Ca 2+ / proteína quinasa II dependiente de calmodulina -Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II
| Dominio de asociación de proteína quinasa II dependiente de calcio / calmodulina | |||||||||
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 Estructura cristalina de la proteína quinasa dependiente de calcio / calmodulina
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| Identificadores | |||||||||
| Símbolo | CaMKII_AD | ||||||||
| Pfam | PF08332 | ||||||||
| Clan pfam | CL0051 | ||||||||
| InterPro | IPR013543 | ||||||||
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California2+
/ La proteína quinasa II dependiente de calmodulina ( CaM quinasa II o CaMKII ) es una proteína quinasa específica de serina / treonina que está regulada por el Ca2+
/ complejo de calmodulina . CaMKII participa en muchas cascadas de señalización y se cree que es un mediador importante del aprendizaje y la memoria. CaMKII también es necesario para Ca2+
homeostasis y la recaptación en los cardiomiocitos , el transporte de cloruro en el epitelio, positivo de células T de selección, y de células T CD8 activación.
La mala regulación de CaMKII está relacionada con la enfermedad de Alzheimer , el síndrome de Angelman y la arritmia cardíaca .
Tipos
Hay dos tipos de quinasa CaM:
- CaM quinasas especializadas , como la quinasa de cadena ligera de miosina que fosforila la miosina , lo que hace que los músculos lisos se contraigan
- CaM quinasas multifuncionales , también llamadas colectivamente CaM quinasa II , que desempeñan un papel en la secreción de neurotransmisores , la regulación del factor de transcripción y el metabolismo del glucógeno .
Estructura, función y autorregulación
CaMKII representa 1 a 2% de todas las proteínas del cerebro y tiene 28 isoformas diferentes . Las isoformas se derivan de los genes alfa, beta, gamma y delta.
Dominio estructural
Todas las isoformas de CaMKII tienen: un dominio catalítico , un dominio autoinhibidor, un segmento variable y un dominio de autoasociación.
El dominio catalítico tiene varios sitios de unión para ATP y otras proteínas de anclaje de sustrato. Es responsable de la transferencia de fosfato de ATP a residuos de Ser o Thr en los sustratos. El dominio autoinhibidor presenta un sitio de pseudosustrato, que se une al dominio catalítico y bloquea su capacidad para fosforilar proteínas.
La característica estructural que gobierna esta autoinhibición es el residuo Treonina 286. La fosforilación de este sitio activará permanentemente la enzima CaMKII. Una vez que se ha fosforilado el residuo de treonina 286, el dominio inhibidor se bloquea del sitio del pseudosustrato. Esto bloquea eficazmente la autoinhibición, lo que permite la activación permanente de la enzima CaMKII. Esto permite que CamKII esté activo, incluso en ausencia de calcio y calmodulina.
Los otros dos dominios en CaMKII son los dominios variable y de autoasociación. Las diferencias en estos dominios contribuyen a las diversas isoformas de CaMKII.
El dominio de autoasociación (CaMKII AD) se encuentra en el extremo C , la función de este dominio es el ensamblaje de las proteínas individuales en multímeros grandes (de 8 a 14 subunidades).
Dependencia de calcio y calmodulina
La sensibilidad de la enzima CaMKII al calcio y la calmodulina se rige por los dominios variable y autoasociativos. Este nivel de sensibilidad de CaMKII también modulará los diferentes estados de activación de la enzima. Inicialmente, la enzima se activa; sin embargo, la autofosforilación no ocurre porque no hay suficiente calcio o calmodulina presente para unirse a las subunidades vecinas. A medida que se acumulan mayores cantidades de calcio y calmodulina, se produce la autofosforilación que conduce a la activación persistente de la enzima CaMKII durante un corto período de tiempo. Sin embargo, el residuo de treonina 286 finalmente se desfosforila, lo que lleva a la inactivación de CaMKII.
Autofosforilación
La autofosforilación es el proceso en el que una quinasa se une a un grupo fosfato. Cuando CaMKII se autofosforila, se vuelve persistentemente activo. La fosforilación del sitio Treonina 286 permite la activación del dominio catalítico. La autofosforilación se ve reforzada por la estructura de la holoenzima porque está presente en dos anillos apilados. La proximidad de estos anillos adyacentes aumenta la probabilidad de fosforilación de las enzimas CaMKII vecinas, lo que promueve la autofosforilación. Un mecanismo que promueve la autofosforilación se caracteriza por la inhibición de la PP1 (proteína fosfatasa I) . Esto permite que CaMKII esté constantemente activo aumentando la probabilidad de autofosforilación.
