Clássico, mas só para alguns: diferenças estruturais entre subunidades β de integrinas indicam que o modelo canônico de ativação não se aplica a todos os dímeros

Por Antonio Manucci, mestrando no e-Signal. Departamento de Bioquímica, Instituto de Química USP. Resenha do artigo de Lu et al., 2016. Implications of the differing roles of the β1 and β3 transmembrane and cytoplasmic domains for integrin function, eLife 

As células não estão sozinhas no nosso organismo. Elas estão imersas num (micro)ambiente rico em compostos solúveis e moléculas da matriz extracelular (como o colágeno, laminina e fibronectina). Estas moléculas são “percebidas” pelas células por receptores como as integrinas. As integrinas são receptores transmembrana heterodiméricos formadas por uma subunidade α e uma subunidade β associadas não-covalentemente, constituindo as principais moléculas de adesão da célula à matriz extracelular e participando de inúmeros processos fisiológicos e patológicos. Cada uma dessas subunidades (com exceção da β4) possuem um grande domínio extracelular (EC) que se liga à matriz extracelular, um domínio transmembrana (TM) e um pequeno domínio citoplasmático (CT), que se liga ao citoesqueleto da célula e a proteínas sinalizadoras para transduzir sinais da matriz para o interior da célula.

Para mediar a adesão célula-matriz e transduzir sinais externos/internos para o interior/exterior da célula as integrinas devem passar por um processo de ativação, de um estado “inativo” de baixa afinidade ao seu ligante para um estado “ativo”, de alta afinidade. Todos os trabalhos relacionados ao processo de ativação das integrinas foram baseados na integrina αIIbβ3, que quando ativada é responsável pela adesão das plaquetas ao fibrinogênio²; desde então, o seu processo de ativação é extrapolado para as demais integrinas devido à sua homologia estrutural e similaridade de funções. Em estudos recentes tem sido proposto que o estado inativo da subunidade β3 é mantido por uma interação entre a lisina-716 do domínio TM (próximo à face citoplasmática) com a porção polar de lipídios negativamente carregados da membrana da célula, o que resultaria em uma inclinação de 25° do domínio TM e consequentemente pelo estado de baixa afinidade ao fibrinogênio.

Apesar de todo o conhecimento sobre as bases estruturais da ativação da integrina αIIbβ3, ainda não está claro se outras integrinas seguem o mesmo modelo de estado inativo/ativo e, em caso afirmativo, como isso ocorre. Existem trabalhos que tanto corroboram quanto contradizem a ideia da existência de mecanismos semelhantes de ativação para outras integrinas. Diante desse cenário de informações conflitantes, Lu Zhenwei e colegas do Vanderbilt Medical Center em Nashville, EUA, buscaram investigar se o mecanismo canônico de ativação das integrinas advindo dos estudos com a integrina αIIbβ3, é válido também para as integrinas β1, um subtipo bastante expresso em vários tecidos e com papel importante no câncer.

Em um trabalho anterior, Kim e colaboradores³ analisaram por ressonância magnética nuclear (RMN) domínios TM inseridos na bicamada de vesículas artificiais (bicelas) e observaram que o resíduo lisina-752 da subunidade β1 altera a inclinação do domínio na bicamada e regula a ativação da integrina α5β1. De forma similar, o resíduo lisina-716 na subunidade β3. No entanto, utilizando um modelo que difere do anterior pelo uso do domínio TM ligado ao domínio CT e pela constituição fosfolipídica diferente das vesículas artificiais, o grupo de Nashville obteve resultados diferentes.

Os experimentos com RMN dos domínios TM/CT β1 e TM/CT β3 revelaram: i) que as duas proteínas possuem diferenças estruturais entre si; a α-hélice de TM/CT β3 que atravessa a membrana se estende para fora desta a uma distância correspondente a 16 aminoácidos, enquanto para TM/CT β1 essa distância se estende para 8 aminoácidos apenas. Essa pequena diferença, que a princípio não parece tão relevante, pode ter implicações importantes em como o domínio citoplasmático interage com a face interna da membrana plasmática e com outras proteínas associadas a ela. Além disso, as mutações nos resíduos de lisina conservados nas duas subunidades não provocaram alterações significativas na topologia da proteína inserida na membrana, o que confronta diretamente os resultados obtidos por Kim anteriormente. Os experimentos foram refeitos utilizando-se exatamente as mesmas condições que o estudo anterior e constatou-se que as alterações topológicas observadas no estudo de 2012 resultavam de um artefato de técnica pelo uso de uma sonda paramagnética positiva que pode alterar a estrutura da molécula na qual ela se liga. Sendo assim, o resíduo de lisina conservado não é verdadeiramente responsável pela inclinação de 25° observada em estudos anteriores para nenhumas das duas subunidades experimentadas.

Em relação à ativação das integrinas, os resultados obtidos por titulação assistida por RMN e fluorescência anisotrópica demonstraram que a substituição da lisina-716 por um ácido glutâmico da subunidade β3 diminuiu sua afinidade pela subunidade αIIb, tornando a integrina como um todo mais propensa à ativação. Resultados semelhantes foram observados no mesmo experimento de titulação com as subunidades α5 e β1, mas resultados opostos nos experimentos com α1β1 e α2β1; de acordo com a interpretação dos autores do estudo, estes dois últimos dímeros possuem interações entre si tão fracas que podem sugerir que em condições fisiológicas estas integrinas estão em um estado constitutivamente ativo.  Dessa forma, fica claro que, enquanto a integrina αIIbβ3 depende de sua ativação regulada pelo resíduo de lisina conservado, subtipos de integrina β1 (α1 e α2) podem estar constitutivamente ativas, e que sua regulação pode se dar por uma via diferente da observada para a subunidade β3.

O fato de os experimentos estruturais terem sido feitos com modelos artificiais de membrana e com as subunidades β sem o domínio EC não permite fazer uma extrapolação muito grande em relação ao que seria o comportamento das subunidades TM/CT em uma membrana celular real, na qual a constituição lipídica difere do modelo utilizado e existem outras moléculas com as quais esses domínios podem interagir. Além disso, o estudo não contém experimentos celulares robustos mostrando como substituição da lisina-716 por um ácido glutâmico da subunidade β3 poderia influenciar vias de sinalização downstream as integrinas. No entanto, os experimentos apresentados no paper já bastam para definir as diferenças estruturais entre as duas subunidades e que possíveis diferenças funcionais se devem às “preferências conformacionais” assumidas pelos respectivos domínios CT (afinidade e seletividade por diferentes moléculas citoplasmáticas).

 Referências

  1. Lu, Z. et al. eLife 5, 1-30 (2016).
  2. Xiao, T. et al. Nature 432, 59-67 (2004).
  3. Kim, C. Nature 481, 209-213 (2012).