Las Glutatión S-transferasas (GST) son una familia de isoenzimas metabólicas eucariotas y procariotas de fase II, conocidas por su capacidad para catalizar la conjugación de forma reducida de glutatión a sustratos xenobióticos con fines de desintoxicación. La familia consta de tres superfamilias: proteínas citosólicas, mitocondriales y microsómicas. Los miembros de las GST son extremadamente diversos en su secuencia de aminoácidos. Una porción considerable de las secuencias que constan en las bases de datos públicas tienen una función aún desconocida.
Las glutatión S-transferasas pueden constituir hasta el 10% de la proteína citosólica en algunos órganos de los mamíferos. Catalizan la conjugación de glutatión, a través de un tiol, con centros electrofílicos de una amplia variedad de sustratos, aumentando la solubilidad en agua de los compuestos. Su actividad desintoxica compuestos endógenos como lípidos oxidados y permite la descomposición de los xenobióticos. También pueden unirse a las toxinas y funcionar como proteínas de transporte, lo cual dio lugar a su primera denominación, ligandinas.
Clasificación
La secuencia y estructura de proteínas son criterios fundamentales para la clasificación de las tres superfamilias (citosólicas, mitocondriales y microsómicas) de Glutatión S-transferasas: Las clases de la familia citosólica poseen más del 40% secuencias homólogas en comparación con las demás, que tienen menos del 25%. Las GST citosólicas se dividen en 13 clases según su estructura: alfa, beta, delta, épsilon, zeta, theta, mu, nu, pi, sigma, tau, phi y omega. Las mitocondriales se encuentran en la clase kappa. Las microsómicas constan de subgrupos designados del I al IV, entre los cuales las secuencias de aminoácidos comparten menos del 20% de homología.
Las glutatión S-transferasas presentes en humanos pertenecen a las clases alfa, zeta, theta, mu, pi, sigma y omega. También se tiene constancia de la existencia de seis isoenzimas de las clases I, II y IV.
Nomenclatura
La primera nomenclatura estandarizada para identificar a las glutatión S-transferasas fue propuesta en 1992. En ella, primero se identifica con una letra minúscula la especie a la que pertenece la isoenzima objeto de estudio (por ejemplo, "h" para humanos), seguida de la abreviatura GST. A continuación, la clase se identifica con una letra mayúscula (por ejemplo, "A" para alfa), seguida del número representativo de la subfamilia. Dado que tanto los GST mitocondriales como los citosólicos existen como dímeros y solo se forman heterodímeros entre miembros de la misma clase, el segundo componente de la subfamilia del dímero enzimático se denota con un guion, seguido de otro número adicional. Por tanto, si una GST humana es un homodímero de la subfamilia de clase Pi 1, su nombre se escribirá como «hGSTP1-1».
La nomenclatura temprana para los GST se refirió a ellos como proteínas "Y", refiriéndose a su separación en la fracción "Y" (a diferencia de las fracciones "X y Z") utilizando la cromatografía de Sephadex G75. A medida que se iban identificando nuevas subunidades, estas se iban nombrando con la denominación Ya, Yp, etc. Si era necesario, este se acompañaba de un número identificativo de la isoforma del monómero (por ejemplo, Yb1).
En el ámbito de la química clínica y la toxicología, los términos αGST, μGST y πGST son los más utilizados.
Estructura
El sitio de unión al glutatión, o "Sitio G", se encuentra en el dominio similar al de la tiorredoxina en las glutatión S-transferasas citosólicas y mitocondriales. La región que contiene la mayor variabilidad entre las clases es la de la hélice α2, donde uno de los tres residuos de aminoácidos diferentes interactúa con el residuo de glicina del glutatión. Se han caracterizado dos subgrupos de GST citosólicos en función de su interacción con el glutatión: el grupo Y-GST, que utiliza residuo de tirosina para activar el glutatión, y el S/C-GST, que en su lugar utiliza residuos de serina o cisteína.
