DYRK1A: estructura, función y rol en patologías

DYRK1A: estructura, función y rol en patologías

Marcos Montecinos, Patricio Sánchez

Escuela de Bioquímica, Universidad Austral de Chile

1.        Resumen

        La diabetes afecta a millones de personas en todo el mundo. En ambos casos, la enfermedad resulta en deficiencias en las células beta-pancreáticas productoras de insulina. Debido a que la proliferacón de células beta en la adultez es prácticamente nula, se requiere una terapia que permita inducir la regeneración y proliferación de células beta-pancreáticas en vivo y ex vivo.

        Las proteínas MYC son impulsores de crecimiento y proliferación celular. En particular, c-MYC se considera como esencial para la proliferación de células beta, por lo tanto, buscar moléculas que sean capaces de activar estos promotores es una buena aproximación a fin de desarrollar una terapia regenerativa. DYRK1A es una enzima perteneciente a la familia de kinasas DYRK y está asociada a señales de proliferación celular.

        Mediante un screening de moléculas a partir de librerías comerciales, agregadas a cultivos celulares que llevaban consigo un constructo de promotor MYC y luciferasa como reportero, los investigadores hallaron que una molécula en particular, harmina, era capaz de aumentar los niveles de la proteínas c-MYC y al mismo tiempo generar un aumento en la actrividad mitótica y de crecimiento, medido a través de la incorporación de BrdU (bromodesoxiuridina), un nucleótido sintético análogo de timidina. Harmina es un inhibidor competitivo de la unión ATP – DYRK1A en el bolsillo de kinasa de esta última, lo que sugiere un rol de DYRK1A en la proliferación de células beta. Esto se comprobó al sobreexpresar DYRK1A, lo cual contrarrestó el efecto de harmina.

        Finalmente, tres modelos animales in vivo tratados con harmina, mostraron un aumento en la proliferación de células beta y además una normalización de la glicemia. Todos estos resultados comprueban que la inhibición de DYRK1A mediada por harmina incrementa la replicación de células beta-pancreáticas.[1]

2.        Abreviaturas

DYRK1A = Dual-specificity tyrosine-phosphorylated and regulated kinase 1A;

BrdU = bromodesoxiuridina;

DS = Síndrome de Down;

AD = Enfermedad de Alzheimer;

Aβ = beta-amiloide;

INDY = (Z)-1-(3-etil-5-hydroxybenzo[d]tiazol-2(3H)-ylideno)propan-2-ona

3.        Introducción

        El gen DYRK1A (Dual-specificity tyrosine-phosphorylated and regulated kinase 1A) se localiza en la región q22.13 del cromosoma 21 humano (HSA21) (Fig. 1). En cuanto a la estructura del gen DYRK1A, este contiene 17 exones localizados en 149,7 Kb de DNA genómico. Además se  ha evidenciado diversos transcritos como resultado del splicing alternativo de dicho gen, aunque no existen diferencias funcionales asociadas a ninguna de estas variantes (Fig. 2).

        El gen DYRK1A  de ratón y su equivalente Drosophila, están implicados en el desarrollo del crecimiento. DYRK1A se expresa en el cerebro de manera ubicua en casi todas las estructuras, tanto en la materia gris como en la blanca, y en concreto en estructuras que están alteradas en el síndrome de Down (DS) como son las capas superficiales de la corteza y el hipocampo. Todo ello hace de DYRK1A un firme candidato para explicar las alteraciones neurológicas presentes en el SD. Por otra parte se ha descrito que  mutaciones en DYRK1A humano generan  desarrollo anormal, microcefalia  y retraso del crecimiento.

[pic 1]

Figura 1. Localización del gen DYRK1A dentro del cromosoma 21 humano.

Figura 2. Esquema de la estructura del gen DYRK1A donde se muestran los diferentes sitios de [pic 2]

splicing alternativo.

        DYRK1A es una proteína quinasa que pertenece a la familia de proteínas DYRK. En mamíferos, la familia DYRK está compuesta por alrededor de 5 miembros (DYRK1A, DYRK1B, DYRK2, DYRK3 y DYRK4), que entre ellos comparten un motivo conservado cerca del dominio quinasa que se conoce como “DYRK homology (DH)-box”. El dominio quinasa se localiza en el centro de la estructura primaria de la proteína. Posee una señal de localización nuclear (NLS) dividida en dos partes: una de ellas localizada N-terminal a la DH-box y la otra dentro del dominio quinasa. Consta también de una región de poli-histidina que actúa como una diana para la señal de translocación nuclear y de un motivo regulador PEST. Los dominios PEST son regiones proteicas ricas en residuos de prolina, ácido glutámico, serina y treonina que se han asociado con el control de la estabilización proteica. A la región C-terminal rica en serinas y treoninas no se le ha asociado ninguna actividad.

