Tráfico vesicular, un viaje épico de las proteínas hacia la membrana

Angélica Concepción Martínez-Navarro¹ iD, Alejandra Chamorro-Flores¹ iD, Grissel Vázquez-Bustos¹ iD, Selma Ríos-Meléndez¹ iD, Miguel Ángel Villalobos-López¹ iD, Omar Pantoja²* iD, Analilia Arroyo-Becerra¹**iD

¹Centro de Investigación en Biotecnología Aplicada-Instituto Politécnico Nacional, Ex-Hacienda San Juan Molino, carretera estatal Tecuexcomac-Tepetitla Km. 1.5 Tepetitla de Lardizábal, Tlaxcala, México, CP 90700. ²Instituto de Biotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México, Avenida Universidad 2001, Chamilpa, CP 62210, Cuernavaca, Morelos, México. *omar.pantoja@ibt.unam.mx; **alarroyo@ipn.mx

http://doi.org/10.5281/zenodo.7238038

Bajar cita (RIS): Martínez-Navarro et al., 2022 AyTBUAP 7(28):1-38

Editado por: Jesús Muñoz-Rojas (Instituto de Ciencias, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla)

Fecha de publicación: 14 noviembre 2022

EOI: https://eoi.citefactor.org/10.11235/BUAP.07.28.01

URI: https://hdl.handle.net/20.500.12371/16885

Referencia: Martínez-Navarro AC, Chamorro-Flores A, Vázquez-Bustos G, Ríos-Meléndez S, Villalobos-López MÁ, Pantoja O, et al. Tráfico vesicular, un viaje épico de las proteínas hacia la membrana. Alianzas y Tendencias BUAP [Internet]. 2022;7(28):1–38. Available from: https://www.aytbuap.mx/aytbuap-728/tráfico-vesicular-un-viaje-épico-de-las-proteínas-hacia-la-membrana

RESUMEN

La comunicación en las células eucariontes depende de un complejo sistema de membranas y varios mecanismos de tráfico intracelular en respuesta a señales externas e internas para controlar las respuestas fisiológicas. Las proteínas recién sintetizadas se envían a sus destinos celulares a través de dos tipos de procesos, uno basado en el péptido señal y el otro basado en el tráfico vesicular. El transporte de proteínas a través de vesículas ocurre en la vía secretora y la vía endocítica. El sistema de endomembranas funciona como una vía por la cual las vesículas se movilizan para llegar a su destino. Esta revisión brinda una descripción general de los mecanismos involucrados en el tráfico vesicular, incluidas las principales proteínas para la formación, división y fusión de vesículas, con énfasis general en las cubiertas de vesículas, proteínas SNARE, proteínas adaptadoras y receptores de selección de carga. Además, se dan a conocer ejemplos de defectos y enfermedades causadas por la inadecuada movilización de las proteínas en diferentes organismos con énfasis en humanos, lo que evidencia la importancia del tráfico vesicular. Finalmente se plantea un panorama de lo que falta por conocer y el potencial aporte del estudio de organismos adaptados a ambientes extremos.

Palabras clave: vesículas; transporte de proteínas; vía secretora; proteínas carga; receptores de carga.

ABSTRACT

Communication in eukaryotic cells depends on a complex membrane system and several intracellular trafficking mechanisms in response to external and internal cues to control physiological responses. Newly synthesized proteins are delivered to their cellular destinations through two types of processes, one based on signal peptide, and the other, based on vesicular trafficking. Transport of proteins through vesicles occurs along the secretory pathway and endocytic pathway. The endomembrane system functions as a track by which the vesicles are mobilized to reach their destination. This review gives an overview of mechanisms involved in vesicular trafficking including the main proteins for vesicle formation, cleavage, and fusion with overall emphasis on vesicle coats, SNARE proteins, adaptor proteins and cargo selection receptors. Additionally, examples of defects and diseases caused by the inadequate mobilization of proteins in different organisms, with emphasis on humans, are disclosed, which shows the importance of vesicular traffic. Finally, an overview of what remains to be known and the potential contribution of the study of organisms adapted to extreme environments is given.

Keywords: vesicles; protein transport; secretory pathway; cargo proteins; cargo receptors.

INTRODUCCIÓN

Las células eucariontes poseen un alto nivel de organización celular y compartimentación debido a la presencia de varios organelos que se encuentran separados por membranas, las cuales se componen principalmente de lípidos y proteínas. La comunicación dentro de la célula y entre diferentes células ocurre mediante la secreción e internalización selectiva de moléculas señalizadoras a través de la membrana celular. Las proteínas que forman parte de las membranas cuentan con regiones hidrofóbicas e hidrofílicas, es decir, son anfifílicas. Estas poseen, además, la capacidad de asociarse con los lípidos de la bicapa confiriendo las propiedades funcionales que caracterizan a los diferentes tipos de membranas y tipos de células.

Entre las membranas de los organelos celulares hay diferencias en cuanto a la proporción proteica que poseen, por ejemplo, el 75% de la masa total de las membranas de cloroplastos y mitocondrias está compuesta por proteínas, mientras que la membrana plasmática se considera que contiene un 50% de la proteína total de su masa estimada. De igual manera, existen diferentes tipos de proteínas con características, abundancia y funciones muy específicas que se encuentran delimitadas en regiones específicas de las membranas, tal es el caso de los dominios de membrana que se encuentran en regiones apicales, basales o laterales y que parecen estar restringidos por interacciones con el citoesqueleto cortical. Otro ejemplo son las balsas lipídicas, que son asociaciones de esfingolípidos, glicolípidos y colesterol, que establecen interacciones con proteínas específicas. Una característica importante de las proteínas de membrana es la forma en que se asocian o interactúan con la bicapa lipídica, la cual es muy variada; por ejemplo, hay proteínas que pueden atravesar la bicapa una o múltiples veces mediante regiones llamadas dominios transmembranales, mientras que otras son capaces de asociarse tanto de forma covalente como no covalente, a la superficie de una de las monocapas, es decir, al lado citosólico o al lado extracelular [1, 2].

En la célula, las proteínas son sintetizadas en los ribosomas citosólicos ya sea en polisomas o en los ribosomas del retículo endoplásmico rugoso (RER). La mayoría de las proteínas de membrana se ensamblan y modifican en el lumen de este organelo. Pero ¿Cómo llegan las proteínas recién sintetizadas hasta la membrana específica en la cual llevarán a cabo su función? más aún ¿Cómo atraviesan las proteínas la enorme diversidad y cantidad de componentes y compartimentos celulares? y ¿Cómo llegan hasta los límites de la célula? es decir ¿Cómo llegan a la membrana celular?

El proceso mediante el cual las proteínas recién sintetizadas son llevadas hacia sus destinos celulares es conocido como clasificación de proteínas (protein sorting) [3] y esto ocurre través de dos tipos de procesos, uno basado en la localización dependiente de péptidos señal, y el otro basado en el tráfico vesicular [4].

El proceso dependiente de péptidos señal forma parte de la vía no secretora, la cual involucra el marcaje de proteínas y su posterior movilización hacia la membrana de un organelo intracelular como las mitocondrias, plástidos, peroxisomas, retículo endoplásmico (RE) o el núcleo, y puede ocurrir durante o después de la síntesis proteica [5]. En la vía no secretora, aquellas proteínas que carecen de una señal de movilización hacia el RE completan su síntesis en ribosomas libres, y son liberadas al citosol. Las que contienen señales específicas para ser dirigidas a los organelos son liberadas al citosol y posteriormente translocadas hacia los organelos como los peroxisomas, cloroplastos, mitocondrias, mientras que en el núcleo son importadas mediante un mecanismo selectivo que involucra poros en la membrana nuclear [6, 7]. Por otra parte, el proceso basado en el tráfico vesicular se refiere a las proteínas que inicialmente se dirigen a la membrana del RE, entrando así, a la vía de biosíntesis secretora, permitiendo que sean dirigidas hacia el Aparato de Golgi (AG), y de ahí, a otros organelos como los lisosomas, endosomas y vesículas secretoras (Figura 1). Aproximadamente entre el 20-30% del proteoma (conjunto de proteínas de un organismo) de las células eucariontes está destinado a ser exportado hacia el espacio extracelular o hacia alguno de los compartimentos membranales que se encuentran dentro de la célula [8].

