A beta-catenina (β-catenina) ou catenina beta 1 (CTNNB1) é unha proteína que ten unha función dual, que regula a coordinación da adhesión célula-célula e a transcrición xenética. En humanos, a proteína CTNNB1 está codificada no xene CTNNB1 do cromosoma 3. En Drosophila a proteína homóloga denomínase armadillo.
A β-catenina é unha subunidade do complexo da proteína cadherina e actúa como un transdutor de sinais intracelular na vía de sinalización Wnt. É un membro da familia das proteínas cateninas e homóloga da γ-catenina, tamén chamada placoglobina. A beta-catenina exprésase amplamente en moitos tecidos. No músculo cardíaco, a beta-catenina localízase en unións adherentes nos discos intercalares, que son esenciais para o acoplamento eléctrico e mecánico entre cardiomiocitos adxacentes.
As mutacións e a sobreexpresión da β-catenina están asociadas con moitos cancros, incluíndo o carcinoma hepatocelular, cancro colorrectal, cancro pulmonar, cancro de mama, cancro de ovario e cancro endometrial. As alteracións nos niveis de localización e expresión da beta-catenina foron asociados con varias formas de doenzas cardíacas, incluíndo a cardiomiopatía dilatada. A β-catenina é regulada e destruída polo complexo de destrución da beta-catenina, e en particular pola proteína APC (adenomatous polyposis coli), codificada polo xene APC supresor de tumores. Por tanto, a mutación do xene APC está fortemente ligada a cancros, e en particular ao cancro colorrectal, o que ten como resultado a polipose adenomatosa familiar.
Descubrimento A beta-catenina foi inicialmente descuberta a inicios da década de 1990 como un compoñente do complexo de adhesión celular de mamíferos: unha proteína responsable da ancoraxe citoplasmática das cadherinas. Pero axiña se descubriu que a proteína de Drosophila armadillo (implicada na mediación de efectos morfoxénicos de Wingless/Wnt) é homóloga da β-catenina de mamíferos, non só en estrutura senón tamén en función. Así, a beta-catenina converteuse nun dos primeiros exemplos de proteína "pluriempregada" ou multiúsos (moonlighting), é dicir, unha proteína que realiza máis dunha función completamente diferente na célula.
Estrutura Estrutura da proteína
O núcleo da beta-catenin consta de varias repeticións moi características, cada unha delas de aproximadamente 40 aminoácido de longo. Todos estes elementos repetidos, chamados repeticións armadillo, préganse todos xuntos nun só dominio proteico ríxido con forma alongada, chamado dominio armadillo (ARM). Unha repetición armadillo típica está composta de tres hélices alfa. A primeira repetición da β-catenina (preto do N-terminal) é lixeiramente diferente das outras, xa que ten unha hélice alongada cunha retorcedura, formada pola fusión das hélices 1 e 2. Debido á forma complexa das repeticións individuais, o dominio ARM completo non é un bastón recto, senón que posúe unha lixeira curvatura, de modo que presenta unha superficie externa convexa e outra interna cóncava. A superficie interna serve como un sitio de unión a ligandos para as varias moléculas coas cales interaccionan os dominios ARM.
miniatura|esquerda|upright=1.5|Estrutura simplificada da beta-catenina.
Os segmentos N-terminal e C-terminal do dominio ARM non adoptan ningunha estrutura en solución por si mesmos. Porén, estas rexións desordenadas intrinsecamente xogan un papel esencial na función da beta-catenina. A rexión desordenada N-terminal contén un motivo lineal curto conservado responsable da unión da E3 ubiquitina ligase TrCP1 (tamén chamada β-TrCP), pero só cando é fosforilada. A degradación da β-catenina é mediada por este segmento N-terminal. A rexión C-terminal, pola súa parte, é un forte transactivador cando é recrutada no ADN. Este segmento non está completamente desordenado: parte da extensión C-terminal forma unha hélice estable que se empaqueta co dominio ARM, pero pode tamén asociarse a moléculas separadas. Este pequeno elemento estrutural (HéliceC) forma un tope no extremo C-terminal do dominio ARM, protexendo os seus residuos hidrofóbicos. A HéliceC non é necesaria para o funcionamento da beta-catenina na adhesión celular, pero requírese para a sinalización Wnt, xa que posiblemente recruta varios coactivadores. Porén, non se coñecen polo momento cales son as moléculas exactas ás que se une entre os complexos de transcrición xeral. Hai que salientar que o segmento C-terminal da β-catenina pode imitar os efectos de toda a vía de sinalización Wnt se a fusionamos artificialmente co dominio de unión ao ADN do factor de transcrición LEF1 (Lymphoid enhancer-binding factor 1).
A placoglobina (tamén chamada gamma-catenina) ten unha arquitectura sorprendentemente similar á da beta-catenina. Non só os seus dominios ARM son moi semellantes en arquitectura e capacidade de unión a ligandos, senón que tamén o motivo N-terminal de unión a β-TrCP está tamén conservado na placoglobina, o que implica que teñen un antepasado común e comparte a regulación coa β-catenina. Non obstante, a placoglobina é un transactivador moi feble cando se une ao ADN, o que está causado probablemente pola diverxencia das súas secuencias C-terminais (a placoglobina parece carecer de motivos transactivadores, e deste xeito inhibe os xenes diana da vía Wnt en vez de activalos).
Moléculas que se unen ao dominio armadillo
miniatura|esquerda|upright=1.5|Moléculas que compiten polo principal sitio de unión no dominio ARM da beta-catenina. O sitio de unión auxiliar non se mostra na imaxe.
