User:Clara Fernández Vidal/Isocitrato deshidrogenasa
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=Isocitrato deshidrogenasa: escenas 3D para la comprensión de su función y estructura= | =Isocitrato deshidrogenasa: escenas 3D para la comprensión de su función y estructura= | ||
| - | El objetivo de la publicación de este artículo fue enriquecer con escenas 3D la | + | El objetivo de la publicación de este artículo fue enriquecer con escenas 3D la bibliografía existente sobre la conocida enzima isocitrato deshidrogenasa (IDH) de manera que se pudieran observar mejor las interacciones de los ligandos con la enzima, así como entender los cambios conformacionales que causan las mutaciones en los centros activos de esta. En otras palabras, se demostró con la visualización 3D una mejora en el estudio de estructura y función de biomoléculas. |
==Criterios de búsqueda en Protein Data Bank (PDB)== | ==Criterios de búsqueda en Protein Data Bank (PDB)== | ||
| - | Se procedió a estudiar la Isocitrato deshidrogenasa (IDH) a partir de | + | Se procedió a estudiar la Isocitrato deshidrogenasa (IDH) a partir de bibliografía existente. Primeramente, se hizo una búsqueda en PDB <ref>Protein Data Bank in Europe (PDBe). (n.d.). Recuperado de: https://www.ebi.ac.uk/pdbe/</ref> con el término de ''isocitrate dehydrogenase'' y se filtró para seleccionar solo aquellas enzimas que fueran pertenecientes a Homo sapiens; aparecieron 16 resultados que son los que se recogen en la '''Tabla 1'''. |
| - | Los códigos de | + | Los códigos de PDB de las enzimas con las que se trabajó fueron: 1T09,1T0L, 3MAP y 3MAS por la accesibilidad a la bibliografía y el interés de su contenido. |
==La enzima y sus isoformas== | ==La enzima y sus isoformas== | ||
| - | La IDH es una importante enzima en el metabolismo celular humano formando parte del ciclo de Krebs, catalizando la descarboxilación oxidativa del | + | La IDH es una importante enzima en el metabolismo celular humano formando parte del ciclo de Krebs, catalizando la descarboxilación oxidativa del isocitrato (ICT) en α-cetoglutarato (αKG). Las células humanas expresan al menos tres IDH diferentes: IDH1, IDH2 e IDH3. |
| - | La IDH1 es | + | La IDH1 es dependiente de NADP y está ubicada en el citosol, la IDH2 se ubica en la matriz mitocondrial y es dependiente de NADP, es muy parecida estructuralmente a la IDH1 y, por último, la IDH3 utiliza NAD como cofactor en la matriz mitocondrial.<ref name="ref2">Yang B, Zhong C, Peng Y, Lai Z, Ding J. Molecular mechanisms of "off-on switch" of activities of human IDH1 by tumor-associated mutation R132H. Cell Res. 2010 Nov;20(11):1188-200. doi: 10.1038/cr.2010.145. Epub 2010 Oct 26. PMID: 20975740.</ref> <ref>Xu X, Zhao J, Xu Z, Peng B, Huang Q, Arnold E, Ding J. Structures of human cytosolic NADP-dependent isocitrate dehydrogenase reveal a novel self-regulatory mechanism of activity. J Biol Chem. 2004 Aug 6;279(32):33946-57. doi: 10.1074/jbc.M404298200. Epub 2004 Jun 1. PMID: 15173171.</ref> <ref>Chen X, Yang P, Qiao Y, Ye F, Wang Z, Xu M, Han X, Song L, Wu Y, Ou WB. Effects of cancer-associated point mutations on the structure, function, and stability of isocitrate dehydrogenase 2. Sci Rep. 2022 Nov 5;12(1):18830. doi: 10.1038/s41598-022-23659-y. PMID: 36335201; PMCID: PMC9637083.</ref>. Véase a continuación la '''Tabla 2''' que resume lo descrito. |
| - | Este estudio se centró en la isoforma IDH1 debido a que | + | '''Tabla 2''' |
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| + | Este estudio se centró en la isoforma IDH1 debido a que su estructura dimérica era más simple, existía información acerca de las mutaciones que sufre y por ello encajó mejor con el objetivo de añadir escenas 3D que permitieran enriquecer los artículos consultados. | ||
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==Estructura de la IDH1 y sitio activo== | ==Estructura de la IDH1 y sitio activo== | ||
| - | La IDH1, con | + | La IDH1, con código 1T09 en PDB, tiene como ligando NADP y por lo tanto forma un complejo binario IDH1-NADP. |
