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Papel fisiológico do proteassomo 20S livre sob revisão crítica

Autores: Maria Célia Wider

22/11/18
Sistema degrada proteínas oxidadas no meio intracelular?

O proteassomo é um complexo proteico responsável pela degradação de proteínas intracelulares, desempenhando um papel central na homeostase proteica por regular diversos processos celulares. Proteínas intracelulares são marcadas com moléculas de ubiquitina e degradadas por meio do sistema 26S, que implica o acoplamento da unidade catalítica 20S a unidades regulatórias 19S. Proteínas oxidadas podem ser degradadas independentemente da poliubiquitinação pelo proteassomo 20S livre - a unidade catalítica do proteassomo não acoplada a unidades regulatórias.

No entanto, como as evidências da atividade do proteassomo 20S livre são baseadas predominantemente em demonstrações in vitro, ainda há controvérsias sobre seu papel fisiológico nas células. A literatura científica sobre o assunto é vasta e está dividida. Em um artigo de revisão publicado na revista BBA General Subjects, as pesquisadoras do CEPID Redoxoma Marilene Demasi, do Instituto Butantan, e Fernanda Marques da Cunha, da Universidade Federal de São Paulo, propõem uma análise crítica dos dados experimentais disponíveis sobre o papel fisiológico do proteassomo 20S livre.

“A conclusão do nosso trabalho é que não há evidências inequívocas da proteólise independente de ubiquitina pelo proteassomo 20S livre, que ainda precisa ser demonstrada in vivo. O campo ainda está aberto. Mas os dados acumulados até hoje desafiam a noção de que toda a degradação proteica implica a ubiquitinação do substrato e de que apenas o proteassomo 26S é responsável pela degradação”, afirmou Demasi.

De acordo com a pesquisadora, acredita-se que mais de 80% das proteínas intracelulares sejam degradas pelo proteassomo, que, desta forma, regula diversos processos celulares, como metabolismo, sinalização, divisão e morte celular. Em 2004, os bioquímicos que haviam descoberto, na década de 1980, o processo de degradação proteica mediada pela ubiquitina receberam o Prêmio Nobel de Química. Atualmente, medicamentos que inibem o proteassomo são usados como terapia antitumoral. O proteassomo também desempenha um papel importante nas respostas imunes adaptativas e na adaptação ao estresse oxidativo.

Proteassomo 20S livre

O proteassomo é uma protease onipresente e altamente plástica conservada em todos os eucariotos É composto por uma unidade catalítica central, que tem a forma cilíndrica, chamada 20S, onde estão as subunidades catalíticas. Unidades reguladoras são acopladas a um ou a ambos os lados da estrutura central 20S, sendo a unidade 19S a mais abundante. Quando acoplado à unidade reguladora 19S, o proteassomo é chamado 26S. Os substratos proteicos são reconhecidos pela unidade reguladora principalmente por meio da cauda de poliubiquitina com a qual são marcados para degradação. Uma vez ligado à subunidade 19S, o substrato é desubiquitinado, desenovelado e transportado para a câmara catalítica. Todos esses processos enzimáticos consomem energia na forma de ATP.

Quando o 20S está livre, ou seja, desacoplado, ele vai degradar proteínas por mecanismos independentes de ubiquitina e sem consumo de ATP, que ainda não foram bem esclarecidos.

Uma hipótese é que oxidações causam modificações químicas nas proteínas que resultam em mudanças conformacionais, com a exposição de resíduos hidrofóbicos. Esses fragmentos hidrofóbicos permitem o reconhecimento do substrato pelo proteassomo 20S sem a necessidade de direcionamento pela ubiquitina.

Segundo as pesquisadoras, dois exemplos de evidências indiretas da atividade do 20S livre são os experimentos in vitro nos quais se demonstra que ele medeia a proteólise e a comprovação de que existe um processo intracelular de degradação de proteínas independente de ubiquitina.

“Uma demonstração direta e definitiva é muito difícil de se obter, porque a degradação de proteínas sem unidades regulatórias acontece na ausência de ATP e é impossível termos uma célula completamente depletada de ATP”. explica Cunha.

Na revisão, as pesquisadoras citam trabalhos que vêm tentando calcular quanto proteassomo 20S livre existe dentro de uma célula. Por tomografia crio-eletrônica de células intactas, cientistas conseguiram identificar a unidade 20S acoplada nos dois lados ou em apenas um lado a unidades regulatórias 19S. Eles descobriram que apenas cerca de 25% dos proteassomos detectados estavam acoplados em ambos os lados, formando o complexo 19S-20S-19S, e os 75% restantes tinham um lado acoplado à unidade 19S e o outro livre. Para as pesquisadoras, isso poderia sugerir a possibilidade de um proteassomo bifuncional, que permita a degradação de proteínas por vias tanto dependentes quanto independentes de ATP e ubiquitina. O estudo não detectou a presença da unidade 20S totalmente desacoplada.

O proteassomo 20S livre só foi mostrado recentemente, pela primeira vez, embutido em membranas de células neuronais, degradando proteínas internas dos neurônios e secretando para a fenda sináptica os produtos da degradação. Esse é um exemplo claro de uma função fisiológica do 20S livre.

Uma questão importante quando se considera proteólise por meio do proteassomo 20S livre in vivo é se existem mecanismos para promover a abertura da entrada da câmera da unidade 20S na ausência de unidades regulatórias. Quando não acoplado, o 20S está fechado; ele abre ao se acoplar a unidades regulatórias, tais como a 19S. Trabalhando com a levedura Saccharomyces cerevisiae, o grupo de Demasi demonstrou, em 2012, que a modulação da abertura do proteassomo 20S livre se deve, ao menos em parte, à S-glutaliolação de resíduos específicos de cisteína, uma modificação pós-traducional redox. Um dos resíduos envolvidos é evolutivamente conservado da levedura aos seres humano. Mutações genômicas das cisteínas glutatioláveis foram realizadas recentemente pelo grupo, sendo que os dados obtidos confirmam a importância da presença dessas cisteínas na estrutura da protease. Ao correlacionar o tempo de vida cronológico das leveduras com a frequência com que o proteassomo 20S livre é encontrado na forma aberta ou fechada, os pesquisadores constataram que há um aumento no tempo de vida da levedura quando o proteassomo está mais aberto. Segundo Demasi, estes resultados, que serão publicados em breve, corroboram o papel fisiológico do proteassomo 20S livre, embora sejam ainda evidências indiretas.

Também com o objetivo estudar a função fisiológica do proteassomo, a pesquisadora Fernanda Cunha investiga como a restrição calórica em levedura altera a atividade do proteassomo. Resultados publicados em 2011 mostram que leveduras cultivadas em restrição calórica apresentam atividade aumentada do proteassomo sem que haja um aumento na sua expressão, indicando uma possível modificação estrutural. Atualmente o grupo investiga as possíveis modificações estruturais que poderiam ser responsáveis pela ativação anteriormente observada.

As pesquisadoras acreditam que novas técnicas, como tomografia crio-eletrônica (cryo-ET) e outras ferramentas de imagem que permitem avaliar as células em tempo real e que sejam capazes de revelar estruturas moleculares, tal como a microscopia de fluorescência de alta resolução, vão facilitar a investigação do papel que o proteassomo 20S livre desempenha nas células.

A revisão The physiological role of the free 20S proteasome in protein degradation: A critical review de Marilene Demasi e Fernanda Marques da Cunha, pode ser lida por assinantes aqui.


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