El estudio encontró una nueva vía para eliminar las proteínas desnaturalizadas

Las proteínas desplegadas son tóxicas para las células. Interrumpen las funciones normales y causan algunas enfermedades degenerativas humanas relacionadas con la edad, como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Huntington. Las células trabajan constantemente para eliminar las proteínas desnaturalizadas, pero estos mecanismos de eliminación aún no se conocen bien.

en un nuevo estudio publicado 20 de abril a las Biología celular de la naturalezaInvestigadores de la Universidad de Stanford han descubierto una vía celular previamente desconocida para eliminar proteínas mal plegadas del núcleo, el compartimento donde una célula almacena, transcribe y transcribe su ADN. Mantener la basura fuera de esos procesos es fundamental para la función celular normal. La nueva vía podría ser un objetivo para los tratamientos de enfermedades relacionadas con la edad.

Para encontrar el nuevo camino, los investigadores en el laboratorio Judith Friedmansilla donald kennedy Facultad de Humanidades y Ciencias, integrando varios enfoques genéticos, de imágenes y bioquímicos para comprender cómo las células de levadura manejan las proteínas desplegadas. Para los experimentos, el equipo confinó las proteínas desnaturalizadas al núcleo o citoplasma, la región dentro de la célula pero fuera del núcleo. El equipo siguió visualmente el destino de las proteínas desnaturalizadas a través de imágenes de células vivas y microscopía de superresolución.

dijo Emily Sontag, coautora principal del artículo y ex estudiante de posdoctorado en Laboratorio Friedman. Así que se dicen unos a otros, ‘Ambos tenemos mucha proteína desnaturalizada; Coordinemos para enviarlo aquí a este basurero para que lo retiren. «

El equipo identificó el sitio del «vertedero» como la unión del núcleo y la vacuola, un orgánulo lleno de enzimas que descomponen las proteínas, y mostró que las proteínas mal plegadas en el sitio del «vertedero» se transportan a la vacuola para su degradación. También demostraron que la vía se basa en una clase de proteínas utilizadas para formar pequeñas vesículas para transportar moléculas alrededor de las células.

«Conectar esta familia particular de proteínas y este aspecto de la biología del paso de las vesículas con la eliminación de proteínas nos da una nueva forma de ver el Alzheimer, el Parkinson y el Huntington, todas estas enfermedades neurodegenerativas», dijo Sontag.

Un sitio de «vertedero» común para el núcleo y el citoplasma

Las células pueden hacer frente a las proteínas deformadas de dos formas: replegándolas o eliminándolas. La tercera opción es almacenarlos en una ubicación celular específica.

«Mientras la célula decide si replegarse o degradar las proteínas, las encierra en estas inclusiones sin membrana», dijo Friedman, quien es el autor principal del artículo. Las inclusiones son grupos de proteínas desplegadas que se encuentran tanto en el citoplasma como en el núcleo.

El equipo descubrió que la maquinaria celular forma pequeñas inclusiones de proteínas desplegadas en varios lugares dentro del núcleo y el citoplasma, como pequeños basureros, que luego migran hacia el límite entre el núcleo y la vacuola, un vertedero más grande. Eventualmente, el contenido de la proteína nuclear citoplasmática mal plegada se alinea uno frente al otro, con la envoltura nuclear separándolos.

«La comunicación de ida y vuelta entre el núcleo y el citoplasma no era en absoluto algo que esperábamos», dijo Sontag. «Saber que estas dos cabañas podrían trabajar juntas para sacar la basura de todas partes fue realmente agradable».

«Muestra que el manejo de las proteínas desnaturalizadas en el núcleo y el manejo de las proteínas desnaturalizadas en el citoplasma son dos cosas diferentes pero coordinadas», dijo Friedman. «Y lo realmente genial es que cada compartimento transporta las proteínas desnaturalizadas al sitio donde la envoltura nuclear se encuentra con la membrana vacuolar».

Del vertedero a la degradación: un nuevo camino

La vacuola de la levadura es equivalente al lisosoma de las células de mamífero. Es un orgánulo unido a una membrana repleto de enzimas que descomponen las proteínas: un centro de reciclaje para la célula.

«No es al azar», dijo Fabián Morales Polanco, coautor principal del artículo e investigador postdoctoral en el laboratorio de Friedman. «La celda está sacando inclusiones en el mismo lugar por alguna razón».

El equipo sospechó que la causa era enviar impurezas a la vacuola para que se descompusieran, pero esto planteó más preguntas. Es fácil que las inclusiones citoplásmicas entren en la vacuola por autofagia, un proceso que las células usan para sacar cosas del citoplasma hacia la vacuola o lisosoma. Pero en el núcleo, las inclusiones están separadas de la vacuola por la envoltura nuclear.

“Aunque vienen al mismo lugar, no entran en la brecha por la misma puerta”, dijo Morales-Polanco.

Para explorar las vías de las proteínas dañadas en la vacuola, el equipo bloqueó el proteasoma, la otra maquinaria principal de eliminación de proteínas, y controló la actividad de eliminación de proteínas restante. También crearon imágenes tridimensionales de células con inclusiones de proteínas mal plegadas mediante tomografía criogénica de rayos X y datos de microscopía de fluorescencia.

Descubrieron que las inclusiones citoplásmicas fueron empujadas hacia la vacuola, como se esperaba. Pero el camino hacia las inclusiones nucleares ha sido sorprendente. Las inclusiones nucleares germinaron directamente desde el núcleo hacia la vacuola en la unión de las dos membranas. Utilizando una serie de experimentos genéticos, el equipo demostró que las proteínas ESCRT II/III y Vps4 facilitaban la brotación en la vacuola. Se sabe que estas proteínas hacen que las membranas se flexionen y ‘broten’, o que formen nuevas vesículas en otros procesos, pero no se ha estudiado que ayuden a eliminar el núcleo de las proteínas dañadas. Pueden ser dianas terapéuticas atractivas para enfermedades desnaturalizadas por proteínas.

Finalmente, utilizando marcadores sensibles al pH, el equipo ya ha rastreado las inclusiones en la vacuola.

«Pudimos ver estas proteínas desnaturalizadas entrar en la brecha y mostrar que esta es realmente una nueva vía», dijo Morales-Polanco.

Un ojo en el envejecimiento

El equipo realizó estos experimentos en células de levadura, que son fáciles de cultivar y reproducir rápidamente. El siguiente paso es investigar si esta misma vía se utiliza en células de mamíferos para eliminar proteínas asociadas con enfermedades humanas.

Otro próximo paso es determinar cómo se produce la comunicación entre el núcleo y el citosol a lo largo de la vía, y otro paso es descubrir cómo la vía se ve afectada por la senescencia.

«Hay mucha evidencia de que este proceso de procesamiento de proteínas desnaturalizadas se ralentiza con la edad», dijo Sontag. «Entonces, con el tiempo, las células que envejecen no pueden eliminar toda esta basura tan rápida o eficientemente, y más y más proteínas desnaturalizadas se acumulan dentro de la célula».

«Hemos demostrado que las vías de control de calidad nuclear y citoplásmica se comunican a través de la envoltura nuclear, una estructura que se debilita con el envejecimiento y las enfermedades neurodegenerativas», dijo Friedman. «Muchas de las mutaciones del envejecimiento temprano, que causan el envejecimiento prematuro, distorsionan la envoltura nuclear. Este trabajo es realmente un cambio de juego, ya que finalmente brinda una nueva forma de comprender y, por lo tanto, tratar una amplia gama de terribles enfermedades que afectan a un mundo cada vez más envejecido». población.»