| - | Existe otra IDH1 con código 1T0L en PDB, | + | |
| + | Existe otra IDH1 con código 1T0L en PDB, que contiene tres ligandos: ICT, NADP y Ca2+, por lo que forma un complejo cuaternario: IDH1- ICT-NADP-Ca2+. Su estructura contiene cuatro subunidades etiquetadas como cadenas A, B, C y D, aunque corresponden a dos copias en la simetría del cristal de la enzima dimérica (con cadenas A y B). La forma fisiológica funcional de la enzima ODH1 es un homodímero. No obstante, como se mostrará, las dos subunidades pueden adoptar conformaciones ligeramente diferentes entre sí. | ||
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Sin importar el número de subunidades que presente cada una de las estructuras de IDH1 (1T09 complejo binario y 1T0L complejo cuaternario), las dos estructuras presentan tres dominios: | Sin importar el número de subunidades que presente cada una de las estructuras de IDH1 (1T09 complejo binario y 1T0L complejo cuaternario), las dos estructuras presentan tres dominios: | ||
| - | *Dominio grande (L): residuos 1-103 y 286-414. | + | *'''Dominio grande (L)''': residuos 1-103 y 286-414. |
| - | *Dominio pequeño (S): residuos 104-136 y 186-285. | + | *'''Dominio pequeño (S)''': residuos 104-136 y 186-285. |
| - | *Dominio clasp (C): residuos 137-185. | + | *'''Dominio clasp (C)''': residuos 137-185. |
| - | Además, | + | '''Esquema 1''' |
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| + | Además, una parte del dominio pequeño constituye el llamado péptido regulador, cuya conformación varía en relación con la ocupación del sitio activo. Este péptido regulador consta de residuos 271-286 en el sitio activo, está representado en naranja en el '''Esquema 1'''.<ref name="ref2" /> | ||
'''Escena 1. Representación de los dominios de la enzima ID09''' | '''Escena 1. Representación de los dominios de la enzima ID09''' | ||
| - | La conformación de la subunidad A (rojo) en el complejo binario (IDH-NADP) se parece más a la forma abierta. | + | La conformación de la subunidad A (rojo) en el complejo binario (IDH-NADP) se parece más a la forma abierta. ''Xiang Xu et al''. proponen que la conformación abierta de IDH puede corresponder a la forma inactiva de la enzima. |
| + | |||
La conformación de IDH de la subunidad B (azul) del complejo binario (IDH-NADP) está entre la forma abierta y la cerrada. Proponen que la forma semiabierta de la IDH puede representar una forma intermedia entre la conformación activa y la inactiva. | La conformación de IDH de la subunidad B (azul) del complejo binario (IDH-NADP) está entre la forma abierta y la cerrada. Proponen que la forma semiabierta de la IDH puede representar una forma intermedia entre la conformación activa y la inactiva. | ||
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'''Escena 2. Superposición de las subunidades A y B de IT09''' | '''Escena 2. Superposición de las subunidades A y B de IT09''' | ||
| - | Con esta escena se quiso observar el cambio conformacional de abierta a semiabierta. | + | Con esta escena se quiso observar el cambio conformacional de abierta a semiabierta. |
| - | Se hizo un alineamiento jFATCAT flexible y dio como resultado un RMSD de 0.95 | + | Se hizo un alineamiento jFATCAT flexible y dio como resultado un RMSD de 0.95, lo cual indicó que había muy pocas diferencias entre una subunidad y la otra. |
| - | Lo interesante de esta escena es que permitió ver el cambio conformacional que se | + | Lo interesante de esta escena es que permitió ver el cambio conformacional que se mencionaba anteriormente de abierta (cadena A izquierda) a semiabierta (cadena B derecha). También se aprecia el desplazamiento del péptido regulador (destacado con tonalidades más oscuras en cada una de las representaciones). |
'''Escena 3. Superposición de las cadenas A de 1T09 y 1T0L''' | '''Escena 3. Superposición de las cadenas A de 1T09 y 1T0L''' | ||
