Coatómero

As COP, ou coatómeros son complexos proteicos que participan na formación das cubertas de vesículas membranosas no interior das células, no inicio das vías secretoras. Trátase dun proceso conservado evolutivamente, nos eucariotas. Existen dúas clases destas proteínas, cada unha implicada nun tipo de transporte diferente: COPI (/cop un/), que media o transporte retrógrado (desde o trans-Golgi ao cis-Golgi e ao retículo endoplasmático), e COPII (/cop dous/), que media o transporte anterógrado (desde o retículo endoplasmático ao cis-Golgi). Outras proteínas de revestimento de vesículas, que tamén participan neste proceso, e que teñen funcións parecidas ás dos coatómeros, son as clatrinas, que interveñen cando o transporte acontece desde o aparato de Golgi á membrana plasmática. Os coatómeros son funcionalmente análogos e evolutivamente homólogos das proteínas adaptadoras da clatrina, tamén chamadas adaptinas, que regulan a endocitose desde a membrana plasmática e o transporte desde a rede trans-Golgi aos lisosomas.

As proteínas que van ser transportadas nas vías retrógrada e anterógrada presentan unha secuencia de aminoácidos que determina o lugar da célula ao que van destinadas, o que fai que este proceso sexa selectivo.

Estrutura da COPI.

As proteínas de revestimento, como as COP, deben actuar só nas ocasións en que son necesarias, polo que debe haber un control do tráfico de membranas nos distintos tipos de transporte. As GTPases recrutadoras de revestimento, que son proteínas monoméricas, controlan a formación de vesículas. En alta concentración no citoplasma, as moléculas recrutadoras inactivas ligadas a GDP, son activadas por GEFs específicos nas membranas internas, que activan as recrutadoras asociándoas con GTP.

A palabra coatómero construíuse a partir da palabra inglesa coat (cuberta, recubrimento, revestimento) e o sufixo grego meros (parte, porción). COP procede de coat proteín, 'proteína de cuberta'.

COPI

A COPI é o complexo proteico de revestimento responsable da vía retrógrada, entre o aparato de Golgi e o retículo endoplasmático (RE). Trátase dunha ruta de recuperación de moléculas biolóxicas útiles procedentes do RE, que poden ser recicladas e reutilizadas pola célula en diversas actividades fisiolóxicas. Esa vía é importante para evitar un gasto excesivo de enerxía na síntese de novas moléculas, promovendo unha mellor viabilidade termodinâmica na homeostase celular. Procesos como a propia evaxinación de vesículas poden ser reabastecidos por compoñentes recuperados nesa ruta, como é o caso dos SNAREs, por exemplo.

Para que a vía retrógrada ocorra, é imprescindible que haxa un sinal que marque as proteínas orixinarias do retículo endoplasmático, sendo os máis comúns secuencias específicas de aminoácidos, coñecidas como KDEL, KKXX (di-lisina) ou KXKXX. Eses marcadores específicos sinalizan que a proteína normalmente se encontra no RE en estado estacionario e non debe ser dirixida a outros dominios celulares pola rexión trans do aparato de Golgi, pero sen retornar polas cisternas cis ao seu lugar de orixe. A marcaxe dos substratos que van ser transportados é, desa forma, extremadamente importante na etapa de selección do contido das vesículas revestidas de COPI. As proteínas cargamento retrógradas que levan un sinal de di-lisina líganse directamente ao revestimento. As proteínas do lume do RE que posúen un motivo KDEL, como as chaperonas BiP e PDI, son recoñecidas na rexión cis-Golgi por un receptor KDEL (codificado polo xene ERD2 en lévedos) e son direcionados cara a vesículas COPI.

