Alfredo Trejo C´
ordova
, Maria del Carmen Navarro Maldonado
, Adolfo Rosado Garc´ıa
.
Recibido: 19 de noviembre de 2009. Aceptado: 08 de febrero de 2010. Abstract
Adherens junctions are formed by adhesion comple-xes consisting of some adhesion molecules, cadhe-rins, and cytoplasmic proteins called catenins. Beta-catenin (β-cat) is a member of the family of cate-nins that is attached to the E-cadherin and acting as intermediaries for the binding of adhesion mole-cules 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 ction. Subsequently able to establish a second fun-ction of the β-cat, this protein is an important com-ponent of intracellular signaling pathway known as Wnt. Structurally, the cat-β consists of three do-mains, the amino terminal, central and carboxyl ter-minal. The central domain is composed of twelve ar-madillo repeats, which contain the amino acid se-quences necessary for the binding of cat-cadherin with β. The adhesion complex formed by the cadhe-rin 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 struc-tural characteristics and functions of the β-cat as a component of this complex.
Resumen
Las uniones adherentes est´an formadas por comple-jos de adhesi´on constituidos por unas mol´eculas de adhesi´on, las cadherinas, y prote´ınas citoplasm´ati-cas llamadas cateninas. La catenina beta (cat-β) es un miembro de la familia de las cateninas que se en-cuentra unida a la cadherina-E y que act´ua como in-termediarios para la uni´on de las mol´eculas de adhe-si´on y el citoesqueleto en las uniones celulares. Ini-cialmente, se hab´ıa establecido que la ´unica funci´on 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 Biol´ ogi-cas. Universidad Aut´onoma Metropolitana-Iztapalapa email: atrejo@unpa.edu.mx
**Laboratorio de Reproducci´on Animal Asistida.
Departa-mento de Biolog´ıa de la Reproducci´on, UAM
ci´on adhesiva de la cadherina. Posteriormente, se lo-gro establecer una segunda funci´on de la cat-β, es-ta prote´ına es un componente impores-tante de la v´ıa de se˜nalizaci´on intracelular, conocida como Wnt. Es-tructuralmente, la cat-β est´a formada por tres domi-nios, el amino terminal, el central y el carboxilo ter-minal. El dominio central est´a formado por doce re-peticiones armadillo, las cuales contienen las secuen-cias de amino´acidos necesarias para la uni´on de la cat-β con la cadherina. El complejo de adhesi´on for-mado por la cadherina y la cat-β tiene una partici-paci´on importante en el desarrollo normal del or-ganismo y en la aparici´on de enfermedades como los tumores. De ah´ı la importancia de conocer las caracter´ısticas estructurales y funciones de la cat-β como uno de los componentes de este complejo de adhesi´on.
Introducci´on
Para que el desarrollo embrionario preimplantacio-nal se lleve a cabo de manera normal, es esencial un control en la proliferaci´on y diferenciaci´on ce-lular, mismo que requiere a su vez de la partici-paci´on conjunta de la adhesi´on celular y la expre-si´on g´enica. Las c´elulas embrionarias se adhieren en-tre s´ı a trav´es de en-tres tipos de complejos de adhe-si´on: uniones estrechas, uniones adherentes y desmo-somas. Las uniones adherentes tienen como unidad b´asica al complejo cadherina-catenina. Dentro de la familia de las cateninas, la catenina beta (cat-β) fue descubierta inicialmente como componente im-portante de los complejos de adhesi´on, donde par-ticipa como intermediario para la uni´on de la cad-herina y el citoesqueleto. Recientemente se estable-ci´o otra funestable-ci´on de la cat-β, esta prote´ına es un com-ponente importante de la v´ıa de se˜nalizaci´on Wnt. El gen wnt ´o wingless, responsable de que la mosca Dro-sophila no tenga alas, est´a implicado en el estableci-miento de la polaridad durante el desarrollo embrio-narion en Drosophila y adem´as tiene una participa-ci´on principal la activaci´on de la transcripci´on de ge-nes importantes para la proliferaci´on y diferenciaci´on celular. Debido a esta doble funci´on, la cat-β, ha si-do propuesta como un factor integrasi-dor de la adhe-15
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si´on y de la transcripci´on g´enica. De ah´ı la impor-tancia de conocer las caracter´ısticas estructurales y funcionales de la catenina beta para tratar de en-tender c´omo esta mol´ecula participa tanto en la ad-hesi´on celular, como en el proceso de transducci´on de se˜nales, procesos que finalmente afectan la expre-si´on de ciertos genes importantes para el desarrollo embrionario.
