Integrina

As integrinas son proteínas receptoras transmembrana da superficie celular, que median a adhesión das células aos elementos que as rodean, como poden ser outras células ou os compoñentes da matriz extracelular. Na transdución de sinais as integrinas pásanlle á célula información sobre a composición química e estado mecánico da matriz extracelular. Por tanto, ademais de transmitiren forzas mecánicas a través das delicadas membranas, están implicadas na sinalización celular e na regulación da forma, motilidade e ciclo celular.

As integrinas transducen información desde a matriz extracelular á célula, pero tamén revelan o estado da célula ao exterior, o que permite dar respostas flexibles aos cambios no ambiente da célula, por exemplo permitindo que as plaquetas realicen a coagulación do sangue.

Hai moitos tipos de integrinas, e na superficie de moitas células pode haber á vez varios tipos. As integrinas son de vital importancia para todos os animais e atopáronse en todos os animais que foron estudados, desde as simples esponxas aos mamíferos. Nos humanos, as integrinas foron moi estudadas.

As integrinas actúan xunto con outras proteínas, como as cadherinas, as da superfamilia das inmunoglobulinas, moléculas de adhesión celular, selectinas e sindecanos para mediaren as interaccións e comunicacións célula-célula e célula-matriz extracelular. As integrinas unen a superficie celular con compoñentes da matriz extracelular como a fibronectina, vitronectina, coláxeno e lamininas.

 Estrutura 
As integrinas son sempre heterodímeros, polo que están formadas por dúas cadeas polipeptídicas de distinto tipo, chamadas subunidades α (alfa) e β (beta). Nos mamíferos, caracterizáronse dezaoito subunidades α e oito β, mentres que o xenoma da mosca Drosophila codifica só cinco subunidades α e dúas β, e o nematodo Caenorhabditis elegans só posúe xenes para dúas subunidades α e unha β. Tanto as subunidades α coma as β penetran na membrana plasmática e posúen pequenos dominios citoplasmáticos.

alfa
 xene proteína sinónimos ITGA1 CD49a VLA1 ITGA2 CD49b VLA2 ITGA3 CD49c VLA3 ITGA4 CD49d VLA4 ITGA5 CD49e VLA5 ITGA6 CD49f VLA6 ITGA7 ITGA7 FLJ25220 ITGA8 ITGA8 ITGA9 ITGA9 RLC ITGA10 ITGA10 ITGA11 ITGA11 HsT18964 ITGAD CD11D FLJ39841 ITGAE CD103 HUMINAE ITGAL CD11a LFA1A ITGAM CD11b MAC-1 ITGAV CD51 VNRA, MSK8 ITGA2B CD41 GPIIb ITGAX CD11c

beta
 xene proteína sinónimos ITGB1 CD29 FNRB, MSK12, MDF2 ITGB2 CD18 LFA-1, MAC-1, MFI7 ITGB3 CD61 GP3A, GPIIIa ITGB4 CD104 ITGB5 ITGB5 FLJ26658 ITGB6 ITGB6 ITGB7 ITGB7 ITGB8 ITGB8

Ademais, fórmanse variantes dalgunhas das subunidades por splicing diferencial; por exemplo hai catro variantes da subunidade β-1. Por medio de combinaciòns entre as subunidades α e β poden orixinarse 24 integrinas diferentes, aínda que o número varía segundo diferentes estudos.

As subunidades de integrina ocupan todo o grosor da membrana plasmática e en xeral teñen curtos dominios citoplasmáticos duns 40–70 aminoácidos. A excepción é a subunidade β-4, que ten un dominio citoplasmático de 1088 aminoácidos, un dos dominios citoplasmáticos máis longos coñecidos en proteínas de membrana. Fóra da célula, as cadeas α e β están moi xuntas nun tramo duns 23 nm; os 5 nm finais do extremo N-terminal de cada cadea forman unha rexión de unión ao ligando para os compoñentes da matriz extracelular.