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El objetivo de esta escena fue poder observar el cambio conformacional del péptido regulador cuando entran los ligandos ICT y Ca2+ en el complejo cuaternario. | El objetivo de esta escena fue poder observar el cambio conformacional del péptido regulador cuando entran los ligandos ICT y Ca2+ en el complejo cuaternario. | ||
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Se hizo un alineamiento entre las cadenas A de 1T09 y 1T0L jFATCAT flexible, lo cual resultó en un RMSD de 3.34 Angstroms, valor que indica ciertos cambios en las estructuras que observamos en la escena. | Se hizo un alineamiento entre las cadenas A de 1T09 y 1T0L jFATCAT flexible, lo cual resultó en un RMSD de 3.34 Angstroms, valor que indica ciertos cambios en las estructuras que observamos en la escena. | ||
| - | La imagen de la izquierda (activa) es la cadena A de la 1T0L (cuaternario) con ICT en blanco y Ca2+ en cyan, A la derecha (inactiva) la cadena A de la 1T09 (binario). NADP amarillo y péptido regulatorio en naranja en ambas imágenes. Los colores de los dominios se mantienen de acuerdo a las anteriores escenas. | ||
| - | Además, el modelo de trabajo de Xiang Xu et al. postula que la IDH puede utilizar el segmento regulatorio y las interacciones de Asp279 (morado) con Ser94 (verde pistacho) para inactivar la enzima, lo cual se comprueba con la escena 3D puesto que se observó que al entrar ICT y Ca2+, la proteína reguladora cambia de conformación al igual que lo hacen Asp279 y Ser94. | + | La imagen de la izquierda (activa) es la cadena A de la 1T0L (cuaternario) con ICT en blanco y Ca2+ en cian, A la derecha (inactiva) la cadena A de la 1T09 (binario). NADP amarillo y péptido regulatorio en naranja en ambas imágenes. Los colores de los dominios se mantienen de acuerdo con las anteriores escenas. |
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| + | Además, el modelo de trabajo de ''Xiang Xu et al''. postula que la IDH puede utilizar el segmento regulatorio y las interacciones de Asp279 (morado) con Ser94 (verde pistacho) para inactivar la enzima, lo cual se comprueba con la escena 3D puesto que se observó que al entrar ICT y Ca2+, la proteína reguladora cambia de conformación al igual que lo hacen Asp279 y Ser94. <ref name="ref2" /> | ||
La unión competitiva del isocitrato induce el replegamiento de la proteína reguladora y los cambios conformacionales generales y consecuentemente para activar la enzima. | La unión competitiva del isocitrato induce el replegamiento de la proteína reguladora y los cambios conformacionales generales y consecuentemente para activar la enzima. | ||
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'''Escena 4. Alineamiento 1T09 con 1T0L, cadenas A''' | '''Escena 4. Alineamiento 1T09 con 1T0L, cadenas A''' | ||
| - | Con el siguiente comando: contact {ICT} full connect se buscaron los contactos del ICT en Jmol, y como se esperaba, aparecieron los 15 contactos que se | + | Se visualiza el cambio conformacional del cierre de la proteína cuando entran los ligandos. Con el alineamiento de la proteína entera hecho anteriormente, no se observa tan claramente el cambio conformacional de cierre cuando entra el ligando. |
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| + | En esta nueva escena, se planteó hacer el alineamiento dejando solo el dominio grande puesto que se vio que no sufre cambios conformacionales con la unión del ligando. Como dicho dominio grande está formado por dos segmentos no consecutivos en la secuencia, la plataforma de alineamiento no nos permite alinear todo el segmento, por lo que hicimos sendos alineamientos con cada una de las dos mitades que mostraron un RMSD menores de 1 A, esto indica que no hay cambios conformacionales internos en el dominio como consecuencia de la unión del ligandos ICT y Ca2+. Por lo tanto, se utilizaron para el alineamiento de las cadenas A de 1T09 y 1T0L, haciendo el alineamiento sobre los residuos 286-414. | ||
| + | |||
| + | '''Escena 5. Interacción Arg132 con ICT''' | ||
