Catenina Beta: características estructurales y funcionales

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1 Catenina Beta: características estructurales y funcionales Alfredo Trejo Córdova *, Maria del Carmen Navarro Maldonado, Adolfo Rosado García **. Recibido: 19 de noviembre de Aceptado: 08 de febrero de Abstract Adherens junctions are formed by adhesion complexes consisting of some adhesion molecules, cadherins, and cytoplasmic proteins called catenins. Betacatenin (β-cat) is a member of the family of catenins that is attached to the E-cadherin and acting as intermediaries for the binding of adhesion molecules and cytoskeleton at cell junctions. Initially, it was established that the only function of the β-cat was involved in the control of cadherin adhesive function. Subsequently able to establish a second function of the β-cat, this protein is an important component of intracellular signaling pathway known as Wnt. Structurally, the cat-β consists of three domains, the amino terminal, central and carboxyl terminal. The central domain is composed of twelve armadillo repeats, which contain the amino acid sequences necessary for the binding of cat-cadherin with β. The adhesion complex formed by the cadherin and β-cat has a major role in the body s normal development and the emergence of diseases such as tumors. Hence the importance of knowing the structural characteristics and functions of the β-cat as a component of this complex. Resumen Las uniones adherentes están formadas por complejos de adhesión constituidos por unas moléculas de adhesión, las cadherinas, y proteínas citoplasmáticas llamadas cateninas. La catenina beta (cat-β) es un miembro de la familia de las cateninas que se encuentra unida a la cadherina-e y que actúa como intermediarios para la unión de las moléculas de adhesión y el citoesqueleto en las uniones celulares. Inicialmente, se había establecido que la única función de la cat-β era participar en el control de la fun- * Universidad del Papaloapan, Oaxaca, Oax. Licenciatura en Zootecnia Estudiante del Doctorado en Ciencias Biológicas. Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa atrejo@unpa.edu.mx ** Laboratorio de Reproducción Animal Asistida. Departamento de Biología de la Reproducción, UAM ción adhesiva de la cadherina. Posteriormente, se logro establecer una segunda función de la cat-β, esta proteína es un componente importante de la vía de señalización intracelular, conocida como Wnt. Estructuralmente, la cat-β está formada por tres dominios, el amino terminal, el central y el carboxilo terminal. El dominio central está formado por doce repeticiones armadillo, las cuales contienen las secuencias de aminoácidos necesarias para la unión de la cat-β con la cadherina. El complejo de adhesión formado por la cadherina y la cat-β tiene una participación importante en el desarrollo normal del organismo y en la aparición de enfermedades como los tumores. De ahí la importancia de conocer las características estructurales y funciones de la catβ como uno de los componentes de este complejo de adhesión. Introducción Para que el desarrollo embrionario preimplantacional se lleve a cabo de manera normal, es esencial un control en la proliferación y diferenciación celular, mismo que requiere a su vez de la participación conjunta de la adhesión celular y la expresión génica. Las células embrionarias se adhieren entre sí a través de tres tipos de complejos de adhesión: uniones estrechas, uniones adherentes y desmosomas. Las uniones adherentes tienen como unidad básica al complejo cadherina-catenina. Dentro de la familia de las cateninas, la catenina beta (cat-β) fue descubierta inicialmente como componente importante de los complejos de adhesión, donde participa como intermediario para la unión de la cadherina y el citoesqueleto. Recientemente se estableció otra función de la cat-β, esta proteína es un componente importante de la vía de señalización Wnt. El gen wnt ó wingless, responsable de que la mosca Drosophila no tenga alas, está implicado en el establecimiento de la polaridad durante el desarrollo embrionarion en Drosophila y además tiene una participación principal la activación de la transcripción de genes importantes para la proliferación y diferenciación celular. Debido a esta doble función, la cat-β, ha sido propuesta como un factor integrador de la adhe- 15

