Serpina

El genoma humano codifica 9 clados de serpinas, que van desde el clado A (SERPINA) hasta el clado I (SERPINI), incluyendo 29 proteínas de serpina inhibitorias y 7 no inhibitorias.[1]

El sistema usado para nombrar las serpinas humanas está basado en un análisis filogenético de aproximadamente 500 serpinas del 2001, con proteínas llamada serpin XY, donde X es el clado de proteína y Y el número de proteínas dentro de ese clado. Las funciones de las serpinas humanas han sido determinadas por una combinación de estudios bioquímicos, desórdenes humanos genéticos, y modelos de ratones knockout T.

Muchas serpinas de mamíferos han sido identificadas demostrando no tener una ortología obvia que compartir con la contraparte humana de la serpina. Ejemplos incluyen numeroras serpinas de roedores (particularmente algunas de las serpinas de murino intraelular) como también las serpinas uterinas. El término serpina uterina se refiere a los miembros del clado A de serpinas que son codificadas por el gen SERPINA14. Las serpinas uterinas son producidas por el endometrio en un grupo restringido de mamíferos bajo la influencia de progesterona y estrógeno.[116] Probablemente son inhibidores de proteinasa no funcionales y pueden funcionar durante el embarazo para inhibir la respuesta inmune materna contra el zigoto o para participar en el transporte transplacentaria.[117]

El genoma de Drosophila melanogaster contiene 29 genes codificadores de serpina. El análisis de la secuencia de aminoácidos ha colocado 14 de estas serpinas en el clado de serpinas Q y 3 serpinas en el clado K con las 12 restantes clasificadas como serpinas huérfanas al no pertenecer a ningún clado.[118] El sistema de clasificación de clados es difícil de usar para Drosophila serpins y en lugar, un sistema de nomenclatura se adoptó basado en la posición de los genes de serpina en los cromosomas de Drosophila. Trece de las serpinas de Drosophila se encuentran como genes aislados en el genoma (incluyendo Serpina-27A,), con las 16 restantes organizadas en 5 agrupaciones de genes que ocurren en las posiciones del cromosoma 28D (2 serpinas), 42D (5 serpinas), 43A (4 serpinas), 77B (3 serpinas) y 88E (2 serpinas).[118][119][120]

Estudios en las serpinas de Drosophila revelan que la Serpina-27A inhibe la proteasa de pascua(la proteasa final en el Nudel) Al igual que su rol central en los patrones embriónicos, la señalización también es importante para la respuesta inmune innata en insectos. Aparentemente, la serpina-27A también funciona para controlar la respuesta inmune de los insectos.[121][122][123][124]

El genoma del gusano nematodo C. elegans contiene 9 serpinas, de las que ninguna tiene secuencias de señalización y por lo tanto son intracelulares.[125] Sin embargo, solo 5 de estas serpinas parecen funcionas como inhibidores de proteasa.[125] Un, SRP-6, realiza una función protectora y protege contra la ruptura inducida por estrés asociada con calpaína. Además, SRP-6 inhibe las proteasas de cisteían lisosomales liberadas por la ruptura del lisosoma.[126]

Las serpinas de las plantas estaban entre los primeros miembros de la superfamilia en ser identificados.[127] Las serpinas de plantas son poderosos inhibidores de proteasas de serina como quimotripsina de mamíferos, in vitro, el ejemplo mejor estudiado siendo la serpina Zx (BSZx), que es capaz de inhibir tripsina y quimotripsina al igual que a diversos factores de coagulación.[128] Sin embargo, parientes cercanos de la proteasa de serina como quimotripsina están ausentes en plantas. El RCL de varias serpinas de grano de trigo y centeno contiene secuencias que repiten poli-Q similares a esas presentes en las proteínas de almacenamiento de prolamina del endoesperma.[129] Ha sido entonces sugerido que las serpinas de las plantas funcionen mejor en inhibir proteasas de insectos o microbios que de otra manera digerirían las proteínas de almacenamiento de granos. Soportando esta hipótesis diferentes serpinas de plantas han sido identificadas en la savia del floema de la calabaza (CmPS-1)[130] y plantas de pepino.[131][132] Aunque se observó una correlación inversa entre la expresión de CmPS-1 y la supervivencia áfida, in vitro más experimentación reveló que el CmPS-1 recombinante no parecía afectar la supervivencia de los insectos.[130]

