Describen un mecanismo de agregación de proteínas reversible como respuesta al estrés térmico

Un equipo de científicos dirigido por Rafael Rodríguez Daga y Silvia Salas Pino, investigadores del grupo de Arquitectura y Dinámica Nuclear del Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CSIC-UPO-Junta de Andalucía) y profesores del área de Genética de la Universidad Pablo de Olavide, ha llevado a cabo un estudio que muestra cómo la agregación de proteínas puede ser un mecanismo de protección celular ante algunos tipos de estrés. La investigación, realizada en la levadura Schizosaccharomyces pombe como organismo modelo, ha sido publicada en la revista CellReports.

Desde la izquierda, Silvia Salas, Ana Sánchez, María Expósito, Paula Monterrubio, Gabriel Ruiz y Rafael R. Daga.

Las proteínas son moléculas esenciales de las células y realizan la mayoría de sus funciones estructurales y reguladoras.  En cualquiera de nuestras células pueden coexistir miles de proteínas distintas, representadas desde varios cientos, hasta varias decenas de miles de moléculas de cada una. El control de la cantidad de proteínas que hay en una célula se conoce como proteostasis, e implica mecanismos de regulación de la síntesis, plegamiento y degradación de cada proteína de acuerdo a las necesidades celulares en cada momento.

Cada proteína tiene una estructura tridimensional específica que es fundamental para el correcto desarrollo su función. El propio envejecimiento de las proteínas, que se oxidan con el tiempo, mutaciones en los genes que las codifican, o fluctuaciones bruscas en las condiciones fisicoquímicas del ambiente, dan lugar a alteraciones en su plegamiento natural. Las células cuentan con unas ‘ayudantes moleculares’, las chaperonas, que promueven el correcto plegamiento de las proteínas mal plegadas, y evitan así su degradación por el sistema de control de calidad. Sin embargo, en muchos casos, estas proteínas no pueden ser replegadas ni degradadas, y se agregan entre sí de forma irreversible. Estas agregaciones generan acúmulos proteicos que con el tiempo acaban convirtiéndose en verdaderos “vertederos moleculares”, interfiriendo con el correcto funcionamiento celular y causando enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson o el Alzheimer.

En general, la agregación de proteínas se ha considerado hasta muy recientemente como deletérea e irreversible. Sin embargo, en los últimos años se ha puesto de manifiesto que algunos tipos de agregación son reversibles y constituyen un mecanismo de protección celular, ya que previenen la degradación de las proteínas desplegadas por el estrés.

Como indica el equipo de investigación, el estudio liderado por la UPO demuestra que cuando se exponen las levaduras a un estrés por temperatura, una condición que da lugar a la desnaturalización o desplegado parcial de las proteínas, numerosas proteínas nucleares se agregan entre sí formando unas estructuras circulares que denominamos ‘anillos nucleolares’, ya que localizan cerca del nucléolo.  Estos anillos congregan a proteínas esenciales para la producción, procesamiento y maduración de los ARNs mensajeros y de su transporte al citoplasma, componentes arquitecturales de la cromatina, así como reguladores del ciclo celular. Este secuestro orquestado de reguladores de la actividad nuclear en anillos de agregación da lugar a un bloqueo general de la actividad bio-sintética nuclear y a la consiguiente detención del crecimiento y proliferación celular mientras persiste el estrés. “Sin embargo, y esto es lo más importante, cuando las células vuelven a una temperatura compatible con el crecimiento, los anillos de agregación se disuelven, y sus componentes se redistribuyen a las estructuras y microambientes donde realizan normalmente su función” explican Rafael Rodríguez Daga y Silvia Salas Pino.

Este estudio revela así que este tipo de agregación es un mecanismo de resistencia y protección frente al estrés térmico que permite regular de forma coordinada múltiples procesos celulares. “Nuestro trabajo demuestra, además, que la disolución de los anillos requiere de la acción de chaperonas y desagregasas, actividades que están conservadas evolutivamente desde levaduras hasta humanos. La eliminación de estas proteínas o su inhibición farmacológica comprometen severamente la viabilidad celular en estas circunstancias”, explica el equipo de investigación, quien sostiene que entender los secretos moleculares de este tipo de agregación reversible podría ayudar al diseño de intervenciones encaminadas a revertir los procesos de agregación asociados a enfermedades”.

El trabajo ha sido desarrollado en el Centro Andaluz de Biología para el Desarrollo por la doctora Paola Gallardo Palomo (becaria puente, UPO), egresada de la Licenciatura en Biotecnología y del Máster de Biotecnología Sanitaria (UPO); Paula Real Calderón, egresada del Máster en Biotecnología Sanitaria (UPO), actualmente realizando una tesis doctoral internacional co-tutelada (Universidad de California, San Francisco, y la UPO), y los profesores, Ignacio Flor Parra (Talent-Hub), Silvia Salas-Pino y Rafael Rodríguez Daga.

Figura 1. Mecanismos que regulan la producción, plegamiento y degradación de proteínas. Debido a mutaciones, a cambios en las condiciones fisicoquímicas, o al propio envejecimiento celular, las proteínas pueden perder su estructura tridimensional y desplegarse. En estos casos las proteínas se tratan de replegar (1), o se destruyen (2). En ocasiones las proteínas se agregan de forma reversible (3), o irreversible (4) dando lugar a enfermedades neurodegenerativas en este último caso.

Referencia:

Paola Gallardo, Paula Real-Calderón, Ignacio Flor-Parra, Silvia Salas-Pino, Rafael R. Daga. AcuteHeat Stress Leads to Reversible Aggregation of Nuclear ProteinsintoNucleolarRings in FissionYeast. CellReports VOL 33, ISSUE 6, 108377, NOVEMBER 10, 2020. Open Access DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108377