Glicosilfosfatidilinositol

O glicosilfosfatidilinositol, abreviado como GPI (tamén áncora GPI), é un glicolípido que se une de forma covalente ao extremo carboxilo terminal dunha proteína por medio dunha modificación postraducional desta. Dita unión fórmase no lume do retículo endoplasmático. A unión destas áncoras denomínase glipiación, e é frecuente en glicoproteínas de superficie de eucariotas e algunhas arqueas^[1]

Imaxe 1. Estrutura da ancoraxe GPI.

Xeralmente, o GPI está formado por un grupo fosfatidilinositol (dous ácidos graxos unidos a un glicerol que á súa vez está unido a un grupo fosfoinositol), manosas e unha glicosamina que se unirá a un aminoácido do extremo C-terminal da proteína. Os dous ácidos graxos do grupo fosfatidilinositol ancoran a proteína á membrana plasmática.

Como moitas outras, as proteínas que se unirán ao GPI conteñen un péptido sinal, que as leva ao retículo endoplasmático. Os aminoácidos próximos ao extremo C-terminal son moi hidrofóbicos e, cando a proteína se sintetizou completamente, permanecen inseridos na membrana do retículo endoplasmático. Por acción encimática, este extremo hidrofóbico é escindido e substituído pola áncora GPI (previamente sintetizada no mesmo retículo endoplasmático): o extremo C-terminal da proteína únese ao grupo amino da glicosamina do GPI.

Posteriormente, a proteína con áncora GPI é transportada por transporte vesicular ao aparato de Golgi, e finalmente á membrana plasmática onde permanecerá unida á monocapa extracelular.

Tanto o residuo lipídico da cola coma os residuos de azucre do núcleo do glicano do GPI poden ser moi variados,^{[2][3][4][5][6][7]} o que demostra a súa ampla diversidade funcional, que inclúe a transdución de sinais, adhesión celular e recoñecemento inmunitario.^[8] As áncoras GPI poden tamén ser clivadas por encimas como as fosfolipases C para regular a localización de proteínas que son ancoradas na membrana plasmática.

Un funcionamento incorrecto da ancoraxe GPI pode provocar patoloxías como a hemoglobinuria paroxística nocturna entre outras doenzas.

Antecedentes e descubrimento

As áncoras de fosfatidilinositol de proteínas postuláronse por primeira vez durante a década de 1970 baseándose na capacidade de certos encimas bacterianos específicos, tales como a fosfatase alcalina e a 5'-nucleotidase, de liberar proteínas da membrana plasmática das células de mamíferos.

Cara a 1985, reveláronse os primeiros indicios da existencia deste tipo de áncoras en distintos estudos nos que se investigaba sobre a composición e a estrutura de moléculas como a acetilcolinesterase do peixe Torpedo californica, a acetilcolinesterase de eritrocitos humanos e bovinos, o antíxeno Thy-1 en ratas, e a proteína VSG (Variant Surface Glycoprotein) do Trypanosoma brucei, parasito responsable da enfermidade do sono.

Finalmente, en 1988, obtivéronse as primeiras estruturas GPI completas, concretamente a da proteína VSG do Trypanosoma brucei e a do Thy-1 de rata.

Biosíntese

A biosíntese das áncoras GPI dáse en gran parte na membrana e lume do retículo endoplasmático e en menor medida no aparato de Golgi.

Esta biosíntese é iniciada na cara citoplasmática da membrana do retículo endoplasmático coa transferencia da N-acetilglicosamina da UDP-GlcNAc a un fosfoinositol (unha das partes principais da molécula de GPI) grazas a unha glicosiltranferase. Desta transferencia fórmase GlcNAc-P. Seguidamente, o GlcNAc-P sofre unha N-desacetilación e fórmase GlcN-PI.

A partir deste momento a molécula segue a súa síntese no lume do retículo endoplasmático onde se dá unha acilación do grupo inositol, algúns estudos indican que o doante deste grupo acil é o acil-coencima A. Ademais, e de novo na cara citosólica da membrana do retículo endoplasmático, sintetízase dolicol-fosfato-manosa que doará as manosas á molécula de GPI.

Seguidamente, transfírense as dúas primeiras manosas á molécula desde o dolicol-fosfato-manosa, e engádese unha fosfoetanolamina á primeira manosa. Despois, engádese unha terceira manosa e nalgunhas especies unha cuarta e remátase a síntese engadindo unha fosoetanolamina á segunda e terceira manosas.

