Em formação

Como as membranas dos lisossomas são protegidas do ataque das hidrolases?


Os lisossomos são um pouco como o bolsas suicidas de células. Eles ajudam a limpar as células, têm um pH ácido e contêm um grande número de enzimas hidrolisantes.

Mas por que essas enzimas hidrolisantes não atacam e destroem as membranas dos lisossomos?


O trabalho histoquímico inicial indicou que a superfície interna da membrana lisossomal tem um glicocálice - uma camada de polissacarídeo, presumivelmente com uma função protetora.

Neiss, W. F. (1984) Um revestimento de glicoconjugados na superfície interna da membrana lisossomal no rim de rato. Histoquímica 80, 603-608

Posteriormente, verificou-se que as principais proteínas da membrana lisossomal são protegidas da proteólise por glicosilação:

Kundra, R. e Kornfeld, S. (1999) Os oligossacarídeos ligados a asparagina protegem Lamp-1 e Lamp-2 da proteólise intracelular. J. Biol. Chem. 274, 31039-31046

Veja este artigo para um estudo mais recente de outra proteína de membrana lisossomal:

Schieweck O. et al. (2009) NCU-G1 é uma proteína de membrana integral altamente glicosilada do lisossoma. Biochem. J. 422: 83-90

NCU-G1 é o ortólogo de camundongo da proteína C1orf85 humana. O gene NCU-G1 codifica uma proteína de 404 aminoácidos. Esta é uma proteína transmembranar Tipo 1 - isto é, o domínio do terminal N é direcionado para a superfície extracitoplasmática da membrana. In vivo, a proteína é detectada nas formas de 70 kDa e 80 kDa. A discrepância entre o tamanho do polipeptídeo e a massa molecular é mostrada ser devido à glicosilação extensa. A sequência da proteína inclui 9 locais de glicosilação potenciais.


LISOSSOMOS CEREBRAIS E ENZIMAS LISOSSOMAIS

Estudos bioquímicos, enzimáticos e metabólicos de frações lisossomais purificadas de rim e fígado de ratos mostraram que os lisossomas contêm dois tipos de glicoproteínas, glicoproteínas enzimáticas e lipoglicoproteínas ácidas solúveis (SALGP) sem propriedades catalíticas. Os SALGP compreendem cerca de 50% da proteína lisossol, são prontamente marcados por precursores de fosfolipídeos, aminossacarídeos, ácido siálico e peptídeos, têm um peso molecular de cerca de 15.000 e um pI de cerca de 4. A maioria ou todas as hidrolases ácidas são glicoenzimas que são sintetizados em uma porção restrita do retículo endoplasmático rugoso na forma de glicoproteínas básicas contendo N-acetilglucosamina e manose. O ácido N-acetilneuramínico (NANA) e a N-acetilglucosamina adicional são anexados às glicoenzimas nascentes no aparelho de Golgi. As enzimas lisossomais são embaladas em lisossomas exclusivamente como sialoglicoproteínas ácidas com pIs entre 3,5 e 4,9. As formas básicas das hidrolases lisossomais aparentemente se originam das formas ácidas correspondentes durante a biodegradação por meio de uma clivagem autolítica parcial de NANA, carboidrato e (glico) peptídeo. Mudanças semelhantes ocorrem durante a incubação de extratos lisossomais em vitro em um pH ácido.