Roles alternativos y las proteasas objetivo para las serpinas de las plantas han sido propuestos. La serpina Arabidopsis, AtSerpin1 (At1g47710; 3LE2 ), regula el punto de control sobre la muerte celular programada al marcar como objetivo (RD21) la proteasa de cisteína como papaína.[133][134][135] Otras dos serpinas Arabidopsis , AtSRP2 (At2g14540) y AtSRP3 (At1g64030) parecen estar relacionadas con respuestas al daño del ADN.[136]

Una sola serpina fungal ha sido caracterizada: celpina de Piromyces spp. cepa E2. Piromyces es géneroode hongo anaeróbico encontrado en el intestino de los rumiantes y es importante para la digestión de plantas. Se predice que la celpina es inhibitoria y contiene dos dominion con terminales-N además del dominio de la serpina.[24] se sugiere que la celpina pueda proteger la celulosoma de proteasas de plantas.[137]

Genes predichos de serpina están distribuidos esporádicamente en procariotas. Estudios In vitro de algunas de las moléculas han revelado que son capaces de inhibir proteasas, y se sugiere que funcionan como inhibidores in vivo. Varias serpinas procariotas se encuentran en extremofilos. En contraste con las serpinas de mamíferos, estas moléculas poseen gran resistencia a la desnaturalización por calor.[138][139] El papel preciso de la mayoría de las serpinas bacterianas permanece sin conocerse, aunque la serpina de Clostridium thermocellum se localiza en la celulosoma. Se considera que el rol de las serpinas asociadas a la celulosoma puedan ser de prevención de la actividad de proteasas no deseadas contra la celulosoma.[137]

Las serpinas también se expresan en virus como una manera de evitar la defensas inmunes del huésped.[140] En particular, las serpinas se expresan por virus de viruela, incluyendo viruela de la vaca (vaccinia) y viruela del conejo (myxoma), son de interés porque su uso potencial como nueva terapia para desórdenes inmunes e inflamatorios como para terapia de trasplante.[141][142] Serp1 suprime la respuesta inmune innata de TLR y permite la supervivencia del injerto cardiaco en ratas.[141][143] Crma y Serp2 son ambos inhibidores de clases cruzadas y tienen como objetivo tanto proteasas de serina como de cisteína.[144][145] En comparación con su contraparte en mamíferos, las serpinas virales contienen deleciones significativas de elementos de estructura secundaria. Específicamente, el crmA carece de la hélice-D en la misma proporción que las hélices A y E.[146]

La mayoría de las serpinas controlan por inhibición cascadas proteolíticas catalizadas por enzimas proteasas de la familia de las quimotripsinas, mientras que otras no son inhibitorias de otras enzimas sino que realizan funciones variadas, tales como almacenamiento (es el caso de la ovoalbumina), proteínas de transporte hormonal (globulina fijadora de tiroxina, globulina fijadora de cortisol), genes supresores tumorales (como la maspina), regulación de la tensión arterial y desarrollo de linfocitos B, entre muchas otras.[150] Se emplea el término serpina para este tipo de enzimas no inhibitorias, a pesar de su contradictoria función.[151]

Una proteasa (gris) se une a un loop de centro reactivo de una serpina (RCL, azul). Cuando la tríada catalítica de la proteasa (roja) separa el RCL, queda atrapada en una conformación inactiva.. (PDB 1K9O )

