El queratán sulfato (KS), también llamado queratosulfato es un glicosaminoglicano (carbohidratos estructurales) sulfatado encontrado especialmente en el ser humano en la córnea, cartílago y hueso. Se sintetiza en el sistema nervioso central donde participa en el desarrollo y en la formación de la cicatriz glial tras una lesión. Las moléculas de queratán sulfato son grandes, moléculas altamente hidratadas que pueden actuar en las articulaciones como amortiguador para absorber el shock mecánico.

En los últimos 5 años se ha visto un marcado incremento en la investigación de queratán sulfato (KS) y un incremento en nuestro entendimiento acerca del rango de moléculas que llevan este polisacárido adaptable. Más de 15 KS unidos a proteínas se han identificado y diversos de los genes codificantes de estas se han clonado. Las moléculas que contienen KS se han identificado en numerosos tejidos epiteliales y neurológicos en los cuales la expresión de KS responde a un desarrollo embrional, variaciones fisiológicas y para minimizar una herida. Un cultivo de células de la córnea ha desarrollado un sistema en el cual la biosíntesis de KS se mantiene. Se ha hecho progreso hacia la identificación de glicosil i sulfotranserasas responsables de la biosíntesis de KS. Un ratón knock-out del KS-proteoglicano en córnea ha supuesto el primer soporte experimental de la función de la KS en la transparencia de la córnea. Esta evidencia también se ha presentado apoyando a roles funcionales del KS en el reconocimiento celular de ligandos proteicos, de guía axonal, motilidad celular y en la implantación del embrión. Estos descubrimientos han servido para expandir el concepto de qué es el queratán sulfato y los roles potenciales que puede jugar en los diversos tejidos celulares.

Historia

Queratán sulfato fue identificado en 1939 por Suzuki en extractos de córnea (Suzuki, 1939), y en la década de los 50 gracias a los esfuerzos de Karl Meyer (quien introdujo el nombre de queratosulfato) y otros, caracterizaron este material como un polímero lineal de lactosamina, 3-Galactosa-β1+4-N-Acetilglucosamina-β1, sulfatado en el carbono 6 de las dos hexosas.Meyer, K., Linker, A., The mucopolysaccharides of the cornea. J. Biol. Chem., 205, 611-616. Tras décadas desde su inicial caracterización, el interés sobre el queratán sulfato no ha menguado nunca. De hecho, desde 1970 hasta la mitad de los 90, la publicación anual de artículos con queratán sulfato como tema principal ha crecido casi 5 veces más.Haschall, V.C. (1982) Structure biosynthesis of proteoglycans with keratan sulfate. Prog. Clin. Biol. Res., 110B, 3-15 Diversas revisiones previas han examinado la estructura y biosíntesis de KS desde 1991.

Estructura del queratán sulfato

Clases de KS

Originalmente, las designaciones de KSI y KSII se basaban en las diferencias entre el KS de la córnea y el de cartílago. El KS de la córnea presenta enlaces N con los residuos de Asparagina (Asn) en el núcleo de la proteína, mientras que el KS del cartílago presenta enlaces O con residuos de Serina (Ser) y Treonina (Thr). Estas estructuras de unión, sin embargo, no son específicas del tejido en su localización. Las designaciones clásicas se utilizan actualmente respecto a la estructura de unión, no a la localización del tejido. Así, el término KSI incluye todas las moléculas de KS unidas a Asn, y KSII se utiliza para referirse a todas las KS unidas a una proteína mediante GalNAc-O-Ser/Thr. Un tercer tipo de unión de KS (Man-O-Ser) se ha identificado que puede ser considerado como KSIII.Krusius, T., Finne, J., Margolis, R.K. (1986) Identification of an O-glycosidic mannose-linked sialylated tetrasasaccharide and keratan sulfate oligosaccharide in the condroitin sulfate proteoglycan of brain. J. Biol. Chem., 261, 8237-8242

