Principais proteínas urinárias - Major urinary proteins

Um diagrama de fita de uma proteína urinária principal de camundongo, contendo oito folhas beta e quatro hélices alfa.
Estrutura terciária de uma proteína urinária principal de camundongo. A proteína tem oito folhas beta (amarelas) dispostas em um barril beta aberto em uma extremidade, com hélices alfa (vermelhas) nos terminais amino e carboxila . A estrutura é resolvida a partir da entrada 1i04 do Protein Data Bank . Encontre todas as instâncias desta proteína no PDB

As principais proteínas urinárias ( Mups ), também conhecidas como α 2 u-globulinas , são uma subfamília de proteínas encontradas em abundância na urina e em outras secreções de muitos animais. Os Mups fornecem uma pequena gama de informações de identificação sobre o animal doador, quando detectados pelo órgão vomeronasal do animal receptor. Eles pertencem a uma família maior de proteínas conhecidas como lipocalinas . Mups são codificados por um agrupamento de genes , localizados adjacentes uns aos outros em um único trecho de DNA, que varia muito em número entre as espécies: de pelo menos 21 genes funcionais em camundongos a nenhum em humanos. As proteínas Mup têm um formato característico de luva , englobando uma bolsa de ligação ao ligante que acomoda pequenos produtos químicos orgânicos específicos.

As proteínas urinárias foram relatadas pela primeira vez em roedores em 1932, durante estudos de Thomas Addis sobre a causa da proteinúria . Eles são alérgenos humanos potentes e são amplamente responsáveis ​​por uma série de alergias a animais , incluindo gatos, cavalos e roedores. Sua função endógena dentro de um animal é desconhecida, mas pode envolver a regulação do gasto de energia. No entanto, como proteínas secretadas, elas desempenham papéis múltiplos na comunicação química entre animais, funcionando como transportadores e estabilizadores de feromônios em roedores e porcos. Os Mups também podem atuar como feromônios protéicos. Foi demonstrado que eles promovem a agressão em camundongos machos, e uma proteína Mup específica encontrada na urina de camundongos machos é sexualmente atraente para camundongos fêmeas. Os Mups também podem funcionar como sinais entre diferentes espécies : os ratos exibem uma resposta instintiva de medo na detecção de Mups derivados de predadores como gatos e ratos.

Descoberta

Uma árvore filogenética dos principais genes de proteínas urinárias em mamíferos mostrando 21 genes de camundongo, 9 genes de rato, 3 genes de cavalo, 2 genes de lêmure e um gene de porco, cachorro, orangotango, macaco, bushbaby e gambá
Filogenia de sequências de codificação de Mup em mamíferos. A repetibilidade da reconstrução foi testada por bootstrapping . Ramos internos com suporte de bootstrap> 50% são mostrados.

Os seres humanos com boa saúde excretam urina, em grande parte isenta de proteínas. Portanto, desde 1827 médicos e cientistas se interessaram pela proteinúria , o excesso de proteína na urina humana, como um indicador de doença renal . Para entender melhor a etiologia da proteinúria, alguns cientistas tentaram estudar o fenômeno em animais de laboratório . Entre 1932 e 1933, vários cientistas, incluindo Thomas Addis , relataram independentemente a descoberta surpreendente de que alguns roedores saudáveis ​​têm proteína na urina. No entanto, foi só na década de 1960 que as principais proteínas urinárias de camundongos e ratos foram descritas em detalhes pela primeira vez. Verificou-se que as proteínas são produzidas principalmente no fígado dos homens e secretadas pelos rins na urina em grandes quantidades (miligramas por dia).

Desde que foram nomeadas, descobriu-se que as proteínas são expressas diferencialmente em outras glândulas que secretam produtos diretamente no ambiente externo. Estes incluem glândulas lacrimais , parótidas , submaxilares , sublinguais , prepuciais e mamárias . Em algumas espécies, como gatos e porcos, os Mups parecem não ser expressos na urina e são encontrados principalmente na saliva. Às vezes, o termo Mups urinários (uMups) é usado para distinguir os Mups expressos na urina daqueles em outros tecidos.