La mayoría de las serpinas son inhibidores de proteasa, siendo su objetivo las proteasas de serina como quimotripsina. Estas proteasas poseen un residuo de una serina nucleofílicaMen una tríada catalítica. Algunos ejemplos, incluyen trombina, tripsina y las elastas de neutrófilos humanos.[152] Las serpinas actúan como inhibidores irreversibles y suicidas al atrapar un intermediario del mecanismo catalítico de la proteasa.[153]

Algunas serpinas inhiben otra clase de proteasas, normalmente proteasas de cisteína y se le conoce como inhibidores de clase cruzada. Estas enzimas difieren de la serinaproteasas en que una cisteína nucleofílica en lugar de una serina en su sitio activo.[154] No obstante, la química enzimática es la misma para las dos clases de proteasa.[155] Ejemplos de serpinas inhibidoras de clase cruzada incluyen la serpina B4, un antigen 1 de carcinomas de células escamosas(SCCA-1) y la serpina aviar, una proteína de etapa específica, mieloide y eritoride de terminación nuclear.[63][156][157]

Aproximadamente dos tercios de las serpinas humanas realizan roles extracelulares, inhibiendo proteasas en el flujo sanguíneo para modular sus actividades. Por ejemplo las serpinas extracelulares regulan las cascadas proteicas esenciales para la coagulación de la sangre (antitrombina), las respuestas inmune e inflamatoria (antitripsina, antiquimotripsina y el inhibidor C1) y remodelación de tejido (PAI-1).[13] Al inhibir las proteasas de señalización de cascada, solo pueden afectar el desarrollo. La tabla de serpinas humanas encontrado al final del documento proporciona ejemplos del rango de funciones realizadas por las serpinas humanas al igual que algunas de las enfermedades que resultan de la deficiencia de serpinas.[158][121]

Las proteasas, objetivo de las serpinas inhibiidoras intracelulares han sido difíciles de identificar debido a que varias de estas moléculas parecen realizar tareas que se superponen. Además muchas serpinas humanas carecen de los equivalentes funcionales precisos en organismos modelos como el ratón. Sin embargo, una función importante de las serpinas intracelulares puede ser proteger de la actividad inapropiada de las proteasas dentro de la célula.[159] Por ejemplo, uno de las serpinas mejor caracterizadas es la serpina B9, que inhibe la proteasa de gránulo citotóxico, granzima B. Al hacerlo, la serpina B9 puede proteger contra la liberación inadvertida de granzima B y la activación prematura o no deseada de los mecanismos de muerte celular.[160]

Algunos virus usan serpinas para interrumpir las funciones de las proteasas en su huésped. La serpina viral de la viruela de las vacas CrmA se usa para evitar respuestas inflamatorias y apoptóticas de las células huéspedes infectadas. La CrmA aumenta la infección al suprimir la respuesta inflamatoria del huésped a través de la inhibición de IL-1 y el procesamiento de L-18 por la proteasa de cisteína caspasa-1 .[161] En eucariontes una serpina de planta inhibe metacaspasas y una proteasa de cisteína como papaína[135][133]

Las serpinas extracelulares no inhibitorias también realizan un gran conjunto de roles importantes La globulina fijadora de tiroxina y la transcortina transportan las hormonas tiroxina y cortisol respectivamente.[41][43] La serpina de ovalbúlmina, no inhibitoria es la proteína más abundante del huevo blanco. Su función exacta no se conoce, pero se cree que es una proteína de almacenamiento para fetos en desarrollo.[162] La serpina de choque térmico 47 es una chaperona, esencial para del doblaje apropiado del colágeno. Actúa estabilizando la triple hélice del colágeno mientras está siendo procesada en el retículo endoplasmático.[107]

Algunas serpinas son tanto inhibidoras de proteasas y realizan otras tareas. Por ejemplo, el inhibidor nuclear de proteasas de cisteina MENT, en pájaros también actúa como una molécula remodeladora de cromatina en las células rojas de un ave.[156][163]

