La familia de proteínas mediadoras de la respuesta a la colapsina o familia CRMP consta de cinco fosfoproteínas intracelulares ( CRMP-1 , CRMP-2, CRMP-3, CRMP4, CRMP5) de tamaño molecular similar (60-66 kDa) y alto contenido de aminoácidos (50-70%) identidad de secuencia . Las CRMP se expresan predominantemente en el sistema nervioso durante el desarrollo y juegan un papel importante en la formación de axones a partir de neuritas y en la guía y colapso de los conos de crecimiento a través de sus interacciones con los microtúbulos . [1] [2] Las formas escindidas de CRMP también se han relacionado con la degeneración neuronaldespués de una lesión inducida por un trauma. [3]
La modulación de la expresión de CRMP-2 a través de varios productos farmacéuticos es un área de investigación nueva y en expansión. Al descubrir sustancias químicas que pueden aumentar o disminuir la expresión de CRMP-2, los científicos pueden reducir potencialmente los efectos de enfermedades neurológicas como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson . [4]
Historia
Los miembros de la familia CRMP fueron descubiertos de forma independiente en diferentes especies por varios grupos que trabajaban en paralelo. [4] [5] Entre los cinco miembros de la familia, CRMP-2 se identificó por primera vez en 1995. Un grupo de investigadores dirigido por Goshima descubrió que CRMP-2 desempeñaba un papel en la transducción de la Semaforina 3A extracelular (Sema3A), una proteína inhibidora para la guía axonal en el ganglio de la raíz dorsal del pollo (DRG). [5] La proteína se nombró inicialmente como CRMP-62 con una masa molecular relativa de 62 kDa y luego se denominó CRMP-2. Al mismo tiempo, una proteína de 64 kDa nombrado como SAPO-64 para encender después de División, ha demostrado aumentar significativamente durante el desarrollo de la corteza del cerebro . La secuencia de ADNc de TOAD-64 correspondía a la de CRMP-2 de rata. En 1996, Byk y sus colegas descubrieron CRMP-4 de ratón, a menudo denominado Ulip por fosfoproteína similar a Unc-33, utilizando un antisuero policlonal de conejo que reconocía una fosfoproteína específica de cerebro de ratón de 64 kDa. [5] En el mismo año, varios otros estudios clonaron CRMPs-1-4 en rata y secuencia homóloga de dihidropirimidinasa (DHPasa) de CRMPs-1, -2 y -4 en cerebro fetal humano. [5] Finalmente, en 2000, se descubrió el CRMP-5 mediante el uso de exámenes de dos híbridos de bibliotecas cerebrales o la purificación de un complejo proteico. [5] En las siguientes investigaciones, las CRMP se estudiaron como antígenos diana de autoanticuerpos en varios trastornos neurodegenerativos autoinmunes . [5]
Estructura
CRMP1-5 tiene entre 564-572 aminoácidos y se encuentra que estas proteínas se conservan aproximadamente en un 95% entre el ratón y el ser humano. [5] La secuencia de proteínas de CRMP1-4 es aproximadamente 75% homóloga entre sí, mientras que CRMP5 es sólo 50-51% homóloga con cada una de las otras CRMP. [4] Además, los CRMP son homólogos de Unc33 cuya mutación causa una capacidad alterada para formar circuitos neuronales y una movilidad descoordinada en Caenorhabditis elegans . [6] Los genes CRMP1-4 son aproximadamente un 60% homólogos con la dihidropirimidinasa hepática tetrámera (DHPasa) y también poseen una estructura similar a los miembros de las amidohidrolasas dependientes de metales . Sin embargo, el hecho de que las CRMP no sean enzimáticas revela que podrían carecer de los residuos de His críticos que están presentes en las enzimas amidohidrolasa para permitirles unir átomos metálicos a su sitio activo . [4]
Además, los CRMP pueden existir como homotetrámeros o como heterotetrámeros. Los tetrámeros se colocan de modo que los residuos activos en el N-terminal estén ubicados en el exterior del complejo. Esto permite que CRMP regule varios factores en el citoplasma. El análisis de filtración en gel ha demostrado que CRMP-5 y CRMP-1 forman homo-tetrámeros más débiles en comparación con CRMP-2, y que los cationes divalentes, Ca2 + y Mg2 +, desestabilizan los oligómeros de CRMP-5 y CRMP-1, pero promueven la oligomerización de CRMP-2 . [7] El extremo C-terminal consta de 80 aminoácidos y es el sitio de fosforilación de varias quinasas . [4]
