Sesión 6 Lectura-Vesículas recubiertas de COP PDF

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CURRENT BIOLOGY Volume 26, Issue 2, 25 January 2016, Pages R54-R57 Primer

COP-coated vesicles (Vesículas recubiertas de COP) Natalia Gomez-Navarro, Elizabeth A. Mille (TRADUCCIÓN DE ARTÍCULO ORIGINAL: Natalia Gomez-Navarro, Elizabeth A. Miller. COPCoated vesicles . Current Biology. Volume 26, Issue 2. 2016. Cell Press. https://doi.org/10.1016/j.cub.2015.12.017)

Resumen Aproximadamente un tercio de las proteínas de una célula están destinadas a funcionar fuera de los límites de la célula o mientras están incrustadas dentro de las membranas celulares. Asegurar que estas proteínas alcancen sus diversos destinos finales con precisión temporal y espacial es esencial para la fisiología celular. En eucariotas, un conjunto de orgánulos interconectados forman la vía secretora, que abarca el terreno por el que estas proteínas deben navegar en su viaje desde su sitio de síntesis en el ribosoma hasta sus destinos finales. El tráfico de proteínas dentro de la vía secretora está dirigido por vesículas portadoras de carga que transportan proteínas de un compartimento a otro. Los pasos clave en el tráfico mediado por vesículas incluyen el reclutamiento de proteínas de carga específicas, que deben recolectarse localmente donde se forma una vesícula, y la liberación de un recipiente apropiado que contenga carga del orgánulo donante (Figura 1). La vesícula recién formada puede difundirse pasivamente a través del citoplasma o puede atrapar un paseo en el citoesqueleto para viajar direccionalmente. Una vez que la vesícula llega a su destino preciso, la membrana del transportador se fusiona con la membrana de destino para entregar su carga ______________________________________________________________________

Texto principal Las proteínas citoplásmicas, llamadas proteínas de la cubierta, son responsables tanto de clasificar la carga como de esculpir la membrana donante para formar un portador de vesículas. Los primeros pasos de transporte en la vía secretora están mediados por vesículas generadas por dos complejos de capa distintos (Figura 1). El complejo de la proteína de cubierta II (COPII) media el reclutamiento de carga y la gemación desde el retículo endoplásmico (ER), produciendo vesículas destinadas al Golgi (transporte anterógrado). El complejo de la proteína de la cubierta I (COPI) gestiona el tráfico desde el Golgi de regreso al ER (transporte retrógrado), o entre diferentes compartimentos del Golgi (transporte intra-Golgi). Centrándonos en estas dos capas canónicas, discutiremos los principios de diseño básicos que gobiernan el tráfico de proteínas entre el RE y el Golgi y la relevancia fisiológica de este proceso.

Figura 1. Las vesículas y los túbulos median el tráfico en la vía secretora temprana . Representación esquemática de los compartimentos implicados en el transporte de proteínas ER-Golgi. Las vesículas que brotan del RE para iniciar el transporte anterógrado son generadas por las proteínas de la cubierta COPII (verde y naranja). Las vesículas COPII pueden fusionarse directamente con el Golgi, como ocurre en la levadura o las plantas, o pueden fusionarse en su camino hacia el Golgi para generar un compartimento pleiomórfico llamado compartimento intermedio ER-Golgi o ERGIC. Las proteínas COPI (azul y violeta) generan vesículas retrógradas del complejo de Golgi o del ERGIC, reciclando a los residentes de RE que se escapan para asegurar la recuperación al ER. Las mismas proteínas responsables de la formación de objetivos de vesículas esféricas probablemente también impulsan la formación de estructuras tubulares del ER (COPII) y el Golgi (COPI).