Algunas serpinas se activan por cofactores. La serpina antitrombina tiene un RCL (azul) donde la arginina P1 (líneas azules) apuntan hacia adentro, previniendo la unión de las proteasas. La unión de la heparina (líneas verdes) causan que el residuo de la arginina P1 se voltee a una posición expuesta. La proteasa objetivo (gris) entonces se une tanto a la arginina P1 como a la heparina. La serpina entonces se activa y la heparina es liberada. (PDB 2ANT )

La movilidad conformacional de las serpinas proporciona una ventaja clave sobre los inhibidores de proteasa de candado y llave.[87] En particular, la función de serpinas inhibitorias puede ser regulada por interacciones alostéricas con los factores específicos. Las estructuras cristalinas en rayos X de la antitrombina, el cofacto heparina II, MENT y la antiquimotripsina revelan que estas serpinas adoptan una conformación cuando en los primeros dos aminoácidos del RCL, están insertadas las β-plegadas A. La conformación parcialmente insertada es importante porque los cofactores pueden cambiar conformacionalmente ciertas serpinas insertadas parcialmente en una forma completamente expulsada.[165][166] Este arreglo confromacional hace a la serpina un inhibidor más eficiente.

El ejemplo arquetípico de esta situación es la antitrombina, que circula en el plasma en un estado relativamente inactivo al estar parcialmente insertado. Un ejemplo de esta situación es la antitrombina, que circula en el plasma en un estado parcialmente inactivo parcialmente inactivo. Lo primero que se determina es que el residuo (de arginina P1) apunta hacia el cuerpo de la serpina y no está disponible para la proteasa. Después de unirse, una secuencia de pentasacáridos de gran afinidad en una cadena larga de heparina, la antitrombina sufre un cambio conformacional, la expulsión del RCL, y la exposición de la arginina P1. La heparina de pentasacáridos de antitrombina es, entonces un inhibidor más eficiente de la trombina y factor Xa.[167][168] Además, las proteasas de coagulación también contienen sitio de unión (llamados exositios) para la heparina. La heparina, por lo tanto, también actúa como un templados para la unión de ambas, la proteasa y la serpina, acelerando dramáticamente la interacción entre las dos entidades. Después de la interacción inicial, el complejo final de la serpina se forma y la mitad de la heparina se libera. Esta interacción es fisiológicamente importante. Por ejemplo después de una herida a la pared de los vasos sanguíneos, la heparina es expuesta y la antitrombina se activa para controlar la respuesta de coagulación. Entender la base molecular de esta interacción permite el desarrollo de Fondaparinux, una forma sintética de heparina pentasacárida usada como un fármaco anticoagulante.[169][170]

Algunas serpinas pueden convertirse espontáneamente a su estado latente inactivo. La serpina PAI-1 permanece en su conformación activa cuando se une a la vitronectina (verde). Sin embargo, en la ausencia de vitronectina, PAI-1 puede cambiar al estado latente inactivo. El RCL no cortado (azul; regiones desordenadas como líneas punteadas) se inserta en la plegada-A, quitando una hebra-β de la plegada-C (amarillo). (PDB 1OC0 )

Ciertas serpinas son sometidas espontáneamente a la transición de S a R sin haber sido cortadas por una proteasa, para formar una conformación denominada como el estado latente. Las serpinas latentes son incapaces de interactuar con proteasas y por lo tanto ya no son inhibidores de proteasa. El cambio conformacional a estado latente no es exactamente lo mismo que la transición de S a R de una serpina cortada. Ya que el RCL, sigue intacto, la primera hebra de la plegada-C tiene que despegarse para permitir la inserción completa del RCL.[171]

La regulación de la transición a estado latente puede actuar como un mecanismo de control en algunas serpinas como en PAI-1. Aunque PAI-1 se produce en la conformación inhibitoria S, se auto.inactiva aal cambiar a estado latente, a menos que se una al cofactor vitronectina.[171] De manera similar, la antitrombina puede convertirse espontáneamente a su estado latente, como un mecanismo de modulación adicional a su activación alostérica con heparina.[172] Finalmente, la terminal-N, una serpina de Thermoanaerobacter tengcongensis, se necesita para asegurar la molécula en su estado nativo inhibitorio. La ruptura de las interacciones hechas por la región de la terminal N resultan es cambios conformacionales espontáneos de la serpina a su conformación latente. .[173][174]