Genes Mup

Entre 1979 e 1981, estimou-se que os Mups são codificados por uma família de genes de 15 a 35 genes e pseudogenes no camundongo e por cerca de 20 genes no rato. Em 2008, um número mais preciso de genes Mup em uma variedade de espécies foi determinado pela análise da sequência de DNA de genomas inteiros .

Roedores

Um gráfico de pontos mostrando diferentes padrões de auto-similaridade dentro dos primeiros cinco genes do agrupamento Mup de camundongo
Um gráfico de pontos mostrando auto-similaridade dentro do cluster Mup do mouse . A diagonal principal representa o alinhamento da sequência consigo mesma; linhas fora da diagonal principal representam padrões semelhantes ou repetitivos dentro do cluster. Os difere padrão entre os mais velhos, periférica Classe A e os mais recentes, centrais Classe B MUPS .

O genoma de referência do camundongo tem pelo menos 21 genes Mup distintos (com quadros de leitura abertos ) e mais 21 pseudogenes Mup (com quadros de leitura interrompidos por uma mutação sem sentido ou uma duplicação gênica incompleta ). Eles estão todos agrupados, dispostos lado a lado através de 1,92 megabases de DNA no cromossomo 4. Os 21 genes funcionais foram divididos em duas subclasses com base na posição e semelhança de sequência: 6 Mups de Classe A periféricos e 15 Mups de Classe B centrais . O cluster central do gene Mup da Classe B se formou por meio de uma série de duplicações sequenciais de um dos Mups da Classe A. Como todos os genes da Classe B são quase idênticos entre si, os pesquisadores concluíram que essas duplicações ocorreram muito recentemente na evolução do camundongo. Na verdade, a estrutura repetitiva desses genes Mup centrais significa que eles são provavelmente instáveis ​​e podem variar em número entre os camundongos selvagens. Os Mups de Classe A são mais diferentes uns dos outros e, portanto, provavelmente são genes mais estáveis ​​e mais antigos, mas quais diferenças funcionais as classes têm, se houver, são desconhecidas. A semelhança entre os genes torna a região difícil de estudar usando a atual tecnologia de sequenciamento de DNA . Consequentemente, o agrupamento de genes Mup é uma das poucas partes da sequência do genoma do camundongo com lacunas restantes, e outros genes podem permanecer desconhecidos.

A urina de rato também contém proteínas urinárias homólogas ; embora tenham recebido originalmente um nome diferente, α2 u - globulinas , eles se tornaram conhecidos como Mups de rato. Os ratos têm 9 genes Mup distintos e mais 13 pseudogenes agrupados em 1,1 megabases de DNA no cromossomo 5. Como nos camundongos, o agrupamento é formado por múltiplas duplicações. No entanto, isso ocorreu independentemente das duplicações em ratos, o que significa que ambas as espécies de roedores expandiram suas famílias de genes Mup separadamente, mas em paralelo .

Nonrodents

A maioria dos outros mamíferos estudados, incluindo porco, vaca, gato, cachorro, bushbaby, macaco, chimpanzé e orangotango, tem um único gene Mup. Alguns, no entanto, têm um número expandido: os cavalos têm três genes Mup e os lêmures-rato cinza têm pelo menos dois. Insetos, peixes, anfíbios, pássaros e marsupiais parecem ter interrompido a sintenia na posição cromossômica do agrupamento do gene Mup, sugerindo que a família do gene pode ser específica para mamíferos placentários. Os humanos são os únicos mamíferos placentários que não apresentam genes Mup ativos; em vez disso, eles têm um único pseudogene Mup contendo uma mutação que causa erros de aplicação , tornando-o disfuncional.

Função

Proteínas de transporte

Um diagrama de fita de uma proteína urinária principal de camundongo com um pequeno ligante químico em sua bolsa de ligação.
As principais proteínas urinárias de camundongo se ligam a 2-sec-butil-4,5-di-hidrotiazol (SBT), um feromônio de camundongo. O barril beta forma uma bolsa, na qual a molécula do SBT está fortemente ligada. A estrutura é resolvida a partir de 1MUP .

