La doble vida del ribosoma

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La doble vida del ribosoma: cuando su actividad de plegamiento de proteínas apoya la propagación de priones
RESUMEN. Ya no es necesario demostrar que el ribosoma es la maquinaria central de síntesis de proteínas. Pero es menos conocido que también es un actor clave del proceso de plegamiento de proteínas a través de otra función conservada: la actividad de plegamiento de proteínas del ribosoma (PFAR). La actividad, de esta ribozima
descubierta hace más de 2 décadas, depende del dominio V del ARNr grande dentro la subunidad grande del ribosoma. Sorprendentemente, descubrimos que los compuestos anti-prión también son potentes inhibidores de PFAR, destacando un vínculo inesperado entre PFAR y la propagación de priones.
En esta revisión, discutimos el origen ancestral de PFAR a la luz del mundo del ARN antiguo. hipótesis. También consideramos cómo esta actividad ribosómica encaja en el panorama de la proteína celular. chaperones implicados en la aparición y propagación de priones y otros amiloides en mamíferos.
Finalmente, examinamos cómo los medicamentos que se dirigen a la actividad de plegamiento de proteínas del ribosoma podrían ser activos. contra priones de mamíferos y otras enfermedades basadas en la agregación de proteínas, lo que hace que PFAR sea un objetivo terapéutico para diversas enfermedades de plegamiento incorrecto de proteínas humanas.
Presente en todas las células y mitocondrias, ribosomas se componen de 2 subunidades, que a su vez están formados por ARN ribosómico (ARNr) y proteínas. En general, la subunidad pequeña inicia el proceso de traducción y asegura la decodificación correcta de la información genética, mientras la subunidad grande cataliza la peptidil transferasa actividad que enlaza covalentemente los aminoácidos juntos. Mientras que el papel central del ribosoma en la síntesis de proteínas es muy apreciado, poco es conocido acerca de la segunda actividad ribozima de el ribosoma: su actividad de plegamiento de proteínas.
Desde su descubrimiento, la existencia de PFAR ha sido controvertido y difícil de ganar aceptación dentro de la comunidad científica. A pesar de que PFAR se identificó por primera vez en 1994 por el grupo de C. Das Gupta1 y este actividad corroborada por varios otros equipos, 2 PFAR a menudo se pasan por alto, como se ilustra por su ausencia en las revisiones sobre no codificaciónARN. 
Sin embargo, una vez superado la sorpresa inicial de la existencia de tales una actividad, parece evidente que el biológico entidad que ha evolucionado para sintetizar Las proteínas también deben ayudarles a lograr una adecuada Estado funcional tridimensional antes de su lanzamiento. Además, esto es completamente consistente con la estimación de que, además de espontáneamente proteínas plegadas, sólo una fracción de las proteínas celulares totales se pueden plegar mediante Chaperonas proteicas clásicas.
Inicialmente, PFAR se describió in vitro para ribosomas bacterianos y rápidamente se demostró que ser una función conservada de cualquier ribosoma, ya sea de bacterias, eubacterias, eucariotas o incluso mitocondrias.2 La conservación de la capacidad de plegamiento de proteínas del ribosoma entre especie no es una sorpresa cuando se considera la alta tasa de conservación de ARNr en el ribosoma núcleo a lo largo de la evolución.4 Como se puede esperar, PFAR es un proceso versátil que tiene
Se ha demostrado que es capaz de replegar cualquier proteína. desafiados hasta ahora in vitro2 e in vivo.5-8 Esta actividad de plegado parece ser inherente a el dominio de ARN conservado que también alberga la actividad peptidil transferasa: dominio V de el ARNr de la subunidad grande del ribosoma (23S para bacterias, 25S para levadura y 28S para mamíferos). Sin embargo, los nucleótidos de dominio V involucrado en su actividad de plegamiento de proteínas son diferentes de los involucrados en su peptidilo actividad transferasa 9,10 (Fig. 1).