Organelos donantes y aceptores en la vía secretora temprana: ER, ERGIC y Golgi Las proteínas secretoras son traducidas por ribosomas citoplásmicos que se acoplan a la membrana del RE a través de un canal de translocación incrustado en la membrana, a través del cual el polipéptido naciente obtiene acceso a la luz y / o membrana del RE. La función principal del RE es proporcionar un entorno optimizado para el plegamiento y la maduración de proteínas. Una vez plegadas correctamente, las proteínas secretoras nacientes se acumulan en sitios de salida específicos del ER (ERES), que son dominios de membrana discretos recubiertos con COPII proteínas de la cubierta. Estos sitios de salida son relativamente estables y actúan como parte del sistema de control de calidad de ER porque las proteínas mal plegadas y los residentes de ER están en gran parte excluidos de estas regiones. Es en estos sitios donde se forman las vesículas COPII destinadas al aparato de Golgi. En plantas y levaduras, es probable que las vesículas COPII se fusionen directamente con el Golgi, que se encuentra muy cerca de ERES. Sin embargo, en las células de los mamíferos, el transporte desde el ER al Golgi también incluye una estación de paso: una serie de membranas conocidas como agrupaciones tubulares vesiculares (VTC) o el compartimento intermedio ER-Golgi (ERGIC; Figura 1 ). Estos orgánulos están formados por la fusión homotípica de vesículas COPII para generar una estructura que tiene una composición bioquímica distinta a la del RE o Golgi y que puede alterar su forma y tamaño en respuesta a cambios ambientales. Los grupos de membranas formados

durante los eventos de fusión reclutan rápidamente la cubierta COPI, que también marca este compartimento. En última instancia, las membranas ERGIC se trasladan al Golgi propiamente dicho, donde liberan su contenido para su transporte posterior. Además de funcionar como un portador en la vía anterógrada, el ERGIC también desempeña un papel en el control de la calidad de las proteínas al servir como un compartimento de punto de control desde el cual las proteínas se pueden recuperar al ER. Las proteínas residentes en el RE que contienen señales de recuperación se envían de regreso al RE, y las proteínas que se han escapado mal plegadas también pueden acceder a esta ruta para regresar al RE en busca de más oportunidades de plegado. La clasificación en la vía de recuperación (retrógrada) está mediada por vesículas COPI, que capturan a los residentes de ER a través de sus señales de recuperación: K (X) KXX para proteínas de membrana y K / HDEL para los residentes de ER lumenales. Para las proteínas secretoras y de membrana nacientes, la entrega al Golgi inicia una serie controlada de modificaciones covalentes a medida que las proteínas viajan desde el lado que mira hacia adentro (cis -) al lado extracelular (trans -) del Golgi, y de allí a otros compartimentos de la vía secretora. Las capas se autoensamblan para generar vesículas. El proceso de construcción de vesículas de transporte requiere la acción concertada de las proteínas de la cubierta citoplásmica. Para las vesículas recubiertas de COP, este proceso se ha reconstituido in vitro, lo que permite la disección precisa de distintos eventos en el nacimiento de una vesícula. Las proteínas de la cubierta en general cumplen dos funciones: captura selectiva de proteínas de carga dentro del compartimento donante, incluida la maquinaria de fusión adecuada que garantizará la liberación de vesículas; y generación de curvatura de la membrana para producir pequeños transportadores esféricos de transporte. Las proteínas COP que impulsan la formación de vesículas en la vía secretora temprana tienen algunas características comunes, pero siguen siendo fundamentalmente distintas en la mayoría de sus detalles moleculares. La cubierta de COPII comprende cinco proteínas, Sar1, Sec23, Sec24, Sec13 y Sec31, que se ensamblan de manera secuencial (Figura 2). El ensamblaje de la capa se inicia mediante la activación de la pequeña GTPasa Sar1, un miembro de la superfamilia Ras. Sar1 tiene una baja actividad intrínseca de intercambio de GDP a GTP, por lo que requiere una proteína de membrana residente en ER, Sec12, para facilitar la carga de GTP y la activación local. Cuando se une a GTP, Sar1 expone una hélice α anfipática amino-terminal, que se incrusta en la bicapa lipídica. Sar1-GTP en la membrana ER recluta un heterodímero de Sec23 y Sec24 a través de una interacción con Sec23. Sec24 selecciona proteínas de carga al unirse directamente a las señales de exportación de ER. Las proteínas secretoras solubles contenidas en la luz del RE no pueden interactuar directamente con Sec24 y, en cambio, dependen de las proteínas receptoras para forjar una conexión con la capa. Los heterotetrámeros de Sec13 y Sec31 se reclutan posteriormente mediante una interacción entre Sar1-Sec23 y Sec31. Sec13-Sec31 tiene la capacidad intrínseca de formar una estructura esférica similar a una jaula en solución y, por lo tanto, se cree que impulsa la curvatura de la membrana