Mups são membros de uma grande família de proteínas de baixo peso molecular (~ 19  kDa ) conhecidas como lipocalinas . Eles têm uma estrutura característica de oito folhas beta dispostas em um barril beta antiparalelo aberto em uma face, com hélices alfa em ambas as extremidades. Conseqüentemente, eles formam um formato característico de luva, envolvendo um bolso em forma de copo que se liga a pequenos produtos químicos orgânicos com alta afinidade. Vários desses ligantes se ligam a Mups de camundongo, incluindo 2-sec-butil-4,5-di-hidro tiazol (abreviado como SBT ou DHT), 6-hidroxi-6-metil-3- heptanona (HMH) e 2,3 di-hidro -exo-brevicomina (DHB). Todos esses são produtos químicos específicos da urina que comprovadamente atuam como feromônios - sinais moleculares excretados por um indivíduo que desencadeiam uma resposta comportamental inata em outro membro da mesma espécie. Mups de camundongos também funcionam como estabilizadores de feromônios, fornecendo um mecanismo de liberação lenta que estende a potência dos feromônios voláteis em marcas de cheiro de urina masculina . Dada a diversidade de Mups em roedores, pensava-se originalmente que diferentes Mups podem ter bolsas de ligação com formatos diferentes e, portanto, ligar diferentes feromônios. No entanto, estudos detalhados descobriram que a maioria dos locais variáveis estão localizados na superfície das proteínas e parecem ter pouco efeito na ligação do ligante.

Mups de rato ligam diferentes pequenas substâncias químicas. O ligante mais comum é o 1-cloro decano , com 2-metil-N-fenil -2-propenamida , hexadecano e 2,6,11-trimetil decano considerados menos proeminentes. Os Mups de ratos também se ligam ao limoneno -1,2-epóxido, resultando em uma doença do rim do hospedeiro, a nefropatia hialina das gotículas , que evolui para câncer. Outras espécies não desenvolvem esse distúrbio porque seus Mups não se ligam a esse produto químico específico. Assim, quando os camundongos transgênicos foram projetados para expressar o rato Mup, seus rins desenvolveram a doença. O Mup encontrado em porcos, denominado lipocalina salivar (SAL), é expresso na glândula salivar dos machos, onde se liga fortemente à androstenona e ao androstenol , ambos feromônios que fazem com que as porcas assumam uma postura de acasalamento .

Estudos de calorimetria de titulação isotérmica realizados com Mups e ligantes associados (pirazinas, álcoois, tiazolinas, 6-hidroxi-6-metil-3-heptanona e N-fenilnaftilamina) revelaram um fenômeno de ligação incomum. O local activo foi encontrado para ser subótimamente hidratadas, resultando na ligação do ligando a ser conduzido por entálpicos forças de dispersão . Isso é contrário à maioria das outras proteínas, que exibem forças de ligação impulsionadas pela entropia da reorganização das moléculas de água . Este processo incomum foi denominado efeito hidrofóbico não clássico .

Feromônios

Diferentes padrões de bandas de proteínas da urina de camundongos machos e fêmeas resolvidos por eletroforese em gel
Os Mups na urina de camundongos C57BL / 6 J analisados ​​por eletroforese em gel nativo

Estudos têm procurado encontrar a função precisa dos Mups na comunicação de feromônios. As proteínas Mup promovem a puberdade e aceleram o ciclo estral em camundongos fêmeas, induzindo os efeitos de Vandenbergh e Whitten . No entanto, em ambos os casos, os Mups tiveram de ser apresentados à mulher dissolvidos na urina masculina, indicando que a proteína requer algum contexto urinário para funcionar. Em 2007, os Mups normalmente encontrados na urina de camundongos machos foram produzidos em bactérias transgênicas e, portanto, criados desprovidos dos produtos químicos aos quais normalmente se ligam. Esses Mups mostraram ser suficientes para promover um comportamento agressivo em homens, mesmo na ausência de urina. Além disso, descobriu-se que Mups feitos em bactérias ativam neurônios sensoriais olfativos no órgão vomeronasal (VNO), um subsistema do nariz conhecido por detectar feromônios por meio de receptores sensoriais específicos , de camundongos e ratos. Juntos, isso demonstrou que as proteínas Mup podem atuar como feromônios, independentemente de seus ligantes.

