Ca 2+ / proteína quinase dependente de calmodulina II -Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II
| Domínio de associação de proteína quinase II dependente de cálcio / calmodulina | |||||||||
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 Estrutura cristalina da proteína quinase dependente de cálcio / calmodulina
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| Identificadores | |||||||||
| Símbolo | CaMKII_AD | ||||||||
| Pfam | PF08332 | ||||||||
| Clã Pfam | CL0051 | ||||||||
| InterPro | IPR013543 | ||||||||
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Ca2+
/ proteína quinase dependente de calmodulina II ( CaM quinase II ou CaMKII ) é uma proteína quinase específica de serina / treonina que é regulada pelo Ca2+
/ complexo calmodulina . CaMKII está envolvido em muitas cascatas de sinalização e é considerado um importante mediador de aprendizagem e memória. CaMKII também é necessário para Ca2+
homeostase e recaptação em cardiomiócitos , o transporte de cloreto em epitélios, positiva das células T selecção, e de células T CD8 activação.
A desregulação de CaMKII está ligada à doença de Alzheimer , síndrome de Angelman e arritmia cardíaca .
Tipos
Existem dois tipos de CaM quinase:
- CaM quinases especializadas , como a cadeia leve quinase da miosina que fosforila a miosina , fazendo com que os músculos lisos se contraiam
- CaM quinases multifuncionais , também chamadas coletivamente de CaM quinase II , que desempenham um papel na secreção de neurotransmissores , na regulação do fator de transcrição e no metabolismo do glicogênio .
Estrutura, função e autorregulação
CaMKII é responsável por 1–2% de todas as proteínas do cérebro e tem 28 isoformas diferentes . As isoformas derivam dos genes alfa, beta, gama e delta.
Domínio estrutural
Todas as isoformas de CaMKII têm: um domínio catalítico , um domínio autoinibitório, um segmento variável e um domínio de autoassociação.
O domínio catalítico tem vários locais de ligação para ATP e outras proteínas âncoras de substrato. É responsável pela transferência de fosfato de ATP para resíduos de Ser ou Thr em substratos. O domínio autoinibitório apresenta um local de pseudo-substrato, que se liga ao domínio catalítico e bloqueia sua capacidade de fosforilar proteínas.
A característica estrutural que governa essa autoinibição é o resíduo de Treonina 286. A fosforilação deste local ativará permanentemente a enzima CaMKII. Uma vez que o resíduo de Treonina 286 tenha sido fosforilado, o domínio inibitório é bloqueado do local do pseudo-substrato. Isso bloqueia efetivamente a autoinibição, permitindo a ativação permanente da enzima CaMKII. Isso permite que o CamKII seja ativo, mesmo na ausência de cálcio e calmodulina.
Os outros dois domínios em CaMKII são os domínios variáveis e de autoassociação. As diferenças nestes domínios contribuem para as várias isoformas CaMKII.
O domínio de autoassociação (CaMKII AD) é encontrado no terminal C , a função deste domínio é a montagem das proteínas individuais em multímeros grandes (8 a 14 subunidades)
Dependência de cálcio e calmodulina
A sensibilidade da enzima CaMKII ao cálcio e calmodulina é governada pelos domínios variável e autoassociativo. Este nível de sensibilidade de CaMKII também irá modular os diferentes estados de ativação da enzima. Inicialmente, a enzima é ativada; no entanto, a autofosforilação não ocorre porque não há cálcio ou calmodulina suficiente presente para se ligar às subunidades vizinhas. À medida que maiores quantidades de cálcio e calmodulina se acumulam, ocorre a autofosforilação, levando à ativação persistente da enzima CaMKII por um curto período de tempo. No entanto, o resíduo da Treonina 286 eventualmente se torna desfosforilado, levando à inativação de CaMKII.
Autofosforilação
A autofosforilação é o processo pelo qual uma quinase anexa um grupo fosfato a si mesma. Quando o CaMKII se autofosforila, ele se torna persistentemente ativo. A fosforilação do local da Treonina 286 permite a ativação do domínio catalítico. A autofosforilação é reforçada pela estrutura da holoenzima porque está presente em dois anéis empilhados. A proximidade desses anéis adjacentes aumenta a probabilidade de fosforilação de enzimas CaMKII vizinhas, promovendo a autofosforilação. Um mecanismo que promove a autofosforilação apresenta inibição da PP1 (proteína fosfatase I) . Isso permite que o CaMKII esteja constantemente ativo, aumentando a probabilidade de autofosforilação.
