Exosoma (complexo)

O complexo do exosoma, complexo PM/Scl ou, simplemente, exosoma, é un complexo proteico que pode degradar diversos tipos de ARN. Os complexos de exosoma poden encontrarse en células eucariotas e de arqueas. Nas bacterias o equivalente é un complexo máis simple chamado degradosoma, que realiza unha función similar.
O núcleo do complexo ten unha estrutura anular formada por seis membros, ao que se unen outras proteínas. Nas células eucariotas aparece tanto no citoplasma coma no núcleo celular, especialmente no nucléolo, aínda que as proteínas que interaccionan co complexo en cada un destes compartimentos son diferentes, coa fin de poder regular a súa actividade de degradación do ARN segundo a diferente natureza dos substratos presentes en cada lugar.
Estes substratos comprenden ARN mensaxeiro, ARN ribosómico e moitas especies de ARN de pequeno tamaño. O exosoma ten unha función exorribonucleolítica, o que significa que degrada o ARN comezando por un dos extremos (o chamado extremo 3') en lugar de escindir o ARN en lugares específicos (como faría unha endonuclease).
Aínda que non existe relación causal entre o complexo e ningunha das enfermidades coñecidas, algunhas das súas proteínas son o antíxeno de autoanticorpos responsables dalgunhas enfermidades autoinmunes (especialmente da síndrome de solapamento PM/Scl) e dalgunhas quimioterapias antimetabolíticas que bloquean a actividade do complexo. Descuberta
O exosoma foi descuberto como unha ribonuclease en 1997 no lévedo Saccharomyces cerevisiae. Non moito tempo despois, en 1999, comprobouse que o exosoma era de feito o equivalente do complexo xa descrito en células humanas, coñecido como complexo PM/Scl, que fora identificado como un autoantíxeno en pacientes con certas doenzas autoinmunes en anos anteriores. A purificación do complexo humano permitiu a identificación de máis proteínas do exosoma e finalmente a caracterización de todos os seus compoñentes. En 2001 a crecente cantidade de datos procedentes dos distintos proxectos xenoma que comezaron a estar dispoñibles, permitiron a predición de proteínas do exosoma de arqueas, aínda que tiveron que transcorrer outros dous anos antes de que se purificase o primeiro exosoma dun destes organismos. Estrutura
Proteínas centrais
O núcleo do complexo ten unha estrutura anular que consta de seis proteínas, todas elas pertencentes ao mesmo tipo de ribonuclease, as proteínas semellantes ás RNases PH. Nas arqueas hai dúas proteínas distintas deste tipo (chamadas Rrp41 e Rrp42), cada unha delas presente tres veces en orde alterna. Os complexos de exosoma eucariota teñen seis proteínas diferentes que forman a estrutura anular. Desas seis proteínas eucariotas, tres son semellantes á proteína arqueota Rrp41 e as outras tres gardan maior similitude con Rrp42.
Situadas na parte superior do anel dispóñense tres proteínas que teñen un dominio de unión a ARN de tipo S1 (RBD). Dúas proteínas, ademais, teñen un domino de homoloxía K (dominio KH). En eucariotas únense tres proteínas S1 diferentes ao anel, entanto que en arqueas poden formar parte do exosoma un ou dous tipos destas (pero sempre hai tres subunidades S1 unidas ao complexo). A estrutura en anel é moi similar á das RNases PH e á das polinucleótido fosforilases (PNPase). Nas bacterias, a RNase PH que está implicada no procesamento do ARNt forma un anel hexamérico consistente en seis RNases PH idénticas. No caso da PNPase, que é unha proteína fosforolítica que degrada ARN e que se encontra tanto en bacterias coma en cloroplastos e mitocondrias dalgúns organismos eucariotas, formarían parte da mesma proteína dous dominios RNase PH e tamén un dominio S1 e outro de tipo KH de unión a ARN. Esta proteína forma un complexo trimérico que adopta unha estrutura case idéntica á do exosoma. Debido á gran similitude entre ambos os dominios de proteína e tamén da súa estrutura, pénsase que estes complexos están relacionados evolutivamente e teñen un devanceiro común. Nas bacterias existe unha RNase PH diferente implicada no procesamento do ARN de transferencia, do que se sabe que adopta unha estrutura anular similar de seis unidades, pero neste caso as unidades son idénticas. As proteínas similares á RNase PH, as propias RNases PH e as PNPases pertencen todas elas á familia das RNases e as exorribonucleases fosforolíticas, o cal significa que utilizan fosfato inorgánico para eliminaren nucleótidos do extremo 3' das moléculas de ARN.