Las enzimas porcinas de clase pi pGTSP1-1 fue la primera GST en tener su estructura determinada, y es representativa de otros miembros de la superfamilia GST citosólica, que contienen un dominio similar a las tiorredoxinas N-terminales así como un dominio C-terminal que consiste en hélices alfa.
Las GST citosólicas de los mamíferos son diméricas, con ambas subunidades pertenecientes a la misma clase, aunque no necesariamente idénticas. Los monómeros tienen un tamaño de aproximadamente 25 kDa. Están activos sobre una amplia variedad de sustratos con una superposición considerable.
En la siguiente tabla se enumeran todas las enzimas GST de cada clase de las que se tiene constancia de su existencia en humanos en el repositorio UniProt.
Clases de GST GST miembros de la clase en Homo sapiens (22) Alfa GSTA1, GSTA2, GSTA3, GSTA4, GSTA5 Delta Kappa GSTK1 Mu GSTM1, GSTM1L (RNAi), GSTM2, GSTM3, GSTM4, GSTM5 Omega GSTO1, GSTO2 Pi GSTP1 Theta GSTT1, GSTT2, GSTT4 Zeta GSTZ1 (MAAI-Maleylacetoacetato isomerasa) Microsómicas MGST1, MGST2, MGST3
Función
La actividad de las glutatión S-transferasas depende de un suministro constante de glutatión de las enzimas sintéticas ligasa glutamato-cisteína y glutatión sintetasa, así como de la acción de transportadores específicos para eliminar conjugados de glutatión de la célula. El papel principal de las GST es desintoxicar los xenobióticos catalizando el ataque nucleófilo por glutatión en átomos electrófilos de carbono, azufre o nitrógeno de dichos sustratos xenobióticos no polares, evitando así su interacción con proteínas celulares cruciales y ácidos nucleicos. En este cometido, su función es doble: unirse tanto al sustrato en el sitio hidrofóbico H de la enzima como al glutatión en el sitio G hidrofílico adyacente, que juntos forman el sitio activo de la enzima; y posteriormente activar el grupo tiol del glutatión, permitiendo el ataque nucleofílico al sustrato. La molécula de glutatión se une en una hendidura entre los dominios terminales N y C; los residuos catalíticamente importantes residen en el dominio terminal N. Ambas subunidades del dímero, ya sean de naturaleza heterodimérica u homodimérica, contienen un solo sitio de unión sin sustratos, así como un sitio de unión al glutatión. Sin embargo, en GST complejas heterodiméricos como las formados por las clases citosólicas mu y alfa, la hendidura entre las dos subunidades alberga un sitio adicional de unión xenobiótica sin sustrato de alta afinidad, que puede explicar la capacidad de las enzimas para formar heterodímeros.
Los compuestos a los que se dirigen de esta forma las glutatión S-transferasas abarcan una amplia gama de toxinas ambientales o exógenas de todo tipo, incluyendo agentes quimioterapéuticos y otros medicamentos, pesticidas, herbicidas, carcinógenos, y epóxidos derivados de forma variable. De hecho, las GST son responsables de la conjugación de β1-8,9-epóxido, un intermediario reactivo formado por aflatoxina B1, que es un medio crucial de protección contra la toxina en roedores. Las reacciones de desintoxicación comprenden los primeros cuatro pasos de la síntesis de ácido mercaptúrico, con la conjugación a glutatión que sirve para hacer que los sustratos sean más solubles y permitir que sean eliminados de la célula por transportadores como la proteína 1 multirresistente (MRP1). Después de la exportación, los aductos se convierten en ácidos mercaptúricos y se excretan a través de orina o bilis.
La mayoría de las isoenzimas de mamíferos tienen afinidad por el sustrato 1-cloro-2,4-dinitrobenceno, y los ensayos espectrofotométricos que utilizan este sustrato se utilizan comúnmente para informar sobre la actividad de las GST. Sin embargo, algunos compuestos endógenos, por ejemplo, la bilirrubina, pueden inhibir la actividad de las GST. En los mamíferos, las isoformas tienen distribuciones específicas de las células (por ejemplo, α-GST en los hepatocitos y π-GST en el tracto biliar del hígado humano). Las glutatión S-transferasas también tienen un papel en la bioactivación del profármaco clopidogrel.