KSI de córnea

thumb|300px|Distrofia macular corneal. Imagen de microscopio óptico donde se muestra un paciente con MCD tipo I (izquierda) mostrando una reactividad normal (marrón) al estroma corneal al anticuerpo anti-queratán sulfato.KS de la córnea es el prototipo de KSI y es el más caracterizado. La cantidad de KS en la córnea es más de 10 veces que en el cartílago y es de 2 a 4 órdenes de magnitud más grande que el KS encontrado en otros tejidos. La unión de KS de la córnea a proteínas suponte un tipo de complejo bicatenario de oligosacáridos con enlaces N a asparagina en el núcleo de la proteína. Análisis de una subreaccion de KS de la córnea porcina altamente purificada encontró que la cadena de KS solo s extiende en la rama C3 acabando con una única lactosamina unida a ácido siálico.

Otras citaciones sugieren que las ramas C3 de la unión de oligsacáridos se pueden extender con cadenas de KS además de las ramas de C6. Análisis estructurales de las uniones de KS de la córnea de mono no encontraron evidencia que el C3 acababa con ácido siálico.Oeben, M., Keller, R., Stuhlsatz, H. W. (1987) Constant and variable domains of different disaccharide structure in corneal keratan sulphate chains. Biochem. J., 248, 85-93. Evidencias para la extensión de dos cadenas (bicatenarias) de la unión del oligosacárido también se aportó a partir de la comparación del peso molecular de KS bovino secretado por N-glicanasa (por ejemplo con una unión de oligosacáridos intacta) con la largada de la cadena. Además, ni la síntesis de KS de la córnea ni de KS de la fibromdulina, un proteoglicano del cartílago unido de forma N a la KSI, se bloquean completamente con swainsonina, un inhibidor del procesamiento del brazo C6 del oligosacárido precursor, implicando que KS se ha de extender en el brazo C3 del núcleo de manosa.

Esta evidencia para la extensión bicatenaria de la unión de KSI también está apoyada por experimentos que sugieren que tanto las extensiones mono/bicatenarias de la unión pueden suceder en KSI y que la localización del sitio en el núcleo de la proteína puede influir el tipo de extensión. Heterogeneidad también se ha visto en la modificación de la región de unión de ZP3, una proteína de la zona pelúcida sustituida por KS con uniones N. en estas proteínas KS puede modificar tanto el brazo C3, el C6 o ambos de la unión bicatenaria del oligosacárido.

Oeben encontró que la sulfatación de una fracción purificada de KS de la córnea porcina estaba distribuida según un patrón no aleatorio distinto. Los disacáridos más próximos a la terminación reducida se encontró que no estaban sulfatados, a continuación una serie se encuentra de dominios donde los disacáridos solo se sulfatan en la mitad de GlcNAc.Funderburgh,J.L., Brown,S.J. (1993). Sequence and structural imlplications of a bovine keratan sulfate proteoglycan core protein. J.Biol. Chem. 268, 11874-11880 El extremo no reducido de la cadena de KS de córnea de porcino consiste en un dominio de longitud variable (8-34) de solamente disacáridos disulfatados. Este dominio altamente sulfatado es responsable de la heterogeneidad en la carga y tamaño característicos de la KS de la córnea. También existe la idea de que la N-sulfatación de GlcN puede ocurrir en el dominio altamente sulfatado de KS de la córnea. El extremo no reductor de cada cadena está envuelto de una variedad de estructuras. En la KS de córnea de bovino, aproximadamente el 70% de las cadenas de la córnea acaban con ácido neuramínico, el resto con βGalNAc o α-Gal.