Proteínas asociadas
Ademais das nove proteínas nucleares, outras dúas proteínas están frecuentemente asociadas co complexo de exosoma nos organismos eucariotas. Unha delas é Rrp44, unha RNase hidrolítica, que pertence á familia RNase R de exorribonucleases hidrolíticas (nucleases que utilizan a auga para escindir nucleótidos). En lévedos, a Rrp44 está asociada con todos os complexos de exosoma e ten un papel esencial na actividade destes complexos. Cómpre salientar que, aínda que existe unha proteína homóloga humana, non se atopou ningunha evidencia de que esta estea asociada ao complexo de exosoma humano. A segunda proteína común asociada chámase Rrp6 (en lévedos) ou PM/Scl-100 (en humanos). Igual que a Rrp44, esta proteína tamén é unha exorribonuclease hidrolítica, pero neste caso pertence á familia de proteínas RNase D. A proteína PM/Scl-100 compón a subunidade máis común dos complexos de exosoma no núcleo das células, pero tamén forma parte do complexo de exosoma citoplasmático.
Proteínas reguladoras
Ademais destas dúas subunidades estreitamente unidas, moitas proteínas interaccionan co complexo exosómico tanto no citoplasma coma no núcleo. Estas proteínas que se unen de forma laxa poderían regular a actividade e a especificidade do complexo de exosoma. No citoplasma, o exosoma interacciona con proteínas que se unen a elementos ricos en AU (ARE, por exemplo KRSP e TTP), que poden promover ou impedir a degradación dos ARNm. O exosoma nuclear asóciase coas proteínas que unen ARN (por exemplo MPP6 en humanos e Rrp47/C1D en humanos e lévedos) que controlan o procesamento do ARN ribosómico.
Ademais de proteínas individuais, tamén interaccionan co exosoma outros complexos proteicos. Un deles o complexo Ski, que inclúe unha ARN helicase (Ski2) e está implicado na degradación do ARNm. No núcleo, o procesamento do ARN ribosómico e o ARN nucleolar pequeno polo exosoma está mediado polo complexo TRAMP, que posúe tanto a helicase de ARN Mtr4 coma actividade de poliadenilación (Trf4). Función
Función encimática
O complexo exosómico contén moitas proteínas con dominios ribonuclease. Estes teñen unha actividade exorribonuclease 3'→ 5', o que significa que os encimas degradan as moléculas de ARN a partir do seu extremo 3'. A natureza exacta destes dominios de ribonuclease foi cambiando no decurso da evolución desde as bacterias ás arqueas e aos eucariotas a medida que certas actividades se foron gañando ou perdendo. As exorribonucleases contidas no exosoma poden ser fosforolíticas (proteínas de tipo RNAse PH) ou, en eucariotas, hidrolíticas (proteínas con dominios RNase D e R). Os encimas fosforolíticos usan fosfato inorgánico para romper os enlaces fosfodiéster, liberando nucleósidos difosfato, e os hidrolíticos usan auga para liberar nucleótidos (monofosfato).
En arqueas, a subunidade Rrp41 do complexo é a exorribonuclease fosforolítica. O anel deste encima presenta tres copias desta proteína, que son as responsables da actividade do complexo. En eucariotas, ningunha das subunidades RNase PH mantivo esta actividade catalítica, o cal supón que a estrutura anular central do exosoma humano non ten ningunha proteína encimaticamente activa. En lévedos isto compénsase por un dos encimas hidrolíticos asociados, a Rrp44, que é a responsable da maior parte da actividade ribonuclease dol exososoma, pero esta subunidade hidrolítica en particular pode estar restrinxida aos lévedos, xa que non se encontrou ningunha proteína homóloga a Rrp44 no exosoma humano (e tampouco en arqueas).
Pódese asociar aínda outro encima hidrolítico máis en humanos e lévedos co complexo (Rrp6), que contribúe á actividade do exosoma de lévedos e é a única responsable da actividade do complexo humano. Aínda que orixinalmente se pensaba que as proteínas con dominio S1 tiñan tamén actividade hidrolítica 3'→5', traballos posteriores puxérono en dúbida, ao afirmaren que estas proteínas poderían desempeñar tan só un papel na unión de substratos antes da súa degradación polo complexo.
Substratos
O exosoma está implicado na degradación e procesamento dunha gran variedade de especies de ARN. No citoplasma celular está implicado na renovación (turn-over) das moléculas de ARN mensaxeiro. O complexo pode degradar moléculas de ARNm que foron marcadas para a súa degradación porque conteñen erros, por medio de interaccións con proteínas da vía mediada por mutación terminadora ou pola vía mediada por mutación "non-stop". Por outra parte, os ARNm degrádanse como parte do seu ciclo normal. Existen varias proteínas que estabilizan ou desestabilizan moléculas de ARNm uníndose aos elementos ricos en AU dos extremos 3' non traducidos (3'UTR) e que interaccionan co complexo do exosoma.
