Complexo Arp2/3

O complexo Arp2/3 (acrónimo inglés para Actin-Related Proteins, é dicir, proteínas relacionadas coa actina) é unha proteína celular implicada no control da disposición da actina no citoesqueleto das células. É de vital importancia na fisioloxía celular e atópase amplamente difundida por todo o dominio dos eucariotas. Composta por sete subunidades, algunhas delas posúen unha topoloxía claramente relacionada coa súa función biolóxica: dúas das súas subunidades, denominadas «ARP2» e «ARP3» , posúen unha estrutura moi semellante á dos monómeros de actina. Dita homoloxía permite a ambas as unidades comportarse como axentes nucleantes da polimerización dos monómeros de actina G (actina libre ou non polimerizada) a actina F (aquela que se acha nos microfilamentos), unha das funcións do complexo Arp2/3. Ademais, este complexo é necesario para establecer estruturas dendríticas complexas de actina F.

 Mecanismo molecular da polimerización 
miniatura|O citoesqueleto dunha célula eucariota. Os filamentos de actina áchanse tinguidos de vermello, os microtúbulos de verde e o núcleo celular de azul. Arp2/3 desempeña un papel fundamental na formación deste citoesqueleto.
Existe un bo número de proteínas capaces de asociarse ao extremo dun microfilamento, afectando ao seu equilibrio de polimerización/despolimerización, e mesmo actuando como axentes nucleantes. Con todo, o complexo Arp2/3 non só é capaz de modificar a mencionada dinámica, senón que pode xerar novos lugares de nucleación e, por tanto, ramificar a estrutura. Dita actividade nucleante é estimulada mediante as proteínas reguladoras das familias WASp, N-WASp e WAVE. No caso das WASp, dita activación despréndese da interacción mediante o seu dominio V cos monómeros de actina á vez que a súa rexión CA asóciase a Arp2/3, dando lugar a un centro de nucleación. Claro que a nucleación de novo non é suficiente para xerar redes de actina F: é preciso que os novos microfilamentos, ademais, se entrelacen con outros preexistentes, dando lugar a un citoesqueleto de actina funcional.Suetsugu, S., Miki, H. e Takenawa, T. (2002) «Spatial and temporal regulation of actin polymerization for cytoskeleton formation through Arp2/3 complex and WASP/WAVE proteins.» Cell Motility and the Cytoskeleton 51: 113-122. Segundo este modelo, as proteínas que recubren o extremo do microfilamento posúen dúas funcións: limitar a polimerización deste se non é mediante a rexión nucleante do complexo Arp2/3 e previr a súa despolimerización, a fin de manter a súa estabilidade.Aguda, A., Burtnick, L. e Robinson, R. (2005). «The state of the filament.» EMBO reports 6: 220-226.

Por tanto, o complexo Arp2/3 controla simultaneamente tanto a polimerización da actina como a ramificación dos microfilamentos. Máis aínda, describiuse unha actividade de autocatálise durante a polimerización de actina mediada polo complexo: nela, os novos microfilamentos activan a outros complexos Arp2/3, o cal incrementa a complexidade da estrutura, facilitando o desenvolvemento de tramas máis elaboradas.

O mecanismo molecular polo cal Arp2/3 intervén na polimerización da actina é obxecto de disputa. Postuláronse dous modelos: nun, a bifurcación é externa ao microfilamento nai, mentres que, no outro, é interna. Non existen datos empíricos que permitan, até abril de 2008, aceptar ou rexeitar de forma concluínte algún destes modelos, os cales se describen a continuación. 