Péptidos señal: las etiquetas de localización celular

Los péptidos señal fueron descubiertos en 1971 lo cual ameritó el premio Nobel a uno de sus descubridores, Günter Blobel en 1991 [9]. Blobel demostró que existe un código molecular en cada proteína, que le permite a la maquinaria celular conducirla hacia su correcta localización.

Tras el trabajo de Blobel, se descubrieron más señales de direccionamiento de proteínas en diferentes localizaciones subcelulares, así como en el espacio citosólico en diferentes organismos [3, 10, 11].

Existen péptidos señal presentes en proteínas virales, de bacterias y arqueas; sin embargo, en esta sección nos enfocaremos en señales peptídicas presentes en organismos eucariontes. Cada proteína recién sintetizada en los ribosomas citoplásmicos logra llegar a su destino celular, gracias a una señal que se encuentra en su secuencia de aminoácidos llamada péptido señal (también conocida como péptido de tránsito). Esta señal es reconocida por un receptor, de tal manera que, si una proteína requiere llegar a la membrana citoplásmica, su señal de localización será reconocida por un receptor complementario que la incorporará a un tipo de vesícula que finalmente la llevará a la membrana apropiada, en este caso la membrana citoplásmica. Si la proteína no se ubica en el compartimento celular que le corresponde, no tendrá el contexto necesario para ejercer su función, lo que equivale a no estar presente o estar en el lugar equivocado, resultando en alteraciones y en un mal funcionamiento celular [1, 12, 13].

Los péptidos señal suelen tener una longitud de 3-60 aminoácidos (aunque se han reportado más largos, los cuales pueden tener cerca de 140 aminoácidos) y con frecuencia se ubican hacia el extremo N-terminal de la proteína; estos péptidos señal, en muchas ocasiones, son eliminados (escindidos) enzimáticamente de la proteína por una peptidasa señal, a su arribo a su membrana destino [5, 14, 15].

El marcaje con péptidos señal puede ser muy variado, por ejemplo, hay proteínas cuya señal de localización está constituida por múltiples péptidos. Existen otras que no pierden esas secuencias pues constituyen parte de las regiones internas funcionales de la proteína. Para el caso de las proteínas que requieren ser llevadas a sub-compartimentos dentro del organelo destino, se requiere de péptidos señal, así como de receptores adicionales y la composición lipídica de la membrana destino [5]. Un hecho muy interesante es que hay proteínas que tienen más de un destino subcelular, por lo que tienen péptidos complejos que les permiten ser dirigidas a sus diferentes destinos; ejemplo de ello es la proteína hexocinasa 1 de la planta modelo Arabidopsis, que se ha encontrado en citoplasma, núcleo, estroma de plástidos y en la membrana externa mitocondrial [16, 17].

Se ha encontrado que no existe una firma o secuencia consenso en cuanto a la secuencia de aminoácidos que constituyen los péptidos señal, pues varían en gran medida; sin embargo, sí se puede decir que su función depende de propiedades como: hidrofobicidad, carga (positiva o negativa) y conformación tridimensional. La estructura general de los péptidos señal se divide en tres regiones principales (tripartita): la región N o dominio con carga positiva, la región H o centro hidrofóbico, y la región C o sitio de corte [5, 14]. La tabla 1 resume características generales de los péptidos señal.

Los receptores complementarios son los encargados del reconocimiento de los péptidos señal; se unen directa o indirectamente al péptido señal y después de guiar a la proteína carga a su destino final, se separan de su carga transportada y regresan a su punto de partida para llevar a cabo otra ronda de transporte de carga [5, 14, 23, 28, 29].

Esto indica que los sistemas de transporte celular ocurren a través de un tráfico denso y complejo, pero altamente específico y eficiente.

El tráfico vesicular: vías endocítica y secretora

El tráfico vesicular, es un tipo de transporte que fluye a lo largo de rutas altamente organizadas, permitiendo a la célula exportar e importar moléculas, además de remodelar su membrana plasmática y la de los organelos. Dentro del transporte de moléculas se pueden englobar dos rutas de importancia, la endocitosis y la exocitosis (vía secretora). La endocitosis representa el proceso de internalización de las moléculas, mientras que la exocitosis se refiere a la entrega de proteínas hacia el exterior de la membrana plasmática [24].

La endocitosis involucra dos procesos principales conocidos como fagocitosis y pinocitosis, esta última incluye la macropinocitosis y la endocitosis dependiente e independiente de clatrina [30]. En el proceso de macropinocitosis se forman proyecciones curveadas en la membrana plasmática en lugar de invaginaciones, mediante el reordenamiento de microfilamentos de actina en la membrana [31]. Dentro de los mecanismos independientes de clatrina, la más común es la vía endocítica caveolar, mediante la cual se forman invaginaciones ricas en colesterol y esfingolípidos relativamente estables, y que tienen un rol importante en la transducción de señales y además son internalizadas en respuesta a algún estímulo [32]. La endocitosis mediada por clatrina es la más caracterizada e involucra la formación de vesículas cubiertas por esqueletos de clatrina del lado citoplásmico de la membrana celular y participa en la internalización de receptores de la membrana tales como el receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR por Epidermal Growth Factor Receptor) y las lipoproteínas de baja densidad (LDLR por Low Density Lipoprotein Receptor) [24].

El término vía secretora biosintética (o ruta secretora) fue acuñado por George Palade para describir la ruta que lleva a las proteínas desde su sitio de síntesis en los ribosomas del RER hasta su destino final, pasando por el AG. Sus estudios enfocados en la secreción de proteínas a partir del páncreas exocrino le valieron el Premio Nobel de Fisiología y Medicina junto con Christian de Duve en 1974. La ruta secretora biosintética es un proceso fisiológico muy importante en eucariontes, que describe el transporte de proteínas solubles y de membrana (cargas) al espacio extracelular. La secreción de proteínas y otras sustancias juega un papel fundamental en la regulación de diferentes procesos, como: crecimiento, homeostasis celular, citocinesis, defensa, mantenimiento estructural, liberación de hormonas y neurotransmisores, entre otros [33].

Esta movilización ocurre por medio de vesículas y/o túbulos los cuales son elementos comunes tanto en la ruta secretora como en la endocítica [34]. Estas estructuras están delimitadas por una membrana dentro de la cual se transportan moléculas de forma selectiva y que tienen como destino organelos específicos, como, por ejemplo, los lisosomas, el RE y el AG, la membrana celular y el exterior. Los mecanismos involucrados en el transporte vesicular de las proteínas fueron descritos por los investigadores Randy W. Schekman, James E. Rothman y Thomas C. Südhof quienes enfocaron sus estudios en levaduras y en mamíferos, concluyendo que cuando existen fallas a nivel genético y/o celular en este proceso, pueden surgir enfermedades neurológicas, inmunológicas y metabólicas como la diabetes. Gracias a estos estudios obtuvieron el premio Nobel en 2013 “por sus descubrimientos relativos a la maquinaria que regula el tráfico intracelular, un importante sistema de transporte en nuestras células” [35].

Para su funcionamiento correcto, esta maquinaria depende de un sistema de organelos conocido como sistema endomembranal que trabaja en conjunto para modificar, empacar y transportar lípidos y proteínas a diferentes destinos dentro y fuera de la célula. El sistema endomembranal está compuesto principalmente por 7 organelos: RE, AG, Red Trans-Golgi (TGN por Trans-Golgi Network), Endosoma Pre-vacuolar, Membrana Plasmática, Vacuola y Endosoma [36]. La TGN y el Endosoma Pre-vacuolar (conocido como Endosoma Tardío en animales) son considerados locaciones intermedias del sistema endomembranal en plantas.