El plegamiento de proteínas mediado por el dominio V es un proceso postraduccional de 2 pasos: el El polipéptido neo-sintetizado primero se pliega por el bucle central del dominio V (RNA1) y permanece asociado a él hasta la intervención de una segunda parte del dominio V (ARN2) que es responsable de la liberación del plegado proteína.11 Los nucleótidos involucrados en PFAR están localizados en la interfaz del subunidades pequeñas y grandes del ribosoma.9
Las subunidades ribosomales se disocian en presencia de polipéptidos desplegados, haciéndolos más accesible a los nucleótidos involucrados en PFAR y mejorando así su capacidad de plegado. Esto es de acuerdo con el hecho de que la síntesis de proteína y el plegamiento de proteínas están sincronizados: siempre que la actividad de la peptidil transferasa continúa, la actividad de plegamiento de proteínas del ribosoma está silenciado y solo se vuelve operativa cuando la traducción está completado.
En medio de la identificación de nuevos compuestos antipriones, identificamos fármacos antipriones como 6-aminofenantridina (6AP13), guanabenz (GA14) e imiquimod (IQ15) que son activos in vivo contra levaduras y mamíferos priones y que fueron increíblemente identificados como inhibidores de PFAR. El descubrimiento de que. Los fármacos antipriones 6AP y GA también son Los medicamentos PFAR nos llevaron naturalmente a sugerir que PFAR puede estar relacionado con la propagación de priones.
Aunque el papel principal de las proteínas acompañantes es prevenir el plegamiento incorrecto de las proteínas y agregación, participación de chaperonas proteicas como PFAR en la propagación de priones La conformación es evidente por sí misma, ya que forma amiloide las proteínas existen en varias conformaciones y la replicación corresponde a la propagación de estados plegados diferencialmente16.
hipótesis tiene un fuerte apoyo como Hsp104p, un proteína de choque térmico de levadura, se ha demostrado por mucho tiempo que está involucrado en la propagación del prión de levadura junto con Hsp70 y Hsp40. De manera similar a Hsp104p, la mala regulación de PFAR conduce a un defecto en la propagación de la prión de levadura [PSI].
FIGURA 1. Los sitios de mayor importancia para la actividad de PFAR se incluyen dentro de la región de PTC. La subunidad ribosómica grande se muestra en gris claro (código del banco de datos de proteínas 4V6F). El amarillo y el azul las hélices indican las 2 hélices que forman parte de la región simétrica que forma la cavidad PTC. Los nucleótidos involucrados en la actividad de PFAR están numerados y representados como esferas (Thermus thermophilus numeración). El núcleo del PTC está indicado por una esfera roja (Adaptado de la ref. 9). Nucleótido de levadura U28926 corresponde a la posición 2492. 
El anti-PFAR las drogas que identificamos fueron las primeras de esos tipos: todos los fármacos anti-PFAR anteriores descritos hasta ahora son antibióticos que también se unen al dominio V e inhibir su peptidil transferasa actividad.5,7 Es de destacar el hecho de que algunos antibióticos específicamente dirigidos a PFAR es una indicación de la función central de este actividad de ribozima.
En esta revisión, consideramos el origen ancestral de PFAR y la relación de este emergente actividad ribosómica con la proteína global capacidad de plegado de la celda. También discutimos. Participación de PFAR en la propagación de priones y otros amiloides en mamíferos.
Actividad de PFAR: ¿otra reliquia del Mundo de ARN antiguo en moderno Ribosomas?
En los organismos vivos actuales, el recién sintetizado Los polipéptidos experimentan varias maduraciones. mecanismos para ser correctamente procesados ​​y translocados para lograr su plegado funcional Expresar. Estos procesos de maduración son a menudo vinculado a la síntesis de proteínas.