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| + | Se quiso demostrar la interacción entre el ligando ICT y la Arg132; con el siguiente comando: ''contact {ICT} full connect'' se buscaron los contactos del ICT en Jmol, y como se esperaba, aparecieron los 15 contactos que se describieron ''Xiang Xu et al''.<ref name="ref2" /> | ||
*Thr77, Ser94, Arg100, Arg109, Arg132, Tyr139, y Asp275 en una subunidad | *Thr77, Ser94, Arg100, Arg109, Arg132, Tyr139, y Asp275 en una subunidad | ||
*Lys212, Thr214, y Asp252 en la subunidad adyacente | *Lys212, Thr214, y Asp252 en la subunidad adyacente | ||
*3 moléculas de agua, NADP y Ca2+ | *3 moléculas de agua, NADP y Ca2+ | ||
| - | ''' | + | '''Tabla 3 y Esquema 2''' |
==Mutación en la Arg132 y su relación con el cáncer== | ==Mutación en la Arg132 y su relación con el cáncer== | ||
| - | + | Se ha descubierto que la isoenzima IDH1 citosólica humana está implicada en la tumorigénesis. En particular, las mutaciones IDH1 derivadas de tumores identificadas ocurren principalmente en Arg132, y la mutación R132H es la más prevalente. | |
| - | Arg132 desempeña múltiples funciones funcionales en la reacción catalítica; en particular, la mutación R132H dificulta los cambios conformacionales desde el estado inicial de unión a las ICT al estado previo a la transición, lo que lleva al deterioro de la actividad IDH. | + | Arg132 desempeña múltiples funciones funcionales en la reacción catalítica; en particular, la mutación R132H dificulta los cambios conformacionales desde el estado inicial de unión a las ICT al estado previo a la transición, lo que lleva al deterioro de la actividad IDH.<ref name="ref2" /> |
Las mutaciones en la enzima causan la aparición de una nueva actividad catalítica que provoca la conversión de alfa-cetoglutarato (α-KG) en 2-hidroxiglutarato (2-HG), que desregula un conjunto de dioxigenasas dependientes de α-KG. Específicamente, debido a la estructura similar entre 2-HG y α-KG, 2-HG bloquea competitivamente la unión de α-KG a histonas desmetilasas, como la desmetilasa específica de lisina (KDM), y luego aumenta la metilación de histonas. El 2-HG también inhibe la actividad de diez a once hidroxilasas de translocación, que son importantes para la metilación global del ADN. | Las mutaciones en la enzima causan la aparición de una nueva actividad catalítica que provoca la conversión de alfa-cetoglutarato (α-KG) en 2-hidroxiglutarato (2-HG), que desregula un conjunto de dioxigenasas dependientes de α-KG. Específicamente, debido a la estructura similar entre 2-HG y α-KG, 2-HG bloquea competitivamente la unión de α-KG a histonas desmetilasas, como la desmetilasa específica de lisina (KDM), y luego aumenta la metilación de histonas. El 2-HG también inhibe la actividad de diez a once hidroxilasas de translocación, que son importantes para la metilación global del ADN. | ||
| - | Por otro lado, los altos niveles de 2-HG debido a las mutaciones de IDH, estabilizan el factor HIF alfa debido a que disminuyen los niveles de una endostatina de HIF-1α lo cual resulta en la upregulación de los genes dependientes de la endostatina HIF-1α, que incluyen el VEGF factor de crecimiento vascular endotelial. | + | Por otro lado, los altos niveles de 2-HG debido a las mutaciones de IDH, estabilizan el factor HIF alfa debido a que disminuyen los niveles de una endostatina de HIF-1α lo cual resulta en la upregulación de los genes dependientes de la endostatina HIF-1α, que incluyen el VEGF factor de crecimiento vascular endotelial. <ref>Chen X, Yang P, Qiao Y, Ye F, Wang Z, Xu M, Han X, Song L, Wu Y, Ou WB. Effects of cancer-associated point mutations on the structure, function, and stability of isocitrate dehydrogenase 2. Sci Rep. 2022 Nov 5;12(1):18830. doi: 10.1038/s41598-022-23659-y. PMID: 36335201; PMCID: PMC9637083.</ref> <ref>Chen X, Ding J. Molecular insights into the catalysis and regulation of mammalian NAD-dependent isocitrate dehydrogenases. Curr Opin Struct Biol. 2023 Oct; 82:102672. doi: 10.1016/j.sbi.2023.102672. Epub 2023 Aug 3. PMID: 37542909 </ref> |
'''Escena 6. ''' | '''Escena 6. ''' | ||
