TEMA 4 - Expressió gènica per carbohidrats PDF

Preview

Summary

Download TEMA 4 - Expressió gènica per carbohidrats PDF

Description

TEMA 4 Control de l’expressió gènica per carbohidrats INTRODUCCIÓ Hi ha diverses proteïnes que regulen l’expressió gènica, entre elles destaca el factor de transcripció ChREBP com a sensor de glucosa. La regulació del metabolisme de la glucosa és fonamental, ja que nivells per sobre o per sota del llindar poden produir diferents patologies à mecanisme controlat evolutivament

Efectes dels nutrició sobre l’organisme Els nutrients: - Aportació energètica i pilars en formació d’estructures - Són capaços d’adaptar el metabolisme de l’individu al seu tipus, quantitat i freqüència d’ingesta.

Humans adaptats a una aportació discontinua o irregular de nutrients. Han evolucionat per ajustar la capacitat d’emmagatzematge de nutrients i la velocitat amb la que s’utilitzen al tipus i freqüència de l’alimentació. Per això, hi ha problemes relacionats amb el tipus d’alimentació de l’època actual en la que vivim. Antigament hi havia escassetat d’aliments i per tant, els problemes relacionats amb l’alimentació eren totalment diferents. Actualment mengem més quantitat i més sovint, i com que el nostre cos és molt eficient en emmagatzemar energia, tendim a engreixar, fet que no es donava en èpoques passades. L’organisme ha desenvolupat 2 mecanismes d’adaptació per utilitzar la glucosa: • A curt termini: regulació hormonal (transducció de senyal) •

A llarg termini: remodelació del metabolisme intermedi de l’organisme (regulació de gens claus pels nutrients de la dieta, és més lent)

ELEMENTS DE RESPOSTA A CARBOHIDRATS (ChREBP i MLX) Quan ingerim carbohidrats l’organisme els destina a la glucòlisi, que genera glucosa-6-P i permet l’obtenció d’energia. REGULACIÓ DE L’EXPRESSIÓ GÈNICA GLUCOSA

GLUCOKINASA (GK) FETGE

TEIXIT ADIPÓS FETGE CÈL·LULES β-PANCREÀTIQUES

• LIVER-TYPE PYRUVATE KINASE (L-PK) • FATTY ACID SYNTHASE (FAS) • ACETYL-COA CARBOXYLASE (ACC) • STEAROYL-COA DESATURASE 1 (SCD1)

Bioquímica de la Nutrició

1

El que sobra s’emmagatzema mitjançant lipogènesi (emmagatzemat com a greixos). El metabolisme dels CH es dona principalment en 3 teixits: • Hepàtic • Adipós (glucòlisi i lipòlisi) • Pancreàtic (regulació dels nivells de glucosa) Les funcions de la glucosa són: - Serveix de font d’energia primària - Control de l’expressió de gens implicats en el metabolisme energètic à ChREBP: element de resposta als hidrats de carboni (ChoRE) als seus promotors Com ho fa la cèl·lula per activar els gens? Els gens que s’activen per glucosa tenen elements de resposta a carbohidrats: ChREBP Hi ha una proteïna que respon al nivells de glucosa i fa que els gens es transcriguin o no. GLUCOSA

GLUCOKINASA (GK) FETGE

REGULACIÓ DE L’EXPRESSIÓ GÈNICA

ELEMENT DE RESPOSTA ALS HIDRATS DE CARBONI (ChoRE) ALS SEUS PROMOTORS

ChoRE SEQÜÈNCIA CONSENS

Seqüència consens: 2 caixes E (E box)

CONSERVADA: ELEMENT EN TÀNDEM E BOX SEPARAT PER 5 NUCLEÓTIDS ( 5’-CACGTG-nnnnnCACGTG-3’).

ChREBP (carbohydrate response element binding protein) CHREBP és un factor de transcripció de la família Mondo (concretament, és Mondo B) amb dominis bHLH/LZ (basic helix-loop-helix leucine zipper proteins) d’interacció amb el DNA, que són els que caracteritzen la família de factors de transcripció. - Regulen gens claus implicats amb la glucòlisi i la lipogènesi. - Unió directa als elements de resposta als CH (ChoRE) als seus promotors - Està codificat pel gen Mlxipl gene (també anomenat ChREBP gene)

Bioquímica de la Nutrició

2

MLX (Max-Like protein X) ChREBP no actua sola sinó que dimeritza amb MLX (interacció conservada evolutivament). - Interacció funcional obligatòria entre les dues proteïnes - Complex transcripcional regulat per glucosa - Complex actiu com a heterotetràmer (2 heterodímers ChREBP/MLX)

Cadascun dels ChREBP del tetràmer s’uneix a les caixes E.