A heterogeneidade molecular das enzimas lisossomais foi investigada em frações submitocondrial e submicrossomal do cérebro de ratos. A solubilidade varia com a espécie de enzima e aumenta com o aumento do pH e concentração de Triton X-100 do meio. As hidrolases na fração de terminação nervosa (NE) são geralmente menos solúveis do que aquelas na fração mitocondrial-lisossomal (M-L), mas são quantitativamente solubilizadas em tampão alcalino contendo 0,5% (v / v) de Triton X-100. A eletroforese em gel de poliacrilamida em um sistema alcalino (pH 8,8) resolve vários componentes de fosfatase ácida, esterase ácida resistente a organofosforados, β-glucuronidase, arilsulfatase e β-N-acetilhexosaminidase. Os padrões variam com a fração subcelular. As formas ácidas das enzimas são lábeis e prontamente convertidas em formas mais básicas, provavelmente devido a uma clivagem autolítica parcial de NANA, açúcar e resíduos de peptídeo. Eletroforese em gel de um extrato de Triton X-100 das frações densas M-L e d enriquecidas com lisossoma mostram padrões distintos para as várias enzimas. Por outro lado, eletroferogramas de gel das frações mais leves e ricas em membrana, incluindo as frações de mielina e NE, revelam penetração pobre de proteínas e enzimas, e as enzimas, e os padrões de enzimas são únicos e estereotipados, geralmente consistindo de um catódico principal e um componente anódico menor. Esses componentes enzimáticos também coram para proteínas, carboidratos, lipídios e grupos ácidos, indicando que eles estão associados com glicolipoglicoproteínas ácidas de origem membranosa como complexos multienzima-glicolipoglicoproteína estáveis. Complexos semelhantes foram identificados por flotação ultracentrífuga de extratos Triton X-100 de frações ricas em membrana. A eletroforese em gel de poliacrilamida em um sistema ácido (pH 4) permite a penetração adequada de proteínas e enzimas em géis e produz padrões uniformes de hidrolases para as várias frações subcelulares, enquanto exclui as glicolipoglicoproteínas ácidas dos géis. No entanto, o último sistema sofre da desvantagem de as isoenzimas ácidas serem instáveis ​​neste baixo pH. O pré-tratamento da fração NE com acetona fria aumenta acentuadamente a solubilização de proteínas e hidrolases lisossomais em tampão alcalino sem detergente e modifica drasticamente os padrões eletroforéticos de glicolipoglicoproteínas ácidas solúveis e as hidrolases em extratos de Triton X-100. Assim, a ligação parcial das hidrolases lisosmais às glicolipoglicoproteínas de membrana pode alterar várias propriedades dessas enzimas, incluindo sua solubilidade, densidade flutuante e mobilidades eletroforéticas em géis de poliacrilamida. Estudos de solubilização envolvendo frações lisossomais purificadas de fígado e rim indicaram que as hidrolases ácidas "ligadas à membrana" são, de fato, complexadas com agregados SALGP ricos em fosfolipídios presentes na matriz lisossomal e não estão ligados à membrana limitante dos lisossomas como comumente suposto. Além disso, SALGP lisossomal, pré-etiquetado na Vivo nas frações fosfolipídicas, formam complexos com hidrolases ácidas que tendem a persistir durante a filtração em gel em uma coluna Sephadex G-200, mas podem ser divididos por agentes de dissociação, como 6 N ureia ou 1 M KCl. Finalmente, um método melhorado é descrito para a purificação parcial de lisossomas de homogenatos cerebrais. Este método envolve centrifugações isopíclicas sequenciais de uma fração mitocondrial bruta em metrizamida e gradientes de densidade de sacarose.


Conteúdo

Christian de Duve, presidente do Laboratório de Química Fisiológica da Universidade Católica de Louvain, na Bélgica, estudava o mecanismo de ação de um hormônio pancreático, a insulina, nas células do fígado. Em 1949, ele e sua equipe haviam se concentrado na enzima chamada glicose 6-fosfatase, que é a primeira enzima crucial no metabolismo do açúcar e o alvo da insulina. Eles já suspeitavam que essa enzima desempenhava um papel fundamental na regulação dos níveis de açúcar no sangue. No entanto, mesmo após uma série de experimentos, eles não conseguiram purificar e isolar a enzima dos extratos celulares. Portanto, eles tentaram um procedimento mais árduo de fracionamento celular, pelo qual os componentes celulares são separados com base em seus tamanhos por centrifugação.