La potenciación a largo plazo
La proteína quinasa II dependiente de calcio / calmodulina también está fuertemente implicada en la potenciación a largo plazo (LTP), el proceso molecular de fortalecimiento de las sinapsis activas que se cree que subyace a los procesos de la memoria. Está involucrado en muchos aspectos de este proceso. La LTP se inicia cuando los receptores NMDA se encuentran en un entorno local con un potencial de voltaje lo suficientemente alto como para desplazar el ión Mg 2+ cargado positivamente del poro del canal. Como resultado del desbloqueo del canal, los iones Ca 2+ pueden entrar en la neurona postsináptica a través del canal del receptor NMDA. Este influjo de Ca 2+ activa CaMKII. Se ha demostrado que hay un aumento en la actividad de CaMKII directamente en la densidad postsináptica de las dendritas después de la inducción de LTP, lo que sugiere que la activación es un resultado directo de la estimulación.
En LTP
Cuando se elimina la alfa-CaMKII en ratones, la LTP se reduce en un 50%. Esto puede explicarse por el hecho de que la beta-CaMKII es responsable de aproximadamente el 65% de la actividad de CaMKII. LTP se puede bloquear por completo si se modifica CaMKII para que no pueda permanecer activo. Después de la inducción de LTP, CaMKII se mueve a la densidad postsináptica (PSD). Sin embargo, si la estimulación no induce LTP, la translocación es rápidamente reversible. La unión a PSD cambia CaMKII de modo que es menos probable que se desfosforila. CaMKII se transforma de un sustrato para la proteína fosfatasa 2A (PP2A), que es responsable de la desfosforilación de CaMKII, al de la proteína fosfatasa 1. Strack, S. (1997) demostró este fenómeno estimulando químicamente cortes de hipocampo. Este experimento ilustra que CaMKII contribuye a la mejora de la fuerza sináptica. Sanhueza et al. encontraron que la activación persistente de CaMKII es necesaria para el mantenimiento de LTP. Ella indujo LTP en cortes de hipocampo y aplicó experimentalmente un antagonista (CaMKIINtide) para evitar que CaMKII permaneciera activo. Los cortes que se aplicaron con CaMKIINtide mostraron una disminución en la pendiente de EPSP normalizado después de la infusión del fármaco, lo que significa que la LTP inducida se revirtió. La pendiente de EPSP normalizada se mantuvo constante en el control; CaMKII continúa participando en el proceso de mantenimiento de LTP incluso después del establecimiento de LTP. La CaMKII es activada por calcio / calmodulina, pero se mantiene por autofosforilación. La CaMKII es activada por la elevación de calcio mediada por el receptor de NMDA que ocurre durante la inducción de LTP. La activación se acompaña de la fosforilación de las subunidades alfa y beta y Thr286 / 287.
Inducción independiente de LTP
La LTP puede inducirse inyectando artificialmente CaMKII. Cuando se infunde CaMKII postsinápticamente en los cortes del hipocampo y la perfusión intracelular o la expresión viral, hay un aumento de dos a tres veces en la respuesta de la sinapsis al glutamato y otras señales químicas.
Papel mecanicista en LTP
Existe una fuerte evidencia de que después de la activación de CaMKII, CaMKII juega un papel en el tráfico de receptores AMPA hacia la membrana y luego la PSD de la dendrita. El movimiento de los receptores AMPA aumenta la respuesta postsináptica a la despolarización presináptica mediante el fortalecimiento de las sinapsis. Esto produce LTP.
Mecánicamente, CaMKII fosforila los receptores AMPA en el sitio P2 de la serina 831. Esto aumenta la conductancia del canal de las subunidades GluA1 de los receptores AMPA, lo que permite que los receptores AMPA sean más sensibles de lo normal durante la LTP. El aumento de la sensibilidad del receptor AMPA conduce a un aumento de la fuerza sináptica.
Además de aumentar la conductancia del canal de las subunidades de GluA1, también se ha demostrado que CaMKII ayuda en el proceso de exocitosis del receptor AMPA. Los receptores de reserva AMPA están incrustados en endosomas dentro de la célula. CaMKII puede estimular los endosomas para que se muevan hacia la membrana externa y activen los receptores AMPA integrados. La exocitosis de endosomas aumenta y aumenta el número de receptores AMPA en la sinapsis. El mayor número de receptores AMPA aumenta la sensibilidad de la sinapsis a la despolarización presináptica y genera LTP.
Mantenimiento de LTP
Además de ayudar a establecer LTP, CaMKII ha demostrado ser crucial en el mantenimiento de LTP. Se cree que su capacidad para autofosforilar juega un papel importante en este mantenimiento. Se ha demostrado que la administración de ciertos bloqueadores de CaMKII no solo bloquea la LTP sino que también la revierte de una manera dependiente del tiempo.