2 16 ContactoS 75, (2009) sión y de la transcripción génica. De ahí la importancia de conocer las características estructurales y funcionales de la catenina beta para tratar de entender cómo esta molécula participa tanto en la adhesión celular, como en el proceso de transducción de señales, procesos que finalmente afectan la expresión de ciertos genes importantes para el desarrollo embrionario. Uniones Celulares Los tejidos epiteliales consisten de laminas continuas de células que revisten y protegen a los órganos, cavidades y canales del organismo. Las uniones celulares son necesarias para dar al epitelio la integridad estructural y funcional. Aunque son abundantes e importantes en el tejido eptelial también se encuentran en las regiones de contacto célula-célula y célula-matriz de todos los tejidos. Funcionalmente las uniones celulares se clasifican en: estrechas, adherentes y desmosomas. Las uniones estrechas, sellan el espacio que existe entre células adyacentes de forma que impiden el paso de pequeñas moléculas entre ellas y contribuyen a la formación de la polaridad células. En la formación de este tipo de uniones participan unas proteínas conocidas como zona de oclusión 1, 2 y 3 (ZO-1, ZO-2 y ZO-3). En la formación de las uniones estrechas proteínas membranales como las claudinas y oculdinas pueden establecer interacciones homofilicas o heterofilicas con claudinas y ocludinas de células adyacentes y las proteínas ZO participan en el acoplamiento de estas proteínas citoplasmáticas con microfilamentos de actina. Las uniones adherentes contienen cadherinas, cuyos dominios extracelulares median interacciones homofilicas, dependientes de calcio, con cadherinas de células adyacentes, proporcionando especificad a la unión. El dominio citoplasmático de las cadherinas interacciona con el citoesqueleto de actina indirectamente, a través de su unión con cat-β y cat-α. Los desmosomas contienen proteínas transmembranales conocidas como desmogleinas y desmocolina (cadherinas desmosómicas) que a diferencia de las cadherinas clásicas de las uniones adherentes, pueden establecer uniones heterotipicas con cadherinas de células adyacentes e intercelularmente conectan con la red de filamentos intermedios. La unión entre cadherinas y los filamentos intermedios puede darse de varias maneras, pero una característica importante es la participación de la Desmoplakina en la interacción con los filamentos intermedios. Entra la cadherina y la Desmoplakina pueden encontrarse proteínas de anclaje como la plakoglobina o plakofilina (homologas de la cat-β). Cateninas Las cateninas son elementos necesarios para el establecimiento de las adhesiones entre células y son un punto importante para la regulación de los complejos de adhesión. En las uniones adherentes, tres tipos de cateninas (β, α y p120) participan en la interacción del dominio intracelular de la cadherina-e con los componentes del citoesqueleto. De estas la cat-β y la cat-p120 interaccionan directamente con la cadherina-e, mientras que la cat-β interacciona con la cat-β y con el citoesqueleto (Figura 1, pág. 17). Catenina beta Características estructurales La cat-β es una proteína de 728 aminoácidos (92 kda), esta proteína consta de un extremo amino terminal (N-terminal) de 149 aminoácidos, que contiene los sitios de unión para catenina-α, así como los sitios donde ocurre la fosforilación por parte de la glucógeno sintasa quinasa-3 o GSK3 (por sus siglas en ingles Glycogen synthase kinase 3). Esta fosforilación promueve la degradación de la cat-β que se encuentra libre en el citoplasma, impidiendo su translocación hacia el núcleo. Después del dominio amino se encuentran una región central de 525 aminoácidos, que contiene 12 repeticiones de 42 aminoácidos, conocidos como repeticiones armadillo (Figura 2, pág. 19). En estas repeticiones se localizan los sitios de unión para la proteína de la poliposis adenomatosa coli o APC (por sus siglas en ingles adenomatosis polyposis coli) esta proteína participa en la regulación de la actividad de la cat-β promoviendo su fosforilación y posterior degradación. En las repeticiones armadillo también contiene los sitios de unión para algunos factores de transcripción como el factor aumentador de linfoide 1 o Lef (por sus siglas en inglés Lymphoid enhancer factor-1). Cuando la cat-β no es marcada para su degradación (fosforilada) forma complejos con los factores de transcripción Lef/LEF en el citoplasma y se transloca hacia el núcleo. En el núcleo, el complejo cat-β/lef interacciona con una secuencia especifica en la región promotora dando por resultado la activación transcripciona génica. Finalmente la cat-β presenta un extremo carboxi terminal de unos 108 aminoácidos.