Algunas serpinas no inhibitorias también usan el cambio conformacional de la serpina como parte de su función. Por ejemplo, la forma nativa (S) de la globulina fijadora de tiroxina tiene una gran afinidad por la tiroxina, mientras que la forma cortada (R) tiene poca afinidad . De manera similar, la transcortina tiene mayor afinidad por el cortisol cuando está en su estado nativo (S) que cuando está en su estado cortado (R). Entonces, en estas serpinas, el RCL cortado y la transición de S a R se requiere para permitir la liberación de ligandos en lugar de la inhibición de proteasas.[41][43][175]

En algunas serpinas, la transición de S a R puede activar eventos de señalización celular. En estos caso, una serpina que ha formado un complejo con su proteasa objetivo, es reconocida por un receptor. El evento de unión entonces conduce a una disminución de señalización por el receptor.[176] La transición de S a R es usada para alertar células de la presencia de actividad de proteasa.[176] Esto difiere de su mecanismo usual donde, las serpinas afectan la señalización simplemente al inhibir proteasas implicadas en una cascada de señalización.[158][121]

La conformación- δ inactiva de la antiquimotripsina mutante enferma (L55P). Cuatro residuos del RCL (azul; región desordenada como línea punteada) están insertados en la parte superior de la plegada-A. Parte de la α-hélice F (amarillo) se desenrolla y llena la mitad del fondo de la plegada-A. (PDB 1QMN )

Ya que el doblaje de la serpina estresada es de energía alta, las mutaciones pueden causar que se cambien incorrectamente a conformaciones de baja energía(relajadas o latentes) antes de que realicen correctamente su función inhibitoria.[10]

Las mutaciones que afectan la velocidad o que tanto se inserta el RCL en la plegada-A puede causar que la serpina sufra su cambio conformacional de S a R antes de haber interactuado con una proteasa. Como una serpina solo puede hacer este cambio conformacional una sola vez, la serpina ahora es inactiva e incapaz de controlar apropiadamente a la proteasa.[10][180] De igual manera, las mutaciones que promueven la transición inapropiada hacia el monomérico estado latente causan enfermedades al reducir la cantidad de serpina inhibitoria. Por ejemplo, ambas variantes enfermas de antitrombina wibble y wobble,[181] promueven la formación del estado latente.

La estructura de la antiquimotripsina enferma (L55P) reveló otra, "la conformación- δ" inactiva. En la conformación- δ, se insertan cuatro residuos del RCL en la parte superior de la β-plegada A. La mitad del fondo de la plegada se llena como resultado de una de las α-hélices (hélice F) cambiando parcialmente a una conformación de hebra-β, completando la unión de hidrógeno de la β-plegada.[182] No está claro si otras serpinas pueden adoptar este confórmero y si esta conformación tiene un tarea funcional, pero se especula que la conformación-δ puede ser adoptada por la globulina fijadora de tiroxina durante la liberación de tiroxinas.[43] Las proteínas no inhibitorias relacionadas con las serpinas también pueden causar enfermedades cuando mutan. Por ejemplo la mutaciones en SERPINF1 causan osteogenesis imperfecta tipo VI en humanos.[99]

En la ausencia de la serpina requerida, la proteasa que normalmente regularía está hiperactiva, conduciendo a patologías.[10] Consecuentemente, una simple deficiencia de serpinas (una mutación nula) puede resultar en enfermedad.[183][26]

En algunos casos raros, un solo cambio en los aminoácidos del RCL de la serpina altera su especificidad y ataca a la proteasa incorrecta. Por ejemplo la mutación de Antitripsina-Pittsburgh (M358R) causa que la serpina α1-antitrypsin inhiba a la trombina causando un desorden de hemorragia.[184]