De acuerdo con los descubrimientos de Rothman, Schekman y Südhof, el transporte de proteínas se lleva a cabo mediante vesículas. Para ser exportadas, las proteínas recién sintetizadas son seleccionadas y concentradas en regiones específicas del RE liso conocidas como ERES (por Endoplasmic Reticulum Exit Site) o sitios de salida, así como los TER (Transition Endoplasmic Reticulum) y reguladas por los componentes de las vesículas COPII (Coat Proteins II) para su transporte hacia el AG [37]. Este tipo de transporte se conoce como anterógrado. El AG es un organelo formado por una serie de sacos membranosos aplanados, conocidos como cisternas, los cuales se encuentran rodeados de un número de vesículas más o menos esféricas limitadas por membrana. Las cisternas del AG varían en número, forma y organización en diferentes tipos de células. Las cisternas comprenden tres regiones definidas: la cis, la media y la trans; sin embargo, en algunos casos existen regiones que se agregan y son conocidas como red cis Golgi (Cis-Golgi Network, CGN) y TGN, las cuales tienen tanto estructuras de cisterna como de vesículas. El modelo del transporte vesicular propone que las cisternas del AG constituyen compartimentos estables que contienen enzimas que participan en la modificación de proteínas. Una vez en el AG, las proteínas son movilizadas hacia las cisternas de este organelo mediante vesículas, para ser modificadas por las enzimas que se encuentran en estas estructuras, particularmente por glicosilación (adición de azúcares) [38]. Sin embargo, la movilización de biomoléculas no es unidireccional; existen proteínas que deben ser retornadas al RE y este tipo de transporte se conoce como transporte retrógrado [39, 40].

¿De dónde vienen y a dónde van las vesículas?

Algunas proteínas tienen como destino organelos diferentes al RE y al AG, por lo que una vez maduras pueden ser cargadas en al menos tres tipos de vesículas que se forman de la TGN. El primer tipo de vesícula participa en la exocitosis constitutiva e inmediatamente se mueve y se fusiona con la membrana plasmática para liberar su contenido al espacio extracelular. Algunos ejemplos de proteínas de secreción continua son el colágeno y los anticuerpos. El segundo tipo de vesículas se generan de la TGN y se almacenan dentro de la célula hasta que una señal de exocitosis provoca la liberación de su contenido en la membrana plasmática, entre los ejemplos de proteínas liberadas por tal secreción regulada se encuentran hormonas peptídicas como la insulina, el glucagón y los neurotransmisores. El tercer tipo de vesícula es el Endosoma Tardío o Pre-vacuolar y es dirigido hacia los lisosomas y/o a las vacuolas [39, 40].

Las proteínas destinadas a los lisosomas son enzimas hidrolíticas y proteínas de membrana que son inicialmente transportadas al Endosoma Tardío y luego son transferidas al lisosoma mediante la fusión directa del endosoma con la membrana lisosomal. También existen los Endosomas Tempranos, los cuales se sitúan en la periferia celular, cercanos a la membrana plasmática y conforme van madurando se van acercando hacia la zona nuclear, donde se transforman en endosomas tardíos. Los endosomas también participan en la ruta endocítica en la cual las vesículas se forman en la cara citosólica de la membrana, trayendo consigo proteínas de membrana y sus ligandos hacia el interior de la célula, así como la internalización de macromoléculas que se encuentran en el espacio extracelular [39].

Estructura de las vesículas involucradas en el tráfico vesicular

El tráfico vesicular es regulado por el tipo de proteínas que forman la cubierta de las vesículas las cuales son principalmente tres: Clatrina, COPI (por Coat Proteins I) y COPII (por Coat Proteins II) [41]. Como se muestra en la Figura 2, las proteínas COPI median el transporte retrógrado de vesículas desde el AG hacia el RE y entre cisternas del Golgi; las proteínas COPII participan en el tráfico del RE hasta el Golgi, mientras que las clatrinas forman vesículas para el transporte desde la TGN a los compartimentos endosómicos tardíos, y también para la endocitosis [39–41].

Las proteínas de cubierta son específicas de las membranas donadoras y están formadas por pequeñas GTPasas además de proteínas que ayudan en la selección de las proteínas de carga. Las GTPasas, al ser activadas causan su anclaje en la membrana del organelo donador, dirigiendo mecánicamente la formación de la protuberancia en la membrana que dará lugar a la vesícula; posterior a su formación, la vesícula es desprendida por la acción de proteínas como la dinamina. Proteínas homólogas a dinamina (Dynamin-like) en otros organismos tienen funciones alternas, por ejemplo, en Arabidopsis está asociada con la formación de la placa celular, mientras que en C. elegans, la proteína DRP1 (por Dynamin related-protein 1) participa en la formación de las mitocondrias [42–45]. De acuerdo con Bonifacino y Glick el transporte vesicular puede dividirse en cinco pasos principales: formación de las vesículas, transporte, reconocimiento, anclaje y fusión de las vesículas, cuyos mecanismos son específicos de las proteínas de cubierta con las que interactúan las membranas [43] (Figura 3).

¿Cómo se forman las vesículas? De la formación a la fusión

Las Vesículas de Clatrina

La clatrina fue la primera proteína de cubierta en ser identificada, esta fue aislada por Pearse en 1976 a partir de cerebros de cerdos, en los cuales se observaron vesículas intracelulares asociadas a micropinocitosis, que es un proceso de internalización para la absorción de agua y moléculas disueltas [24].

Las vesículas de clatrina se forman por la asociación de tres cadenas ligeras y tres pesadas de clatrina que se ensamblan en una estructura conocida como triskellion, que a su vez se organiza en forma de poliedro, para estructurar finalmente a la vesícula. Las cadenas pesadas le dan la base estructural, mientras que las ligeras regulan su formación y su ruptura. Las vesículas recubiertas de clatrina participan en los procesos de endocitosis mediada por receptores, o en la formación de lisosomas. La endocitosis mediada por clatrina se caracteriza por la formación de vesículas recubiertas de clatrina (CCV por Clathrin Coated Vesicles) de diferentes morfologías [24]. Las diferencias morfológicas de las vesículas dependen de las proteínas adaptadoras y/o receptores con las que se asocian las subunidades de clatrina y que se encuentran ancladas en la membrana y son conocidas como cavidades recubiertas de clatrina (CCP por Coated Clathrin Pit) [46, 47]. Las CCP son parches que concentran receptores, curvan la membrana para la formación de la vesícula y se asocian a las proteínas carga en la endocitosis mediada por clatrina.

La nucleación, proceso que involucra la formación de la vesícula, inicia al aumentar la concentración de fosfoinositol en la membrana, el cual captura moléculas adaptadoras, que se unirán a las proteínas carga y favorecerán la formación de la cubierta de clatrina [48]. Una vez que la vesícula se desprende de la membrana, ésta pierde su cubierta de clatrina. El desensamble ocurre previo a la fusión de la membrana vesicular con el compartimento específico. En mamíferos, el desensamble requiere de la chaperona Hsc70 (por Heat Shock Cognate Protein) y de la co-chaperona específica de clatrina auxilina u homólogos de ésta. La unión de la auxilina con la clatrina permite el reclutamiento de la chaperona Hsc70 para formar un andamiaje central, cuya hidrólisis de ATP desestabiliza la red de clatrina y permite su desensamble [49]. La maduración se refiere al proceso de escisión de la vesícula donde participan proteínas como la GTPasa dinamina, la cual regula la endocitosis dependiente e independiente de clatrina y tiene la capacidad de auto-activarse a través de su oligomerización [45].

