La ubicuitina, ubiquitina o ubicuina es una pequeña proteína reguladora que ha sido encontrada en la mayoría de los tejidos de los organismos eucariotas. Una de sus muchas funciones es dirigir el reciclaje de proteínas. La ubicuitina puede asociarse a proteínas y marcarlas para su destrucción. El marcaje de ubicuitina dirige las proteínas al proteasoma, que es un gran complejo de proteínas que encontramos en la célula y que degrada y recicla proteínas innecesarias. Este descubrimiento ganó el premio Nobel en química en 2004.
Identificación
La ubicuitina (originalmente, polipéptido ubicuo inmunopoyético) fue identificada en 1975 como una proteína de 8.5 kDa, de función desconocida, expresada en todas las células eucariotas. Las funciones básicas de la ubicuitina y los componentes de la vía de la ubicuitinización fueron aclaradas a principios de los años 1980 con el innovador trabajo realizado en el Fox Chase Cancer Center con Aaron Ciechanover, Avram Hershko, y Irwin Rose, por el cual recibieron el premio Nobel de Química en 2004.
El sistema de ubicuitinización fue caracterizado al principio como un sistema proteolítico de ATP-dependencia presente en extractos celulares. Un polipéptido de calor estable presente en estos extractos, el factor 1 proteolítico ATP-dependiente (APF-1), fue encontrado en el proceso ATP (y Mg2+) dependiente de unión covalente del sustrato proteico a la lisoenzima. Diversas moléculas APF-1 se asocian a un solo sustrato molecular por un acoplamiento isopéptídico, y los conjugados que forman son rápidamente degradados con la liberación de APF-1. Poco después que la conjugación proteica APF-1 fuera caracterizada, la APF-1 fue identificada como ubicuitina. El grupo carboxilo (COOH) del residuo de glicina del carboneo terminal de ubicuitina (Gly76) fue identificado como la mitad conjugada al sustrato de los residuos de lisina.
La proteína
thumb|right|210px|Modelo de bolas de la ubicuitina. En gris, los átomos de carbono; en azul, los de nitrógeno, y en rojo, los de oxígeno.
+ Propiedades de la ubicuitina (en humanos) Número de residuos 76 Masa molecular 8564.47 Da Punto isoeléctrico (pI) 6.79 Nombre de los genes RPS27A (UBA80, UBCEP1), UBA52 (UBCEP2), UBB, UBC
La ubicuitina es una pequeña proteína que existe en todas las células eucariotas. Esta realiza sus funciones gracias a la conjugación con una gran gama de proteínas diana. La ubicuitina está formada de 76 aminoácidos y tiene una masa molecular de aproximadamente 8.5 kDa. Entre sus características importantes se distinguen su cola C-terminal y los 7 residuos de lisina. Su estructura está sumamente conservada en el linaje eucariota: la ubicuitina del ser humano y la ubicuitina de la levadura comparten un 96 % de la secuencia identificadora de aminoácidos.
La secuencia humana de la ubicuitina, en el código de una letra, (los residuos de lisina, en negrita) es la siguiente:
MQIFVKTLTGKTITLEVEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG
Los genes
En los mamíferos, la ubicuitina está codificada por 4 genes diferentes. El UBA52 y el RPS27A son los genes que codifican las copias de ubicuitina que se acoplan a las proteínas ribosómicas L40 y S27a (respectivamente) para su traducción. También encontramos el UBB y el UBC, que son codificadores de proteínas precursoras de la poliubicuitina.
El origen
No se conoce ninguna ubicuitina ni la maquinaria de ubicuitinización necesaria en las células procariotas. Sin embargo, la ubicuitina se cree que desciende de proteínas procariotas similares a ThiS o MoaD. Estas proteínas procariotas, a pesar de tener poca secuencia de identificación (ThiS contiene únicamente un 14 % de secuencia identificadora respecto la ubicuitina), comparten la misma conformación proteica. Además comparten también química del azufre con la ubicuitina. Así, el MoaD, que está implicado en la biosíntesis del cofactor molibdeno, interacciona con el MoeB, que actúa como una enzima E1 de activación de la ubicuitina para MoaD, reforzando la asociación entre estas proteínas procariotas y el sistema de ubicuitina. Un sistema similar es el que existe para el ThiS, con su enzima E1 ThiF. Así, también se cree que la proteína Urm-1 de la levadura Saccharomyces cerevisiae, que es un modificante asociado a la ubicuitina, es " un fósil molecular " que conecta la relación evolutiva entre las proteínas procariotas similares a la ubicuitina y dicho polipéptido.