al imponer esta geometría en la membrana subyacente.

Figura 2. Estructura y montaje de capas COPI y COPII . Representaciones del ensamblaje jerárquico de las proteínas de la cubierta en la membrana y de las unidades estructurales que forman los complejos de la cubierta. Panel superior: la capa COPII se puede dividir en dos capas. La GTPasa Sar junto con Sec23-Sec24 formar la capa interior. Su estructura en forma de pajarita descansa sobre la membrana donde interactúa con las proteínas de carga y desencadena la formación de vesículas. Sec13 – Sec31 forma la capa exterior. Su forma de varilla unidad estructural consiste en un heterotetrámero compuesto de dos Sec13 y dos Sec31 polipéptidosque se autoensamblan en una jaula poliédrica. Panel inferior: las proteínas de la cubierta de COPI interactúan con la membrana predominantemente a través de la GTPasa Arf1 y a través de regiones de β'- y α-COP que interactúan con la carga. Las regiones distales de ambos subcomplejos, β'– α-CO P y γ – ζ – β – δ-COP, forman estructuras en forma de arco. Tres unidades estructurales parecen formar una estructura triangular llamada 'tríada', que es el bloque de construcción de la capa de vesícula que cubre la membrana. Las vesículas recubiertas de COPI se forman en las membranas de Golgi o ERGIC a través de la acción de Arf1, una pequeña GTPasa relacionada con Sar1, y un complejo proteico heptamérico llamado coatómero (para el protómero de la capa; Figura 2). El coatómero es un complejo relativamente estable que se puede descomponer bioquímicamente en dos subcomplejos: un ensamblaje trimérico de Ret1 (α-CO P), Sec27 (β'-CO P), Sec28 (ε-COP) y un complejo tetramérico compuesto de Sec26 (β-CO P), Sec21 (γ-CO P), Ret2 (δ-CO P) y Ret3 (ζ-COP). El reclutamiento de COPI a las membranas ocurre en solo dos pasos: unión de Arf1 a las membranas (nuevamente a través de una hélice anfipática amino-terminal corta), y el posterior reclutamiento de coatómero, que a su vez interactúa con las proteínas de carga. Una vez más, las proteínas lumenales solubles requieren un receptor de carga, el receptor KDEL, para tender un puente sobre una interacción con la capa. Aunque las vesículas COPI y COPII tienen algunas características en común, como el requisito de una pequeña GTPasa que desencadena la formación de vesículas y algunos elementos estructurales que se comparten entre diferentes componentes, su arquitectura global y aspectos de su organización funcional son distintos.