Los complejos de proteína adaptadora de clatrina heterotetramérica (AP por Adapter Proteins) regulan la formación de las vesículas de clatrina. Estas proteínas están compuestas por dos subunidades grandes de adaptina (β1 y γ para AP1, β2 y α para AP2) y una subunidad mediana (μ1 para AP1 y μ2 para AP2). La proteína AP1 se une a membranas de la TGN la cual está enriquecida con fosfatidil-inositol 4-fosfato (PtdIns(4)P), mientras que la AP2 se asocia a la membrana plasmática, la cual está enriquecida en fosfatidil-inositol 4,5-bisfosfato (PtdIns(4,5)P2). Una vez establecidas en sus sitios en la membrana correspondiente, AP1 y AP2 se unen a los dominios citoplásmicos de las proteínas carga transmembranales y a los triskellions de clatrina, acoplando así el reclutamiento de la carga para la polimerización de la cubierta [50]. En los mamíferos, la proteína adaptadora más abundante es la AP2, la cual está involucrada en la nucleación y maduración de las CCP. Estas proteínas se unen a la clatrina y a otras proteínas transmembranales (receptores de carga) que capturan proteínas carga solubles dentro de la vesícula [24].

Otras proteínas adaptadoras que regulan la unión de componentes de la membrana son las proteínas CLASPs (por Clathrin-Associated Sorting Proteins); éstas interactúan con las colas citoplásmicas de las proteínas de membrana, lo que conduce a su selección y concentración, por ejemplo, Epsina-1, Dab2 (por Disabled-2) y Stonin2 [24].

Las Vesículas COPI

El sistema COPI está compuesto por las subunidades Ret1 (α-COP), Sec27 (β’-COP), Sec28 (ε-COP), Sec26 (β-COP), Sec21 (γ-COP), Ret2 (δ-COP) y Ret3 (ζ-COP), las cuales forman un complejo multimérico en el citosol que es reclutado hacia las membranas por una maquinaria involucrada en la formación de vesículas. Cada una de estas proteínas son esenciales para la viabilidad de las células de levadura excepto Sec28, el cual funciona como un componente estructural de la cubierta, estabilizando a la subunidad α-COP protegiendo a la vesícula de temperaturas elevadas. Posterior al ensamblaje, el coatómero es estable con una vida media de aproximadamente 28 h en células de mamíferos. Se ha identificado que estas subunidades son capaces de interaccionar entre sí (β/δ-COP, γ/ζ-COP, α/ε-COP y α/β′-COP [51]. Arf1 (por ADP-Ribosylation Factor 1), una GTPasa pequeña, es la proteína responsable de reclutar a las subunidades del coatómero para dar origen a las vesículas COPI (Figura 4). De acuerdo con ensayos de reconstitución de vesículas in vitro, la GTPasa purificada y los elementos que forman el coatómero son suficientes para llevar a cabo este proceso [52, 53]. La actividad de la GTPasa Arf1 está regulada por el intercambiador de nucleótidos de guanina GBF1 (Golgi Brefeldin A Resistant Guanine Nucleotide Exchange Factor 1). La activación de Arf1 desencadena un cambio conformacional que permite la exposición del dominio N-terminal, de característica anfipática, que le permite anclarse en la membrana, siendo el sitio donde se lleva a cabo el reclutamiento de los elementos del coatómero. Esta modificación se debe a que GBF1, que interacciona con Arf1, favorece el intercambio de GDP por GTP para activarla por medio del dominio catalítico Sec7, permitiendo su interacción con fosfoinosítidos específicos de la membrana, iniciando así la formación de la vesícula [54, 55]. ArfGAP1 es una proteína que cataliza la desactivación de la GTPasa Arf1 mediante la hidrólisis de GTP, la cual regula la translocación del coatómero entre la membrana y el citosol; sin embargo, existen dos funciones antagonistas asociadas a ésta GAP. Por un lado,

se ha reportado su participación en la selección de las proteínas carga, promoviendo su interacción con las proteínas del coatómero durante la formación de la vesícula; esta función es considerada independiente a su actividad catalítica [56, 57]. Por otro lado, ArfGAP1 se ha asociado con el desensamble de las vesículas, el cual depende de su interacción con Arf1 [58, 59].

Las Vesículas COPII

Las vesículas cubiertas por las proteínas COPII derivan de la membrana del RE de acuerdo con lo observado en la levadura Saccharomyces cerevisiae. Estas proteínas son ensambladas mediante la activación de la GTPasa Sar1 (por Secretion Associated Ras related GTPase 1) por medio de la conversión de GDP a GTP. Esta conversión es mediada por la proteína Sec12 la cuál es una proteína transmembranal con actividad de GEF. Su localización está restringida a la membrana del RE y es en este organelo donde ocurre la activación de la GTPasa Sar1; una vez activada, su dominio N-terminal anfipático es insertado en la membrana del RE. Sar1-GTP se une a una región de la proteína Sec23 que forma parte del heterodímero Sec23/24, encargado de seleccionar las proteínas carga que forman el complejo Pre-vesicular. Este complejo sirve de andamio de la cubierta externa de la vesícula formada por el heterotetrámero Sec13-Sec31 dirigiendo la deformación de la membrana donadora para formar las vesículas (Figura 4).

La hidrólisis de GTP por la GTPasa Sar1, la cual es estimulada por la actividad de GAP de Sec23, completa el ciclo permitiendo el desensamblaje de la cubierta, la fusión de la vesícula en la membrana destino y el reciclaje de las subunidades Sec [60].

Sar1, Sec12 y los complejos Sec23/24 y Sec13-Sec31 forman parte de la maquinaria base para la formación de vesículas COPII [61]; sin embargo, en otros organismos se ha reportado la participación de proteínas adicionales en este proceso, como Sec16, la cual contiene dominios que interactúan directamente con los componentes de la cubierta COPII y que tiene un papel importante manteniendo la integridad de los sitios de salida del TER en la levadura Pichia pastoris [62]. Además, otro gen que resulta relevante es Sed4, el cual codifica para una proteína integral de la membrana del RE con homología al GEF Sec12, pero sin actividad catalítica. La pérdida de función en este gen retarda el transporte del RE al AG [63].

Las proteínas SNARE

La fusión de las vesículas involucra a dos tipos de proteínas principalmente: las GTPasas de la familia Rab/Ypt y las proteínas SNARE (por Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor Attachment Protein Receptors). Las proteínas SNARE tienen una estructura helicoidal generalmente ancladas en la membrana de las vesículas y/o de la membrana de los organelos destino por medio del extremo C-terminal, o por su asociación con lípidos (palmitolación). La hipótesis sobre la función de las proteínas SNARE se basa en el reconocimiento de los dominios helicoidales para estrechar la interacción entre las dos membranas (vesícula y membrana destino) y eventualmente causar la fusión de las dos membranas. Algunas proteínas SNARE son específicas de los organelos destino y son recicladas después de la fusión de membranas para continuar con su función en el tráfico vesicular [36].

Se sabe que los receptores SNARE juegan un papel importante en el tráfico de vesículas en especies vegetales, animales y microbianas. Las v-SNARE/R-SNARE poseen una arginina en el dominio de interacción y participan en la formación de la vesícula en el organelo donador, su actividad es mediada por GTPasas y están involucradas en la selección de las proteínas carga. Las t-SNARES/Q-SNARE poseen una glutamina en el dominio de interacción, por su parte, reconocen a la vesícula entrante y participan en la fusión de ésta con la membrana del organelo destino ya sea vacuola, lisosoma, membrana plasmática, etcétera [64].