Gens regulats directament per la glucosa (fetge i teixit adipós) • • •

Liver-Typepyruvatekinase (L-PK) Fatty Acid Synthase (FAS) Acetyl-CoA Carboxylase (ACC)

•

Stearoyl-CoA Desaturase 1 (SCD1)

SEQÜÈNCIA CONSENS Element de resposta a CH (ChoRE) Gran diversitat de gens implicats:

(només cal que recordem els 4 marcats) Bioquímica de la Nutrició

3

ChREBP Estructura Hi ha dues isoformes de la proteïna ChREBP-α i ChREBP-β. α va ser la primera en ser descrita. El 2012 es va descriure β, que és més petita. (si no s’especifica, parlem de ChREBP-α) Diferents dominis de ChREBP i com ser regulada per cada domini:

ChREBP-α (864 aa i MW: 94,6 KDa) Membre de la família Mondo que s’expressa sobretot en fetge i teixit adipós. Té motiu estructural bHLH/LZ Es regula a diversos nivells: - a nivell d’expressió gènica (síntesi i recanvi proteic) - a nivell post-traduccional - sublocalització cel·lular à capacitat de traslocar a nucli (si esta al citoplasma no és activa, ha d’estar al nucli) Estructura: Dominis clau: 1. Senyal de localització cel·lular (NLS) 2. Seqüències d’exportació nuclear (NES) (treu del nucli) 3. Motiu d'unió a la proteïna 14-3-3 (segresta al citoplasma) 4. Regió rica en prolines 5. Domini bHLH/LZ 6. Domini Leucina zip-like 7. Regions conservades a Mondo (MCR I-V) (unió al DNA i interacció amb MLX) Mòdul sensible a glucosa (GSM)

LID (Low-glucose inhibitor domain)

Bioquímica de la Nutrició

Domini activador de la trascripció

GRACE (Glucose-response activation conserved element)

4

En resum, l’extrem N-terminal està relacionat amb la localització cel·lular i el C-terminal és l’encarregat de la unió al DNA i el partner. Mitjançant el mecanisme de GSM (mòdul sensible a glucosa) “sap” si hi ha glucosa a les cèl·lules i si ha de regular o no els gens. Té 2 parts: - LID: domini inhibidor a baixa glucosa - GRACE: al contrari, activa quan hi ha glucosa Al principi, quan es va començar a estudiar la proteïna, es pensava que el principal mecanisme de regulació era la seva translocació a nucli: • Fosforilació Serina 196: es troba pròxima a NLS à bloqueig transport a nucli (la seqüència NLS no està exposada) • Fosforilació Serina 626 i Treonina 666: prop domini d’unió al DNA à PKA en condicions de baixa glucosa fosforila i impedeix unió a la seqüència diana (no pot interaccionar amb el DNA) En general, quan ChREBP esta fosforilada es troba inactiva i al citoplasma. Com s’activa? Es necessita glucosa i que la proteïna es desfosforili: • Proteïna fosfatasa 2A (PP2A): a altes concentracions de glucosa desfosforila aquests aa i afavoreix la localització nuclear Mecanisme de translocació nuclear complex: 1. NLS-importina - NES-Crm1 2. 14-3-3 constitutivament unit a MCR III (ChREBP al citosol) NLS s’uneix a una importina que permet l’entrada el nucli (si esta fosforilada, la importina no pot interaccionar). La seqüència d’exportació (NES) interacciona amb exportina Crm1. A seqüència M-terminal hi ha prot 14-3-3 que quan s’uneix inactiva (fa que estigui al citosol). GSM actua com un repressor de la transcripció: - Uneix a una proteïna repressora - Bloqueig per si mateixa per interaccions intramoleculars Quan no hi ha glucosa com fa la proteïna per estar reprimida? a part d’estar al citoplasma, la pròpia proteïna es tanca sobre si mateixa i es bloqueja (la seqüència d’interacció amb el DNA queda tapada). S’activa quan augmenta la glucosa

Aquesta conformació inactiva tan sols s’activa en presència de [glucosa] elevades per permetre la transcripció. L’expressió de ChREBP-α està controlada per elements reguladors que responen a la insulina, el receptor LRX i a l’hormona tiroidea. Quan ens preguntin mecanismes de regulació és important també tenir en compte la regulació transcripcional (el promotor de ChREBP també es regula). Canvia la quantitat de proteïna. Els factors de transcripció que regulen ChREBP són: insulina, LRX i hormona tiroidea El domini GRACE (MCR V) actua com activador de la transcripció: Bioquímica de la Nutrició

5

Absència de Gluc o baixes concentracions

Canvi conformacional a LID

GRACE alliberada per - Transcripció - LID unió a coactivadors?