No núcleo celular, o exosoma requírese para o correcto procesamento de varios ARN nucleares pequenos. Finalmente, o nucléolo é o compartimento onde se encontran a maior parte dos complexos de exosoma, onde desenvolven un papel no procesamento do ARN ribosómico 5, 8 S (a primeira función do exosoma identificada) e de varios ARN nucleolares pequenos.
Aínda que a maior parte das células teñen outros encimas con capacidade de degradar ARN tanto polo seu extremo 3' coma polo seu extremo 5', o exosoma é esencial para a supervivencia celular. Cando se detén ou reduce a expresión xénica das proteínas do exosoma por medios artificiais, por exemplo, por medio de ARN interferente, o crecemento deténse e as células finalmente morren. Tanto as proteínas centrais do complexo coma as dúas proteínas principais asociadas son esenciais.
As bacterias non teñen exosoma, pero as súas funcións asúmeas un complexo similar, chamado degradosoma do que forma parte a proteína polinucleótido fosforilase. Patoloxía
Autoinmunidade
O complexo exosómico é o antíxeno dos autoanticorpos responsables de diversas enfermidades autoinmunes. Estes autoanticorpos encóntranse principalmente en persoas que sofren a síndrome de solapamento PM-Scl, unha doenza autoinmune na que os pacientes sofren unha esclerodermia de base acompañada ou ben de polimiosite ou ben de dermatomiosite. Os autoanticorpos pódense detectar no soro sanguíneo dos pacientes por medio de diversos ensaios. No pasado, o método máis común foi o de inmunodifusión dobre de Ouchterlony utilizando extractos de timo de tenreira, inmunofluorescencia en células HEp-2 ou inmunoprecipitación a partir de extractos celulares humanos. Nos ensaios de inmunoprecipitación con soros anti-exosoma precipita un conxunto de proteínas característico. Nos anos anteriores á caracterización do exosoma, a este precipitado se lle denominaba complexo PM-Scl. Os soros destes pacientes adoitan mostrar unha característica tinguidura do nucléolo celular, o que alimentou a hipótese de que o antíxeno recoñecido polos autoanticorpos era importante na síntese ribosomal. Máis recentemente puidose dispoñer de proteínas exosómicas que se utilizaron para desenvolver inmunoanálises en liña (LIA) e ensaios de ELISA para detectar estes anticorpos.
Nestas doenzas, os anticorpos diríxense principalmente contra dúas das proteínas do complexo, denominadas PM/Scl-100 (a proteína similar a unha RNase D) e PM/Scl-75 (unha das proteínas similares ás RNases PH do anel), encontrándose anticuerpos contra estas proteínas en aproximadamente un 30% dos pacientes que sofren da síndrome. Aínda que estas dúas proteínas son o ligando principal dos autoanticorpos, tamén poden selo outras subunidades ou proteínas asociadas, como C1D. Actualmente, o método con maior sensibilidade para detectar estes autoanticorpos consiste no uso dun péptido derivado da proteína PM/Scl-100 como antíxeno nun ensaio ELISA, en lugar de utilizar proteínas completas. Por medio deste método, os autoanticorpos encóntranse en máis do 55% dos pacientes coa síndrome de solapamento, aínda que tamén poden ser detectados en pacientes que sofren tanto de esclerodermia, coma de polimiosite ou de dermatomiosite por separado.
Dado que os autoanticorpos se encontran principalmente en pacientes que teñen características de varias enfermidades autoinmunes distintas, os síntomas clínicos que presentan poden variar moito. Os síntomas que se ven con máis frecuencia son os típicos destas enfermidades, entre eles o signo de Raynaud, artrite, miosite e esclerodermia. O tratamento destes pacientes é sintomático e similar ao tratamento de cada enfermidade autoinmune por separado, o que supón a administración de fármacos inmunosupresores ou inmunomoduladores.
Cáncer
Demostrouse que o exosoma é inhibido polo antimetabolito 5-fluorouracilo, utilizado tamén no tratamento quimioterapéutico do cáncer. Este é un dos tratamentos máis eficaces contra os tumores sólidos. Cando este fármaco é administrado a lévedos, pódense observar defectos no procesamento do ARN ribosómico idénticos aos que se aprecian cando se bloquea dito procesamento por medio de diversas estratexias utilizadas en bioloxía molecular. A ausencia dun correcto procesado dos ribosomas é letal para estas células, o que explica o seu efecto antimetabólico. Lista de subunidades
A: En arqueas varias proteínas do exosoma están presentes en múltiples copias para formar o núcleo completo do complejo exosómico.
B: Aínda que a proteína Rrp44 é parte do complexo no lévedo, o seu homólogo humano, hDis3, non se encontrou nunca asociado co complexo humano.