Expresión
La expresión de las CRMP está regulada a lo largo del desarrollo del sistema nervioso . En general, las CRMP se expresan en gran medida en las células nerviosas posmitóticas desde la vida embrionaria temprana . En el sistema nervioso en desarrollo , cada CRMP muestra un patrón de expresión distinto tanto en el tiempo como en el espacio. Por ejemplo, en la capa granular externa (EGL), donde se produce la mitosis de la neurona granular cerebelosa, CRMP-2 se expresa en gran medida mientras que CRMP-5 nunca se expresa. Sin embargo, se encuentra que CRMP-2 y CRMP-5 se coexpresan en neuronas granulares posmitóticas. [5] La expresión de CRMP es más alta cuando las neuronas y las conexiones sinápticas maduran activamente durante la primera semana posnatal, lo que sugiere el papel de las CRMP en la migración neuronal, la diferenciación y el crecimiento axonal . [4] [5] De hecho, la expresión de CRMP-2 es inducida por factores promotores de la diferenciación neuronal como noggin , chordin , GDNF y FGF . [4]
En el sistema nervioso adulto , la expresión de CRMP está significativamente disminuida y limitada en áreas asociadas con la plasticidad , neurogénesis o regeneración del cerebro . El ARNm de CRMP1 se expresa principalmente en células de Purkinje del cerebelo . Entre los cinco miembros de la familia CRMP, CRMP-2 es el más altamente expresado en el cerebro adulto, especialmente en la post-mitótico neuronas de la olfativa sistema , cerebelo y el hipocampo . El ARNm de CRMP-3 solo se expresa en la capa granular del cerebelo , la oliva inferior y la circunvolución dentada del hipocampo . CRMP-4 es la proteína menos expresada de la familia CRMP y su expresión está restringida al bulbo olfatorio , el hipocampo y la capa de gránulos internos (IGL) del cerebelo . Por último, CRMP-5 se expresa no sólo en post-mitóticas neuronas del bulbo olfativo , epitelio olfativo , y giro dentado del hipocampo , sino también en periféricas axones de los nervios y las neuronas sensoriales . Otras familias de CRMP también aparecen en tejidos periféricos . La expresión de CRMP-1, -4 y -5 en el testículo adulto se detecta solo en la etapa de espermátide celular y el ARNm de CRMP-2 se encuentra en el tejido pulmonar del ratón fetal y del ser humano adulto. [5]
La expresión de CRMP también se puede encontrar en la señalización de muerte o supervivencia de neuronas posmitóticas. Aunque CRMP es una proteína citosólica, se detecta una cantidad significativa de expresión de CRMP como membrana asociada en el borde de ataque del cono de crecimiento lamelipodio y filopodio . Además, la expresión de las CRMP inducidas por lesiones se encuentra en las fibras que brotan tanto en el sistema nervioso central como en el periférico . [4] La expresión de CRMP-4 se promueve tras una lesión isquémica y se asocia con neuronas que tienen una morfología intacta, lo que sugiere que CRMP-4 proporciona una señal de supervivencia y puede estar involucrada en la regeneración de neuronas. De manera similar, se ha sugerido que CRMP-2 participa en la supervivencia y el mantenimiento de las neuronas posmitóticas, ya que su sobreexpresión acelera la regeneración nerviosa. Sin embargo, CRMP-2 también puede estar involucrado en la muerte neuronal ya que su expresión se regula al alza durante las primeras etapas de la apoptosis neuronal inducida por dopamina en las neuronas granulares del cerebelo. [6]
Mecanismo, función y regulación
Formación axonal en neuronas en desarrollo
CRMP-2 juega un papel en la polaridad neuronal . Las extensiones de neuronas tempranas llamadas lamelipodia forman las neuritas tempranas . Las neuritas son indistinguibles entre las dendritas y el axón durante esta etapa. Una de estas neuritas eventualmente se convierte en axón y crece más que las neuritas dendríticas . CRMP-2 ayuda a facilitar la tasa de crecimiento axonal a través de sus interacciones con los microtúbulos . [1] CRMP-2 se une y copolimeriza con heterodímeros de tubulina, pero no se une tan bien a la tubulina polimerizada . Esta especificidad de unión promueve la polimerización de tubulina in vitro . Los complejos de CRMP-2 / tubulina se encuentran en la parte distal del axón y modulan la dinámica de los microtúbulos controlando la velocidad de ensamblaje de los microtúbulos . CRMP-2 también contribuye al establecimiento de la polaridad neuronal regulando la endocitosis polarizada mediada por Numb en los conos de crecimiento axonal . [1] En ambos casos, la fosforilación de CRMP-2 en Thr-555 por Rho quinasa o en Thr-509, Thr-514 o Ser-518 por GSK-3β inactiva la proteína al reducir la afinidad de unión a tubulina y Numb . [1]