Estudos feitos en mamíferos atoparon a relevancia da COPI noutra vía de transporte de vesículas: o transporte intra-Golgi. Esa vía está asociada á condución de biomoléculas entre as cisternas do orgánulo, onde poden ocorrer diversos procesos bioquímicos relacionados co procesamento postraducional, por exemplo a glicosilación, a clivaxe de proproteínas e a fosforilación de estruturas. O revestimento da COPI foi identificado por primeira vez nun ensaio de células libres de mamíferos que reconstituiu o transporte intra-Golgi. As vesículas revestidas de COPI derivadas de Golgi acumúlanse e poden ser purificadas por medio de reaccións nas que o transporte é bloqueado co análogo GTP non hidrolizable, GTP-g -S. A ARF ligada ao GTP é unha das proteínas citosólicas necesaria para producir vesículas revestidas de COPI, constituíndo a maquinaria mínima para deformar a bicapa lipídica durante a evaxinación de vesículas. A retirada das vesículas de COPI iníciase cando a ARF hidroliza a súa GTP, que libera a ARF e permite a fusión da vesícula coa membrana diana. Desa forma, sábese que, en células de mamíferos, o revestimento de COPI está predominantemente asociado ao lado cis do aparato de Golgi (vía retrógrada) e ás estruturas de compartimentos intermediarios, dispersas ao longo do citoplasma (transporte intra-Golgi).

COP II

A COP II é un complexo de proteínas que actúa na evaxinación de vesículas constitutivas da vía anterógrada, ou sexa, orixinadas no retículo endoplasmático e dirixidas ao aparato de Golgi. Esa vía exerce papel fundamental nas etapas iniciais das actividades secretoras da célula. Para iniciar o seu paso ao longo da vía biosintética-secretora, as proteínas que entran no RE e que son destinadas ao aparato de Golgi ou máis alá son, primeiramente, empaquetadas en pequenas vesículas de transporte revestidas de COPII. Esas vesículas de transporte brotan de rexións especializadas do RE chamadas sítios de saída, cuxas membranas non posúen ribosomas adheridos.

Ese tipo de revestimento por COPII foi identificado por primeira vez en lévedos, e os seus compoñentes están implicados na formación de vesículas revestidas por COPII esenciais para a viabilidade celular en lévedos. Estudos in vitro identificaron que os compoñentes citosólicos do revestimento da COPII comprenden a pequena GTPase Sar1p e dous complexos de proteínas heterodímeras, Sec23/24p e Sec13/31p. Recentemente utilizouse a microscopía eletrónica para visualizar a estrutura das subunidades COPII e a estrutura superficial das vesículas revestidas de COPII. Sábese, entón, que o complexo Sec23/24p se asemella a unha garavata e o complexo Sec13/31p posúe unha estrutura flexible de diámetro de 24/ 30 nm que comprende unha estrutura globular.

Regulación da montaxe de revestimentos de COP II

Para asegurar que o tráfico de membranas en dirección a un orgánulo e no sentido contrario sexa equilibrado, as proteínas de revestimento deben estruturarse soamente cando e onde son necesarias. Por iso, a actividade de GTPases recrutadoras é fundamental na regulación da montaxe dos revestimentos, tanto de COPII coma de COPI. As GTPases recrutadoras de revestimento son membros dunha familia de GTPases monoméricas. Entre elas están as proteínas t, responsables da montaxe dos revestimentos de COPI e de clatrina a partir das membranas de Golgi, e a proteína Sar1, a cal é responsable da montaxe do revestimento de COPII nas membranas do RE.

Debido ao funcionamento desas GTPases, o xurdimento da vesícula só se inicia cando unha proteína transmembrana localizada no retículo endoplasmático, Sec12p, media a o cambio de GTP/PIB a Sar1p. A Sar1p ligada a GTP entón lígase firmemente ás membranas do retículo endoplasmático, probablemente incorporando unha hélice alfa N-terminal na bicapa dunha maneira semellante á promovida pola ARF1 (a pequena GTPase que actúa no tráfico dependente de COPI). A unión á membrana de Sar1p-GTP permite o recrutamento do complexo Sec23/24 e posteriormente do complexo Sec13/31p, que induce a polimerización do revestimento e a deformación da membrana para a evaxinación de vesículas. Unha vez que brota a vesícula, o Sec23p actúa como unha proteína activadora de GTPase específica para o Sar1p (GAP), axudando o Sar1p a hidrolizar o GTP, o que, á súa vez, desencadea a liberación da vesícula. O complexo Sec13/31p, unha vez recrutado na membrana inducindo a curvatura da membrana, orixina o aumento da actividade de Sar1pGTPase mediada pola acción do Sec23p.