Figura 3. Estructura de la proteína DYRK1A con sus respectivos dominios.[pic 3]

        En cuanto a la regulación  de DYRK1A, ésta fosforila residuos de serina y treonina de sustratos exógenos y requiere, para su completa activación, de la autofosforilación en el residuo de tirosina Y321, que se localiza dentro del dominio de activación. La capacidad de auto-fosforilación es independiente de otros dominios o de la presencia de cofactores[2] y se pierde cuando la proteína está completamente traducida, pudiendo únicamente a partir de entonces fosforilar residuos de serina y treonina. Existen bastantes evidencias que indican que la regulación de DYRK1A debe depender, entre otras cosas, de cambios rápidos en los niveles de mRNA o de proteína. Ademas se han evidenciado  factores de transcripción como E2F1 que incrementa la actividad del promotor de DYRK1A[3] y en macrófagos de médula ósea el factor nuclear de células T activas (NFATc1) aumenta los niveles de mRNA de DYRK1A[4].

4.        Rol de DYRK1A en células beta pancreáticas e implicancias en diabetes

        Sosteniendo las bases del impacto que produce DYRK1A en el crecimiento de órganos como el cerebro y la importancia que tiene sobre la masa de las células β en la diabetes, pensamos lo relevante que podría ser esta proteína como blanco terapéutico sobre la diabetes. Aunque hay poca información disponible sobre el papel de DYRK1A en las células β, se ha demostrado que en ratones, Dyrk1a haploinsuficiencientes, generan una disminución del número de células β y tamaño asociada con una disminución en los niveles de insulina en sangre. Los ratones Dyrk1a-haploinsuficientes tuvieron una disminución del 44,3% en su masa de células beta con la disminución de la proliferación células β  y la  y el tamaño en paralelo con una acumulación nuclear de la p27 inhibidor del ciclo celular.[5] Lo que da a lugar una  tolerancia alterada a la glucosa asociada con hipoinsulinemia.

        Harmina es un inhibidor competitivo de  la unión de ATP al bolsillo quinasa de DYRK1A, pero también puede inhibir otros miembros de la familia DYRK, oxidasas de monoamina (MAO) y cdc-like kinases (CLKs). Harmaline y harmina (inhibidores de la MAO, pero no DYRK1A) no indujo la proliferación y un  inhibidor de DYRK1A, (INDY, un compuesto químico que inhibe DYRK1A pero no MAO), la proliferación fue activada tanto en rata y células beta humanas.   Harmina y INDY ocupan el bolsillo de unión a ATP de DYRK1A, formando dos enlaces de hidrógeno con la cadena lateral de Lys188 y la columna vertebral de Leu241, con grupos aceptores de enlace de hidrógeno en la orientación correcta para formar estas interacciones. Harmina e INDY también activan la proliferación en alfa y células ductales, sin proliferación detectable en las células delta o células peptídicas del páncreas (Fig. 4a).

        Para poder definir más a fondo si DYRK1A logra  regular de alguna manera la proliferación de células β humanas, se sobrexpreso DYRK1A mediante la infección de adenovirus en islotes humanos. Su sobreexpresión atenuada la proliferación de las células beta inducida por harmina e  INDY (Fig. 4b). Por el contrario, la reducción de la expresión de DYRK1A endógeno utilizando un shRNA adenoviral dirigido contra DYRK1A humano lleva a una triple mayor grado de proliferación de las células beta humanos en comparación con un shRNA-expresión de adenovirus control [1].

        Estudios recientes indicaron una posible expansión de la masa celular inducida por DYRK1A. La hipótesis a ensayar fue la regulación positiva de Dyrk1A resulta en un aumento de la masa de células β a través de una mejora proliferación[6]. Otros grupos demostraron que la inhibición de DYRK1A puede conducir a la expansión de las células beta y que Dyrk1a haploinsuficiencia en ratones resulta en masa de células beta atenuada y la intolerancia de la glucosa, por el contrario, la sobreexpresión transgénica Dyrk1a conduce a un acentuado tamaño de las células beta, la masa y la proliferación, así como una mayor tolerancia glucosa. Posibles explicaciones para esta paradoja pueden incluir diferencias en la especie, la edad, el tiempo de expresión (fenotipos de desarrollo en ratones versus tratamiento de adultos), sistema nervioso central (orientación los constructos murinos afectan a todos los tejidos), los posibles efectos de  pérdida de heterocigotocidad, y / o diferencias entre los cambios conformacionales inducidos por las drogas en una proteína dada frente a la ablación completa o sobreexpresión de la proteína.

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