Si la repressió de LID sobre GRACE es dona en les condicions adequades de fosforilació, el factor de transcripció es transloca al nucli i pot mediar la transcripció 19 1. Quan no hi ha glucosa o n’hi ha poca la proteïna es troba tancada sobre si mateixa. 2. En presència de glucosa es produeix un canvi conformacional al domini LID (dominis conservats de Mondo). La G-6-P (metabòlit de la glucosa) interacciona amb l’extrem N-terminal i permet que no estigui reprimida (canvi conformacional que fa que s’obri). No esta reprimit, que no vol dir que estigui activa! 3. Hi ha un coactivador que s’uneix a la regió repressora à la proteïna oberta pot traslocar al nucli i unir-se a ADN. ChREBP necessita que es donin tots els mecanismes simultàniament per entrar al nucli.

ChREBP- β ChREBP-β s’expressa en teixit adipós, hepatòcits i cèl·lules pancreàtiques (s’expressa en els mateixos teixits que alfa). És més curta que ChREBP-α (falta l’extrem N-terminal) i menys abundant. En els adipòcits és un activador més potent que ChREBP-α, encara que és menys abundant ja que no té domini repressor: conté la seqüència GRACE però no té la seqüència repressora de translocació nuclear, pel que té una localització exclusivament nuclear i una activació de la transcripció, a priori, independent dels canvis en la [glucosa]. Sembla que el seu control sigui independent de glucosa, però el seu promotor sí que es regula per glucosa.

Bioquímica de la Nutrició

6

Promotor de ChREBP

Quan hi ha factors de transcripció, el promotor s’activa i comença la transcripció. El gen ChREBP té un promotor canònic per sobre de l’exó 1a. La transcripció genera un mRNA dels exons 1a, 2-15. La traducció s’inicia a l’exó 1a Proteïna de 864 aa à ChREBP-α 17kB per davant d’aquest promotor hi ha una segona regió promotora alternativa i al seu costat hi ha un exó 1b, que no té inici de traducció (ATG). (ha d’anar a buscar el codó ATG a l’exó 4, per això la proteïna és més curteta) Traducció a partir de l’exó 4 Proteïna de 687 aa à ChREBP-β

Relació entre ChREBP-α i ChREBP-β Model de la proliferació de cèl·lules ß estimulada per glucosa mediada per ChREBPß. ChREBP-α es troba majoritàriament al citoplasma en cèl·lules ß, només un petit percentatge entra al nucli en resposta a un increment en el metabolisme de la glucosa. ChREBP-ß és un gen diana de ChREBP-α i és constitutivament nuclear i més potent transcripcionalment que ChREBP-α. Per tant, la glucosa produeix una amplificació del senyal feed-forward que continua mentre el metabolisme de la glucosa continuï incrementat. S’ha proposat que és necessari l’augment del metabolisme de la glucosa durant un període de temps per que la proliferació estimulada per glucosa però que la hiperglucèmia prolongada resulta en una toxicitat de glucosa contribuïda per ChREBP-ß. ChREBP-α està regulada per glucosa i es pot unir al promotor de la ß i activar la seva transcripció à de manera indirecta ChREBP-ß està regulada per glucosa Bioquímica de la Nutrició

7

Metabòlits que regulen ChREBP

ChREBP-α

ChREBP-ß es troba sempre al nucli, mentre que ChREBP-α pot estar al citosol o al nucli.

MLX (Max-Like Factor X) MLX és una proteïna de la família de les bHLHZiP que interacciona amb el domini bHLHZiP de la ChREBP i que és necessària per a l’expressió gènica depenent de ChREBP. 2 heterodímers ChREBP-MLX s’uneixen a 2 caixes E de ChoRE en els gens regulats per glucosa i gens lipogènics.