Potencialização a longo prazo
A proteína quinase II dependente de cálcio / calmodulina também está fortemente implicada na potenciação de longo prazo (LTP) - o processo molecular de fortalecimento das sinapses ativas que se acredita ser a base dos processos de memória. Ele está envolvido em muitos aspectos desse processo. A LTP é iniciada quando os receptores NMDA estão em um ambiente local com um potencial de voltagem alto o suficiente para deslocar o íon Mg 2+ carregado positivamente do poro do canal. Como resultado do canal ser desbloqueado, os íons Ca 2+ são capazes de entrar no neurônio pós-sináptico através do canal do receptor NMDA. Este influxo de Ca 2+ ativa CaMKII. Foi demonstrado que há um aumento na atividade CaMKII diretamente na densidade pós-sináptica dos dendritos após a indução de LTP, sugerindo que a ativação é um resultado direto da estimulação.
Em LTP
Quando o alfa-CaMKII é eliminado em camundongos, o LTP é reduzido em 50%. Isso pode ser explicado pelo fato de o beta-CaMKII ser responsável por aproximadamente 65% da atividade do CaMKII. LTP pode ser completamente bloqueado se CaMKII for modificado de forma que não possa permanecer ativo. Após a indução LTP, CaMKII se move para a densidade pós-sináptica (PSD). No entanto, se a estimulação não induz LTP, a translocação é rapidamente reversível. A ligação ao PSD altera CaMKII de modo que é menos provável que se torne desfosforilado. As transformações CaMKII de um substrato para a Proteína Fosfatase 2A (PP2A), que é responsável pela desfosforilação da CaMKII, para a Proteína Fosfatase 1. Strack, S. (1997) demonstrou este fenómeno estimulando quimicamente fatias de hipocampo. Este experimento ilustra que CaMKII contribui para o aumento da força sináptica. Sanhueza et al. descobriram que a ativação persistente de CaMKII é necessária para a manutenção de LTP. Ela induziu LTP em fatias do hipocampo e aplicou experimentalmente um antagonista (CaMKIINtide) para evitar que CaMKII permanecesse ativo. As fatias aplicadas com CaMKIINtide mostraram uma diminuição no declive do EPSP normalizado após a infusão da droga, significando que a LTP induzida se reverteu. A inclinação EPSP normalizada permaneceu constante no controle; O CaMKII continua envolvido no processo de manutenção do LTP, mesmo após o estabelecimento do LTP. CaMKII é ativado por cálcio / calmodulina, mas é mantido por autofosforilação. O CaMKII é ativado pela elevação do cálcio mediada pelo receptor NMDA que ocorre durante a indução da LTP. A ativação é acompanhada pela fosforilação das subunidades alfa e beta e Thr286 / 287.
Indução independente de LTP
A LTP pode ser induzida pela injeção artificial de CaMKII. Quando CaMKII é infundido pós-sinápticamente nas fatias do hipocampo e na perfusão intracelular ou expressão viral, há um aumento de duas a três vezes na resposta da sinapse ao glutamato e outros sinais químicos.
Papel mecanicista em LTP
Há fortes evidências de que após a ativação de CaMKII, CaMKII desempenha um papel no tráfego de receptores AMPA na membrana e, em seguida, no PSD do dendrito. O movimento dos receptores AMPA aumenta a resposta pós-sináptica à despolarização pré-sináptica por meio do fortalecimento das sinapses. Isso produz LTP.
Mecanicamente, o CaMKII fosforila os receptores AMPA no local P2 serina 831. Isso aumenta a condutância do canal das subunidades GluA1 dos receptores AMPA, o que permite que os receptores AMPA sejam mais sensíveis do que o normal durante a LTP. O aumento da sensibilidade do receptor AMPA leva ao aumento da força sináptica.
Além de aumentar a condutância do canal das subunidades GluA1, CaMKII também demonstrou ajudar no processo de exocitose do receptor AMPA. Os receptores AMPA de reserva estão embutidos nos endossomos da célula. CaMKII pode estimular os endossomos a se moverem para a membrana externa e ativar os receptores AMPA embutidos. A exocitose dos endossomos aumenta e aumenta o número de receptores AMPA na sinapse. O maior número de receptores AMPA aumenta a sensibilidade da sinapse à despolarização pré-sináptica e gera LTP.
Manutenção de LTP
Além de ajudar a estabelecer a LTP, CaMKII demonstrou ser crucial na manutenção da LTP. Acredita-se que sua capacidade de autofosforilação desempenhe um papel importante nessa manutenção. A administração de certos bloqueadores CaMKII demonstrou não apenas bloquear a LTP, mas também revertê-la de uma maneira dependente do tempo.