Unha vez que está sintetizado o GPI, este únese a unha proteína previamente sintetizada polo extremo C-terminal. Esta proteína á que se une o GPI debe ter tres características básicas:

• Posuír unha secuencia sinal peptídica N-terminal que dirixe o seu transporte cotraducional ao retículo endoplasmático, onde entra.
• Ter unha secuencia sinal peptídica no extremo C-terminal que a una á membrana do retículo endoplasmático mentres se engade a áncora GPI. A secuencia sinal C-terminal é recoñecido por unha GPI transamidase (GPIT)^[8] A GPIT non ten unha secuencia consenso, senón que recoñence unha secuencia motivo C-terminal que lle permite unir covalentemente a áncora GPI a un aminoácido da secuencia. Esta secuencia C-terminal é integrada na membrana do retículo endoplasmático inmediatamente despois da tradución, e a proteína é despois clivada e separada da secuencia, e unida a unha áncora GPI preformada.^[9][10]
• Presentar un triplete de aminoácidos que permita a unión do GPI.

A unión entre a proteína e o GPI dáse a través dunha reacción de transamidación, na que a proteína se une ao GPI polo grupo amino da fosfoetanolamina , ademais quítase o sinal C-terminal.

Nese momento, o GPI pode sufrir algúns cambios que non sempre se dan, como a adición dunha nova manosa, a desacilación do inositol ou cambios nos ácidos graxos do fosfatidilinositol.

Unha vez a proteína e o GPI están unidos, comeza o transporte destes á membrana plasmática por medio de transporte vesicular, pasando primeiro polo aparato de Golgi onde se producen os últimos cambios para poder adaptar a áncora de GPI ao microdominio destino (habitualmente balsas lipídicas). Unha vez chega á membrana, únese a esta quedando o GPI na cara extracelular.^[11]

Estrutura e diversidade

Diversidade de proteínas con áncoras GPI

Ata agora, identificáronse centos de proteínas con áncora GPI en moitos eucariotas que van desde os protozoos e fungos ata os humanos. A ampla gama de proteínas ancoradas mediante GPI indica que este tipo de ancoraxe é bastante frecuente entre os eucariotas e particularmente abondosa en protozoos;^[12] as proteínas con áncora GPI son, a nivel funcional, moi diversas e inclúen encimas hidrolíticas, moléculas de adhesión, proteínas do sistema do complemento etc.

Estrutura das áncoras GPI

Practicamente todas as proteínas ligadas con áncoras GPI comparten unha estrutura básica e común que se conserva na totalidade das especies que foron investigadas ata o momento.

As estruturas destas ancoraxes son únicas entre as asociacións proteína-carbohidrato porque o extremo redutor do oligosacárido da GPI non está unido á proteína. O residuo terminal redutor de glicosamina está enlazado mediante un enlace glicosídico α1-6 ao grupo fosfatidilinositol (PI). Un residuo de manosa non redutor e que se encontra a certa distancia únese á proteína a través dunha ponte de fosfoetanolamina (EtNP) entre o grupo hidroxilo do carbono 6 da manosa e o grupo carboxilo do aminoácido carboxi-terminal. As moléculas de glicosilfosfatidilinositol (GPI) son un dos casos raros na natureza nos que a glicosamina se pode encontrar sen ter un grupo acetilo (como na maioría dos glicoconxugados) ou un sulfato (como nos proteoglicanos) modificando o grupo amino do carbono 2. A subestrutura Man-α1-4-GlcN-α1-6-mioinositol-1-P-lipído é unha característica universal das ancoraxes GPI e das súas estruturas relacionadas. No lévedo Saccharomyces cerevisiae, os restos de diacilglicerol das áncoras GPI substitúense extensamente con ceramidas despois da fixación da áncora GPI á proteína.^[13]

As estruturas das ancoraxes GPI son moi diversas, dependendo da proteína á que están unidos e do organismo no que se sintetizan. Cunha soa excepción coñecida, os núcleos das proteínas ligadas mediante ancoraxes GPI conteñen un mínimo de tres residuos de manosilo na secuencia de EtNP-6Man-αl-2-Man-α1-6-Man-α1-4-GlcN-α1-6-(PI), onde EtNP indica a ponte de fosfoetanolamina, 'Man' a manosa, e 'GlcN' a glicosamina. Existe unha considerable variación na parte PI. De feito, GPI é un termo bastante laxo, xa que, en concreto, PI se refire ao D-mioinositol-1-P-3 (sn-1,2-diacilglicerol), mentres que moitos GPI non conteñen esta molécula senón outros tipos de fosfolípidos de inositol, como por exemplo a inositol fosfoceramida. Existen outras variacións, como a caracterizada pola presenza dun ácido graxo unido mediante un enlace éster ao hidroxilo do carbono 2 do residuo de inositol. A presenza desta modificación fai que a ancoraxe sexa resistente á acción da fosfolipase C bacteriana (PLC) específica para PI. Os datos estruturales dispoñibles de lípidos indican que os enlaces de proteínas con GPI mediante inositol fosfoceramida só se encontran nos eucariotas máis sinxelos, como Saccharomyces cerevisiae , Aspergillus niger , Dictyostelium discoideum , e Trypanosoma cruzi. Por exemplo, no lévedo S. cerevisiae, os restos de diacilglicerol das ancoraxes GPI son amplamente substituídos con ceramidas despois da fixación da áncora GPI á proteína.