Conocimientos estructurales sobre la arquitectura de vesículas recubiertas de COP En la última década, la cristalografía de rayos X y la microscopía crioelectrónica (cryo-EM) han revelado información detallada sobre la base molecular de la formación de vesículas recubiertas de COP. La capa COPII se puede dividir en dos capas: la capa 'interna' Sar1 – Sec23 – Sec24 y la capa 'externa' Sec13 – Sec31 (Figura 2). Sar1 – Sec23 – Sec24 forma una estructura en forma de pajarita que probablemente se encuentra plana sobre la membrana e interactúa íntimamente tanto con la bicapa lipídica como con las proteínas de carga. Los datos estructurales, genéticos y bioquímicos establecieron que Sec24 contiene múltiples dominios de unión de carga independientes para el reconocimiento de una variedad de señales de clasificación. En los mamíferos, este repertorio de enlace de carga se amplía aún más con isoformas Sec24 adicionales con una selectividad de carga distinta. Sec13 – Sec31 se encuentra distal a la membrana y forma estructuras en forma de varilla que pueden autoensamblarse en una jaula mediante interacciones de extremo a extremo, donde cuatro varillas se unen para formar un 'vértice'. Se cree que esta organización estructural concentra la capa interna y la curvatura de la membrana del andamio. Los componentes de la capa externa de COPII interactúan con la capa interna a través de un péptido corto de Sec31 que se encuentra a través de la superficie distal de la membrana de Sar1-Sec23. Una función de esta interacción es estimular la actividad GTPasa de Sar1: Sec23 es la Proteína activadora de GTPasa para Sar1, y su actividad aumenta 10 veces por el péptido Sec31. A diferencia de COPII, COPI no parece ser estructuralmente separable en capas "internas" y "externas". En cambio, ambos subcomplejos de la capa de COPI contienen regiones que interactúan estrechamente con la membrana y juntas forman una estructura de "tríada" que parece ser el bloque de construcción de la capa propiamente dicha (Figura 2). Las subunidades de unión de carga, β'- y α-COP, forman un dímero en forma de arco que probablemente contacta con la membrana a través de los sitios de unión de carga en la hélice β amino-terminal dominios que reconocen la señal retrógrada más utilizada, K (X) KXX. El subcomplejo γ – ζ – β – δ-COP también forma una estructura en forma de arco cuando se ensambla en la membrana y parece unir subcomplejos α – β'-CO P adyacentes. Las subunidades γ- y β-COP interactúan con la membrana a través de su unión a Arf1. La curvatura de la membrana en las vesículas COPI probablemente sea impulsada por la penetración de las hélices amino-terminales de Arf1 en la membrana y por la estructura curva de toda la tríada. Cuando se ensambla en membranas, la disposición de las tríadas COPI da como resultado una envoltura de proteína casi contínua cubriendo la membrana. Las tríadas parecen estar unidas entre sí mediante dominios flexibles en las subunidades δ, α o ε-COP. Estos contactos pueden adoptar diferentes interfaces, quizás dando flexibilidad conformacional al pelaje y determinando la forma y el tamaño de la vesícula. A pesar de muchas diferencias arquitectónicas intrínsecas, las proteínas de andamio de recubrimiento COPI y COPII comparten algunos aspectos de su organización estructural. Los módulos estructurales comunes se encuentran en α-β'-COP y Sec13-Sec31: cada subcomplejo comprende dos dominios de hélice β seguidos de un dominio de solenoide α. Curiosamente, esta organización característica también se puede encontrar en la cubierta de clatrina y en las proteínas de los poros nucleares, lo que refleja el origen evolutivo común de estas proteínas, que participan en la formación de las membranas celulares. Las cubiertas se adaptan a las necesidades de la célula Las membranas biológicas son estructuras fluidas que se pueden moldear en varias formas, incluidos tubos estrechos, cisternas aplanadas y esferas pequeñas. Los portadores de vesículas