REGULACIÓ DE L’ACTIVITAT DE ChREBP 1. Concentració de glucosa 2. Translocació al nucli i la seva interacció amb el DNA a) Fosforilació/des-fosforilació b) Acetilació/desacetilació c) O-glucosa N-acilació ChREBP té un paper clau en la regulació del metabolisme intermediari (important pel metabolisme energètic) No només afectarà al metabolisme glucídic, sinó que també afectarà al metabolisme lipídic i energètic.

Bioquímica de la Nutrició

8

Regula la seva activitat també per mecanismes independents de glucosa, que regularan la seva translocació a nucli i la seva capacitat d’unió al DNA A part de regular-se per glucosa es regula per mecanismes independents de glucosa (algunes fosforilacions depenen de glucosa i altres no)

1. Regulació directa de l’activitat de ChREBP per glucosa Importància dels dominis: • GRACE: promou la transcripció en presència de glucosa o els seus metabòlits • LID: interacciona amb el domini GRACE i bloqueja la seva activitat. Aquesta interacció també afecta a: • MCR I-IV: control de tràfic al nucli La glucosa-6-fosfat (G6P para los amigos) regula ChREBP perquè: - Al fetge la glucoquinasa és essencial per l’activitat ChREBP - L’activitat transcripcional de ChREBP depèn de les concentracions de G6P.

2. Modificacions post-traduccionals Les modificacions post-traduccionals modulen l’activitat de ChREBP - Fosforilació/desfosforilació - O-glucosa-N-acilació - Acetilació Modificacions que es produeixen al nucli, després dels canvis conformacional per G6P. Regulació integral i coordinada. Només al nucli? No, alguna cosa comença al citoplasma, però la translocació al nucli és molt important perquè es produeixin. Actuen molts mecanismes perquè es doni en el moment que s’ha de donar. a) Regulació per fosforilació/desfosforilació En condicions de dejú, es produeix la fosforilació de: • la Ser196 (domini N-terminal, no pot unir-se la importina), Ser626 i Thr666 (domini C-terminal à la unió al DNA queda inhibida) per la PKA. • la Ser568 per la AMPK. Indueix la localització citoplasmàtica de ChREBP à inactiu. Les fosforilacions segresten la proteïna al citosol i permeten l’associació amb la 14-3-3 (ChREBP inactiu) Tant PKA com AMPK censen els nivells de nutrients de la cèl·lula, si no n’hi ha fosforilen a ChREBP (inactiva, si no hi ha nutrients s’ha d’inhibir la glucòlisi i altres vies) Bioquímica de la Nutrició

9

És a dir: [Glucosa]: ChREBP, fosforilat i inactiu, es localitza al citosol. • [Glucosa]: xilulosa 5-fosfat augmenta i activa la fosfatasa 2A (PP2A), que desfosforila ChREBP, que llavors pot translocar-se al nucli. Indueix la localització nuclear de ChREBP à actiu •

Com sap la cèl·lula que hi ha nutrients? La [X-5-P] augmenta a través de la via de les pentoses (no fa falta que explicar les vies, se suposa que ja ho sabem) 14-3-3 s'uneix de forma estable a la regió Nterminal de ChREBP. La fosforilació en la Ser196 i la Ser140 facilita aquesta unió. A més, la fosforilació d'aquests llocs és essencial per la seva interacció amb CRM1 (Proteïna de manteniment cromosòmic 1 o exportina 1). Per la seva importació es necessita que els residus estiguin desfosforilats per interaccionar amb importina α.

Les modificacions post-traduccionals per O-Glucosa-N-acilació i acetilació augmenten l'activitat transcripcional de ChREBP i la unió a motius ChoRE b) O-glucosa-N-acilació Augmenta l’activitat transcripcional de ChREBP i la seva estabilitat. (no preguntarà la via)

Bioquímica de la Nutrició

10

És important perquè s’entrellacen varies vies. La G6P pot passar a F6P que entra a la via i pot afegir la cua de O-GlcNac Cal saber que les diferents vies estan enllaçades i permeten que la proteïna es reguli de manera molt estreta. O-glucosa-N-acilació de ChREBP incrementa la seva activitat transcripcional perquè incrementa la seva capacitat d'unió a la seqüència diana i afecta l'estabilitat de la proteïna (no es degrada tant la proteïna). Sensor de nutrients que uneix la glucosa i la ruta de les hexosamines amb la regulació de factors de transcripció implicats en l'homeòstasi energètica.