| + | La molécula que se usó para el estudio de la mutación Arg132 (R132H) fue la IDH1 con código PDB 3MAS, con ligandos ICT y Ca2+. | ||
| - | + | Esta escena pretendió demostrar el cambio de conformación que se da en la enzima con la mutación Arg132 de 3MAS en la cadena A frente a 1T0L en la cadena A, alineando la segunda mitad del dominio grande, es decir, los residuos de 286-414, con un RMSD de 0.65. | |
| - | + | Arg132 (rojo en la izquierda, 1T0L) e His (morado, en la derecha, 3MAS). ICT en blanco. Se observó lo que más tarde se comprobó, ICT no hace contacto con His y sí con Arg132. | |
| - | + | Con el codigo: ''contact {ICT} {Arg132} full connect'', se exploraron los contactos entre el ligando ICT y la Arg132. La imagen representa el contacto entre ICT (blanco) y Arg132 (rojo). Se mantuvo el código de colores del resto de la molécula. | |
| - | + | Se puede ver en la imagen de la derecha que están muy lejos ICT (blanco) e His132 (morado) como para hacer contacto. Al evaluar si existe contacto entre ICT e His132, con el siguiente código: ''contact {ICT} {His132} full connect'', como era de esperar, aparecen 0 resultados. También se puede observar de nuevo en ambas imágenes el cambio conformacional que sufre el péptido regulador (naranja). | |
| - | + | Siguiendo con el estudio de los contactos y empleando esta línea de código en Jmol: ''contact {ICT} full connect'', para estudiar todos los contactos de ICT, se observa que aparecen 27 contactos. Hay contactos nuevos ahora con la mutación de los que había antes cuando se estudió la Escena 5, sin la mutación de Arg132, ICT tiene 15 contactos. | |
| - | + | El comando ''full connect'' muestra los contactos de ICT contra todo lo demás, es decir, proteína, otros ligandos, etc. | |
| + | En cuanto al péptido regulador su posición no se ha resuelto al analizar la estructura cristalina, en ninguno de los tres modelos 3MAS/3MAP/3MAR, esto indica que su conformación es variable, al contrario de lo que ocurre en el modelo no mutado. | ||
| - | == | + | ==Distintas conformaciones pueden representar diferentes estados enzimáticos== |
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| + | Los dos complejos (binario y cuaternario) presentan tres conformaciones diferentes. La conformación general del complejo cuaternario se parece a la cerrada. La zona activa puede adoptar una conformación compacta o cerrada. | ||
| + | En la evidencia, sugirieron que las diferencias conformacionales de los segmentos regulatorios en los tres conformadores de IDH estaban probablemente relacionadas con las funciones biológicas de la enzima y que las distintas conformaciones de IDH observadas en las dos estructuras complejas eran biológicamente relevantes, pudiendo representar diferentes estados enzimáticos.<ref name="ref2" /> | ||
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| + | ==Conclusión== | ||
| + | Se muestra en este trabajo la gran utilidad de las representaciones en 3D para biomoléculas complejas en publicaciones científicas. La visualización en 3D permite acercarse a las estructuras para así entender mejor su composición y función, así como las uniones con sus ligandos y sus cambios conformacionales; cosas que en formato 2D, el único posible en imágenes de publicaciones tradicionales, a menudo se escapan. | ||
<scene name='10/1037483/Chain_a_idh_es/2'>Escena 2</scene> | <scene name='10/1037483/Chain_a_idh_es/2'>Escena 2</scene> | ||
Revision as of 09:09, 19 April 2024
Contents |
Isocitrato deshidrogenasa: escenas 3D para la comprensión de su función y estructura
El objetivo de la publicación de este artículo fue enriquecer con escenas 3D la bibliografía existente sobre la conocida enzima isocitrato deshidrogenasa (IDH) de manera que se pudieran observar mejor las interacciones de los ligandos con la enzima, así como entender los cambios conformacionales que causan las mutaciones en los centros activos de esta. En otras palabras, se demostró con la visualización 3D una mejora en el estudio de estructura y función de biomoléculas.