A masa molecular das subunidades de integrina pode variar de 90 kDa a 160 kDa. As subunidades β teñen catro secuencias repetidas ricas en cisteína. Tanto as subunidades α coma as β poden unirse a varios catións divalentes. O papel dos catións divalentes na subunidade α non se coñece, pero poderían estabilizar os pregamentos da proteína. Os catións nas subunidades β son máis interesantes: están directamente implicados en coordinar polo menos algúns dos ligandos aos que se unen as integrinas.

As integrinas poden clasificarse de varios modos. Por exemplo, un subconxunto das cadeas α ten un elemento estrutural adicional (ou "dominio") inserido cara ao extremo N-terminal, chamado dominio alfa-A (así chamado porque ten unha estrutura similar aos dominios A que se encontran na proteína factor de von Willebrand; tamén se chama dominio α-I). As integrinas que levan este dominio únense aos coláxenos (por exemplo, as integrinas α1 β1, e α2 β1), ou ben actúan como moléculas de adhesión célula-célula (como as integrinas da familia β2). Este dominio α-I é o sitio de unión de ligandos desas integrinas. As integrinas que non teñen ese dominio na cadea alfa, téñeno no seu sitio de unión a ligandos na subunidade β.

En ambos os casos, os dominios A presentan ata tres sitios de unión a catións divalentes. Un está permanentemente ocupado ás concentracións fisiolóxicas dos catións divalentes, e contén un ión calcio ou magnesio, que son os principais catións divalentes no sangue a concentracións medias de 1,4 mM (para o calcio) e 0,8 mM (magnesio). Os outros dous sitios serán ocupados por catións cando se unan os ligandos, polo menos no caso de ligandos que teñan un aminoácido de cadea lateral ácida nos seus sitios de interacción. A presenza dun aminoácido ácido é característico no sitio de interacción coa integrina de moitas proteínas da matriz extracelular, por exemplo como parte da secuencia de aminoácidos Arxinina-Glicina-Ácido aspártico (ou "RGD" utilizando os símbolos dunha letra dos aminoácidos).

 Estrutura de alta resolución 
Malia os moitos anos de esforzo que se dedicaron a descubrir a estrutura de alta resolución das integrinas, a resolución desta demostrou ser todo un reto: as proteínas de membrana son clasicamente difíciles de purificar, e as integrinas son ademais grandes, complexas e están enlazadas a moitas cadeas ramificadas de azucres, xa que presentan unha elevada glicosilación. Para realizar esta tarefa combináronse as imaxes de baixa resolución da integrina GPIIbIIIa intacta extraída con deterxentes, que se obtiveron utilizando microscopía electrónica, e datos de técnicas indirectas que investigan as propiedades en solución das integrinas usando ultracentrifugación e dispersión da luz, con alta resolución cristalográfica fragmentaria ou datos de resonancia magnética nuclear (NMR) de dominios simples ou apareados dunha cadea de integrina, e os modelos moleculares postulados para o resto das cadeas.

A pesar destes amplos esforzos, a estrutura cristalina de raios X obtida para a rexión extracelular completa dunha integrina, a αvβ3, foi unha sorpresa. Mostraba que a molécula estaba pregada tomando unha forma de V invertido que potencialmente pon os sitios de unións ao ligando preto da membrana plasmática. A estrutura cristalina da mesma integrina tamén se obtivo cando estaba unida a un pequeno ligando que contiña a secuencia de aminoácidos RGD, que era o fármaco cilengitide. Como se detallou antes, isto finalmente revelou por que os catións divalentes (nos dominios A) son esenciais para a unión do ligando RGD ás integrinas. A interacción de ditas secuencias coas integrinas crese que é un interruptor principal por medio do cal a matriz extracelular exerce os seus efectos sobre o comportamento da célula.

