobre este proceso fue realizada por el fallecido Fred Goldberg en HMS.

Sin embargo, a veces el proteosoma descompone proteínas sin la ayuda de etiquetas de ubiquitina, lo que lleva a los investigadores a sospechar de otro mecanismo de proteólisis independiente de la ubiquitina.

«Había evidencia dispersa en la literatura científica de que el proteasoma podía de alguna manera degradar directamente proteínas no marcadas, pero nadie entendía cómo podía suceder eso», dijo Nardoni.

Un grupo de proteínas que parece degradarse mediante un mecanismo alternativo son los factores de transcripción inducidos por estímulos: proteínas que se sintetizan rápidamente en respuesta a estímulos celulares que viajan al núcleo celular para activar genes, después de lo cual se destruyen rápidamente.

«Lo que inicialmente me sorprendió es que estas proteínas son muy inestables y tienen una vida media muy corta: una vez que se producen, hacen su trabajo y muy rápidamente se degradan», dijo Joe.

Estos factores de transcripción respaldan una variedad de procesos biológicos importantes en el cuerpo, pero incluso después de décadas de investigación, «el mecanismo de su recambio ha sido en gran medida desconocido», dijo Michael Greenberg, profesor Nathan March Posey de Neurobiología en el Instituto HMS Blavatnik y Harvard. Universidad. . Coautor de este artículo con Stephen Eledge, profesor Gregor Mendel de Genética y Medicina en HMS y Brigham and Women’s Hospital.

De un puñado a cientos

Para investigar este mecanismo, el equipo comenzó con dos factores de transcripción familiares: Fos, que se ha estudiado ampliamente en el laboratorio de Greenberg por su papel en el aprendizaje y la memoria, y EGR1, que participa en la división y supervivencia celular. Utilizando análisis genéticos y proteómicos de vanguardia desarrollados en el laboratorio de Elledge, los investigadores se centraron en la medulina como una proteína que ayuda a descomponer los factores de transcripción. Los experimentos posteriores revelaron que, además de Fos y EGR1, la medulina también puede participar en la degradación de cientos de otros factores de transcripción en el núcleo.

Gu y Nardone recuerdan haberse sentido conmocionados y escépticos ante sus hallazgos. Para confirmar sus hallazgos, decidieron que necesitaban saber exactamente cómo la medulina ataca y degrada muchas proteínas diferentes.

«Una vez que identificamos todas estas proteínas, surgieron muchas preguntas tentadoras sobre cómo funciona realmente el mecanismo medullinolénico», dijo Nardoni.

Con la ayuda de un aprendizaje automático Utilizando una herramienta llamada AlphaFold que predice las estructuras de las proteínas, así como los resultados de una serie de experimentos de laboratorio, el equipo pudo dilucidar los detalles del mecanismo. Demostraron que la medulina tiene un «dominio de captura», una región de la proteína que captura otras proteínas y las alimenta directamente al proteosoma, donde se descomponen. Este dominio de captura consta de dos regiones independientes y vinculadas. Aminoácidos (piense en guantes atados a una cuerda) que capturan una región relativamente no estructurada de la proteína, lo que permite que la medullina capture muchos tipos diferentes de proteínas.

Es de destacar proteínas como Fos, que son responsables de activar genes que hacen que las neuronas del cerebro se conecten y reconecten en respuesta a los estímulos. Otras proteínas, como IRF4, activan genes que respaldan el sistema inmunológico al garantizar que las células puedan formar células B y T funcionales.

«El aspecto más interesante de este estudio es que ahora entendemos un nuevo mecanismo general independiente de la ubiquitilación que degrada las proteínas», dijo Elledge.

Potencial de traducción tentador

A corto plazo, los investigadores quieren profundizar en el mecanismo que descubrieron. Planean realizar estudios estructurales para comprender mejor los detalles finos de cómo se capturan y degradan las proteínas. También están fabricando ratones que carecen de linulina, para comprender el papel de la proteína en diferentes células y etapas de desarrollo.

Los científicos dicen que sus hallazgos tienen un potencial de traducción tentador. Puede proporcionar una vía que los investigadores pueden aprovechar para controlar los niveles de factores de transcripción, modulando así la expresión genética y, a su vez, los procesos relacionados en el cuerpo.

«La degradación de las proteínas es un proceso crítico, y su desregulación es la base de muchos trastornos y enfermedades», dijo Greenberg, incluidas algunas afecciones neuropsiquiátricas, así como algunos tipos de cáncer.

Por ejemplo, cuando las células contienen demasiados o muy pocos factores de transcripción como Fos, pueden surgir problemas de aprendizaje y memoria. En el mieloma múltiple, las células cancerosas se vuelven adictas a la proteína inmune IRF4, por lo que su presencia puede alimentar la enfermedad. Los investigadores están particularmente interesados ​​en identificar enfermedades que puedan ser buenas candidatas para desarrollar terapias que funcionen a través de la vía del proteosoma de mandulina.

«Un área que estamos explorando activamente es cómo ajustar la especificidad del mecanismo para que pueda analizar específicamente las proteínas de interés», dijo Gu.

Referencia: “La vía del proteasoma de medulina captura proteínas para la degradación autónoma de ubiquitina” por Shen Guo, Christopher Nardoni, Nolan Kamitaki, Uyo Mao, Stephen J. Eledge y Michael E. Greenberg, 25 de agosto de 2023, disponible aquí. Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.adh5021

El financiamiento fue proporcionado por una beca de la Liga Nacional Mah Jongg de la Fundación Damon Runyon para la Investigación del Cáncer, una beca de investigación para graduados de la Fundación Nacional de Ciencias y Institutos Nacionales de Salud (T32 HG002295; R01 NS115965; AG11085).