Dependen de velocidad de traslación y en las interacciones de la cadena polipeptídica naciente con la salida del péptido túnel y con la cadena naciente interactuando factores proteicos, que se encuentran en y alrededor del área de salida del túnel ribosómico. Más allá de, una red de otros acompañantescooperantes que actúan postraduccionalmente en un ballet coordinado también participan durante las últimas etapas de la proceso de plegamiento de proteínas.
Sin embargo, este sistematrae la interminable paradoja del huevo y la gallina volver a entrar en juego: madurar y ser funcional proteínas, la célula necesita. maduro y funcional factores acompañantes! Para abordar esta paradoja, hay que considerar la evolución del proceso de plegamiento de proteínas y cómo el antiguo. Es posible que se hayan desarrollado cimientos. En el antiguo. Hipótesis del mundo de ARN, formas de vida anteriores puede depender de la función dual del ARN que cataliza simultáneamente reacciones enzimáticas y almacenar información genética.
Esta sugerencia que el ARN podría ser el actor principal que realizó las reacciones químicas que permiten a las proteínas para emerger gradualmente y volverse más complejo debido al desarrollo de más y capacidades de plegamiento de proteínas más sofisticadas.
FIGURA 2. Interacción entre las actividades de plegamiento de proteínas de Hsp104p y el ribosoma en la modulación[PSI] propagación (adaptado de la ref. 6). (A) - Hsp104p y PFAR participan en [PSI] propagación.(B) - [PSI] la propagación se ve afectada por el enriquecimiento o la inhibición de Hsp104p y PFAR. (C)-La interacción Hsp104p y PFAR da como resultado la compensación del aumento de uno por la reducción de el otro y viceversa. OE, sobreexpresión. GuHCl, clorhidrato de guanidina inhibidor de Hsp104p. ltv1D y yar1D, cepas de levadura enriquecidas con PFAR eliminadas para los genes LTV1 o YAR1.
Muchos fósiles moleculares del ARN antiguo mundo todavía están presentes y, a veces, todavía activos en los organismos modernos. Los candidatos deben ser catalítico, ubicuo y / o central para algunos aspecto del metabolismo.
En consecuencia, uno de la pieza de evidencia más significativa para apoyar que las primeras máquinas de unión de péptidos surgido en un mundo de ARN es el hecho de que el El ribosoma moderno es una ribozima, o en otros palabras en las que solo el ARN desempeña su papel clave en formación de enlaces peptídicos.
La peptidil-transferasa centro (PTC) del ribosoma moderno es un ARN universal y altamente conservado estructura ubicada en el dominio V del ARNr 23S en bacterias o sus partes equivalentes en eucariotas ribosoma. Forma un bolsillo simétrico en el corazón de la subunidad ribosomal grande y probablemente se originó a partir de la dimerización de 2 motivos tallo-codo-tallo.
El PTC se considera para ser el primer proto-ribosoma que data de el mundo del ARN antiguo ya que ciertamente era capaz de desencadenar reacciones catalíticas por sí mismo. Sorprendentemente, según lo respaldado por la encuadernación sitios de sus sustratos proteicos o inhibidores, La actividad de PFAR se agrupa dentro del PTC bolsillo de encuadernación, que rodea el núcleo donde el tiene lugar la reacción catalítica.
Por lo tanto, PFAR abarca la mayoría de los criterios para convirtiéndolo en un vestigio perfecto del antiguo ARN mundo tal como es: i) parte de otra ribozima, la PTC, ii) tan antiguo como el PTC, iii) compatible solo por ARN, iv) conservado de bacterias a eucariotas yv) capaz de desempeñar un papel clave en la síntesis de proteínas moderna.
En este escenario, los primeros PTC (proto-PTC) fueron formados por el dimerización de estructuras helicoidales cortas que crearon los primeros péptidos aleatorios pero frágiles aleatorios utilizando aminoácidos. En un proceso que podría asimilarse como "darwinismo molecular", estos proto-PTC habrían evolucionado a un PTC estable, capaz de favorecer mejor la protección, estabilidad y actividad de los péptidos que sintetizaron.