Este tipo de estrutura formula moitas preguntas, especialmente as referidas á unión de ligandos e transdución de sinais. O sitio de unión ao ligando está dirixido cara ao extremo C-terminal da integrina, a rexión na que a molécula emerxe da membrana celular. Se emerxe perpendicularmente da membrana, o sitio de unión ao ligando aparentemente quedaría obstruído, especialmente porque os ligandos da integrina son normalmente compoñentes masivos e moi enlazados con outros da matriz extracelular. Sábese pouco do ángulo que forma a proteína de membrana co plano da membrana; isto é un problema difícil de encarar coas tecnoloxías das que se dispón actualmente. O que se asume por defecto é que emerxen formando estruturas con forma de piruleta, pero non hai probas disto. Parece que as hélices transmembrana de integrina están inclinadas (ver a sección "Activación" máis adiante), o cal suxire que as cadeas extracelulares poden tamén non ser perpendiculares con respecto á superficie da membrana.

Aínda que se viu que a estrutura cristalina cambiaba pouco unha vez que se unía a droga cilengitide, a hipótese actual é que o funcionamento da integrina implica cambios de forma que moven o sitio de unión ao ligando a unha posición máis accesible, lonxe da superficie da célula, e este cambio de forma tamén causa o envío intracelular de sinais. Hai moita literatura científica que apoia este esquema, pero quizais a evidencia máis importante implica o uso de anticorpos, que só recoñecen as integrinas cando están unidas aos seus ligandos, ou están activadas. Como a marca ou pegada que deixa un anticorpo sobre a súa diana é aproximadamente un círculo duns 3 nm de diámetro, a resolución desta técnica é baixa. Aínda así, estes anticorpos de sitios de unión inducidos por ligando ou anticorpos LIBS (Ligand-Induced-Binding-Sites) mostran inequivocamente que ocorren de forma rutineira cambios drásticos na forma das integrinas, pero non se sabe aínda a forma que adopta a estrutura.

 Activación 

Cando se liberan na membrana os novos dímeros de integrina sintetizados pola célula, especúlase que se encontran na mesma conformación "dobrada" revelada polos estudos estruturais descritos antes. Unha liña de pensamento considera que esta forma dobrada lles impide interaccionar cos seus ligandos, aínda que as formas pregadas poden predominar nas estruturas de microscopía electrónica de alta resolución de integrinas unidas a ligando da matriz extracelular. Por tanto, polo menos nos experimentos bioquímicos, os dímeros de integrina aparentemente non deben estar despregados para preparalos ou activalos e permitir a súa unión á matriz extracelular. Nas células, a activación é realizada pola proteína talina, que se une á cola β do dímero de integrina e cambia a súa conformación. As cadeas α e β de integrina son ambas as dúas proteínas transmembrana de clase I, é dicir, atravesan a membrana como unha soa hélice alfa transmembrana. Desafortunadamente, as hélices son demasiado longas, e estudos recentes suxiren que, para o caso da integrina gpIIbIIIa, están inclinadas unha con respecto a outra e con respecto ao plano da membrana. A unión da talina altera o ángulo de inclinación da hélice transmembrana da cadea β3 en sistemas modelo e isto pode reflectir un estadio do proceso de sinalización de dentro da célula a fóra que activa as integrinas. Ademais, as proteínas talinas poden dimerizarse e isto pénsase que intervén na agrupación dos dímeros de integrina que leva á formación dunha adhesión focal (conxuntos de moléculas de adhesión á matriz). Recentemente, atopouse que as proteínas Kindlina-1 e Kindlina-2 interaccionan coa integrina e actívana.

 Función 
As integrinas teñen dúas funcións principais:
 Unen a célula coa matriz extracelular.
 Transducen sinais desde a matriz extracelular á célula.

Porén, están tamén implicadas nunha ampla gama doutras actividades biolóxicas, como a vixilancia inmunitaria, migración celular, e unión á célula de certos virus, como os adenovirus, ecovirus, hantavirus, e virus da glosopeda.

Unha función salientable das integrinas pode verse na molécula GPIIbIIIa, unha integrina da superficie das plaquetas do sangue responsable da unión da fibrina nun coágulo sanguíneo en desenvolvemento. A GPIIbIIa incrementa drasticamente a súa afinidade de unión pola fibrina/fibrinóxeno por medio da asociación das plaquetas co coláxeno exposto no sitio da lesión. Ao asociárense as plaquetas co coláxeno, a GPIIbIIIa cambia de forma, de tal xeito que pode unirse á fibrina e outros compoñentes sanguíneos para formar a matriz do coágulo e parar a perda de sangue.