Serpin polymerisation by domain swapping

Un dominio cambiado de un dímero de serpina. (PDB 2ZNH )

Un dominio cambiado de un trímero de serpina. Cada RCL del monómero es insertado en su propia estructura (mostrado en rojo del monómero verde). (PDB 3T1P )

La mayoría de las enfermedades de serpinas se deben a la acumulación de proteínas y se denominan como "serpinopatías".[12][182] Las serpinas son vulnerables a mutaciones que causen enfermedades que promueven la formación de polímeros mal doblados debido a sus estructuras inestables.[182] Serpinpatías bien caracterizadas incluyen la deficiencia de α1-antitropsina, que puede causar enfisema familiial y en algunos casos cirrosis, ciertas formas familiales de trombosis relacionadas con la deficiencia de antritrombina,[11][12][185]

Cada monómero del acumulado de serpinas existe es su conformación inactiva, relajada (con el RCL insertado en la plegada-A). Los polímeros son, por lo tanto, hiperestables a temperatura e incapaces de inhibir proteasas. Las serpinopatías entonces causan patologías similares a otra protepatías (enfermedades de prion) a través de dos mecanismos.[11][12] Primero, la ausencia de serpinas activas resulta en la actividad incontrolable de las proteasas y la destrucción de tejidos. Segundo, los polímeros hiperestables obstruyen el retículo endoplasmático de las células que sintetizan las serpinas, eventualmente resultando en muerte celular y daño de tejidos. En el caso de la deficiencia de antitripsina, los polímeros de antitripsina provocan la muerte de células hepáticas y cirrosis. Dentro de la célula, los polímeros de serpina se remueven lentamente por degradación en el retículo endoplasmático.[186] Sin embargo, los detalles de como los polímeros de serpina causan la muerte celular todavía no se entiende completamente.[11]

Se cree que los polímeros fisiológicos de serpina se forman a través de un cambio de dominio, donde un segmento de una proteína de serpina se inserta en otro.[187] Los cambios de dominio ocurren cuando las mutaciones o los factores ambientales interfieren con las etapas finales del doblaje de la serpina, haciendo que los intermediarios de alta energía se doblen mal.[188] Tanto las estructuras de los dímeros como de los trímeros que sufrieron cambio de dominio han sido resueltas. En el dímero (de antitrombina), el RCL y parte de la plegada-A se incorporan en la plegada-A de otra molécula de serpina.[187] el trímero de dominio cambiado (de antitripsina) forma, a través del intercambio de una región completamente diferente de la estructura, la beta-plegada (con el RCL de cada molécula insertado en su propia plegada-A).[189] También se ha propuesto que las serpinas puedan formar cambios de dominio al insertar el RCL de una proteína en la plegada-A de otra (polimerización de plegada-A).[185][190] Estas estructuras de dímeros y trímeros con cambio de dominio son suficientemente fuertes para ser los componentes de los acumulados de polímeros causantes de enfermedades, pero el mecanismo todavía no es claro.[187][188][189][191]

Varios acercamientos terapéuticos están siendo investigados para tratar la serinpatía más común, la deficiencia de antitripsina.[11] La terapia de aumento de antitripsina es aprobada para la deficiencia severa de antitripsina, relacionada con enfisema pulmonar.[192] En esta terpia, la antitripsina es pruificada del plasma de donadores de sangre y administrada por intravenosa (Prolastin).[11][193] Para tratar la deficiencia severa de antitripsina, el trasplante de pulmones e hígado ha sido efectivo.[11][194] En modelos animales el direccionamiento de genes en células madre pluripotentes inducidas ha sido exitosamente usado para corregir el defecto de polimerización de antitripsina y para restaurar la habilidad del hígado mamífero de secretar antitripsina activa.[195] Pequeñas moléculas también han sido diseñadas que bloquean la polimerización de antitripsina in vitro.[196][197]