KSI no córnica

Fibromodulia, PRELP, y osteoadherina son proteínas de cartílago y de hueso modificadas con una cadena de KS unida en la forma N. Diversas proteínas de la zona pelúcida del ovario llevan carbohidratos considerados KS. El proteoglicano agrecano del cartílago también contiene 2-3 cadenas de KS unidas de forma N además de 20 o más unidas de forma O. La KS unida en forma N también se ha aislado de la dermis de caballo. Además de estos ejemplos de KSI no córnica, lactosamina sulfatada aparece ser un componente común de la superficie celular y de las glicoproteínas extracelulares. Alguna de esta sulfatación incluye la unión O de estructuras x de Lewis, que difieren de la KS en que son sulfatadas solo en el término no reducido y son fucosiladas en el extremo GlcNAc.Hemmerich, S., Leffler, H. and Rosen, S. D. (1995) Structure of the O-glycans in GlyCAM-1, an endothelial-derived ligand for L-selectin. J. Biol. Chem., 270, 12035-12047 Estructuras de otros lactosaminoglicanos sulfatados aún están por caracterizarse, y parece probable que alguno se encuentre que sea KS. Aunque la unión de KSI no es específico de tejido, otras características de KS en tejidos no córnicos difieren del modelo córnicos. Las cadenas de KS en fibromodulina y osteoadherina son relativamente cortas (8-9 disacáridos) y están más sulfatadas que el KS en la córnea. KS en fibromodulina carece de la clara estructura de dominio de KS córnica, pero como el KS de la córnea interviene en la sulfatación de Gal reducida cerca el extremo reductor. Grupos unidos al extremo no reductor de la fibromodulina del KS son más típicos que aquellos en el KS del cartílago que los de la córnea. La estructura del KS puede ser redactada primeramente por factores específicos del tejido, como glicosiltransferasas más que el tipo de unión al núcleo proteico.

KSII

Las cadenas son más cortas que el KS de la córnea (5-11 disacáridos) y carecen de la estructura dominio característica. El KSII del cartílago esta altamente sulfatado, consistiendo casi por completa de monómeros disulfatados interrumpidos ocasionalmente por un monómero de lactosamina monosulfatado. La unión a la proteína es mediante serina o treonina y requiere un tipo de mucina “núcleo 2” oligosacárido. La sialilación de Gal está unida al C3 de la unión de GalNAc es solo parcial. Las cadenas de KSII están unidas por ácido siálico en el C3 y C6 del GlcNAc terminal. La fucosa unida α también es presente en el C3 del GlcNAc sulfatado a través de la cadena pero no en las cuatro mitades de hexosas en el extremo no reductor. Esta característica distingue moléculas de KS de las de Lewis X (Lex) antígenos los cuales son fucosilados en el penúltimo GlcNAc del extremo no reducido. Estas glicoformas parecidas al KS están presentes en la superficie endotelial de células y sirven como ligandos de selectinas.Tangemann, K., Bistrup, A., Hemmerich, S. and Rosen, S. D. (1999) Sulfation of a high endothelial venule- expressed ligand for L-selectin. Effects on tethering and rolling of lymphocytes. J. Exp. Med., 190, 935-942. El KS del cartílago traqueal no presenta fucosilación del GlcNAc interno, y presenta solo (2→3) ácido siálico unido al final de la cadena. Así, las actividades de las glicotransferasas específicas de tejido y no la secuencia primaria de la proteína parecen ser grandes determinantes de la estructura de la cadena de KSII y de sus moléculas asociadas.

Uniones O entre KS y Man (KSIII)

Un tercer tipo de unión entre KS y proteínas se ha descrito en proteoglicanos de cerebro.Krusius, T., Finne, J., Margolis, R. K. (1986) Identification of an O-glycosidic mannose-linked sialylated tetrasaccharide and keratan sulfate oligosaccharides in the condroitin sulfate proteoglycan of brain. J. Biol. Chem., 261, 8237-8242 Estas cadenas de KS están unidas a Ser/Thr en el núcleo de la proteína mediante manosa, por ejemplo KS-Man-O-Ser. Esta unión parece estar presente en KS fosfórica, en cambio, la caracterización completa de las proteínas en las cuales Man-O-Ser unidas a KS está pendiente.

Biosíntesis de KS

Enzimas biosintéticos