 Adhesión da célula á matriz extracelular 
As integrinas acoplan a matriz extracelular de fóra da célula co citoesqueleto (en particular cos microfilamentos) de dentro da célula. O ligando da matriz extracelular ao que se unen as integrinas está definido polas unidades α e β concretas das que estean feitas as integrinas. Entre os ligandos das integrinas están a fibronectina, vitronectina, coláxeno, e laminina. A conexión entre a célula e a matriz extracelular pode axudar á célula a soportar forzas de arrastre sen ser arancada da matriz extracelular. A capacidade dunha célula de crear este tipo de enlaces é tamén de importancia vital na ontoxenia. A adhesión das células é tamén importante para a resistencia das células cancerosas a certas terapéuticas, como os anticorpos monoclonais.Mraz, M.; Zent, C. S.; Church, A. K.; Jelinek, D. F.; Wu, X.; Pospisilova, S.; Ansell, S. M.; Novak, A. J. et al. (2011). "Bone marrow stromal cells protect lymphoma B-cells from rituximab-induced apoptosis and targeting integrin α-4-β-1 (VLA-4) with natalizumab can overcome this resistance". British Journal of Haematology 155 (1): 53–64. doi:10.1111/j.1365-2141.2011.08794.x. PMID 21749361.

A adhesión das células á matriz extracelular é un requirimento básico para poder construír un organismo pluricelular. As integrinas non son simples ganchos, senón que proporcionan sinais críticos sobre a natureza do ambiente que rodea á célula. Os sinais das integrinas, xunto cos sinais que orixinan nos receptores os factores de crecemento solubles como o VEGF, EGF, e moitos outros, impoñen a decisión celular sobre que acción biolóxica debe tomar a célula, como a adhesión, movemento, morte, ou diferenciación. Deste modo, as integrinas están no centro de moitos procesos biolóxicos. A adhesión da célula ten lugar por medio da formación de complexos de adhesión celular, os cales constan de integrinas e moitas proteínas citoplasmáticas como a talina, vinculina, paxilina, e alfa-actinina. Estas actúan regulando quinases como a FAK (quinase de adhesión focal) e os membros da familia da quinase Src para fosforilar substratos como o p130CAS, recrutando así adaptadores de sinalización como CRK. Estes complexos de adhesión únense ao citoesqueleto de actina. As integrinas serven, pois, para unir dúas redes a través da membrana plasmática: a matriz extracelular e o sistema de filamentos de actina intracelulares. A integrina alfa6beta4 é unha excepción: únese ao sistema de filamentos intermedios de queratina das células epiteliais.

As adhesións focais son grandes complexos moleculares xerados ao interaccionaren as integrinas coa matriz extracelular, despois da súa agrupación. Os agrupamentos ou clusters seguramente proporcionan sitios de unión intracelular dabondo como para permitir a formación de complexos de sinalización estables no lado citoplasmático da membrana celular. As adhesións focais conteñen ligandos de integrinas, moléculas de integrinas, e proteínas de placa asociadas. A unión é impulsada polos cambios de enerxía libre. Como xa se mencionou, estes complexos conectan a matriz extracelular cos feixes de actina. A tomografía crioelectrónica revela que a adhesión focal contén partículas da membrana plasmática cun diámetro de 25 ± 5 nm, espazadas aproximadamente 45 nm. O tratamento co inhibidor da quinase Rho Y-27632 reduce o tamaño da partícula, e é moi mecanosensible.

Unha importante función das integrinas nas células en cultivos de tecidos é o seu papel na migración celular. As células adhírense ao substrato por medio das súas integrinas. Durante o movemento, a célula crea novas unións co substrato que ten diante e ao mesmo tempo libera as adhesións que tiña detrás. Cando se liberan do seu substrato, as moléculas de integrina son recaptadas pola célula por endocitose; son transportadas a través da célula ata a súa parte frontal (con respecto ao avance da célula) polo ciclo endocítico, onde son engadidas outra vez á superficie. Deste modo, son reutilizadas ciclicamente, e permiten que a célula forme novas unións na súa parte frontal. Aínda non está claro se a migración celular en cultivos de tecidos é un artefacto do procesamento das integrinas, ou se esa migración celular dependente de integrinas tamén ocorre nos organismos vivos.