Bioquímica de la Nutrició

11

c) Acetilació/desacetilació Normalment es dona a les Lys. La Lys 672 s’acetila a través d’una acetilasa p300 i augmenta activitat trancripcional i la unió als elements de resposta. Aquestes 2 modificacions fan que la proteïna sigui activa i que s’uneixi més. L'acetilació mediada per glucosa a la Lys672 és per p300

Augmenta l’activitat transcripcional de ChREBP i la seva unió als elements ChoRE. L'acetilació també reflexa la disponibilitat de Glucosa à quan la [glucosa] és alta, ChREBP s'acetila. Transferència enzimàtica de grups acetil procedents de l'Acetil-CoA a les lisines de les proteïnes diana i es troba catalitzada per la Lisina acetiltransferasa. L'acetilació no altera el trànsit a nucli, però si que augmenta l'activitat transcripcional de ChREBP perquè afavoreix el seu reclutament cap als seus llocs d'unió.

Control coordinat de la regulació de ChREBP Resum: ChREBP és la proteïna d’una xarxa que regula les adaptacions metabòliques degudes a l’aportació d’hidrats de carboni. Regulació per mecanismes intrínsecs com: - Trans-activació per metabòlits de la glucosa - Translocació al nucli - Modulacions covalents A més, ChREBP està regulada per la pròpia xarxa de senyalització de la que forma part. Metabòlits que afecten la trans-activació de ChREBP:

Bioquímica de la Nutrició

12

INTERACCIÓ DE ChREBP AMB ALTRES FACTORS DE TRANSCRIPCIÓ Regulació de la transcripció en funció de quins factors s'estan unint a les regions potenciadores o silenciadores localitzades en les regions proximals i distals de cada promotor. ChREBP s'associa a altres factors de transcripció en els promotors que regula, pel que aquests factors també controlen en part la seva activitat. EX: Myc (oncogen) i les seves implicacions en càncer. ChREBP desregulat és patològic, per exemple, si acumula lípids a teixits on no toca (és a dir, que no siguin teixit adipós pot resultar p.ex. en fetge gras). ChREBP interacciona amb diferents factors de trancripció depenent del teixit. La proteïna apart de fer la seva funció també fa accions sinèrgiques amb altres factors de transcripció. Té un paper important en la regulació de la lipogènesis. El principal factor de transcripció que actua de manera sinèrgica (cooperació) amb ChREBP és SREBP-1c (sterol regulatory element-binding protein 1c) de fetge i teixit adipós. SREBP-1c participa en l’activació mediada per insulina de gens lipogènics de la GK hepàtica. Promotors de gens lipogènics presenten llocs d’unió per SREBP-1c i ChREBP (regulació sinèrgica).

Bioquímica de la Nutrició

13

Hi ha altres factors de transcripció també relacionats. Tots regulen 1 gen implicat en la lipogènesi (FAS).

LXRα: Liver X receptor// RXRα: Retinoic X receptor // LXRE: LXR response elements A nivell hepàtic també es regula en cooperació:

EXPRESSIÓ DE ChREBP En teixits amb activa lipogènesi: • Fetge • Teixit adipós blanc • Teixit adipós marró • Glàndula mamària Altres teixits on és rellevant: • Cèl·lules β pancreàtiques • Intestí prim • Múscul esquelètic • Ronyó i cervell (menys) Bioquímica de la Nutrició

14

Expressió de ChREBP al fetge Els dos principals teixits ens els que es dona la lipogènesi són el fetge i el teixit adipós. Pel que en aquests teixits l’efecte estimulador dels CH sobre la lipogènesis regulada per ChREBP són molt rellevants.

Expressió de ChREBP al teixit adipós Tan ChREBPα com ChREBPβ s’expressen abundantment en teixit adipós. (principal òrgans d’emmagatzematge de lípids) L’excedent de glucosa (el que no es crema) es destina al teixit adipós per dur a terme lipogènesis (la lipogènesis en un altre òrgan pot portar a estats patològics). En teixit adipós el principal regulador de l’expressió de ChREBP és la insulina. Acció directa entre acció de la insulina en diferenciació dels adipòcits i l’expressió de ChREBP. Aquest procés és mediat per GLUT4. Translocació a membrana de GLUT4 per un mecanisme depenent de la insulina: això implica augment de concentracions plasmàtiques de glucosa en l’adipòcit. (la insulina fa que GLUT4 es transloqui a la membrana i que per tant entri mé...