 Modelo de bifurcación externa ao microfilamento 
miniatura|Modelo da bifurcación externa ao filamento. O complexo Arp2/3 activado únese a un microfilamento preexistente, e as subunidades Arp2 e Arp3 actúan nucleando a polimerización dun novo microfilamento fillo.
O modelo de bifurcación externa ao microfilamento propón unha nucleación dendrítica, na cal o complexo Arp2/3 únese a un lateral dun microfilamento preexistente, deixando libres os seus lugares de nucleación. Deste xeito, postúlase que o complexo posúe capacidade de unir a actina en polo menos dúas zonas: unha para interactuar coa actina F orixinal e outra coa de nova síntese. Existen evidencias de microscopía electrónica de alta resolución que apoian estruturalmente este modelo.Egile, C., Rouiller, I., Xu, X., Volkmann, N., Li, R., Hanein, D. (2005). «Mechanism of Filament Nucleation and Branch Stability Revealed by the Structure of the Arp2/3 Complex at Actin Branch Junctions.» PLoS BIOLOGY Vol. 3, 1902 (11) 1902-09Volkmann, N., Amann, K. J., Stoilova-McPhie, S., Egile, C., Winter, D. C., Hazelwood, L., Heuser, J. E., Li, R., Pollard, T. D., Hanein, D. (2001) «Structure of Arp2/3 complex in its activated state and in actin filament branch junctions.» Science 293, 2456-2459.

 Modelo de bifurcación interna ao microfilamento 
miniatura|Modelo da bifurcación interna ao filamento. O complexo Arp2/3 activado únese a un extremo dun microfilamento; Arp2 queda unido a este e Arp3, proxectado ao exterior. Tanto Arp2 como Arp3 actúan nucleando a adición de novos monómeros de actina G, dando lugar a dous novos filamentos de actina F.
No modelo de bifurcación interna ao microfilamento postúlase que Arp2/3 asóciase ao extremo dun microfilamento en crecemento, permitindo tanto a adición de novos monómeros a este como a unha rama filla, que nuclea no complexo Arp2/3.Suetsugu, S., Miki, H. e Takenawa, T. (2002) «Spatial and temporal regulation of actin polymerization for cytoskeleton formation through Arp2/3 complex and WASP/WAVE proteins.» Cell Motility and the Cytoskeleton 51: 113-122. Dita dicotomía explícase sobre a base da existencia de dúas subunidades activas, tanto Arp2 como Arp3, capaces de interactuar cun microfilamento crecente de forma paralela. Esta hipótese baséase en análises cinéticos, pero non posúe soporte en canto a estrutura molecular das proteínas se refire.

 Funcións 
Arp2/3, como elemento ubicuo nos eucariotas e relacionado cunha función tan vital como é o mantemento do citoesqueleto de actina, posúe multitude de funcións celulares específicas. O complexo é especialmente abundante naquelas zonas da célula que  posúan unha dinámica activa da polimerización de actina: por exemplo, nos lamelipodios de protozoos e nas zonas motiles de fermentos.Warren, D. T., Andrews, P. D., Gourlay, C. W. e Ayscough, K. R. (2002). «Sla1p couples the yeast endocytic machinery to proteins regulating actin dynamics.» J. Cell Sci. 115, 1703-1715. De feito, detectouse que tanto Arp2/3 como as proteínas reguladoras WAVE acumúlanse selectivamente nos ápices de ditos lamelipodios, cuxa formación é, ademais, esencial durante a migración celular en metazoos.