Ilustração do Sr. Darcy e Elizabeth Bennet de Orgulho e Preconceito, de CE Brock (1895)
Fitzwilliam Darcy foi a inspiração para o nome de darcin , o Mup que atrai ratos fêmeas para a urina masculina.

Consistente com um papel na agressão macho-macho, camundongos machos adultos secretam significativamente mais Mups em sua urina do que fêmeas, juvenis ou camundongos machos castrados . O mecanismo preciso que leva a essa diferença entre os sexos é complexo, mas sabe-se que pelo menos três hormônios - testosterona , hormônio do crescimento e tiroxina - influenciam positivamente a produção de Mups em camundongos. A urina de camundongos domésticos contém combinações variáveis ​​de quatro a sete proteínas Mup distintas por camundongo. Algumas estirpes de ratinhos consanguíneos de laboratório , tais como ratinhos BALB / c e C57BL / 6 , também têm diferentes proteínas expressas na sua urina. No entanto, ao contrário dos ratos selvagens, diferentes indivíduos da mesma cepa expressam o mesmo padrão de proteína, um artefato de muitas gerações de endogamia . Um Mup incomum é menos variável do que os outros: é consistentemente produzido por uma alta proporção de camundongos machos selvagens e quase nunca é encontrado na urina feminina. Quando este Mup foi feito em bactérias e usado em testes comportamentais, descobriu-se que atraía ratos fêmeas. Outros Mups foram testados, mas não tinham as mesmas qualidades atraentes, sugerindo que o Mup masculino específico atua como um feromônio sexual. Os cientistas nomearam este darcin Mup ( Mup20 , Q5FW60 ) como uma referência humorística a Fitzwilliam Darcy , o herói romântico de Orgulho e Preconceito . Tomados em conjunto, os padrões complexos de Mups produzidos têm o potencial de fornecer uma gama de informações sobre o animal doador, como gênero , fertilidade, domínio social , idade, diversidade genética ou parentesco . Os ratos selvagens (ao contrário dos ratos de laboratório que são geneticamente idênticos e que, portanto, também têm padrões idênticos de Mups na urina) têm padrões individuais de expressão de Mup em sua urina que agem como um " código de barras " para identificar exclusivamente o proprietário de uma marca de cheiro.

No camundongo doméstico, o principal agrupamento de genes MUP fornece um sinal de cheiro altamente polimórfico de identidade genética. Camundongos selvagens se reproduzindo livremente em recintos semi-naturais mostraram evitar a consanguinidade . Esta evasão resultou de um forte déficit em acasalamentos bem-sucedidos entre camundongos que compartilham ambos os haplótipos MUP (combinação completa). Em outro estudo, usando camundongos de pés brancos, descobriu-se que quando os camundongos derivados de populações selvagens eram consanguíneos, a sobrevivência era reduzida quando esses camundongos eram reintroduzidos em um habitat natural. Essas descobertas sugerem que a endogamia reduz a aptidão, e que o reconhecimento do sinal de cheiro evoluiu em camundongos como um meio de evitar a depressão por endogamia .

Kairomones

Além de servir como pistas sociais entre membros da mesma espécie, os Mups podem atuar como kairomônios - sinais químicos que transmitem informações entre as espécies. Os camundongos têm medo instintivamente do cheiro de seus predadores naturais , incluindo gatos e ratos. Isso ocorre até mesmo em ratos de laboratório que foram isolados de predadores por centenas de gerações. Quando as pistas químicas responsáveis ​​pela resposta de medo foram purificadas da saliva do gato e da urina do rato, dois sinais de proteínas homólogas foram identificados: Fel d 4 ( Felis domesticus alérgeno 4; Q5VFH6 ), o produto do gene cat Mup , e Rat n 1 ( Rattus norvegicus alérgeno 1; P02761 ), o produto do gene Mup13 de rato . Os camundongos têm medo desses Mups mesmo quando são feitos de bactérias, mas os animais mutantes que são incapazes de detectar os Mups não têm medo de ratos, demonstrando sua importância em iniciar um comportamento de medo. Não se sabe exatamente como Mups de diferentes espécies iniciam comportamentos díspares, mas Mups de camundongos e Mups de predadores ativam padrões únicos de neurônios sensoriais no nariz de camundongos receptores. Isso implica que o mouse os percebe de maneira diferente, por meio de circuitos neurais distintos . Os receptores de feromônios responsáveis ​​pela detecção de Mup também são desconhecidos, embora sejam considerados membros da classe de receptores V2R .