As GTPases recrutadoras de revestimento tamén exercen un papel na desmontaxe do revestimento. A hidrólise do GTP ligado, que se cambia por GDP, determina que a GTPase modifique a súa conformación de modo que a súa cola hidrófoba se solte da membrana, facendo que o revestimento da vesícula se desfaga. Aínda que non se sabe o que desencadea o proceso de hidrólise de GTP, propúxose que as GTPases traballan como temporizadores (timers), hidrolizando GTP a unha taxa lenta, pero previsíble.

Outra proteína esencial para a formación de vesículas COPII está codificada no xene SEC16. A Sec16p é unha proteína hidrófila de 240 kDa que é esencial para a viabilidade do lévedo e a súa función demostrou ser estritamente necesaria para o implante de vesículas dependentes da COPII do retículo endoplasmático in vivo. Non obstante, o Sec16p está firmemente e perifericamente ligado ás membranas reticulares e, por tanto, non é unha das proteínas citosólicas necesarias para impulsar que brote a COPII. Interacciona directamente con varios compoñentes do revestimento COPII, concretamente Sar1p, Sec23p, Sec24p e Sec31p, organizando un dos pasos iniciais na montaxe da COPII.

A selección de carga en vesículas revestidas por COP II

Orixinalmente, críase que todas as proteínas que non estaban unidas ao RE entraban en vesículas de transporte. Porén, hoxe está claro que o empaquetamento en vesículas de transporte que deixan o RE normalmente é un proceso selectivo. Moitas proteínas de membrana recrútanse activamente no interior de tales vesículas, onde se concentran. Pénsase que estas proteínas cargamento presentan sinais de saída (transporte) nas súas superficies citosólicas que son recoñecidos por compoñentes do revestimento de COPII; estes compoñentes do revestimento actúan como receptores de carga e son reciclados de volta cara ao RE despois de que entregaron os seus cargamentos no aparato de Golgi. As proteínas-cargamento solubles no lume do RE, ao contrario, posúen sinais de saída que as fixan nos receptores de carga transmembrana, os cales, á súa vez, liganse aos compoñentes do revestimento de COPII por medio dos sinais de saída das súas colas citoplasmáticas. A unha taxa moito máis baixa, as proteínas sen eses sinais tamén poden entrar nas vesículas de transporte, de forma que, mesmo as proteínas que normalmente actúan no RE (as chamadas proteínas residentes no RE), lentamente escapan del e son entregadas ao aparato de Golgi. Algunhas proteínas transmembrana que serven como receptores de carga para empaquetar algunhas proteínas de secreción dentro de vesículas revestidas de COPII son lectinas que se unen a oligosacáridos. Unha lectina ERGIC53, por exemplo, únese á manosa e recoñece este azucre en dous factores de coagulación segregados (factor V e factor VIII), consecuentemente empaquetando estas proteínas en vesículas de transporte no RE. O papel da ERGIC53 no transporte de proteínas identificouse porque os humanos que teñen deficiencia desta proteína, debido a unha mutación herdada, presentan niveis séricos máis baixos dos factores V e VIII e, por tanto, sangran excesivamente.

Ademais, un mecanismo de "control de calidade" garante que só as proteínas dobradas correctamente poidan saír do retículo endoplasmático. Porén, os procesos polos cales as proteínas segregada son separadas das proteínas que permaneceron no RE durante a formación de vesículas aínda son amplamente debatidos. Existen bastantes evidencias de que polo menos un determinado cargamento destinado á saír do RE é captado selectivamente por interaccións directas con proteínas da COPII. As vesículas revestidas por COPII producidas in vitro (a partir de membranas de lévedo na presenza dunha maquinaria mínima) son capaces de empaquetar un gran conxunto de proteínas de cargamento solubles e transmembrana, incluíndo o precursor do factor de ferommonas e os v-SNAREs Bet1p, Bos1p e Sec22p, que son necesarios para o aliñamento e a fusión desas vesículas con membranas de Golgi.