En la fase de movimiento, la vesícula liberada se mueve hacia el organelo destino por asociación con proteínas del citoesqueleto como por ejemplo cinesina y miosina. Las vesículas provenientes del organelo donador traen asociadas una proteína Rab específica (GTPasa) y una v-SNARE activa, como pueden ser miembros de la familia de la sinaptobrevina o VAMP (por Vesicle-Associated Membrane Protein), mientras que en la membrana del organelo destino se encuentra la t-SNARE, como pueden ser las sintaxinas y SNAP-25 (por Synaptosomal-Associated Protein of 25 kDa), ligada a SEC1. El mecanismo de acción que conlleva a la fusión de la vesícula con la membrana es el siguiente: Primero, la Rab-GTPasa recluta a la proteína SEC1 para liberar a la t-SNARE y permitir su interacción con la v-SNARE que viene en la vesícula entrante. Una vez formada esta interacción por medio de sus dominios helicoidales, se genera un sitio para la asociación de la α-SNAP y con la energía de estas interacciones se logra el desplazamiento de los fosfolípidos de la membrana, permitiendo así que las vesículas identifiquen su compartimento objetivo y lleven a cabo la fusión y entrega de la carga. La ATPasa NSF que se encuentra en esta membrana finalmente actúa en el desensamblaje del complejo SNARE, permitiendo el reciclaje y retorno de la v-SNARE a su sitio de origen y preparando la t-SNARE para continuar con la fusión de vesículas subsiguientes [65–68].

El complejo ESCRT

El complejo ESCRT (por Endosomal Sorting Complex Required for Transport), fue descrito por Katzmann y colaboradores en S. cerevisiae [69], el cual está compuesto por 4 complejos multiproteícos: ESCRT-0-I-II y -III [70]. Su principal función es la de sujetar, cortar y unir cuellos estrechos de la membrana utilizando a ESCRT-0, que está formado por las proteínas Vps27 (por Vacuolar Protein Sorting-Associated Protein 27), Hbp (por Heparin-Binding Protein), STAM (por Signal Transducing Adaptor Molecule) y EAST. ESCRT-0 es reclutado mediante su interacción con el fosfatidil-inositol 3-fosfato y con las proteínas carga previamente ubiquitinadas. Posteriormente, ESCRT-0 recluta a ESCRT-I, el cual está compuesto por un complejo heteromérico que está formado por las proteínas Vps23, Vps28 y Vps37. La interacción con ESCRT-0 se da mediante la unión con el extremo N-terminal de Vps23. Asimismo, ESCRT-I interacciona con ESCRT-II, un heterotetrámero en forma de Y, constituido por una subunidad de Vps22 y Vps36, así como dos subunidades de Vps25, en donde el dominio GLUE (por GRAM-like ubiquitin-binding in EAP45) de Vps23 y el dominio C-terminal de Vps28 interaccionan con ESCRT-II. Finalmente, ESCRT-III está conformado por cuatro subunidades: Vps20, Snf7 (por Sucrose non-Fermenting 7), Vps24 y Vps2. Cuando la subunidad Vps25 de ESCRT-II se une a Vps20 de ESCRT-III, se inicia la activación de este complejo en el endosoma [68, 71–73]. El complejo ESCRT participa en la formación de cuerpos multivesiculares, fisión de membranas y el reclutamiento de proteínas de membrana ubiquitinadas [74].

¿Quién selecciona a quién? El papel de los adaptadores y los receptores de carga

La incorporación selectiva de las proteínas carga en la vesícula en formación es un aspecto importante del direccionamiento de las proteínas a través del tráfico vesicular. La selección de la carga durante el transporte vesicular ocurre en el sitio de formación de la vesícula en el organelo donador, en donde se concentran las proteínas destinadas a los diferentes organelos, un proceso que está mediado por la interacción entre las moléculas carga y las proteínas de la cubierta, que constituyen parte de la estructura y maquinaria de formación de las vesículas [75].

Las proteínas de membrana que son secretadas inmaduras, es decir que aún no presentan modificaciones como la glicosilación, son retenidas en el RE mediante su interacción con proteínas chaperonas, evitando la asociación con proteínas que forman la vesícula COPII. Una vez maduras, las proteínas se transportan al AG, para lo cual deben liberarse de su interacción con las chaperonas y establecer interacciones específicas con proteínas que forman la cubierta COPII para continuar su tráfico a lo largo de la vía secretora [76–78].

Se han descrito mecanismos no selectivos y selectivos que regulan la translocación de las proteínas carga desde el RE. Dentro de los sistemas no selectivos se encuentra el ciclo de las lectinas calnexina-calreticulina, el cual funciona mediante el reconocimiento de los grupos glicano de las glicoproteínas por la UDP glucosa-glicoproteína glucosiltransferasa, como un mecanismo de control para liberar sólo aquellas proteínas que han sido desglicosiladas, proceso asociado con el plegamiento correcto de estas y permitiendo su tráfico hacia el AG [77, 78]. Por otro lado, uno de los mecanismos selectivos involucra la participación de algunas proteínas que forman la cubierta COPII; es decir, las proteínas que forman la vesícula, reconociendo señales en el dominio citoplásmico de las proteínas carga transmembranales [77, 78]. Cuando la concentración de estas es mayor en la vesícula con respecto al lumen del RE, son liberadas mediante su unión directa o indirecta a la subunidad Sec24 del complejo COPII para deformar la membrana y compartimentar las proteínas carga en la vesícula naciente [79].

En los mamíferos, específicamente en rata, se observó que las proteínas que forman parte de la vesícula como la GTPasa Sar1 y el complejo Sec23-24 son suficientes para la selección de la carga [76]. Una vez llevada a cabo la interacción es necesaria la participación del complejo Sec13-31 para la formación de la vesícula COPII. En otros organismos, como las levaduras, se ha reportado la interacción de Sec24 con más de 800 proteínas de carga diferentes, la cual se debe a la gran diversidad de sitios de interacción dentro del complejo Sec23/Sec24, además de la presencia de diferentes isoformas de Sec24 en algunos organismos [76]. Se han reportado dos señales de exportación del RE capaces de interactuar con la subunidad Sec24 del complejo COPII, un motivo dihidrofóbico en el extremo C-terminal y un motivo diacídico. En las células donde no se encuentran isoformas de proteínas Sec24 como resultado de su manipulación genética, existe un defecto en el transporte y secreción, ya que no son capaces de reconocer a las proteínas carga [79]. En organismos como la levadura S. cerevisiae, y en mamíferos, existen una o dos copias del gen que codifica para el receptor de carga Sec24; sin embargo, en las plantas, esta familia ha tenido una gran expansión génica, por ejemplo, en la planta modelo Arabidopsis thaliana, se han reportado siete genes, sugiriendo especificidad no sólo en su sitio de expresión, sino en su interacción con la carga, mediante la formación de diferentes tipos de vesículas COPII, además de la posible redundancia funcional.

Un gran número de proteínas carga solubles no atraviesan la membrana y no son reconocidas directamente por las proteínas de cubierta de la vesícula, en este caso su selección es mediada por un grupo de proteínas que funcionan como adaptadores y/o receptores. Los receptores de carga son proteínas de membrana que permiten clasificar y seleccionar a las proteínas que no pueden unirse directamente a las proteínas de la cubierta COPII, cuya salida requiere el control de calidad y/o regulación [80].

Dentro de las vesículas COPI se incluyen los receptores KDEL (motivo KDEL), son proteínas de siete dominios transmembranales cuya función es el transporte retrógrado de chaperonas, algunos miembros de la familia p24 y de proteínas SNARE del AG al RE que se caracterizan por poseer el dominio KDEL [80, 81].

Las proteínas intermediarias o adaptadoras como ERGIC-53 (por Endoplasmic Reticulum to Golgi), p24 y el grupo de proteínas conocidas como Erv (por Endoplasmic Reticulum Vesicles) también participan en la selección de la carga. La proteína ERGIC-53 es una lectina tipo L dependiente de Ca⁺² oligomérica de 53 kDa con un dominio transmembranal, la región N-terminal es larga y se encuentra en el lumen del RE, mientras que el C-terminal consta de 12 aminoácidos y se encuentra expuesto al citoplasma. El dominio citoplásmico presenta un motivo fenilalanina-fenilalanina, el cual se requiere para el transporte vesicular anterógrado, además presenta un motivo lisina-lisina que participa en el transporte retrógrado. ERGIC-53 se encuentra altamente concentrado en complejos que participan tanto en el transporte anterógrado como en el retrógrado. ERGIC-53 participa en la exportación de proteínas como la catepsina C y Z que son proteasas involucradas en el recambio proteico, por lo que defectos en su función y transporte desencadenan enfermedades como cáncer o el Síndrome de Papillon-Lefèvre [82].