Uniones Celulares
Los tejidos epiteliales consisten de laminas continuas de c´elulas que revisten y protegen a los ´organos, ca-vidades y canales del organismo. Las uniones celu-lares son necesarias para dar al epitelio la integri-dad estructural y funcional. Aunque son abundan-tes e importanabundan-tes en el tejido eptelial tambi´en se en-cuentran en las regiones de contacto c´elula-c´elula y c´elula-matriz de todos los tejidos.
Funcionalmente las uniones celulares se clasifican en: estrechas, adherentes y desmosomas.
Las uniones estrechas, sellan el espacio que existe en-tre c´elulas adyacentes de forma que impiden el pa-so de peque˜nas mol´eculas entre ellas y contribuyen a la formaci´on de la polaridad c´elulas. En la formaci´on de este tipo de uniones participan unas prote´ınas co-nocidas como zona de oclusi´on 1, 2 y 3 (ZO-1, ZO-2 y ZO-3). En la formaci´on de las uniones estrechas pro-te´ınas membranales como las claudinas y oculdinas pueden establecer interacciones homofilicas o hetero-filicas con claudinas y ocludinas de c´elulas adyacen-tes y las prote´ınas ZO participan en el acoplamien-to de estas prote´ınas ciacoplamien-toplasm´aticas con microfila-mentos de actina.
Las uniones adherentes contienen cadherinas, cu-yos dominios extracelulares median interacciones ho-mofilicas, dependientes de calcio, con cadherinas de c´elulas adyacentes, proporcionando especificad a la uni´on. El dominio citoplasm´atico de las cadherinas interacciona con el citoesqueleto de actina indirecta-mente, a trav´es de su uni´on con cat-β y cat-α. Los desmosomas contienen prote´ınas transmembra-nales conocidas como desmogleinas y desmocolina (cadherinas desmos´omicas) que a diferencia de las cadherinas cl´asicas de las uniones adherentes, pue-den establecer uniones heterotipicas con cadherinas de c´elulas adyacentes e intercelularmente conectan con la red de filamentos intermedios. La uni´on entre cadherinas y los filamentos intermedios puede darse de varias maneras, pero una caracter´ıstica importan-te es la participaci´on de la Desmoplakina en la
inter-acci´on con los filamentos intermedios. Entra la cad-herina y la Desmoplakina pueden encontrarse pro-te´ınas de anclaje como la plakoglobina o plakofili-na (homologas de la cat-β).
Cateninas
Las cateninas son elementos necesarios para el esta-blecimiento de las adhesiones entre c´elulas y son un punto importante para la regulaci´on de los comple-jos de adhesi´on.
En las uniones adherentes, tres tipos de cateninas (β, αy p120) participan en la interacci´on del dominio in-tracelular de la cadherina-E con los componentes del citoesqueleto. De estas la cat-β y la cat-p120 inter-accionan directamente con la cadherina-E, mientras que la cat-β interacciona con la cat-β y con el cito-esqueleto (Figura 1, p´ag. 17).
Catenina beta
Caracter´ısticas estructurales
La cat-β es una prote´ına de 728 amino´acidos (92 kDa), esta prote´ına consta de un extremo amino ter-minal (N-terter-minal) de 149 amino´acidos, que contie-ne los sitios de uni´on para catenina-α, as´ı como los sitios donde ocurre la fosforilaci´on por parte de la gluc´ogeno sintasa quinasa-3 o GSK3 (por sus siglas en ingles Glycogen synthase kinase 3). Esta fosforila-ci´on promueve la degradafosforila-ci´on de la cat-β que se en-cuentra libre en el citoplasma, impidiendo su trans-locaci´on hacia el n´ucleo. Despu´es del dominio amino se encuentran una regi´on central de 525 dos, que contiene 12 repeticiones de 42 amino´aci-dos, conocidos como repeticiones armadillo (Figura 2, p´ag. 19). En estas repeticiones se localizan los si-tios de uni´on para la prote´ına de la poliposis nomatosa coli o APC (por sus siglas en ingles ade-nomatosis polyposis coli) esta prote´ına participa en la regulaci´on de la actividad de la cat-β promovien-do su fosforilaci´on y posterior degradaci´on. En las re-peticiones armadillo tambi´en contiene los sitios de uni´on para algunos factores de transcripci´on como el factor aumentador de linfoide 1 o Lef (por sus si-glas en ingl´es Lymphoid enhancer factor-1). Cuan-do la cat-β no es marcada para su degradaci´on (fos-forilada) forma complejos con los factores de trans-cripci´on Lef/LEF en el citoplasma y se transloca ha-cia el n´ucleo. En el n´ucleo, el complejo cat-β/Lef in-teracciona con una secuencia especifica en la regi´on promotora dando por resultado la activaci´on trans-cripciona g´enica. Finalmente la cat-β presenta un ex-tremo carboxi terminal de unos 108 amino´acidos.