La ubicuitinización
La ubicuitinización es un proceso enzimático de modificación proteica postraduccional (PTM) en el cual el ácido carboxílico de la glicina terminal (que encontramos en el motivo de di-glicina de la ubicuitina activada) forma un enlace amida con el grupo amino épsilon de la lisina en la proteína modificada. El proceso de marcar una proteína con ubicuitina (ubicuitinización) consta de una serie de pasos: Activación de la ubicuitina: la ubicuitina es activada en una reacción de dos pasos por una enzima activadora de ubicuitina en un proceso que requiere ATP como fuente de energía. El paso inicial implica la producción de un producto intermedio adenilil-ubicuitina. El segundo paso consiste en transferir la ubicuitina al centro activo del E1, concretamente uniéndose al residuo de cisteína, con la liberación de AMP. Este paso se realiza mediante un acoplamiento tioéster entre el carbono terminal del grupo carboxilo de la ubicuitina y el grupo sulfhidrilo o tiol (-SH) de la cisteína del E1. Transferencia de la ubicuitina del centro activo del E1 a una enzima E2 de conjugación de ubicuitina a través de una reacción de transtioesterificación. Los genomas de los mamíferos contienen entre 30 y 40 UBCs. El paso final de la cascada de ubicuitinización crea un enlace isopeptídico entre una lisina de la proteína diana y la glicina del carbono terminal de la ubicuitina. En general, este paso requiere la actividad de uno de los cientos de enzimas ligasas E3 de ubicuitina (a menudo llamada simplemente ligasa de ubicuitina). Las enzimas E3 funcionan como los centros de reconocimiento del sustrato del sistema y son capaces de interaccionar tanto con el E2 como con el sustrato. En la cascada de ubicuitinización, la enzima E1 puede unirse con docenas de enzimas E2, que pueden a su vez unirse con unos cientos de enzimas E3 de un modo jerárquico. Otras proteínas similares a la ubicuitina (como las ULPs) también se modifican a través de la cascada E1-E2-E3.
En la imagen podemos ver gráficamente el proceso de ubicuitinización descrito.
thumb|centre|450px|El sistema de ubicuitinización.
Enzimas E3 Las enzimas E3 poseen uno de los siguientes posibles dominios: El dominio HECT (Homólogo al E6-AP Carboxilo Terminal)Con acción de reconocimientos. El dominio RING (Nuevo Gen Realmente Interesante) o el tan estrechamente relacionado dominio U-box. con acción ligasa.
Cuatro tipos: tipo HECT, tipo U-box, tipo RING-finger, tipo RBR.
Así, la transferencia e interacción puede ocurrir de dos modos: Directamente de la enzima E2, catalizada por el dominio RING. Vía una enzima E3, catalizada por el dominio HECT. En este caso se forma un intermediario con la unión covalente entre la E3 y la ubicuitina, antes de la transferencia de la ubicuitina a la proteína sustrato.
El complejo de promoción de la anafase (APC) y el complejo SCF (por Skp1-Cullin-F-complejo proteico de caja –o box-) son dos ejemplos de subunidades de las E3 involucradas en el proceso de reconocimiento y ubicuitinización de proteínas diana específicas para su degradación en el proteasoma.
Función y modificación de las distintas ubicuitinas
Después de la adición de una sola ubicuitina a un sustrato proteico (monoubicuitinización), más moléculas de ubicuitina pueden ser añadidas a la proteína en cuestión, produciendo una cadena proteica poliubicuitinizada. Además, hay que destacar que algunos sustratos son modificados con la adición de dichas moléculas de ubicuitina a los múltiples residuos de lisina de la proteína diana en un proceso llamado multiubicuitinización.