Memoria conductual
Como se cree que la LTP es la base de los procesos de aprendizaje y memoria, CaMKII también es crucial para la formación de la memoria. Los estudios de comportamiento con ratones modificados genéticamente han demostrado la importancia de CaMKII.
Prevenir la autofosforilación
Déficit en el aprendizaje espacial
En 1998, Giese y sus colegas estudiaron ratones knockout que habían sido modificados genéticamente para prevenir la autofosforilación de CaMKII. Observaron que los ratones tenían problemas para encontrar la plataforma oculta en la tarea del laberinto de agua de Morris. La tarea del laberinto de agua de Morris se utiliza a menudo para representar el aprendizaje espacial dependiente del hipocampo. La incapacidad de los ratones para encontrar la plataforma oculta implica déficits en el aprendizaje espacial.
Sin embargo, estos resultados no fueron del todo concluyentes porque el déficit de formación de la memoria también podría estar asociado con un deterioro motor sensorial resultante de una alteración genética.
Déficit de recuerdos de miedo
Irvine y sus colegas en 2006 demostraron que la prevención de la autofosforilación de CaMKII causa que los ratones tengan un aprendizaje inicial alterado del condicionamiento del miedo. Sin embargo, después de repetidos ensayos, los ratones afectados mostraron una formación de memoria de miedo similar a la de los ratones de control. CaMKII puede desempeñar un papel en la memoria rápida del miedo, pero no previene por completo la memoria del miedo a largo plazo.
En 2004, Rodrigues y sus colegas encontraron que el condicionamiento del miedo aumentaba la CaMKII fosforilada en las sinapsis de la amígdala lateral y las espinas dendríticas, lo que indica que el condicionamiento del miedo podría ser responsable de regular y activar la quinasa. También descubrieron una droga, KN-62 , que inhibía CaMKII e impedía la adquisición de condicionamiento de miedo y LTP.
Déficit en la consolidación de rastros de memoria.
Los ratones heterocigotos α-CaMKII expresan la mitad del nivel de proteína normal que el nivel de tipo salvaje. Estos ratones mostraron un almacenamiento de memoria normal en el hipocampo, pero déficits en la consolidación de la memoria en la corteza.
Sobreexpresión
Mayford y sus colegas diseñaron ratones transgénicos que expresan CaMKII con una mutación puntual de Thr-286 a aspartato, que imita la autofosforilación y aumenta la actividad de la quinasa. Estos ratones no mostraron respuesta LTP a estímulos débiles y no pudieron realizar un aprendizaje espacial dependiente del hipocampo que dependía de señales visuales u olfativas.
Los investigadores especulan que estos resultados podrían deberse a la falta de células de lugar hipocampales estables en estos animales.
Sin embargo, debido a que las modificaciones genéticas pueden causar cambios involuntarios en el desarrollo, la administración de vectores virales permite modificar el material genético de los ratones en etapas específicas de desarrollo. Es posible con la administración de un vector viral inyectar un gen específico de elección en una región particular del cerebro en un animal ya desarrollado. Poulsen y sus colegas en 2007 utilizaron este método para inyectar CaMKII en el hipocampo. Descubrieron que la sobreexpresión de CaMKII daba como resultado una ligera mejora de la adquisición de nuevos recuerdos.
Adiccion
Los cambios inducidos por fármacos en la función de CaMKII se han relacionado con la adicción.
Diferentes formas
CaMK2A
CaMKIIA es una de las principales formas de CamKII. Se ha descubierto que desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de la activación de CamKII en la densidad postsináptica. Los estudios han encontrado que los ratones knockout sin CaMKIIA demuestran una baja frecuencia de LTP. Además, estos ratones no forman células de lugar estables y persistentes en el hipocampo.
CaMK2B
CaMK2B tiene un sitio de autofosforilación en Thr287. Funciona como un módulo de orientación o acoplamiento. La reacción en cadena de la polimerasa con transcripción inversa y el análisis de secuenciación identificaron al menos cinco variantes de corte y empalme alternativas de beta CaMKII (beta, beta6, betae, beta'e y beta7) en el cerebro y dos de ellas (beta6 y beta7) se detectaron por primera vez en cualquier especie. .
CaMK2D
CaMK2D aparece en tipos de células neuronales y no neuronales. Se caracteriza particularmente en muchas células tumorales, como una variedad de células tumorales pancreáticas, leucémicas, mamarias y de otro tipo. encontraron que CaMK2D está regulado a la baja en las células tumorales humanas.
CaMK2G
Se ha demostrado que CaMK2G es una cinasa regulada por señales extracelulares crucial en las células diferenciadas del músculo liso.
Genes
Ver también
Referencias
enlaces externos
- Calcio-Calmodulina + Dependiente + Proteína + Quinasas en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
- Para obtener más información sobre el CaMKII ...