Criterios de búsqueda en Protein Data Bank (PDB)
Se procedió a estudiar la Isocitrato deshidrogenasa (IDH) a partir de bibliografía existente. Primeramente, se hizo una búsqueda en PDB [1] con el término de isocitrate dehydrogenase y se filtró para seleccionar solo aquellas enzimas que fueran pertenecientes a Homo sapiens; aparecieron 16 resultados que son los que se recogen en la Tabla 1.
Los códigos de PDB de las enzimas con las que se trabajó fueron: 1T09,1T0L, 3MAP y 3MAS por la accesibilidad a la bibliografía y el interés de su contenido.
La enzima y sus isoformas
La IDH es una importante enzima en el metabolismo celular humano formando parte del ciclo de Krebs, catalizando la descarboxilación oxidativa del isocitrato (ICT) en α-cetoglutarato (αKG). Las células humanas expresan al menos tres IDH diferentes: IDH1, IDH2 e IDH3.
La IDH1 es dependiente de NADP y está ubicada en el citosol, la IDH2 se ubica en la matriz mitocondrial y es dependiente de NADP, es muy parecida estructuralmente a la IDH1 y, por último, la IDH3 utiliza NAD como cofactor en la matriz mitocondrial.[2] [3] [4]. Véase a continuación la Tabla 2 que resume lo descrito.
Tabla 2
Este estudio se centró en la isoforma IDH1 debido a que su estructura dimérica era más simple, existía información acerca de las mutaciones que sufre y por ello encajó mejor con el objetivo de añadir escenas 3D que permitieran enriquecer los artículos consultados.
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References
- ↑ Protein Data Bank in Europe (PDBe). (n.d.). Recuperado de: https://www.ebi.ac.uk/pdbe/
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Yang B, Zhong C, Peng Y, Lai Z, Ding J. Molecular mechanisms of "off-on switch" of activities of human IDH1 by tumor-associated mutation R132H. Cell Res. 2010 Nov;20(11):1188-200. doi: 10.1038/cr.2010.145. Epub 2010 Oct 26. PMID: 20975740.
- ↑ Xu X, Zhao J, Xu Z, Peng B, Huang Q, Arnold E, Ding J. Structures of human cytosolic NADP-dependent isocitrate dehydrogenase reveal a novel self-regulatory mechanism of activity. J Biol Chem. 2004 Aug 6;279(32):33946-57. doi: 10.1074/jbc.M404298200. Epub 2004 Jun 1. PMID: 15173171.
- ↑ Chen X, Yang P, Qiao Y, Ye F, Wang Z, Xu M, Han X, Song L, Wu Y, Ou WB. Effects of cancer-associated point mutations on the structure, function, and stability of isocitrate dehydrogenase 2. Sci Rep. 2022 Nov 5;12(1):18830. doi: 10.1038/s41598-022-23659-y. PMID: 36335201; PMCID: PMC9637083.
- ↑ Chen X, Yang P, Qiao Y, Ye F, Wang Z, Xu M, Han X, Song L, Wu Y, Ou WB. Effects of cancer-associated point mutations on the structure, function, and stability of isocitrate dehydrogenase 2. Sci Rep. 2022 Nov 5;12(1):18830. doi: 10.1038/s41598-022-23659-y. PMID: 36335201; PMCID: PMC9637083.
- ↑ Chen X, Ding J. Molecular insights into the catalysis and regulation of mammalian NAD-dependent isocitrate dehydrogenases. Curr Opin Struct Biol. 2023 Oct; 82:102672. doi: 10.1016/j.sbi.2023.102672. Epub 2023 Aug 3. PMID: 37542909