Las proteínas de la familia p24 se conocen por ser muy abundantes en los compartimentos de la ruta secretora, presentan una estructura similar a la de ERGIC-53 con un dominio N-terminal en el lumen y un domino C-terminal citoplásmico. Este dominio presenta una señal de clasificación que regula el ciclo dependiente de COPI y COPII en los compartimentos del RE y el AG [82]. Estas proteínas se subdividen en cuatro subfamilias (a, b, g, d), con un número variable de proteínas por cada grupo dependiendo del organismo. Los primeros indicios del papel de estas proteínas, en la selección de proteínas carga, fue descrito en levadura. Para esto se analizaron mutantes en las proteínas Emp24 (por Endosomal Protein 24) y Erv25 y su función en el transporte de proteínas del RE al AG, donde se observó un retraso en la movilización de éstas de hasta cuatro veces en comparación con la WT (silvestre) [82–84]. Sin embargo, al eliminar los genes de toda la familia p24, la severidad del fenotipo no aumentó, lo que indica que Emp24 y Erv25 son las principales proteínas para este proceso [85].

La importancia de las proteínas Erv en el tráfico vesicular

Las proteínas Erv presentan características similares a ERGIC-53 y a miembros de la familia p24, a las cuales se les ha asociado diversas funciones; sin embargo, aún falta caracterizarlas a profundidad. Las proteínas de la familia Erv son relativamente pequeñas (<450 aminoácidos) y se localizan en el RE en estado estacionario, pero circulan continuamente entre el RE y el AG. Esta familia está altamente conservada en la naturaleza por lo que se considera que la función también se conserva. Algunos miembros de esta familia contienen múltiples dominios transmembranales (multispanning) como es el caso de Erv29, Erv26 y Erv14, mientras que otros miembros tienen un solo dominio [82]. Se ha observado que la pérdida de función de los genes ERV29, ERV26 y ERV14 causa diversos defectos como la acumulación de proteínas carga en el RE [86–90].

Particularmente, Erv29 participa en la selección y empaquetamiento de la proteína precursora del factor α glicosilado (GPαF) en vesículas COPII, como lo indica su asociación con proteínas del complejo pre-vesicular Sec23-Sec24, así como con la GTPasa Sar1 [82, 84]. Experimentos in vitro indican que cuando las membranas de levadura carecen de Erv29, se reduce el empaquetamiento de GPαF, pero no de otras proteínas carga en vesículas COPII [80].

Otra proteína de esta familia es Erv26, la cual fue identificada como un polipéptido abundante en levadura que forma parte de las vesículas COPII y es necesaria para exportar a la fosfatasa alcalina (ALP). Erv26 forma un complejo con pro-ALP (por pro-form of vacuolar alkaline phosphatase) y las mutaciones causan la acumulación de pro-ALP en el RE, pero no afectan la maduración ni el tráfico de otra enzima vacuolar, la carboxipeptidasa Y, lo que subraya la selectividad de Erv26. También es necesaria para el tráfico de la manosil-transferasa KTR3P, una proteína transmembranal localizada en el AG y que se encarga de la síntesis de las cadenas de carbohidratos que se unen a las proteínas modificadas con O- y N-glicosilaciones en S. cerevisiae [89]. Estas proteínas integrales son muy abundantes en las membranas de las levaduras, por lo que se sugiere que la selectividad de Erv26 está restringida a este grupo de proteínas [80].

Una proteína transmembranal que participa en el transporte de proteínas del RE hacia el AG es Erv14, la cual posee cuatro dominios transmembranales con los extremos N-terminal y C-terminal orientados hacia el lumen [91]. Erv14 pertenece a una familia altamente conservada y con homología a una proteína conocida como Cornichon (CNI) en Drosophila melanogaster, misma que participa en el establecimiento de la polaridad de las células durante las primeras etapas de la oogénesis [92]. Mutantes en CNI presentan defectos en la polarización de las células germinales que dan lugar a los oocitos, debido a una falla en el exporte de Gurken, una proteína de señalización similar al Factor de Crecimiento Transformante α (TGFα por Transformant Growth Factor α) [92, 93]. Otros estudios en este organismo indicaron que los primeros 30 aminoácidos de TGFα son necesarios para interactuar con la mitad del dominio N-terminal de CNI, lo que podría sugerir que existen distintas regiones en ese dominio que permite la interacción sitio-especifica con las proteínas carga [82]. En S. cerevisiae, las mutantes en Erv14 presentan un defecto en la selección del sitio de formación de la yema de gemación, debido a la incorrecta distribución y excesiva acumulación de la proteína transmembranal Ax12 en el RE. La proteína Ax12 se requiere para la selección de sitios de crecimiento axial y normalmente se localiza en la parte apical de las levaduras, formando la yema de gemación [86, 94, 95]. De igual forma, se ha reportado su participación en el transporte de varias proteínas como transportadores de K⁺ y antiportadores H⁺/Na⁺, los cuales son indispensables para cumplir funciones dentro de la célula como la regulación del pH intracelular, la homeostasis del K⁺ y la tolerancia al estrés salino [96, 97]. En organismos como Neurospora crassa, un hongo filamentoso, se observó que la eliminación parcial del gen que codifica para CNIH, afecta la polaridad y morfología de las hifas, por lo que la eliminación total del gen provoca daños letales [98]. Sin embargo, la interacción con otras proteínas en este organismo aún se desconoce.

Erv14/CNIH ha sido descrito en plantas vasculares como en arroz, en la cual el gen OsCNIH1 (Oryza sativa Cornichon 1), se propone que es importante para la localización correcta del transportador de Na⁺ OsHKT1;3 [97]. En A. thaliana existen cinco genes con dominio CNIH; la proteína AtCNIH1 (AT3G12180) se asocia con proteínas AtGLR (por Glutamate Receptors), las cuales se encargan de transportar iones Ca⁺² hacia la punta del tubo polínico, promoviendo su crecimiento. La intervención de esta proteína es fundamental ya que de ésta depende la correcta localización de los AtGLR en el RE y en la membrana plasmática [99].

Relevancia del daño en el tráfico vesicular en diferentes organismos

El tráfico vesicular es un mecanismo de gran relevancia para el funcionamiento de las células eucariontes, y a través de este proceso se decide que entra (endocitosis) o que sale de éstas (exocitosis). Este proceso está regulado por una serie de elementos que permiten el correcto empaquetamiento y transporte de las diferentes moléculas hacia el organelo destino, por lo que una alteración durante alguna parte del proceso podría resultar en una modificación de la función celular y repercutir a nivel fisiológico en el organismo. Dentro de las afectaciones que se han reportado en el tráfico vesicular se encuentran las involucradas en el sistema de control de calidad de las proteínas que participan en la vía secretora, en la biogénesis, reclutamiento y función de las vesículas de transporte, en alteraciones de las proteínas Rab y algunas otras GTPasas, así como proteínas asociadas a GTPasas y al citoesqueleto [100].