son típicamente pequeñas estructuras esféricas, pero, en algunos pasos de transporte, deben existir diferentes morfologías de portadores. Por ejemplo, pro-colágeno y partículas lipídicas son demasiado grandes para caber en vesículas COPII canónicas, sin embargo todavía están claramente realizados por mecanismos COPII-dependientes. De manera similar, los túbulos de la membrana conectan distintas cisternas de Golgi, y la capa de COPI también parece ser capaz de generar estas estructuras. Aún no se comprende bien cómo se regulan las proteínas de la cubierta para alterar su ensamblaje en diferentes condiciones fisiológicas para generar transportadores con diferentes características físicas. Los análisis Cryo-EM han permitido una vista detallada de las interacciones que impulsan el ensamblaje de la jaula COPII, e insinúan cierta flexibilidad conformacional que probablemente sea clave para permitir que la capa forme portadores de diferentes geo metrías. Un concepto emergente es que las barras Sec13-Sec31 tienen múltiples puntos en los que pueden someterse a flexión. Cuando las varillas se ensamblan en una jaula, los ángulos específicos en estos puntos determinan el radio del portador debajo. La versatilidad adicional puede derivarse de la disposición de la capa de revestimiento interior, que se ha observado como una celosía muy compacta en los liposomas tubulares. Juntos, estos puntos de variabilidad crean un pelaje que es intrínsecamente lo suficientemente versátil como para formar una variedad de estructuras que van desde morfologías esféricas hasta tubulares. Es importante no perder de vista el hecho de que las propias proteínas de carga también pueden participar en la biogénesis de vesículas. Es probable que la abundancia de carga, la orientación en la membrana y el tamaño influyan en las propiedades biofísicas de la membrana del RE para promover u oponerse a la formación de vesículas. Por último, es casi seguro que las proteínas accesorias también sirven para regular la adaptación de la cobertura. Por ejemplo, una proteína de membrana del ER, TANGO1, participa en el transporte de pro-colágeno a través de mecanismos que aún no se han definido por completo. Además, una proteína ER periférica, Sec16, parece regular el momento de la escisión de la vesícula, un evento crítico para permitir que una vesícula naciente crezca a un tamaño mayor. Al igual que la capa de COPII, la gemación de COPI de las membranas de Golgi también puede producir portadores tanto vesiculares como tubulares. En este caso, la formación de una frente a la otra depende de la actividad de dos enzimas modificadoras de lípidos: ácido lisofosfatídico aciltransferasa-γ (LPAATγ) promueve la formación de vesículasCOPI por mejora de la escisión, mientras que la fosfolipasa citosólica A2-α (cPLA2α) impulsa la tubulación por inhibición en este evento de fisión. Queda por ver cómo podría cambiar la morfología y la disposición de la capa de COPI en estas condiciones. Un último tema emergente en el estudio de la función de la cubierta COP es cómo se regulan estas capas en el entorno más complejo de las células. Múltiples estudios muestran que las propias proteínas de la cubierta están sujetas a modificaciones postraduccionales. Por ejemplo, Sec23-Sec24 es fosforilado por una quinasa asociada a Golgi, Hrr25, y este ciclo de fosforilación-desfosforilación asegura la direccionalidad del tráfico ER-Golgi. Otro ejemplo es la ubiquitinación: tanto Sec23 como Sec31 están ubiquitinadas y esta modificación parece regular la renovación de la cubierta y la función de la jaula, respectivamente. Se ha observado un fenómeno similar para COPI donde β'-COP es un sustrato de la ubiquitina proteasa Complejo Ubp3-Bre5, lo que sugiere que la modificación por ubiquitina regula el transporte anterógrado y retrógrado entre los compartimentos ER y Golgi. Genética de levaduras, biogénesis de vesículas y trastornos humanos

El proceso de formación, transporte y fusión de vesículas se ha estudiado durante mucho tiempo utilizando las técnicas clásicas de la bioquímica y la genética de organismos modelo. Más recientemente, dado que la secuenciación del genoma asequible ha proporcionado una visión molecular de los estados patológicos humanos, esta información se puede extrapolar rápidamente a la condición humana, ya que todos los componentes centrales de la COP son antiguos y están conservados. De hecho, una visión fisiológica del tráfico ER-Golgi está ganando importancia en el campo a medida que se identifican nuevas mutaciones en varias proteínas de la cubierta en asociación con diversos trastornos humanos. Las mutaciones en SAR1B, una de las dos isoformas en humanos, causan defectos en la biogénesis de las partículas de lipoproteínas llamadas quilomicrones, lo que resulta en niveles alterados de colesterol plasmático en lo que se llama enfermedad de retención de quilomicrones (CMRD) o enfermedad de Anderson. Las mutaciones tanto en Sec23 como en Sec24 se han relacionado con trastornos del desarrollo craneofacial caracterizados por un retraso en la osificación de los huesos faciales, probablemente como resultado de defectos de tráfico de colágeno. Las mutaciones en α-...