Os factores que controlan a síntese dunha áncora de glicosilfosfatidilinositol maduro nunha determinada proteína parecen ser similares aos doutras modificacións postraducionais tales como a N-glicosilación e a O-glicosilación. Por tanto, o control primario faise a nivel celular, polo que serán os encimas específicos biosintéticos os que decidirán a gama definitiva das estruturas. O control secundario faise a nivel da estrutura terciaria/cuaternaria da proteína que leva a áncora GPI, e isto afecta á accesibilidade dos encimas de procesamento. Un exemplo de control primario son as variacións nas cadeas laterais de glicanos nos GPI no encima de membrana dipeptidase que se observan entre humanos e bovinos. E un exemplo de control secundario é a diferenza entre as cadeas laterais de glicano da VSG (Variant Surface Glicoprotein) de Trypanosoma cando algúns destes encimas con diferentes secuencias carboxi-terminais se expresan no mesmo tripanosoma.^[14]

Estruturas GPI non ligadas

En células de mamíferos, algúns GPI libres atópanse na superficie celular, pero a súa importancia funcional é descoñecida. Por outra parte, varios protozoos, sobre todo tripanosomátidos, expresan números altos (máis de 10⁷ copias por célula) de GPI libres na súa superficie celular como produtos metabólicos finais. Estes inclúen os fosfolípidos de glicoinositol (GIPLs) e lipofosfoglicanos (GLP) de Leishmania.

• 
  Imaxe 2. Estrutura xeral das ancoraxes GPI.
• 
  Táboa. Estruturas representativas de ancoraxes GPI coñecidos.

A química das ancoraxes GPI

As ancoraxes de glicosilfosfatidilinositol son moléculas complejas que inclúen enlaces amida, glicosídicos, fosfodiéster e as ligazóns hidroxiéster entre os seus diversos compoñentes. A estrutura destas ancoraxes pode separarse de forma selectiva mediante varios reactivos químicos e encimáticos. Estes utilizáronse nun principio para determinar a morfoloxía das GPI e agora aplícanse para confirmar a súa presenza. Unha reacción clave, desde unha perspectiva analítica, é a desaminación (é dicir, a rotura dun grupo amino) por ácido nitroso do residuo de glicosamina. Por medio desta reacción obtense unha escisión moi específica do enlace glicosídico entre a glicosamina e o inositol. A reacción libera o PI (fosfatidilinositol), que se pode illar e ser analizado por espectrometría de masas,^[15] e xera un extremo redutor libre no glicano do GPI en forma de anhidromanosa (aMan). Unha vez que este residuo se marca radioactiva o fluorescentemente e se desfosforila, o glicano pode ser convenientemente secuenciado usando exoglicosidases (encimas que cortan os enlaces glicosídicos dos azucres terminais).

Obter a disposición completa das ancoraxes GPI é un proceso difícil que require de cantidades relativamente grandes de material de partida. Neste traballo avalíase o grao de información estrutural que se pode obter a partir dunha glicoproteína ancorada a GPI previamente ben caracterizada, que xeralmente é a VSG de Trypanosoma brucei.

Funcións biolóxicas do GPI

Funcións nas células dos mamíferos

En principio, críase que as principais funcións das ancoraxes GPI eran aumentar a mobilidade das proteínas na membrana plasmática e convertelas en proteínas solubles na membrana. Porén, actualmente sábese que o aumento de mobilidade das proteínas ancoradas a GPI non é debido a este directamente, senón que é causado polas súas interaccións coa bicapa lipídica. Estas interaccións, á súa vez, poden aumentar ou diminuír a mobilidade destas proteínas pola membrana.^[16] Tamén se observou que a conversión a proteínas solubles só ocorre en moi poucas ocasións e que, por tanto, non pode ser considerada unha función principal. Por outra parte, a maioría das proteínas ancoradas ao GPI son enriquecidas en vesículas creadas por sinais físicos ou químicos, polo que o GPI ten un papel crucial á hora de clasificar as proteínas que deben madurar.^[17]Estas ancoraxes teñen moitas outras funcións, como actuar de receptores de membrana, defender do sistema do complemento e protexer a célula.^[18][19] Ademais, as proteínas ancoradas a GPI acumúlanse principalmente en balsas lipídicas da membrana celular. Por este motivo, crese que o GPI está estreitamente ligado coa rixidez destes dominios e coa clasificación das proteínas que deben transportarse desde o retículo endoplasmático.^[20]