Figura 1. Estructura de la catenina beta. La catenina beta est´a 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 amino´acidos que sirven para la uni´on de varias mol´eculas relacionada con la funci´on de las cateninas.
Caracter´ısticas funcionales
Se han establecido dos funciones para la cat-β: a) La participaci´on en la formaci´on de uniones ad-herentes dependientes de cadherina-E, y
b) Como un componente importante en la trans-ducci´on de se˜nales intracelulares.
Formaci´on de Uniones Adherentes
La cat-β inicialmente fue descrita como una pro-te´ına estructural que se une con el dominio intra-celular de la cadherina-E, formando el complejo de adhesi´on cadherina/cat-β (Figura 1). La formaci´on de este complejo es un requisito para que se lleve a cabo la uni´on de la cadherina con los filamentos de actina.
Complejos de adhesi´on
Un primer paso para que se formen las uniones adhe-rentes es la formaci´on de complejos de adhesi´on en-tre la cadherina y la catenina. El mecanismo a trav´es del cual se forma este complejo de adhesi´on, impli-ca la interacci´on de todas las repeticiones armadi-llo de la cat-β con al menos cien amino´acidos del do-minio intracelular de la cadherina-E.
Para el correcto establecimiento de las uniones adhe-rentes, es indispensable la uni´on del complejo de ad-hesi´on (cadh-E/cat-β) con los filamentos de actina, uni´on que se realiza a trav´es de la cat-β. El domi-nio N-terminal de la cat-α interacciona con cat-α, en esta uni´on interviene una secuencia de 31 amino´aci-dos, del 120 al 151 de la cat-β.
Transducci´on de Se˜nales.
La cat-β fue conocida inicialmente por su participa-ci´on en la regulaci´on de la funcionalidad de la cad-herina, posteriormente se logr´o establecer otra fun-ci´on relacionada con la transcripfun-ci´on de genes impli-cados en el desarrollo tumoral, ya que es un compo-nente importante de la v´ıa de se˜nalizaci´on Wnt. Para realizar esta funci´on la cat-β debe traslocar ha-cia n´ucleo, lo cual depende de los niveles de la te´ına no asociada a la cadherina, es decir la pro-te´ına que se encuentra libre en el citosol. Cuando la cat-β no se encuentra unida a la cat-β o a la cadhe-rina (en los complejos de adhesi´on) se encuentra for-mando un complejo con prote´ınas como la GSK3 y la APC. Bajo estas condiciones la GSK3 fosforila 4 re-siduos del extremo amino terminal de la cat-β (se-rina 33, 37, 45 y treonina 41), lo que da por
resul-18 ContactoS 75, 15–20 (2009)
tado su r´apida degraci´on por la enzima proteos´omi-ca. El control de los niveles citos´olicos de la cat-β est´a estrictamente regulado.
Regulaci´on de la se˜nalizaci´on a trav´es de ca-tenina beta por la v´ıa Wnt
La funci´on de se˜nalizaci´on de la cat-β es regulada principalmente a trav´es de alterar su estabilidad, la v´ıa Wnt induce la estabilizaci´on de la cat-β que se encuentra libre en el citoplasma (Figura 3, p´ag. 19). En la ausencia de una se˜nal Wnt, es decir la v´ıa Wnt est´a inactiva, la cat-β citos´olica es capturada y fos-forilada a trav´es de un complejo de destrucci´on for-mado por las cinasas GSK3 y APC, marc´andola pa-ra su posterior degpa-radaci´on dependiente de ubiquiti-na a trav´es de un proteosoma. Por otra parte, en pre-sencia de una se˜nal Wnt, la actividad del comple-jo GSK3/APC es inhibida dando por resultado que la cat-β no sea fosforilada y por lo tanto su degra-daci´on es bloqueda. De esta manera la cat-β libre se acumula en el citoplasma y migra hacia el n´ucleo, donde se une a prote´ınas activadoras de la fami-lia TCF/LEF encargados de la transcripci´on de ge-nes Wnt necesarios para desarrollo embrionario. ¿Adhesi´on o transducci´on de se˜nales?