A subunidade Sec24p intervén no recrutamento dos cargamentos das vesículas. Os complexos preevaxinación que conteñen cargamentos poden ser illados das membranas reticulares despois da adición de Sar1p e Sec23/24p, o que suxire que este revestimento parcial pode recrutar proteínas destinadas á incorporación en vesículas. Ademais, o heterodímero Sec23/24p e, nalgúns casos, só o Sec24p, poden unirse a dominios citoplasmáticos dunha variedade de moléculas. Outras evidencias do papel do Sec24p na selección do cargamento derivan da observación de que o Lst1p, un homólogo da Sec24p no xenoma do lévedo, é necesario para efectuar a exportación do RE. As vesículas xeradas co complexo Sec23/Lst1p que substitúen Sec23/24p son deficientes nun subconxunto distinto de moléculas, como os v-SNAREs Bet1p, Bos1p e Sec22p. Así, debido á ausencia de SNAREs, esas vesículas non poden fundirse con membranas de Golgi. Ao contrario de Sec24p, a Lst1p é incapaz de se ligar á Bet1p in vitro, o que suxire unha correlación directa entre a unión do cargmento e o recrutamento nas vesículas.

De acordo con diversas observacións, a expresión excesiva de Lst1p non pode compensar a perda da función Sec24p. As células de lévedo posúen tres homólogos de Sec24p e os eucariotas expresan polo menos catro isoformas. Pénsase que esta variación na subunidade Sec24p fornece vesículas COPII cunha especificidade máis ampla para a seleción de moléculas, ademais da maior flexibilidade no tamaño da vesícula, o que probablemente ten papel importante na acomodación dunha carga voluminosa.

A especificidade da interacción de cargamento/proteína de revestimento suxeriu a existencia de sinais de clasificación nos dominios citoplasmáticos das proteínas. Dous deses sinais de exportación do RE identificáronse en células de mamíferos. Primeiro, a di-fenilalanina presente en ERGIC-53, un receptor semellante á lectina para glicoproteínas, é crucial para a eficiencia no transporte do RE ao aparato de Golgi. En segundo lugar, un sinal de diácido Asp-X-Glu (DXE, onde X pode ser calquera aminoácido) presente no transporte do RE ao aparato de Golgi identificouse no C-terminal da glicoproteína do vírus da estomatite vesicular (VSV-G). No caso do VSV-G, o sinal actuaba na concentración desa molécula nas estruturas revestidas de COPII. O sinal é funcional tanto en células de mamíferos coma en lévedos (por exemplo, na proteína transmembrana Sys1p) e interacciona directamente co complexo Sec23/24p. As mutacións neste sinal eliminan a ligación das proteínas da COP II e teñen como resultado a retención no RE. A carga soluble pode ser incorporada nas vesículas COPII por un "fluxo en masa" ou a través de interaccións selectivas do revestimento con receptores de membrana que se unen a este cargamento.

Mal funcionamento das proteínas COP

O mal funcionamento das proteínas COPII está asociado a múltiples doenzas hematolóxicas e non hematolóxicas. A anemia diseritropoética conxênita do tipo II, unha rara doenza xenética que afecta ao desenvolvemento dos eritrocitos xerando diversas complicacións clínicas consecuencia do cadro anémico, é causada por mutacións no xene sec23b. A doenza de retención dos quilomicrons, unha rara enfermidade conxênita que causa hipocolesterolemia, atraso do crecemento, complicacións hepáticas, neurolóxicas e oftalmolóxicas, é causada por unha mutación no xene SAR1B. Tanto o xene sec23b coma o xene SAR1B codifican péptidos esenciais para o correcto funcionamento das proteínas COPII no transporte anterógrado entre o retículo endoplasmático e o aparato de Golgi.

O tráfico intracelular é esencial para o transporte de moléculas, vesículas e orgánulos cara aos seus destinos correctos para que a célula manteña a súa homeostase. O mal funcionamento do tráfico intracelular está asociado a diversas doenzas neurolóxicas e non neurolóxicas. As mutacións no xene ARCN1 que codifica a subunidade sigma da proteína COPI é asociada á dexeneración das células de Purkinje e hipopigmentación.