En las plantas, las GTPasas Rab, son elementos importantes de la vía endocítica, dichas proteínas están involucradas en la transducción de señales de defensa, elongación celular, ablandamiento de los frutos y en la morfogénesis [101–104]. En mamíferos y levaduras, las proteínas Rab regulan la fusión de las membranas con los lisosomas y vacuolas que es la parte final de la vía endocítica [100]. En el genoma de Arabidopsis se encuentran secuencias que codifican potencialmente para 26 proteínas Rab, de las cuales, siete están relacionadas a la proteína Rab7, la cual está localizada sobre el tonoplasto (membrana de la vacuola) y regula la fusión de las vesículas con la vacuola [100]. En este mismo modelo, las mutantes en los genes AtSGR4 (por Shoot Gravitropism 4, una proteína v-SNARE) y AtSGR2, que codifica para una fosfolipasa, están afectadas en las respuestas a gravitropismo, ya que no mantienen la flexibilidad o el dinamismo del tonoplasto, lo cual parece dañar el movimiento libre de los amiloplastos en la endodermis, sugiriendo que el transporte a la vacuola es esencial para este proceso [105, 106]. Otro ejemplo de afectación en el tráfico vesicular en las plantas se evidencia en las mutantes conocidas como vacuoleless, en las cuales se identificó al gen AtVPS16 (por Vacuolar Protein Sorting16), en dichas mutantes la biogénesis de las vacuolas se encontró alterada lo que generó una morfogénesis aberrante y letalidad embrionaria [107]. También se ha demostrado en esta planta que mutaciones en el gen RABA (por Rab GTPase A) regula el transporte entre el AG y la membrana plasmática, además de ser requerido para la tolerancia a estrés salino [108].

En S. cerevisiae, la vía canónica para la secreción de vesículas es mediado por proteínas de la familia Sec, que regulan el tráfico de RE al AG y de éste al espacio extracelular. Las proteínas que participan en esta vía llevan un péptido señal para atravesar el RE y el AG; sin embargo, no todas las proteínas exportadas poseen un péptido señal y utilizan un mecanismo de secreción no convencional [109]. En esta levadura, las mutantes que carecen del gen Grh11 (por Golgi Reassembly and Stacking Protein Homolog 1) producen menos vesículas en comparación con la silvestre, además de afectar la secreción del polisacárido GXM (Glucuronoxylomannan) produciendo capsulas más pequeñas y moléculas de polisacáridos más cortas [110].

En los humanos, la homeostasis del sistema nervioso central es responsabilidad de una clase de células neurales llamadas astroglias o astrocitos; estas células poseen funciones como la regulación de la sinaptogénesis, la conectividad sináptica, la integración y sincronización de las redes neuronales, el mantenimiento de la integridad de la barrera hematoencefálica, además de regular la eliminación de los desechos acumulados en el espacio extracelular [111, 112]. La comunicación de los astrocitos con otros elementos del sistema nervioso central esta mediado por mensajeros químicos como neurotransmisores, factores de crecimiento, recolectores de especies reactivas de oxígeno, entre otros. Estas moléculas son secretadas a través de mecanismos como la exocitosis vesicular y difusión a través de canales y transportadores localizados en la membrana plasmática; un deterioro en alguno de estos factores da como resultado múltiples neuropatologías. Cuando los astrocitos sufren remodelaciones al punto de considerarse patológicas, pueden generar enfermedades como la de Alexander-AxD, en la cual se va destruyendo la vaina de la mielina. Un ejemplo más de enfermedades neurodegenerativas con un impacto a nivel neuronal a causa de afectación en el tráfico vesicular es la absorción deficiente de glutamato en los astrocitos, dicha afectación genera trastornos neurológicos con manifestaciones clínicas que incluyen la encefalopatía de Wernicke, enfermedad de Huntington y algunos trastornos psiquiátricos [113–115]. Otras patologías humanas asociadas a mutaciones en genes involucrados en el transporte vesicular incluyen enfermedades neurológicas como la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ALS), la Paraplejia espástica hereditaria (HSP), o la enfermedad de Charcot Marie-Tooth (CMT)[116–120]. También enfermedades oculares como las ciliopatías, Síndrome Lowe X-ligado, y la Coroideremia [121]. Se han descrito casos de enfermedades ligadas a la piel, huesos o a desordenes del tejido conectivo, como la Displasia cráneo-lentico-sutural (CLSD), odontocondrodisplasia (ODCD), la displasia esquelética acondrogénesis tipo 1A, o el Síndrome Smith-McCort [119–122]. También se han asociado enfermedades del sistema inmunológico, como la Linfohistiocitocis hemofagocítica. Otro grupo importante son los desórdenes de tipo intestinal como la enfermedad de retención de partículas de quilomicrón [123–126]. Varias enfermedades cardiovasculares y desordenes

sanguíneos también son causados por problemas en el transporte vesicular y de proteínas, como la hipercolesterolemia, que por cierto puede llegar a causar aterosclerosis y enfermedades coronarias prematuras, o bien la anemia congénita diseritropoiética tipo II [127–129]. Por otro lado, las ciliopatías y la enfermedad de Dent son disfunciones renales comunes que tienen origen en desordenes del tráfico multisistémico [130, 131]. En la tabla 2 se muestran otros ejemplos de enfermedades humanas causadas por mutaciones en proteínas que participan en el tráfico vesicular, que ilustran más aún la importancia de este proceso.

Un defecto o daño en el tráfico vesicular a nivel secundario son los asociados con las anormalidades de la carga transportada. Por ejemplo, el déficit enzimático genera daños durante el procesamiento de intermediarios metabólicos, lo que causa una acumulación de materiales que no pueden ser degradados generando desórdenes neurológicos como resultados de diversas patologías a nivel lisosomal. Entre las enfermedades de este tipo de daño en el tráfico vesicular se encuentran la enfermedad de Batten (donde la remodelación de los astrocitos ocurre durante las primeras etapas patológicas que preceden a la muerte celular), la enfermedad de Krabbe (caracterizada por una deficiencia de la beta-galactosilceramidasa), la enfermedad de Gaucher (la cual se debe a una deficiencia de la ácido-beta-glucosidasa), la enfermedad de Sandhoff (que afecta el almacenamiento lisosomal), entre otras [112].

Características del tráfico vesicular en las plantas

En las plantas, las rutas secretora y endocítica están involucradas en una serie de mecanismos como el gravitropismo, transporte de hormonas, citocinesis, en las respuestas al estrés abiótico y biótico, así como en la secreción de iones, la producción de néctar y la secreción de viscina, que es el tejido elástico, mucilaginoso y pegajoso que une las semillas de muérdago parasíticas que caen a las ramas [149].

La maquinaria para la formación y fusión de vesículas en las plantas es similar a la presente en otros eucariontes; sin embargo, en las células vegetales el sistema de endomembranas presenta características únicas, como la capacidad de localizar y ensamblar proteínas grandes de cuerpos de inclusión tanto en el RE como en las vacuolas. Además, han desarrollado una vía de comunicación intercelular por medio de extensiones del RE, conocidas como plasmodesmos [150].

La internalización de proteínas por endocitosis en plantas inicia en la membrana plasmática para posteriormente ser transportadas a la TGN. En este proceso participan proteínas como, las GTPasas RabA4b, RabA1, RabA2 y RabA3, así como proteínas SNARE (SYP41/SYP61/VTI12) y la subunidad vacuolar VHA-a1 de la V-ATPasa [151]. Una vez en este sitio, las proteínas que forman parte de la maquinaria de transporte vesicular pueden regresar a la membrana plasmática, o ser transportadas eventualmente a las vacuolas a través de cuerpos multivesiculares o endosomas multivesiculares (Multivesicular bodies, MVB; Multivesicular Endosome, MVE), también conocidos como compartimentos pre-vacuolares, los cuales equivalen a los endosomas tardíos en otros organismos [71, 150].

En Arabidopsis, algunas proteínas asociadas a ESCRT están conservadas y se ha descrito su papel en la polarización y transporte vacuolar de proteínas acarreadoras de auxinas como PIN1, PIN2 (PINFORMED) y AUX1 (AUXIN-RESISTANT1). Las proteínas PIN se localizan en la membrana plasmática, y su localización es controlada por diversos mecanismos. Las Auxinas controlan de forma negativa la endocitosis dependiente de clatrina de las proteínas PIN mientras que promueven su reciclaje hacia el endosoma tardío, manteniendo una concentración equilibrada de estas proteínas en la membrana plasmática [70]. La presencia de tres GTPasas homólogas a Rab5 y una Rab7 (RabF2a/RHA1, RabF2b/ARA7 y RabF1/ARA6, RabG3f) en los MVE de plantas, contrasta con la localización en mamíferos, las cuales han sido observadas en los endosomas tempranos [37, 152–155]. La función de las tres GTPasas tipo Rab5 está regulada por la misma GEF, Vsp9a, cuya mutante presenta defectos en el desarrollo embrionario; sin embargo, la sobreexpresión de la forma fijada con GTP de RabF2b/ARA7 es la única capaz de rescatar el fenotipo de la mutante vps9a, a diferencia de RabF1/ARA6, por lo que la función de las Rab5 depende del proceso, tejido y etapa del desarrollo de la planta [156].