Guía del cono de crecimiento axonal
En el sistema nervioso en desarrollo , la participación de las CRMP en la guía axonal se ha propuesto mediante la localización de las CRMP en neuritas y cono de crecimiento axonal . De hecho, las CRMP participan en dos vías de transducción distintas que inducen el colapso del cono de crecimiento axonal . Ambas vías implican Rho familia GTPasas , RhoA y Rac1 , en su cascada de señalización. Las GTPasas de la familia Rho regulan la reorganización citoesquelética del cono de crecimiento y afectan la motilidad del cono de crecimiento . [2]
En la cascada de señalización de Sema3A , CRMP juega un papel como mensajero intracelular que media la señal repulsiva. Sema3A inicia la agrupación del receptor Neuropilin 1 y Plexin A1 . [5] Mientras que algunas de las otras clases de Semaforinas se unen directamente a los receptores Plexin , Sema3A no se une directamente a Plexin. En cambio, interactúa con las neuropilinas como correceptor de unión al ligando para Plexin y libera la señalización basada en Plexin. La vía de transducción de señales aguas abajo del receptor Plexin activado está mediada por CRMP. [2] En respuesta a la cascada de señalización de Sema3A, las CRMP que existen como heterotetrámero en el citosol se unen al dominio citosólico de PlexA y su conformación cambia. Además, las CRMP son fosforiladas por Cdk5 , GSK3β y Fes, una tirosina proteína quinasa . [4] Especialmente, la fosforilación de CRMP-1 y CRMP-2 son esenciales para la guía axonal regulada por Sema3A . [6] En presencia de CRMP-2, la señal puede inducir alteraciones de la vía dependiente de Rac , que modula el ensamblaje del filamento de actina en el cono de crecimiento. En ausencia de Sema3A , se bloquea la interacción entre el tetrámero de CRMP y PlexA. [4] La fosfolipasa D2 (PLD-2) que se localiza en el cono de crecimiento y está involucrada en el reordenamiento del citoesqueleto de actina , puede ser inhibida por CRMP-2 y su inhibición da como resultado la despolimerización de actina y posiblemente afecta el colapso del cono de crecimiento axonal . En presencia de CRMP-2, la señal puede inducir alteraciones de la vía dependiente de Rac , que modula el ensamblaje del filamento de actina en el cono de crecimiento . [5]
Además, CRMP-2 está involucrado en otra señal de colapso del cono de crecimiento inducida por el ácido lisofosfatídico extracelular (LPA). Una señal a través del receptor de siete transmembranas activa una vía intracelular, RhoA y, corriente abajo de RhoA, Rho-quinasa posteriormente fosforila CRMP-2 en Treonina-555 (Thr555). En las neuronas DRG, CRMP-2 es fosforilada por la quinasa Rho en la señalización de LPA, pero no en la señalización de Sema3A, revelando la presencia tanto de Rho quinasa dependiente y Rho vías para la independientes quinasa- cono de crecimiento colapso. [2] En la vía RhoA , CRMP-1 interactúa con Rho-quinasa y modula la señalización de RhoA. CRMP-2 puede regularse post-traduccionalmente por O-GluNAc (β-N-acetilglucosamina unida a hidroxilos de serina o treonina) ya que la modificación bloquea la fosforilación de CRMP-2. [5]
Degeneración inducida por trauma