Memória comportamental
Como o LTP é considerado a base dos processos de aprendizagem e memória, CaMKII também é crucial para a formação da memória. Estudos comportamentais envolvendo camundongos geneticamente modificados demonstraram a importância do CaMKII.
Prevenindo a autofosforilação
Déficit na aprendizagem espacial
Em 1998, Giese e colegas estudaram ratos knockout que foram geneticamente modificados para prevenir a autofosforilação de CaMKII. Eles observaram que os ratos tiveram problemas para encontrar a plataforma oculta na tarefa do labirinto de água de Morris. A tarefa do labirinto aquático de Morris é freqüentemente usada para representar o aprendizado espacial dependente do hipocampo. A incapacidade dos ratos de encontrar a plataforma oculta implica em déficits no aprendizado espacial.
No entanto, esses resultados não foram totalmente conclusivos porque o déficit na formação da memória também pode estar associado ao comprometimento sensório-motor resultante de alteração genética.
Déficit nas memórias de medo
Irvine e colegas em 2006 mostraram que a prevenção da autofosforilação de CaMKII faz com que os ratos tenham um aprendizado inicial prejudicado do condicionamento pelo medo. No entanto, após testes repetidos, os ratos deficientes exibiram formação de memória de medo semelhante aos ratos de controle. CaMKII pode desempenhar um papel na memória rápida do medo, mas não impede completamente a memória do medo a longo prazo.
Em 2004, Rodrigues e colegas descobriram que o condicionamento pelo medo aumentou CaMKII fosforilado nas sinapses da amígdala lateral e espinhas dendríticas, indicando que o condicionamento pelo medo pode ser responsável por regular e ativar a quinase. Eles também descobriram uma droga, KN-62 , que inibia CaMKII e evitava a aquisição de condicionamento pelo medo e LTP.
Déficit na consolidação de traços de memória
Os ratinhos heterozigóticos α-CaMKII expressam metade do nível de proteína normal como o nível de tipo selvagem. Esses ratos mostraram armazenamento de memória normal no hipocampo, mas déficits na consolidação da memória no córtex.
Superexpressão
Mayford e colegas projetaram camundongos transgênicos que expressam CaMKII com uma mutação pontual de Thr-286 em aspartato, que imita a autofosforilação e aumenta a atividade da quinase. Esses camundongos não conseguiram mostrar resposta LTP a estímulos fracos e não conseguiram realizar o aprendizado espacial dependente do hipocampo que dependia de pistas visuais ou olfativas.
Os pesquisadores especulam que esses resultados podem ser devido à falta de células locais estáveis do hipocampo nesses animais.
No entanto, como as modificações genéticas podem causar mudanças não intencionais no desenvolvimento, a entrega do vetor viral permite que o material genético dos camundongos seja modificado em estágios específicos de desenvolvimento. É possível com a entrega de vetor viral injetar um gene específico de escolha em uma região particular do cérebro em um animal já desenvolvido. Poulsen e colegas em 2007 usaram este método para injetar CaMKII no hipocampo. Eles descobriram que a superexpressão de CaMKII resultou em um ligeiro aumento na aquisição de novas memórias.
Vício
Mudanças induzidas por drogas na função CaMKII têm sido implicadas no vício.
Formas diferentes
CaMK2A
CaMKIIA é uma das principais formas de CamKII. Verificou-se que desempenha um papel crítico na sustentação da ativação de CamKII na densidade pós-sináptica. Estudos descobriram que camundongos knockout sem CaMKIIA demonstram uma baixa frequência de LTP. Além disso, esses ratos não formam células locais estáveis e persistentes no hipocampo.
CaMK2B
CaMK2B tem um local de autofosforilação em Thr287. Ele funciona como um módulo de direcionamento ou docking. A reação em cadeia da polimerase de transcrição reversa e a análise de sequenciamento identificaram pelo menos cinco variantes alternativas de splicing de beta CaMKII (beta, beta6, betae, beta'e e beta7) no cérebro e duas delas (beta6 e beta7) foram detectadas pela primeira vez em qualquer espécie .
CaMK2D
CaMK2D aparece em tipos de células neuronais e não neuronais. É caracterizada particularmente em muitas células tumorais, como uma variedade de células pancreáticas, leucêmicas, de mama e outras células tumorais. descobriram que CaMK2D é regulado negativamente em células tumorais humanas.
CaMK2G
CaMK2G mostrou ser uma quinase regulada por sinal extracelular crucial em células de músculo liso diferenciadas.
Genes
Veja também
Referências
links externos
- Cálcio-Calmodulina + Dependente + Proteína + Quinases na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA Medical Subject Headings (MeSH)
- Para saber mais sobre o CaMKII ...