Si bien se puede suponer que los primeros Los péptidos eran cortos, de dominio único y rápidamente seleccionado para un robusto plegado independiente del acompañante, el surgimiento de un PFAR primitivo ciertamente confirió una ventaja selectiva a la péptidos. A su vez, y como resultado de la mayor y péptidos y proteínas más eficientes producido, el proto-PTC co-evolucionó lentamente en un proto-ribosoma y finalmente en el moderno ribosoma que reconocemos hoy, probablemente progresivamente integrando múltiples pequeños complejos de ribonucleoproteína en un mucho más maquinaria compleja.
Las huellas de estos Los tiempos antiguos siguen siendo ARN activos como dominio V que alberga PTC y PFAR, aún incrustado en ribosomas contemporáneos, y puede continúan desempeñando un papel como parte de la proteína global capacidad de plegado de la celda.
¿Qué lugar podría ocupar PFAR en la Matriz proteica complementaria?
Se ha demostrado que la propagación de priones en levaduras estar íntimamente ligado a la expresión y actividad de una plétora de proteínas acompañantes. Nosotros recientemente demostró que PFAR y Hsp104p parcialmente compensarse mutuamente por [PSI] propagación en levadura (Fig. 2). De hecho observamos que La modulación ascendente PFAR puede compensar la pérdida parcial de la actividad de Hsp104p y que PFAR
La modulación descendente parcial también se compensa con Aumento de Hsp104p.6 Estos resultados indican claramente que PFAR está vinculado a la matriz celular de proteínas acompañantes, al menos a través de Hsp104p. A En este sentido, PFAR participa en la muy compleja red necesaria para la proteostasis celular, es decir el control global de la calidad de las proteínas y el mantenimiento de la homeostasis del proteoma.
Es de destacar que los polinucleótidos, y más particularmente los ARN, se ha demostrado que exhiben una potente actividad de chaperona in vitro.25 La proteostasis involucra cientos de proteínas constituyendo un sistema altamente regulado e integrado la red.
Uno de los principales retos del celular. La respuesta al estrés es sintetizar, bajo condiciones adversas, proteínas correctamente plegadas esencial para la supervivencia. Dado que el PTC y PFAR están íntimamente vinculados, la actividad PFAR directamente depende de la síntesis de proteínas, por lo que Permitir que la célula establezca un equilibrio adecuado. entre la producción de proteínas y el plegamiento ocupaciones. En este contexto, el vínculo entre el PTC y PFAR pueden verse como una estrategia para evitar la síntesis de un polipéptido en la ausencia de un plegamiento celular eficiente ocupaciones. 
Sorprendentemente, en situaciones de celular estrés, la traducción se reduce considerablemente, lo que consecuentemente aumenta la población de no traductores los ribosomas están disponibles para plegamiento de proteínas. Como consecuencia, el correspondiente proteínas mal plegadas que emergen de la el ribosoma deficiente será más propenso a la proteólisis. Por lo tanto, PFAR también podría participar en proteostasis como posible proceso de corrección de pruebas de la actividad de PTC.
Si bien Hsp104, y ahora PFAR, son clave jugadores en dictar la apariencia y propagación de amiloide de origen natural priones de levadura, miembros del citosólico Hsp70 maquinaria de acompañante y co-acompañantes asociados, son importantes moduladores de la propagación de priones, y en algunos casos de novo prion formación.16,26 El citosólico Hsp70-Ssa [Stress Setenta subfamilia A] miembros de la familia son bien caracterizado por desempeñar un papel integral en modulando la propagación de una variedad de priones de levadura, 27,28 y el ribosoma asociado Familia Hsp70-Ssb [Stressy Seventy Subfamilia B] Los miembros son anti-priones en su acción ya que reprimen la aparición espontánea de[PSI] .