La decisi´on de cu´al de estas dos funciones reali-zar´a la cat-β, es de gran importancia para un desa-rrollo normal. Uno de los factores que podr´ıan es-tar determinando si la cat-β participa en la forma-ci´on de uniones celulares o en la transducforma-ci´on de se˜nales es la competencia que existe entre mol´ecu-las citopmol´ecu-lasm´aticas y nucleares por la cat-β.
El mecanismo utilizado para regular la interacci´on de cat-β con otras prote´ınas es a trav´es de la fosfo-rilaci´on en residuos de tirosina de esta prote´ına. Dentro de la cat-β hay dos residuos de tirosina que son de gran importancia para este mecanismo, la ti-rosina 142 en la primera repetici´on armadillo y la ti-rosina 654 en la ´ultima repetici´on armadillo. Se ha establecido que la fosforilaci´on en estos dos residuos son determinantes para el desensamble del comple-jo cadherina-catenina dando por resultado un au-mento en la transcripci´on dependiente de cat-β. La tirosina 654 en la ´ultima repetici´on armadillo es determinante para que se lleve a cabo la uni´on a la cadherina-E, por ejemplo la fosforilaci´on en este re-siduo a trav´es de una tirosina cinasa da por resulta-do la perdida de la uni´on a cadherina-E e interfie-re con la adhesi´on celular.
Mientras que la tirosina 142 en la primera repeti-ci´on armadillo es determinante para la uni´on con la cat-α, las tirosina quinasas Fer y Fyn inducen la fos-forilaci´on de este residuo dando por resultado la in-hibici´on de la uni´on de cat-β con la cat-α.
El mecanismo molecular de este cambio funcional no est´a totalmente establecido, sin embargo, se ha suge-rido que la fosforilaci´on en la tirosina 142 promueve la uni´on con el coactivador nuclear BCL9-2 o pareci-do al Linfoma 9 de c´elulas B (BCL9-like) (por sus si-glas en ingles B-cell Lymphoma 9-like).
Conclusiones
Las cateninas son prote´ınas citoplasm´aticas que re-gulan la funci´on adhesiva de las cadherinas. La uni´on celular no es solo que dos c´elulas se encuentren estre-chamente juntas, sino que es un mecanismo de uni´on m´as complejo en el que participan mol´eculas de ad-hesi´on propias de la c´elula, su interacci´on con la ma-triz extracelular y el citoesqueleto, que en conjun-to responden a est´ımulos externos. La uni´on celu-lar dependiente de cadherinas tiene una participa-ci´on importante en la morfog´enesis y en desarrollo de algunos tipos de tumores o met´astasis. La fun-ci´on de la cadherina-E se encuentra alterada en mu-chos c´anceres epiteliales debido a una inactivaci´on mutacional de la cadherina-E o de genes de la ca-tenina beta. El papel de las prote´ınas de se˜ nali-zaci´on que se asocian con el complejo cadherina-catenina es un ´area importante para futuros estu-dios, particularmente con respecto a las alteracio-nes en las v´ıas de se˜nalizaci´on observadas despu´es del rompimiento del complejo de adhesi´on. La rea-lizaci´on de estudios que permitan valorar la expre-si´on de mol´eculas de adheexpre-si´on como la cadherina-E y cateninas en algunos tipos de tumores podr´ıa ayu-dar a establecer una correlaci´on de estos con el gra-do histol´ogico, estadio cl´ınico y recurrencia de dicha enfermedad.
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Figura 2. Complejo de adhesi´on cadherina-catenina. La cadherina se une a trav´es de su dominio intracelular con la catenina beta. La catenina alfa sirve como intermediario de uni´on entre el complejo cadherina-catenina beta y los filamentos de actina.
Figura 3. V´ıa de se˜nalizaci´on Wnt. La funci´on de transducci´on de se˜nales de la catenina beta es regulada a trav´es de los niveles de catenina beta que se encuentran libres en el citoplasma y que pueden ser translocados hacia el n´ucleo. Los niveles de la catenina beta son controlados a trav´es de la via Wnt: a) en su forma inactiva esta v´ıa promueva la fosforilaci´on de la catenina beta a trav´es de un complejo de cinasas (GSK3/APC) provocando su degradaci´on b) mientras que en su forma activa se inhibe la fosofrilaci´on de la catenina beta dando por resultado su translocaci´on hacia el n´ucleo, donde se une a co-activadores de la transcripci´on g´enica (Tef/LeF).
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