En mamíferos e na ameba Dictyostelium discoideum demostrouse que é imprescindible para a fagocitose.May, R. C., Caron, E., Hall, A. e Machesky, L. M. (2000) «Involvement of the Arp2/3 complex in phagocytosis mediated by FcγR or CR3.» Nat. Cell Biol. 2, 246-248Insall, R., Muller-Taubenberger, A., Machesky, L., Kohler, J., Simmeth, E., Atkinson, S. J., Weber, I. e Gerisch, G. (2001) «Dynamics of the Dictyostelium Arp2/3 complex in endocytosis, cytokinesis, and chemotaxis.» Cell Motil.  Ademais, o complexo posúe relevancia no establecemento da polaridade celular e na propia migración dalgúns tipos celulares, como pode ser o caso de fibroblastos en zonas que sufriron un trauma mecánico.Magdalena, J., Millard, T. H., Etienne-Manneville, S., Launay, S., Warwick, H. K. e Machesky, L. M. (2003) «Involvement of the arp2/3 complex and scar2 in Golgi polarity in scratch wound models.» Mol. Biol. Cell 14, 670-684 É máis, existen casos de patóxenos procariotas que, aínda que non presentan Arp2/3 por carecer de citoesqueleto, empregan o complexo Arp2/3 da célula hospedadora cando a infectan: é o caso das cepas enteropatoxénicas de Listeria monocytogenes e Shigella, que aproveitan a polimerización da actina como medio motriz para desprazarse polo citosol e colonizar células veciñas. Outra función consiste na regulación dos orgánulos asociados ao citoesqueleto, como son os endosomas, lisosomas, vesículas de pinocitose e mitocondrias.Mathur, J. (2005). «The ARP2/3 complex: giving plant cells a leading edge.» BioEssays 27: 377-387. En fermentos o transporte mitocondrial depende dos microfilamentos de actina, a diferenza dos eucariotas superiores, en que depende de microtúbulos. Demostrouse que a forma principal de realizar o transporte anterógrado mitocondrial é a través do complexo arp2/3, que é recrutado na membrana externa mitocondrial a través das proteínas Jsn1/Puf1. Como este complexo produce propulsión, pero non direccionalidade, esta lógrase mediante a paralelización dos microfilamentos e a unión dos "cables" de actina a outro elemento da membrana mitocondrial chamado "mitocoro", formado polas proteínas Mmm1, Mdm10 e Mdm12, quen á súa vez se unen ao complexo arp2/3 mediante a proteína Puf3. Os mutantes con defectos en arp2/3 ou elementos do mitocoro presentan á súa vez problemas no transporte mitocondrial e na súa segregación na división celular. No caso das plantas, é esencial para que se produza unha expansión polar das células dos tricomas e do hipocótilo. Bannigan, A. e Baskin, T. (2005) «Directional cell expansion--turning toward actin.» Current Opinion in Plant Biology 8: 619-624.Xu, J. e Scheres, B. (2005) «Cell polarity: ROPing the ends together.» Current Opinion in Plant Biology 8: 613-618.  Warren, D. T., Andrews, P. D., Gourlay, C. W. e Ayscough, K. R. (2002) «Sla1p couples the yeast endocytic machinery to proteins regulating actin dynamics.» J. Cell Sci. 115, 1703-1715

 Implicacións no desenvolvemento 
Como se describiu previamente, o complexo Arp2/3 tamén se atopa en plantas. Por exemplo, a súa subunidade de menor tamaño posúe un homólogo, ARPC5, no organismo modelo Arabidopsis thaliana. De feito, nesta especie describíronse mutantes que carecen de dita subunidade, e o seu fenotipo, que pode fenocopiarse por adición de drogas que inhiben a polimerización da actina, consiste en irregularidades nos tricomas. Por outra banda, o papel fundamental do citoesqueleto de actina no tráfico de vesículas provoca que, nos mutantes carentes dunha correcta función de Arp2/3, o comportamento das vesículas asociadas ao complexo de Golgi sexa anómalo; por riba, e posto que dito tráfico é o que pode sustentar unha expansión celular, se as vesículas transportan compoñentes celulares de nova síntese, ditas anomalías repercuten na fisioloxía celular dunha forma estrutural. Deste xeito, comprobouse que nas plantas Arp2/3 posúe un papel esencial na morfoxénese. De feito, postulouse que nas plantas Arp2/3, xunto coas fosfolipasas que interactúan coa membrana e os microtúbulos de actina,  forman un sistema de cooperación intracelular que desempeñan un papel central en definir a forma definitiva das células.

Outros estudos en animais modelo, como Drosophila melanogaster, e en fermentos demostraron que as mutacións de perda de función en ARP3 son letais, o cal pon de manifesto o papel crucial deste complexo durante o desenvolvemento.

 Notas 

Categoría:Citoesqueleto
Categoría:Proteínas