Cabe destacar que, contrariamente a Hsp104p y Hsp70 cuya expresión es inducida por el estrés, PFAR es una fuente de plegamiento de proteínas lista para usar disponible de inmediato en caso de complementar Hsp104 o para compensar su ausencia, de manera similar a los mamíferos donde hay sin homólogo de HSP104.
¿Dónde podría "sentarse" PFAR entre estos otros factores celulares y cómo pueden interactuar para influir en la propagación de priones u otras proteínas plegamiento de eventos in vivo?
Una posibilidad es que algunos fenotipospriónicos consecutivos a alteraciones en la actividad PFAR podría resultar de indirectas efectos a través de la alteración de la chaperona sistemas como la maquinaria citosólica Hsp70. Sin embargo, tales fenotipos no se deben a efectos indirectos sobre la abundancia de Hsp706 y es Es poco probable que las alteraciones en la actividad PFAR podría perturbar significativamente el Hsp70 específico funciones, a menos que sea por efecto indirecto sobre 
Actividades de co-chaperón de Hsp70. PFAR podría posiblemente trabajar en conjunto o en tándem con Hsp70s u otros acompañantes y la asociación de Hsp70-Ssb y la interacción con RAC [complejo asociado a ribosomas] en la formación y propagación de priones30 proporciona la base para que estas interacciones evolucionen.
Acompañantes a menudo funcionan como multicomplejos máquinas y es concebible que Hsp70 o co-chaperones podrían estar involucrados en el entrega o procesamiento de sustratos sobre los que se actúa por PFAR, o que PFAR podría procesar sustratos actuado por un acompañante corriente abajo maquinaria. La construcción y caracterización de células de levadura modificadas para alterar PFAR La actividad ahora proporciona la base para una exhaustiva evaluación genética de la interacción entre PFAR y una serie de rutas de chaperonas de proteínas.
La participación de PFAR en proteínas La homeostasis podría extenderse mucho más allá de los priones. propagación y, si fuera el caso, la integración con otras redes de acompañantes es incluso más como.
PFAR: propagación de priones de mamíferos ¿y más allá?
¿Cómo podrían los fármacos dirigidos al plegamiento de proteínas actividad del ribosoma, que se encuentra principalmente en el citoplasma, ser activo contra mamíferos prion PrPSc, que se cree que está modificado principalmente en la superficie celular o en endocíticos compartimentos? Abordar esta pregunta enfatiza nuestra falta de conocimiento preciso con respecto a los compartimentos celulares donde conversión de priones y posterior acumulación ocurrir.
Esto se debe en parte al hecho de que La visualización directa y dinámica en las células sigue siendo un tema muy desafiante, en particular porque marcar la forma celular del prión proteína (PrPC) previene con mayor frecuencia su conversión en la isoforma PrPSc específica de la enfermedad. En muchos tipos de células diferenciadas, una proporción importante de PrPC se detecta en balsas de lípidos en la célula superficie, estando anclado por un resto GPI (por revisión31).
Expresión de PrPC en la superficie celular es necesario para la conversión a mal plegado PrPSc, 32,33 y este proceso puede ocurrir rápidamente. 32 Varios informes también indican que una fracción de ciclos de PrPC constitutivamente entre la membrana plasmática y endocítica compartimentos y que la conversión también puede ocurren en varios compartimentos intracelulares todos a lo largo de la vía endocítica. 34-36 Un menor La proporción de PrPC se puede encontrar en el citosol. o en contacto con el citosol, debido a retrotranslocación del retículo endoplásmico (o escapar antes de la translocación) o transmembrana anclaje, respectivamente (para revisión37).
En condiciones fisiológicas, estas formas son aclarado rápidamente por procesos de control de calidad (ERAD (asociado al retículo endoplásmico) degradación de proteínas), agresomas). Sin emabargo, en el estado de enfermedad priónica, o con PrP mutada imitando formas familiares de enfermedades priónicas, aumentan los niveles de PrP citosólico37,38. La contribución exacta de estas variantes a la patología priónica sigue siendo desconocida. PrPC es También participa en muchos procesos celulares y vías de señalización. Estos procesos incluyen respuesta al estrés oxidativo, estrés ER, apoptosis,proliferación y diferenciación (revisado en 39-41).