Rol en la comunicación celular
Aunque son más conocidos por su capacidad para conjugar xenobióticos con glutatión y con ello desintoxicar los entornos celulares, las Glutatión S-transferasas también son capaces de unirse a ligandos de no sustrato, con importantes implicaciones en la comunicación celular. Se ha demostrado que las isoenzimas GST de varias clases inhiben la función de la quinasa involucrada en la vía MAPK/ERK que regula la proliferación celular y la muerte celular programada, evitando que la quinasa lleve a cabo su cometido en facilitar la comunicación.
La GSTP1-1 citosólica, una isoenzima de la familia de las Glutatión S-transferasas presente en mamíferos, se expresa principalmente en los tejidos cardíacos, pulmonares y cerebrales; de hecho, es la GST que se expresa de forma más común fuera del hígado. Basándose en su sobreexpresión en la mayoría de las líneas celulares tumorales humanas y prevalencia en tumores resistentes a la quimioterapia, existen indicios de que la GSTP1-1 juega un papel en el desarrollo del cáncer y en su potencial resistencia al tratamiento con fármacos. Otra evidencia de esto se fundamenta en el conocimiento de que la GSTP1 puede inhibir selectivamente la fosforilación de C-Jun por las cinasas c-Jun N-terminal (JNK), previniendo la apoptosis. Durante los momentos de bajo estrés celular, se forma un complejo a través de interacción proteína-proteína entre GSTP y el extremo C de las JNK, previniendo eficazmente la acción de estas y, por lo tanto, su inducción de la vía JNK. El estrés oxidativo celular causa la disociación del complejo, la oligomerización del GSTP y la inducción de la vía JNK, lo que resulta en apoptosis. La conexión entre la inhibición del GSTP de la vía JNK proapoptótica y la sobreexpresión de la isoenzima en células tumorales farmacorresistentes puede explicar en sí misma la capacidad de las células tumorales para escapar de la apoptosis mediada por medicamentos que no son sustratos del GSTP.
Al igual que la GSTP, la GSTM1 (GSTM1) está involucrada en la regulación de las vías apoptóticas a través de interacciones directas proteína-proteína, aunque actúa en ASK1, que está por encima de JNK. El mecanismo y el resultado son similares a los anteriormente decritos, ya que la GSTM1 secuestra ASK1 a través de formación compleja y evita su inducción de las porciones proapoptóticas p38 y JNK de la vía de comunicación MAPK. Al igual que el caso anterior, la GSTM1 interactúa con su pareja en ausencia de estrés oxidativo, aunque ASK1 también está involucrado en la respuesta al choque térmico, que también se previene durante el secuestro de ASK1. El hecho de que los altos niveles de GST estén asociados con la resistencia a la apoptosis inducida por una serie de sustancias, incluidos los agentes quimioterapéuticos, apoya su supuesto papel en la prevención de la comunicación MAPK.
Así, la investigación ha acrecentado la evidencia de que las Glutatión S-transferasas, y en particular la GSTP están involucradas en el desarrollo del cáncer y en la resistencia quimioterapéutica. El vínculo entre el GSTP y el cáncer es más evidente en la sobreexpresión del GSTP en muchos cánceres, pero también está respaldado por el hecho de que el fenotipo transformado de células tumorales está asociado con vías de quinasa reguladas aberrantemente y la adicción celular a proteínas sobreexpresadas. El hecho de que la mayoría de los medicamentos contra el cáncer sean sustratos pobres para GSTP indica que el papel del GSTP elevado en muchas líneas celulares tumorales no es desintoxicar los compuestos, sino que debe tener otro propósito; esta hipótesis también es acreditada por el hallazgo común de sobreexpresión de GSTP en líneas celulares tumorales que no son resistentes a fármacos.
Importancia clínica