Mutaciones decisivas

Representación esquemática de las cuatro diferencias estructurales que determinan la función entre las glutaredoxinas activas e inactivas.

Comparación de las cuatro diferencias estructurales determinantes de la función entre glutaredoxinas activas e inactivas.

Los investigadores alemanes pudieron identificar las diferencias estructurales precisas que determinan si una proteína se convierte en una enzima activa o en un andamio para iones de hierro. Este hallazgo, reportado en la revista especializada Nature Communications, ofrece una visión más profunda de procesos celulares fundamentales como la síntesis de ADN y el metabolismo del hierro.

Cuatro mutaciones en un grupo de proteínas denominado glutatredoxinas determinan cómo funcionan estas proteínas en diferentes ámbitos, desde bacterias, levaduras, plantas hasta humanos, informan los investigadores en la revista Nature Communications.

“Estas proteínas son de importancia central para vías metabólicas vitales”, explicó el profesor Marcel Deponte, quien como bioquímico dirigió la investigación en la Universidad Técnica de Kaiserslautern. “Los conocimientos adquiridos sobre estas proteínas amplían nuestra comprensión fundamental de cómo funciona la vida.”

Existen dos clases principales de proteínas de glutatredoxina. Las glutatredoxinas de la clase I son enzimas que catalizan reacciones redox importantes, como por ejemplo, la síntesis de los compuestos iniciales del ADN. Las glutatredoxinas de la clase II no son catalizadores activos, sino que sirven como transportadoras y sensores de clústeres de hierro-azufre, que desempeñan un papel importante en el metabolismo del hierro.

Mientras que los bioquímicos conocen estas dos clases desde hace más de 20 años, hasta ahora no estaba claro qué diferencias estructurales eran responsables de sus distintas funciones. Marcel Deponte se unió a investigadores de la Universidad del Sarre y de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf para estudiar las proteínas en tubos de ensayo, en células de levadura y mediante modelado computacional.

Las estructuras de resonancia magnética nuclear de las proteínas mostraron cuatro áreas que contenían diferencias o mutaciones entre las secuencias de aminoácidos de la clase I y la clase II. Marcel Deponte y su equipo querían saber exactamente cuánto contribuía cada mutación a convertir la proteína en una glutatredoxina de clase I activa o en una glutatredoxina de clase II inactiva.

Para medir esto, utilizaron una combinación de técnicas de modificación y seguimiento. En el primer paso, produjeron y purificaron las proteínas para analizar su actividad en un ensayo en tubo de ensayo. Normalmente, una enzima activa de la clase I catalizaría o apoyaría una reacción redox, es decir, una reacción química en la que se transfieren electrones entre moléculas.

El equipo reemplazó sistemáticamente segmentos en la proteína inactiva de la clase II por segmentos correspondientes de proteínas activas de la clase I y viceversa. La diferencia física más notable entre las dos clases es una hebra más larga en las proteínas inactivas de la clase II. Después de cortar la hebra larga y reemplazarla por la hebra más corta de una proteína de la clase I, observaron un ligero aumento en la actividad catalítica. En combinación con otras mutaciones, la actividad de la proteína de la clase II aumentó progresivamente. Los investigadores concluyeron que la hebra larga actúa como un interruptor en la clase II inactiva y que la introducción de las cuatro mutaciones de las glutatredoxinas de la clase I era necesaria para transformar completamente la proteína inactiva en una activa. Finalmente, lograron convertir proteínas inactivas, cuya función habitual es reconocer o transferir clústeres de hierro-azufre, en enzimas activas que catalizan reacciones redox, y viceversa.

“Las mutaciones en las cuatro áreas trabajan juntas para transformar la proteína en un catalizador redox activo o en una proteína que une hierro”, explicó Marcel Deponte.

El equipo de bioquímica del Sarre, dirigido por el profesor Bruce Morgan, desarrolló posteriormente un ensayo para probar la relevancia de las mutaciones en células vivas de levadura, confirmando el mismo patrón de resultados: las cuatro mutaciones son necesarias para la transición completa entre ambas clases. Para estos análisis, los investigadores utilizaron una sonda fluorescente verde que cambia su fluorescencia cuando detecta reacciones redox. La luz alterada de la sonda fluorescente indicaba en qué medida una mutación permitía a la proteína catalizar reacciones redox dentro de las células.

Mientras tanto, el grupo dirigido por el profesor Holger Gohlke en Düsseldorf realizó simulaciones de dinámica molecular con supercomputadoras, que también respaldaron y complementaron los resultados.

En conjunto, las tres líneas de investigación “ofrecen una imagen realmente convincente de cómo funcionan estas proteínas”, dice Marcel Deponte. “Este resultado fue posible gracias a un programa de enfoque de la Deutsche Forschungsgemeinschaft, que fomenta este tipo de colaboración”, añadió explicando.

Los próximos pasos podrían consistir en estudiar los efectos de estas mutaciones en células humanas o aplicar un proceso de investigación similar a otras proteínas. Gracias a los avances en la tecnología de secuenciación genética, se han descifrado miles de proteínas, aunque los científicos solo han comenzado a comprender qué hacen estas proteínas o cómo funcionan.

Publicación original:

M. Deponte et al., “Evaluación cuantitativa de las diferencias estructurales determinantes entre glutatredoxinas redox-activa e inactiva”, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-020-15441-3 (04/2020)