Alérgenos

Um diagrama de fita de duas moléculas idênticas de alérgenos de cavalo, dispostas simetricamente em uma estrutura de cristal.
A estrutura tridimensional de Equ c 1 , mostrada na forma dimérica cristalizada . A estrutura é resolvida a partir de 1EW3 .

Junto com outros membros da família de proteínas das lipocalinas, as principais proteínas urinárias podem ser alérgenos potentes para os humanos. A razão para isso é desconhecida; no entanto, o mimetismo molecular entre Mups e lipocalinas humanas estruturalmente semelhantes foi proposto como uma explicação possível. O produto proteico do rato Mup6 e Mup2 genes (anteriormente confundido como Mup17 Devido à semelhança entre MUPS ratinho), conhecidos como Mus m 1, Ag1 ou MA1, é responsável por grande parte das propriedades alergénicas de urina de rato. A proteína é extremamente estável no meio ambiente; estudos descobriram que 95% das residências no centro da cidade e 82% de todos os tipos de residências nos Estados Unidos têm níveis detectáveis ​​em pelo menos um cômodo. Da mesma forma, Rat n 1 é um alérgeno humano conhecido. Um estudo norte-americano descobriu sua presença em 33% das residências no centro da cidade, e 21% dos ocupantes foram sensibilizados ao alérgeno. A exposição e sensibilização a proteínas Mup de roedores são consideradas um fator de risco para asma infantil e uma das principais causas de alergia a animais de laboratório (LAA) - uma doença ocupacional de técnicos e cientistas de animais de laboratório . Um estudo descobriu que dois terços dos trabalhadores de laboratório que desenvolveram reações asmáticas em animais tinham anticorpos contra Rato n 1.

Os genes Mup de outros mamíferos também codificam proteínas alergênicas, por exemplo, o Fel d 4 é produzido principalmente na glândula salivar submandibular e é depositado no pêlo quando o gato se arruma. Um estudo descobriu que 63% das pessoas alérgicas a gatos têm anticorpos contra a proteína. A maioria tinha títulos mais altos de anticorpos contra Fel d 4 do que contra Fel d 1 , outro alérgeno proeminente em gatos. Da mesma forma, Equ c 1 ( Equus caballus alérgeno 1; Q95182 ) é o produto proteico de um gene Mup de cavalo que é encontrado no fígado, nas glândulas salivares sublinguais e submaxilares. É responsável por cerca de 80% da resposta de anticorpos em pacientes cronicamente expostos a alérgenos equinos.

Metabolismo

Embora a detecção de Mups excretados por outros animais tenha sido bem estudada, o papel funcional no animal produtor é menos claro. No entanto, em 2009, os Mups mostraram estar associados à regulação do gasto de energia em ratos. Os cientistas descobriram que ratos diabéticos e obesos geneticamente induzidos produzem trinta vezes menos RNA Mup do que seus irmãos magros. Quando eles entregaram a proteína Mup diretamente na corrente sanguínea desses camundongos, eles observaram um aumento no gasto de energia, atividade física e temperatura corporal e uma diminuição correspondente na intolerância à glicose e resistência à insulina . Eles propõem que os efeitos benéficos do Mups no metabolismo energético ocorrem ao aumentar a função mitocondrial no músculo esquelético. Outro estudo descobriu que os Mups foram reduzidos em ratos obesos induzidos por dieta. Nesse caso, a presença de Mups na corrente sanguínea de camundongos restringiu a produção de glicose ao inibir diretamente a expressão de genes no fígado.

Veja também

Notas

Referências

links externos