A pesar da importancia do GPI na célula, puidéronse crear liñas de células de mamíferos que non teñen GPI. Por tanto, o GPI non se considera vital para a supervivencia da célula.^[21] Porén, por medio de experimentos con ratos modificados xeneticamente, tamén se puido demostrar a súa grande importancia na creación e o desenvolvemento de tecidos nos embrións, porque os ratos con deficiencia de GPI adoitan a ser máis propensos a malformacións e imperfeccións nos tecidos.^[22]

Funcións noutras especies

As diversas funcións do GPI e das proteínas ancorada a el varían segundo a especie, pero nos protozoos parasitos e en moitos fungos ten unha grande importancia.

Por exemplo, en estudos feitos no lévedo Saccharomyces cerevisiae, atopouse que estas áncoras de GPI se usan para marcar algunhas proteínas para a súa posterior incorporación á parede celular. Estas proteínas, que conteñen manosas, incorpóranse á parede en zonas onde abundan polisacáridos β-glucanos, debido a que o GPI reacciona con estes cedéndolles un residuo de manosa. Este proceso é fundamental para a supervivencia de Saccharomyces cerevisiae, xa que deficiencias no GPI poden provocar a incorrecta síntese da parede celular.^[11]

Outros estudos sobre o parasito Trypanosoma brucei permitiron descubrir a importancia do GPI no seu proceso de infección parasitaria. Este parasito presenta dúas formas: unha cando se encontra no interior dos insectos e outra cando se encontra no torrente sanguíneo. O GPI non é de grande importancia na primeira, pero na súa segunda forma o protozoo usa receptores de transferrina que están ancorados a GPI.^[23] Ademais, as ancoraxes de GPI tamén son utilizadas por Trypanosoma brucei para crear cubertas moi densas de proteínas na membrana co fin de protexela dos sistemas do complemento do hóspede.^[24]

Patoloxías relacionadas co GPI

Unha das enfermidades máis coñecidas causada por un defecto das ancoraxes de GPI é a chamada hemoglobinuria paroxística nocturna, que causa unha anemia hemolítica. A orixe desta enfermidade é unha mutación somática no xene PIG-A, localizado no cromosoma X. Este xene é o encargado de codificar un encima, a fosfatidilinositol N-acetilglucosaminiltransferase subunidade A, que é a encargada de catalizar unha parte da biosíntese do GPI. A causa da deficiencia neste encima, as ancoraxes de GPI non se poden sintetizar correctamente e as proteínas de membrana dos eritrocitos non poden ancorarse. En consecuencia, os eritrocitos dos pacientes afectados por esta doenza non dispoñen de protección contra o sistema do complemento, o cal leva a cabo a lise dos glóbulos vermellos.^[21]

Ademais, as áncoras de GPI son esenciais para moitos parasitos no seu proceso de infección parasitaria. Por exemplo, o protista Trypanosoma brucei, causante da tripanosomíase africana, utiliza receptores de transferrina ancorados a GPI, como se mencionou anteriormente.^[23] Tamén hai outros patóxenos, como o Toxoplasma gondii e o Plasmodium, nos que algunhas das súas principais proteínas están ancoradas a GPI.^[25] Estas proteínas son as encargadas de provocar cambios no sistema inmunitario do hóspede. De igual modo, crese que moitas destas ancoraxes de GPI son as causantes de efectos inflamatorios, como é o caso da febre na malaria.^[26]

Igualmente, as proteínas ancoradas a GPI tamén poden funcionar como receptores de toxinas e parasitos. Por exemplo, son receptores de toxinas como a aerolisina da bacteria Aeromonas hydrophila.^[27] Actualmente crese que moitas doenzas causadas por prións, como a enfermidade das vacas tolas ou o Alzheimer, son causadas por endosomas con prións ancorados a GPI. Porén, asociouse a falta de ancoraxes GPI coa aceleración da formación e a propagación dos prións.^[28]

Predición de sitios de glipiación en proteínas

A predición por computador de sitios de glipiación pode realizarse por:

• GPI-SOM: Identificación de áncoras GPI por un Kohonen Self Organizing Map Arquivado 25 de xuño de 2023 en Wayback Machine.
• PredGPI: a GPI-anchor predictor Arquivado 13 de agosto de 2014 en Wayback Machine.
• big-PI Predictor - GPI Predición de Sitios de ModificaciónArquivado 21 de xullo de 2020 en Wayback Machine.
• FragAnchor: GPI-Anchored Protein Prediction Tandem System (NN+HMM)
• MemType-2L