3 Catenina Beta... Alfredo Trejo C., Maria del Carmen Navarro M., Adolfo Rosado G. 17 Figura 1. Estructura de la catenina beta. La catenina beta está formada por tres dominios o regiones: el dominio amino terminal, un dominio central que contiene las doce repeticiones armadillo y el dominio carboxilo terminal. En el amino terminal y en las repeticiones armadillo se encuentran las secuencias de aminoácidos que sirven para la unión de varias moléculas relacionada con la función de las cateninas. Características funcionales Se han establecido dos funciones para la cat-β: a) La participación en la formación de uniones adherentes dependientes de cadherina-e, y b) Como un componente importante en la transducción de señales intracelulares. Formación de Uniones Adherentes La cat-β inicialmente fue descrita como una proteína estructural que se une con el dominio intracelular de la cadherina-e, formando el complejo de adhesión cadherina/cat-β (Figura 1). La formación de este complejo es un requisito para que se lleve a cabo la unión de la cadherina con los filamentos de actina. Complejos de adhesión Un primer paso para que se formen las uniones adherentes es la formación de complejos de adhesión entre la cadherina y la catenina. El mecanismo a través del cual se forma este complejo de adhesión, implica la interacción de todas las repeticiones armadillo de la cat-β con al menos cien aminoácidos del dominio intracelular de la cadherina-e. Para el correcto establecimiento de las uniones adherentes, es indispensable la unión del complejo de adhesión (cadh-e/cat-β) con los filamentos de actina, unión que se realiza a través de la cat-β. El dominio N-terminal de la cat-α interacciona con cat-α, en esta unión interviene una secuencia de 31 aminoácidos, del 120 al 151 de la cat-β. Transducción de Señales. La cat-β fue conocida inicialmente por su participación en la regulación de la funcionalidad de la cadherina, posteriormente se logró establecer otra función relacionada con la transcripción de genes implicados en el desarrollo tumoral, ya que es un componente importante de la vía de señalización Wnt. Para realizar esta función la cat-β debe traslocar hacia núcleo, lo cual depende de los niveles de la proteína no asociada a la cadherina, es decir la proteína que se encuentra libre en el citosol. Cuando la cat-β no se encuentra unida a la cat-β o a la cadherina (en los complejos de adhesión) se encuentra formando un complejo con proteínas como la GSK3 y la APC. Bajo estas condiciones la GSK3 fosforila 4 residuos del extremo amino terminal de la cat-β (serina 33, 37, 45 y treonina 41), lo que da por resul-

4 18 ContactoS 75, (2009) tado su rápida degración por la enzima proteosómica. El control de los niveles citosólicos de la cat-β está estrictamente regulado. Regulación de la señalización a través de catenina beta por la vía Wnt La función de señalización de la cat-β es regulada principalmente a través de alterar su estabilidad, la vía Wnt induce la estabilización de la cat-β que se encuentra libre en el citoplasma (Figura 3, pág. 19). En la ausencia de una señal Wnt, es decir la vía Wnt está inactiva, la cat-β citosólica es capturada y fosforilada a través de un complejo de destrucción formado por las cinasas GSK3 y APC, marcándola para su posterior degradación dependiente de ubiquitina a través de un proteosoma. Por otra parte, en presencia de una señal Wnt, la actividad del complejo GSK3/APC es inhibida dando por resultado que la cat-β no sea fosforilada y por lo tanto su degradación es bloqueda. De esta manera la cat-β libre se acumula en el citoplasma y migra hacia el núcleo, donde se une a proteínas activadoras de la familia TCF/LEF encargados de la transcripción de genes Wnt necesarios para desarrollo embrionario. Adhesión o transducción de señales? La decisión de cuál de estas dos funciones realizará la cat-β, es de gran importancia para un desarrollo normal. Uno de los factores que podrían estar determinando si la cat-β participa en la formación de uniones celulares o en la transducción de señales es la competencia que existe entre moléculas citoplasmáticas y nucleares por la cat-β. El mecanismo utilizado para regular la interacción de cat-β con otras proteínas es a través de la fosforilación en residuos de tirosina de esta proteína. Dentro de la cat-β hay dos residuos de tirosina que son de gran importancia para este mecanismo, la tirosina 142 en la primera repetición armadillo y la tirosina 654 en la última repetición armadillo. Se ha establecido que la fosforilación en estos dos residuos son determinantes para el desensamble del