La ubicuitina posee un total de 7 residuos de lisina. En un principio los tipos de cadenas de ubicuitina identificadas eran aquellos unidos por vía lisina-48. Sin embargo, un trabajo más reciente ha dado a conocer una amplia variedad de acoplamientos que implican a todos los residuos posibles de lisina y además cadenas unidas al extremo amino terminal de una ubicuitina (también llamadas “cadenas lineales”). El trabajo, publicado en 2007, ha demostrado la formación de cadenas de ubicuitina con bifurcaciones que contienen múltiples tipos de unión. Hay que destacar además que se han encontrado cadenas de ubicuitina "atípicas" (sin unión a lisina-48) y han sido publicadas en una revista por Ikeda y Dikic.
El sistema de ubicuitinización funciona en una gran variedad de procesos celulares, incluyendo:
Procesación de antígenos Apoptosis Biogénesis de las organelas Ciclo celular y división Transcripción y reparación del ADN Diferenciación y desarrollo Respuesta inmunológica e inflamación Degeneración muscular y neuronal Morfogénesis de las redes neuronales Modulación de los receptores de la superficie celular, canales iónicos y vías de secreción Respuesta al estrés y a moduladores extracelulares Biogénesis ribosómica Infección viral
Cadenas vinculadas a lisina
La cadenas poliubicuitinizadas más estudiadas (las unidas a lisina-48) marcan proteínas para su posterior destrucción, proceso llamado proteólisis. Al menos cuatro moléculas de ubicuitina tienen que estar unidas a residuos de lisina de la proteína a destruir para que esta sea reconocida por la proteína 26S. Las cadenas unidas a la lisina 63 dirigen la localización de las proteínas. La monoubicuitinización de las proteínas también marca la localización de las proteínas. El proteasoma o proteosoma es un complejo, con estructura en forma de barril y dos cámaras en su interior, donde la proteólisis tiene lugar. Las proteínas son degradadas rápidamente en pequeños péptidos (normalmente de 3 a 24 residuos aminoacídicos de longitud). Las moléculas de ubicuitina se escinden de la proteína inmediatamente antes de la destrucción y son recicladas para un uso posterior. Aunque la mayoría de los substratos que van a degradarse al proteasoma son ubicuitinizados, existen algunas proteínas que no son ubicuitinizadas y que sin embargo se destinan también al proteasoma.
Monoubicuitinización
La ubicuitina puede marcar también a proteínas transmembrana (por ejemplo a los receptores) para su extracción desde las membranas y cumplir varios papeles de señalización dentro de la célula. Las moléculas transmembrana de la superficie celular que están marcadas con ubicuitina están a menudo monoubicuitinizadas, y esta modificación altera la localización subcelular de la proteína, marcando normalmente la proteína para la destrucción en los lisosomas.
Las histonas están normalmente monoubicuitinizadas y asociadas con la señalización o el marcaje estructural.
Otros tipos de cadenas
La ubicuitina tiene siete residuos de lisina que pueden servir como puntos de poliubicuitinización, que son: K48, K63, K6, K11, K27, K29 y K33. Estos puntos de unión pueden definir y determinar señales únicas que son reconocidas por proteínas de unión a la ubicuitina, las cuales tienen motivos de interacción con la ubicuitina (UIM) con los que se unen a la propia molécula proteica. Se cree que las distintas uniones son reconocidas por proteínas que son específicas para reconocer la topología intrínseca del enlace. Un ejemplo es la unión K63, conocida por estar implicada en el reconocimiento del ADN dañado en zonas de rotura de la doble cadena helicoidal del material hereditario. La unión K63 parece estar colocada en la histona H2AX por el par de ligasas E2/E3, Ubc13-Mms2/RNF168. Esta cadena de K63 aparece para elegir RAP80, que contiene UIM, y así RAP80 ayuda a localizar BRCA1. Esta vía elegirá las proteínas necesarias para la reparación de la recombinación homóloga.