Como se esquematizou antes, o dominio ARM da beta-catenina actúa como unha plataforma á cal se poden unir motivos lineais específicos. Os motivos de unión á β-catenina están localizados en moléculas que son estruturalmente diversas, e son motivos tipicamente desordenados intrinsecamente e normalmente adoptan unha estrutura ríxida ao asociarse ao dominio ARM, como se observa nos motivos lineais curtos. Porén, os motivos que interaccionan coa β-catenina tamén teñen varias características peculiares. Primeiro, poderían alcanzar ou mesmo superar unha lonxitude de 30 aminoácidos, e contactar co dominio ARM nunha área superficial excesivamente grande. Outra característica pouco común destes motivos é o seu grao frecuentemente alto de fosforilación. A fosforilación de Ser/Thr aumenta moito a capacidade de unión ao dominio ARM de moitos motivos que se asocian á β-catenina.
A estrutura da beta-catenina en complexo co dominio de unión á catenina do socio de transactivación transcricional TCF proporcionan o "mapa de estradas" estrutural inicial de como poden establecer interaccións moitas moléculas de unión á beta-catenina. Esta estrutura demostra como o N-terminal do TFC, que doutro modo está desordenado, adopta o que parece ser unha conformación ríxida, na que o motivo de unión abrangue moitas repeticións de beta-catenina. Definíronse "puntos quentes" de interacción de carga relativamente forte (preditos, e despois verificados, que están conservados para a interacción beta-catenina/E-cadherina), e tamén rexións hidrofóbicas consideradas importantes no modo global de unión e como potenciais dianas de inhibidores terapéuticos contra certas formas e cancro. Ademais, os seguintes estudos demostraron outra característica peculiar: a plasticidade na unión do N-terminal do TCF á beta-catenina.
De xeito similar, a E-cadherina conecta coas súas colas citoplasmáticas co dominio ARM na mesma forma canónica. A proteína armazón axina (dous parálogos estreitamente relacionados chamados axina 1 e axina 2) contén un motivo para a interacción similar no seu segmento medio longo desordenado. Aínda que unha molécula de axina só contén un só motivo de recrutamento de β-catenina, o seu socio, a proteína APC (Adenomatous Polyposis Coli) contén 11 deses motivos dispostos en tándem en cada protómero, polo que pode interaccionar con varias moléculas de β-catenina á vez. Como a superficie do dominio ARM pode acomodarse tipicamente a un só motivo peptídico á vez, todas estas proteínas compiten polo mesmo conxunto celular de moléculas de β-catenina. Esta competición é clave para comprender como funciona a vía de sinalización Wnt.
Porén, este sitio de unión "principal" no dominio ARM da β-catenina non é de ningunha maneira o único. As primeiras hélices do dominio ARM forman un peto de interacción proteína-proteína especial adicional. Este peto pode acomodar un motivo lineal que forma unha hélice que se encontra no coactivador BCL9 (ou no moi relacionado BCL9L), que é unha importante proteína implicada na sinalización Wnt. Aínda que os detalles precisos son moito menos claros, parece que o mesmo sitio o usa a alfa-catenina cando a beta-catenina está localizada nas unións adherentes. Como este peto é distinto do sitio de unión "principal" do dominio ARM, non hai competición entre a alfa-catenina e a E-cadherina ou entre o TCF1 e BCL9, respectivamente. Por outra parte, BCL9 e BCL9L deben competir coa α-catenina para acceder a moléculas de β-catenina.
Función
Regulación da degradación por medio da fosforilación
O nivel celular de beta-catenina é principalmente controlado pola súa ubiquitinación e degradación proteosómica. A E3 ubiquitina ligase TrCP1 (tamén chamada β-TrCP) pode recoñecer a β-catenina como o seu substrato por medio dun motivo lineal curto situado no seu N-terminal desordenado. Porén, este motivo (Asp-Ser-Gly-Ile-His-Ser) da β-catenina necesita ser fosforilado nas dúas serinas para poder unirse a β-TrCP. A fosforilación do motivo é realizado polas glicóxeno sintase quinases 3 alfa e beta (GSK3α e GSK3β). As GSK3s son encimas constitutivamente activos implicados en varios procesos reguladores importantes. Non obstante, hai un requirimento: os substratos de GSK3 necesitan ser pre-fosforilados á altura de catro residuos de aminoácidos augas abaixo (C-terminalmente) do verdadeiro sitio diana. Por tanto, para as súas actividades tamén cómpre unha "quinase cebadora". No caso da beta-catenina, a quinase cebadora máis importante é a caseína quinase I (CKI). Unha vez que un substrato rico en serina-treonina foi "cebado", a GSK3 pode "camiñar" sobre el en dirección desde o extremo C-terminal ao N-terminal, fosforilando cada 4º residuo de serina ou treonina en sucesión. Este proceso ten como resultado a fosforilación dual do mencionado motivo de recoñecemento de β-TrCP tamén.
Complexo de destrución da beta-catenina
Para que a GSK3 sexa unha quinase altamente efectiva sobre un substrato, non abonda coa pre-fosforilación. Hai un requirimento adicional: De xeito similar ao que ocorre coas proteína quinases activadas por mitóxeno (MAPKs), os substratos deben estar asociados con este encima GSK3 por medio de motivos de atraque de alta afinidade. A beta-catenina non contén eses motivos, pero unha proteína especial, a axina, si. Ademais, o seu motivo de atraque está directamente ao lado do motivo de unión á β-catenina. Deste modo, a axina actúa como unha verdadeira proteína armazón, que reúne un encima (GSK3) xunto co seu substrato (a β-catenina) en estreita proximidade física.
miniatura|esquerda|upright=1.5|Estrutura simplificada do complexo de destrución da beta-catenina. Nótese a alta proporción de segmentos intrinsecamente desordenados nas proteínas axina e APC.