Otro proceso en el que participa el complejo ESCRT, es en la endocitosis del receptor de flagelina, FLS2 (por Flagellin Sensing 2), el cual codifica para un receptor de tipo PRR (por Pattern Recognition Receptor) que percibe al efector bacteriano, flagelina 2 y desencadena la respuesta inmune en plantas asociada a PAMP (por pathogen-associated molecular patterns) [157]. Una vez activado el receptor FLS2, mediante su interacción con los receptores BRI1 (Brassinosteroid Insensitive 1) y BAK (Brassinoesteroid Associated Kinase 1), es endocitado y transportado hacia la TGN para posteriormente ser llevado hacia los MVE, para su degradación [157].

Las primeras evidencias del papel de las vesículas COPI en el tráfico retrógrado, así como de la distribución subcelular de las vesículas COPII en las células vegetales fueron hechas en la planta Nicotiana tabacum. A diferencia de otros eucariontes, el genoma de Arabidopsis codifica para varias isoformas de las proteínas COPII, por ejemplo, hay dos isoformas Sec12, cinco Sar1, dos Sec13, dos Sec31, siete Sec23 y tres Sec24 [158]. La importancia de esta diversificación sugiere una redundancia funcional o tejido-especificidad para las isoformas COPII de las plantas. Experimentos de expresión transitoria en protoplastos utilizando dos proteínas homólogas a las GTPasas Sar1 (AtSARA1a y AtSARA1b), las cuales presentan un 93% de identidad entre ellas, no se comportan de manera similar. AtSARA1b exhibe un mayor nivel de asociación a la membrana que AtSARA1a, además no se localiza en el citosol de células de la epidermis de hojas, como ocurre con su homólogo en tabaco, NtSar1P. Cuando la concentración de proteínas carga destinadas al AG incrementa, AtSARA1a y AtSARA1b se asocian a la membrana del RE, iniciando la formación de la vesícula COPII [159].

Diversos análisis funcionales en Arabidopsis de los genes homólogos a Sec24 mostraron la diferencia funcional al tratar de rescatar a la mutante en el gen AtSec24A, cuya pérdida de función es letal; sin embargo, el fenotipo no fue reestablecido con los genes AtSec24B y AtSec24C, sugiriendo que son funcionalmente distintos [160, 161]. A diferencia de las traqueofitas, en las briofitas aún no se cuenta con suficientes estudios que den un panorama general sobre los mecanismos del tráfico vesicular. Sin embargo, recientemente se reportó la existencia de siete genes que codifican para proteínas que son homólogas a las proteínas de la familia Sec24/Sec23 en el musgo modelo Physcomitrium patens (anteriormente Physcomitrella patens), las cuales están relacionadas con la formación de las vesículas COPII durante el transporte anterógrado. El silenciamiento de Sec24/Sec23 sugiere que las isoformas Sec23D/E y Sec24C/D contribuyen al crecimiento polarizado de células protonemales. Sec23D se encuentra localizada en los sitios de salida del RE (ERES) y junto con la isoforma E, son esenciales para regular el crecimiento de los extremos apicales de las células. Las isoformas D/E de Sec23 median el transporte del ER al AG y hacia la membrana plasmática, en contraste con Sec23B/C y G/F, las cuales participan sólo en la secreción hacia la membrana plasmática. Sec23A, B, C, F y G no afectan de forma significativa el transporte del RE al AG; sin embargo, la mutante quíntuple presenta una reducción en la secreción de proteínas carga de la membrana plasmática. De acuerdo con análisis filogenéticos, Sec23G y F son muy similares a los presentes en arqueoplástidos y se consideran un clado divergente exclusivo de las plantas terrestres. Si bien Sec23D/E se localizan en los ERES y funcionan como los principales componentes de la vesícula COPII, Sec23G y F se localizan en sitios del RE más grandes durante el crecimiento apical. La presencia de estos genes en las plantas y la falta de actividad redundante sugiere que la expansión génica se originó al requerirse una mayor diversificación funcional de acuerdo con los procesos, tejido y desarrollo específicos de las plantas [162].

Perspectivas del estudio del tráfico vesicular en plantas

Las plantas vasculares han desarrollado numerosas adaptaciones anatómicas para contender con las fluctuaciones ambientales. Entre tales adaptaciones se encuentra el desarrollo de un tejido conductor complejo el cual se utiliza para transportar agua y nutrimentos. Este tipo de tejido no se encuentra en las briofitas. Este grupo de plantas se caracteriza por poseer una alta tolerancia a condiciones extremas de estrés abiótico en su fase vegetativa (aunque esta regla no es generalizada) y en sus esporas; la fase vegetativa es haploide y domina la mayor parte de su ciclo de vida. Debido a que las briofitas habitan en ambientes muy variados, desde regiones con condiciones extremas de frío hasta lugares como los desiertos, han desarrollado estrategias adaptativas para sobrevivir a estas condiciones. Dentro de los mecanismos que permiten tolerar este tipo de condiciones se encuentran la inducción de procesos de transducción de señales, la regulación homeostática, la activación de mecanismos moleculares de protección de estructuras celulares, la biosíntesis de proteínas de defensa y la acción de los reguladores de crecimiento [163–166]. En las briofitas, la disponibilidad del agua es uno de los factores principales y determinantes para su crecimiento y reproducción, por ejemplo, los musgos antárticos Bryum subrotundifolium, Ceratodon purpureus, Schistidium antarctici y Sanionia uncinata son briofitas que se han adaptado a una baja disponibilidad de agua [163, 167]. Otro ejemplo es el musgo Syntrichia caninervis, tolerante a condiciones de déficit hídrico extremo, este musgo retiene agua en sus tejidos para evitar la deshidratación y modifica su morfología para plegar sus estructuras foliares bajo condiciones de sequía [165].

Debido a que los musgos poseen un alto grado de tolerancia a condiciones de estrés abiótico y dada su relevancia evolutiva al ser plantas ancestrales que surgieron hace aproximadamente 450 millones de años y de las cuales evolucionaron las plantas vasculares [168, 169], se hace evidente la importancia que tiene el conocer los mecanismos del transporte de biomoléculas y de tráfico vesicular, la caracterización de las proteínas involucradas en la formación de vesículas, así como la selectividad de las proteínas carga relacionadas con las adaptaciones a ambientes extremos para la supervivencia de estos organismos adaptados al cambio climático.

CONCLUSIÓN

El tráfico vesicular implica el reclutamiento selectivo de proteínas cuya función se asocia a diferentes procesos que son vitales para las células. Los defectos en el transporte de moléculas pueden afectar seriamente procesos fundamentales para el desarrollo del organismo, así como la respuesta a los estímulos internos y externos. Se han caracterizado mecanismos celulares que participan en los eventos de exocitosis, endocitosis, así como en el transporte anterógrado y retrógrado en algunos organismos, principalmente en levadura y en mamíferos, por lo que aún falta mucho por conocer en otros organismos.

CONFLICTO DE INTERESES

Los autores declaran la ausencia de conflicto de interés.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos al Instituto Politécnico Nacional. A CONACyT por el financiamiento mediante el Proyecto Ciencia de Frontera 2041, la beca posdoctoral CVU 329197 de Angélica C. Martínez-Navarro y la beca de maestría CVU 1083262 de Grissel Vázquez Bustos.

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