 Transdución de sinais 
As integrinas xogan un importante papel na sinalización celular. A conexión coas moléculas da matriz extracelular pode causar que se envíe un sinal ao interior da célula por medio de proteína quinases que están indirecta e temporalmente conectadas co extremo intracelular da molécula de integrina, probablemente seguindo os cambios de forma estimulados directamente pola unión das moléculas da matriz extracelular.

Os sinais que recibe a célula por medio da integrina poden estar relacionados con:
 proliferación celular,
 división celular,
 supervivencia da célula,
 diferenciación celular, e
 apoptose (morte celular programada).

 Integrinas de vertebrados 
As seguintes son algunhas das integrinas que se encontran en vertebrados:
 Nome  Sinónimos  Distribución  Ligandos
   α1β1  VLA-1   Moitas células   Coláxenos, lamininas
   α2β1   VLA-2  Moitas células   Coláxenos, lamininas
   α3β1   VLA-3  Moitas células  Laminina-5 
   α4β1   VLA-4   Células hematopoéticas   Fibronectina, VCAM-1
   α5β1  VLA-5; receptor da fibronectina  Moi estendido   Fibronectina e proteinases
   alfa-6 beta-1|α6β1  VLA-6; receptor de laminas  Estendido  Lamininas
   alfa-7 beta-1|α7β1   Músculo, glioma  Lamininas
   αLβ2   LFA-1   linfocitos T   ICAM-1, ICAM-2
   αMβ2   Mac-1, CR3   Neutrófilos e monocitos    Proteínas do plasma, ICAM-1
   αIIbβ3   Receptor do fibrinóxeno; gpIIbIIIa  http://www.vetpathology.org/cgi/reprint/34/1/61.pdf  Vet Path01 34:61-73 (1997)  Plaquetas    Fibrinóxeno, fibronectina
   alfa-v beta-1|αVβ1     Melanoma ocular; tumores neurolóxicos    Vitronectina; fibrinóxeno
   αVβ3   Receptor da vitronectina  Células endoteliais activadas, melanoma, glioblastoma  Vitronectina, fibronectina, fibrinóxeno, osteopontina, Cyr61
   αVβ5     Moi estendido, especialmente en fibroblastos, e células epiteliais    Vitronectina e adenovirus
   alfa-v beta-6|αVβ6     Epitelio en proliferación, especialmente en pulmón e glándula mamaria    Fibronectina; TGFβ1+3
   alfa-v beta-8|αVβ8     Tecido neural; nervios periféricos    Fibronectina; TGFβ1+3
   α6β4    Células epiteliais   Laminina

As integrinas beta-1 interaccionan con moitas cadeas alfa de integrinas. Os knockouts de xenes de integrinas en ratos non son sempre letais, o cal indica que durante o desenvolvemento embrionario, a función dunha integrina pode substituírse coa doutra para permitir a supervivencia. Algunhas integrinas están na superficie celular nun estado inactivo, e poden ser activadas rapidamente, ou postas nun estado con capacidade de unirse aos seus ligandos, pola acción de citocinas. As integrinas poden adoptar varias formas diferentes ben definidas ou "estados conformacionais". Unha vez activadas, o estado conformacional cambia para estimular a unión de ligandos, o cal despois activa os receptores (tamén inducindo cambios de forma) para orixinar unha transdución de sinais de fóra a dentro da célula.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Ligazóns externas 

 ELM - LIG_RGD 
 ELM - LIG_Integrin_isoDGR_1 
 MBInfo - Integrins
 The Integrin Protein
 Talin substrate for calpain – PMAP The Proteolysis Map animation.
 MeshName - Integrins 

Categoría:Proteínas