Los productos de CRMP escindidos juegan un papel considerable en la degeneración de los axones como resultado del trauma infligido en el sistema nervioso central (SNC). Como resultado del trauma inducido en el SNC, el glutamato activa los receptores NMDA que conducen a un influjo de calcio que activa la proteasa calpaína dependiente del calcio . Se ha demostrado que la calpaína activada escinde proteolíticamente CRMP-3, creando un producto de escisión de CRMP que interactúa con moléculas citosólicas y nucleares vitales para provocar la neurodegeneración. [6] La estructura de esta forma escindida de CRMP aún no se ha determinado, lo que dificulta comprender las interacciones proteína-proteína que se producen y por qué estas formas pueden iniciar la neurodegeneración después de una lesión del SNC. Además, se ha demostrado que los inhibidores de la calpaína (ALLN) han evitado la escisión de CRMP-3 y, por lo tanto, ninguna degeneración axonal o muerte neuronal, lo que sugiere además que la calpaína se dirige a CRMP-3 para la escisión durante la muerte neuronal inducida por glutamato. La proteína quinasa II dependiente de Ca2 + / calmodulina (CaMK II) también se activa por la entrada de calcio a través de los receptores NMDA, y es otro posible activador de CRMP-3. [6] El CRMP-3 no es el único CRMP implicado en la degeneración neuronal provocada por el traumatismo y la isquemia cerebral, ya que todos los CRMP están de hecho dirigidos a la división para ayudar a promover la degeneración. [6]
Lista de CRMP (y fenotipos knockout asociados y funciones derivadas)
[8]
CRMP | Fenotipo en ratones knockout | Función derivada en neuronas cultivadas |
---|---|---|
CRMP-1 | Disminución de la proliferación de células granulares y apoptosis. | Efecto de guía axonal inducido por Sem3A |
Migración neuronal retardada | Formación / extensión de axones inducida por NT3 | |
Desorientación de las dendritas apicales. | Muerte de neuronas de la médula espinal | |
Deterioro de la densidad de la columna dendrítica | ||
LTP y memoria espacial deteriorados | ||
CRMP-2 | Patrones dendríticos severamente anormales | Guiado axonal por quimiorrepelente |
Especificación, alargamiento y ramificación de axones | ||
Crecimiento de axones inducido por NT3 | ||
Efecto negativo sobre la extensión de axones inducida por NGF | ||
Acelera la regeneración de axones de neuronas motoras lesionadas por nervios | ||
Liberación de neurotransmisores | ||
Resistencia a la toxicidad del glutamato a través del tráfico de NR2B | ||
Muerte de células neuronales | ||
CRMP-3 | Maduración alterada de la columna dendrítica | Muerte de células neuronales |
LTP deteriorado | ||
Disminución de la inhibición previa al pulso | ||
CRMP-4 | Aumento del fenotipo de bifurcación proximal en el hipocampo CA1 | Elongación y ramificación de axones |
Inhibición de la regeneración de axones por inhibidores derivados de la mielina | ||
Degeneración axonal y muerte celular. | ||
Extensión y ramificación de dendritas inducidas por Sema3A | ||
CRMP-5 | Atrofia de las células de Purkinje | Filopodia y desarrollo de conos de crecimiento. |
LTD deteriorado | Abrogación de la actividad promocional del crecimiento de neuritas de CRMP-2 |
Significación clínica
La expresión de las CRMP se altera en las enfermedades neurodegenerativas y estas proteínas probablemente desempeñan un papel esencial en la patogenia de los trastornos del sistema nervioso, incluida la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson , la esquizofrenia y muchas otras. Un fármaco que es relativamente eficaz para dirigirse a CRMP-2 para reducir los resultados de una enfermedad neurodegenerativa es lacosamida . La lacosamida se usa en combinación con otros tipos de medicamentos para controlar varios tipos de convulsiones, especialmente la epilepsia . Una de las formas en que lacosamida hace esto es modulando CRMP-2, induciendo así efectos neuroprotectores y disminuyendo los efectos epilépticos en personas que padecen epilepsia . [9]
El CRMP-2 fosforilado en Thr-509, Ser-518 y Ser-522 se ha relacionado con la neuritis degenerativa en la enfermedad de Alzheimer . Los estudios sugieren que la glucógeno sintasa quinasa-3β (GSK-3β) y la proteína quinasa dependiente de ciclina 5 ( Cdk5 ) están altamente expresadas en la enfermedad de Alzheimer y son algunas de las proteínas quinasas responsables de inactivar CRMP-2 en la enfermedad de Alzheimer . Esta inactivación de CRMP-2 en personas con enfermedad de Alzheimer promueve la expresión de ovillos neurofibrilares y neuritas de placa que son consistentes con las personas que padecen esta enfermedad. [10] [11] CRMP-2 también está relacionado con el trastorno bipolar y la esquizofrenia , probablemente como resultado de la fosforilación de CRMP-2 por GSK-3β . [11]
Referencias
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