Cierto estrés puede incluso desencadenar localización inusual de PrPC en el núcleo.42 Etapas tardías de la patogenia del prión implican una sobreactivación de la PERK (proteína retículo endoplásmico similar al ARN de la quinasa quinasa) vía de la proteína desplegada respuesta en modelos experimentales de ratones. Tales vías y la desregulación de la Vías fisiológicas dependientes de PrP, o un aún por descubrir proteostática dependiente de PFAR vía en los mamíferos, 44 proporcionan una gran cantidad de posibilidad de interacciones directas o indirectas con PFAR que ocurra.
La participación de PFAR probablemente va más allá de las enfermedades basadas en priones como Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob. De hecho, existe una creciente evidencia de que las enfermedades basadas en amiloide como OPMD (músculo oculofaríngeo distrofia), Alzheimer, Parkinson y Las enfermedades de Huntington comparten una clave biofísica y características bioquímicas con prionopatías: implican acumulación de agregados de proteínas codificadas por el huésped mal plegadas a través de procesos priónicos de polimerización sembrada.
Como los metazoos no tienen Hsp104p ortólogo, la actividad de plegamiento de proteínas de El dominio V del ribosoma podría corresponder a la actividad similar a Hsp104 responsable para el manejo de amiloide que está ausente en estos organismos. Esta hipótesis original hace sentido a la luz de nuestros hallazgos recientes de que algunos compuestos anti-priónicos con anti-PFAR actividad, como 6AP, GA e IQ, también son activo en modelos de otras proteínas basadas en agregación enfermedades como la enfermedad de Huntington, Enfermedad de Parkinson (datos no publicados) y OPMD.48
Por tanto, nuestros datos indican que PFAR La participación en el manejo de amiloide puede ser compartido por varios plegamientos defectuosos de proteínas humanas enfermedades, lo que convierte a PFAR en un potencial diana terapéutica para la proteína humana enfermedades de plegado incorrecto. A pesar del papel central de PFAR en la proteostasis de la célula, es sigue siendo un objetivo terapéutico prometedor para tratar esta clase de enfermedades, ya sea como un único objetivo o como parte de una estrategia colaborativa de focalización más de un sistema de acompañante celular. De hecho, su leve inhibición, junto con otras terapias, puede ayudar a superar la progresión de estos invariablemente fatales patologías.
FIGURA 1. Los sitios de mayor importancia para la actividad de PFAR se incluyen dentro de la región de PTC. La subunidad ribosómica grande se muestra en gris claro (código del banco de datos de proteínas 4V6F). El amarillo y el azul las hélices indican las 2 hélices que forman parte de la región simétrica que forma la cavidad PTC. Los nucleótidos involucrados en la actividad de PFAR están numerados y representados como esferas (Thermus thermophilus numeración). El núcleo del PTC está indicado por una esfera roja (Adaptado de la ref. 9). Nucleótido de levadura U28926 corresponde a la posición 2492. 
FIGURA 2. Interacción entre las actividades de plegamiento de proteínas de Hsp104p y el ribosoma en la modulación[PSI] propagación (adaptado de la ref. 6). (A) - Hsp104p y PFAR participan en [PSI] propagación.(B) - [PSI] la propagación se ve afectada por el enriquecimiento o la inhibición de Hsp104p y PFAR. (C)-La interacción Hsp104p y PFAR da como resultado la compensación del aumento de uno por la reducción de el otro y viceversa. OE, sobreexpresión. GuHCl, clorhidrato de guanidina inhibidor de Hsp104p. ltv1D y yar1D, cepas de levadura enriquecidas con PFAR eliminadas para los genes LTV1 o YAR1.