complejo cadherina-catenina dando por resultado un aumento en la transcripción dependiente de cat-β. La tirosina 654 en la última repetición armadillo es determinante para que se lleve a cabo la unión a la cadherina-e, por ejemplo la fosforilación en este residuo a través de una tirosina cinasa da por resultado la perdida de la unión a cadherina-e e interfiere con la adhesión celular. Mientras que la tirosina 142 en la primera repetición armadillo es determinante para la unión con la cat-α, las tirosina quinasas Fer y Fyn inducen la fosforilación de este residuo dando por resultado la inhibición de la unión de cat-β con la cat-α. El mecanismo molecular de este cambio funcional no está totalmente establecido, sin embargo, se ha sugerido que la fosforilación en la tirosina 142 promueve la unión con el coactivador nuclear BCL9-2 o parecido al Linfoma 9 de células B (BCL9-like) (por sus siglas en ingles B-cell Lymphoma 9-like). Conclusiones Las cateninas son proteínas citoplasmáticas que regulan la función adhesiva de las cadherinas. La unión celular no es solo que dos células se encuentren estrechamente juntas, sino que es un mecanismo de unión más complejo en el que participan moléculas de adhesión propias de la célula, su interacción con la matriz extracelular y el citoesqueleto, que en conjunto responden a estímulos externos. La unión celular dependiente de cadherinas tiene una participación importante en la morfogénesis y en desarrollo de algunos tipos de tumores o metástasis. La función de la cadherina-e se encuentra alterada en muchos cánceres epiteliales debido a una inactivación mutacional de la cadherina-e o de genes de la catenina beta. El papel de las proteínas de señalización que se asocian con el complejo cadherinacatenina es un área importante para futuros estudios, particularmente con respecto a las alteraciones en las vías de señalización observadas después del rompimiento del complejo de adhesión. La realización de estudios que permitan valorar la expresión de moléculas de adhesión como la cadherina-e y cateninas en algunos tipos de tumores podría ayudar a establecer una correlación de estos con el grado histológico, estadio clínico y recurrencia de dicha enfermedad. Bibliografia 1. Gottardi CJ, Gumbiner BM. Distinct molecular forms of beta-catenin are targeted to adhesive or transcriptional complexes. J. Cell Biol 167: , Gumbiner BM. Regulation of cadherin-mediated adhesion in morphogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol 6: , Huber AH, Weis WI. The structure of the betacatenin/ E-cadherin complex and the molecular basis of diverse ligand recognition by betacatenin. Cell 105: , 2001.

5 Catenina Beta... Alfredo Trejo C., Maria del Carmen Navarro M., Adolfo Rosado G. 19 Figura 2. Complejo de adhesión cadherina-catenina. La cadherina se une a través de su dominio intracelular con la catenina beta. La catenina alfa sirve como intermediario de unión entre el complejo cadherina-catenina beta y los filamentos de actina. Figura 3. Vía de señalización Wnt. La función de transducción de señales de la catenina beta es regulada a través de los niveles de catenina beta que se encuentran libres en el citoplasma y que pueden ser translocados hacia el núcleo. Los niveles de la catenina beta son controlados a través de la via Wnt: a) en su forma inactiva esta vía promueva la fosforilación de la catenina beta a través de un complejo de cinasas (GSK3/APC) provocando su degradación b) mientras que en su forma activa se inhibe la fosofrilación de la catenina beta dando por resultado su translocación hacia el núcleo, donde se une a co-activadores de la transcripción génica (Tef/LeF).

6 20 ContactoS 75, (2009) 4. Roura S, Miravet S, Piedra J, Garcia de Herreros A, Dunach M. Regulation of E-cadherin/catenin association by tyrosine phosphorylation. J. Biol Chem 274: , Huber AH, Nelson WJ, Weis WI. Threedimensional structure of the armadillo repeat region of beta-catenin. Cell 90: , Piedra J, Martínez D, Castaño J, Miravet S, Duñach M, García de Herreros A Regulation of β-catenin structure and activity by tyrosine phosphorylation. J. Biol. Chem. 276: Yap AS, Kovacs EM Direct cadherinactivated cell signaling: a view from the plasma membrane. J. Cell Biol, 160: Gottardi CJ, Wong E, Gumbiner BM E- cadherin suppresses cellular transformation by inhibiting b-catenin signaling in an adhesionindependent manner. J. Cell Biol, 153: Rijsewijk F, M. Schuermann, E. Wagenaar, P. Parren, D. Weigel y R. Nusse The Drosophila homolog of the mouse mammary oncogene int- 1 is identical to the segment polarity gene wingless. Cell 50(4): cs