Eles conseguiram detectar a atividade enzimática da fração microssomal. Essa foi a etapa crucial na descoberta fortuita de lisossomos. Para estimar a atividade dessa enzima, eles usaram a da enzima fosfatase ácida padronizada e descobriram que a atividade era de apenas 10% do valor esperado. Um dia, foi medida a atividade enzimática de frações celulares purificadas que haviam sido refrigeradas por cinco dias. Surpreendentemente, a atividade da enzima foi aumentada para o normal da amostra fresca. O resultado foi o mesmo, não importa quantas vezes eles repetiram a estimativa, e levou à conclusão de que uma barreira semelhante a uma membrana limitava a acessibilidade da enzima ao seu substrato, e que as enzimas eram capazes de se difundir após alguns dias (e reagir com seu substrato). Eles descreveram essa barreira semelhante a uma membrana como uma "estrutura semelhante a um saco cercada por uma membrana e contendo fosfatase ácida". [18]

Ficou claro que essa enzima da fração celular vinha de frações membranosas, que eram definitivamente organelas celulares, e em 1955 De Duve as chamou de "lisossomas" para refletir suas propriedades digestivas. [19] No mesmo ano, Alex B. Novikoff da Universidade de Vermont visitou o laboratório de Duve e obteve com sucesso as primeiras micrografias eletrônicas da nova organela. Usando um método de coloração para fosfatase ácida, de Duve e Novikoff confirmaram a localização das enzimas hidrolíticas dos lisossomos usando estudos de microscopia de luz e eletrônica. [20] [21] de Duve ganhou o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1974 por esta descoberta.

Originalmente, De Duve chamou as organelas de "bolsas suicidas" ou "bolsas suicidas" das células, devido ao seu papel hipotético na apoptose. [22] No entanto, desde então, concluiu-se que eles desempenham apenas um papel menor na morte celular. [23]

Os lisossomos contêm uma variedade de enzimas, permitindo à célula quebrar várias biomoléculas que envolve, incluindo peptídeos, ácidos nucléicos, carboidratos e lipídios (lipase lisossomal). As enzimas responsáveis ​​por esta hidrólise requerem um ambiente ácido para uma atividade ideal.

Além de serem capazes de quebrar polímeros, os lisossomos são capazes de se fundir com outras organelas e digerir grandes estruturas ou fragmentos celulares por meio da cooperação com fagossomas, eles são capazes de conduzir autofagia, eliminando estruturas danificadas. Da mesma forma, eles são capazes de quebrar partículas de vírus ou bactérias na fagocitose de macrófagos.

O tamanho dos lisossomos varia de 0,1 μm a 1,2 μm. [24] Com um pH variando de

4,5-5,0, o interior dos lisossomos é ácido em comparação com o citosol ligeiramente básico (pH 7,2). A membrana lisossomal protege o citosol e, portanto, o resto da célula, das enzimas degradativas dentro do lisossoma. A célula é adicionalmente protegida de quaisquer hidrolases de ácido lisossomal que drenam para o citosol, uma vez que essas enzimas são sensíveis ao pH e não funcionam bem ou não funcionam bem no ambiente alcalino do citosol. Isso garante que as moléculas citosólicas e organelas não sejam destruídas caso haja vazamento das enzimas hidrolíticas do lisossoma.

O lisossoma mantém seu diferencial de pH bombeando prótons (íons H +) do citosol através da membrana por meio de bombas de prótons e canais de íons de cloreto. As vacuolares-ATPases são responsáveis ​​pelo transporte de prótons, enquanto o contra transporte de íons cloreto é realizado pelo antiporter ClC-7 Cl - / H +. Desta forma, um ambiente ácido estável é mantido. [25] [26]

Ele obtém sua capacidade versátil de degradação pela importação de enzimas com especificidade para diferentes substratos, as catepsinas são a principal classe de enzimas hidrolíticas, enquanto a alfa-glucosidase lisossomal é responsável pelos carboidratos, e a fosfatase ácida lisossomal é necessária para liberar grupos fosfato de fosfolipídios.

Muitos componentes das células animais são reciclados, transferindo-os para dentro ou embutidos em seções da membrana. Por exemplo, na endocitose (mais especificamente, macropinocitose), uma porção da membrana plasmática da célula é comprimida para formar vesículas que acabarão por se fundir com uma organela dentro da célula. Sem a reposição ativa, a membrana plasmática diminuiria continuamente de tamanho. Pensa-se que os lisossomas participam neste sistema dinâmico de troca de membrana e são formados por um processo de maturação gradual a partir dos endossomas. [27] [28]

A produção de proteínas lisossomais sugere um método de sustentação do lisossoma. Os genes de proteínas lisossomais são transcritos no núcleo em um processo controlado pelo fator de transcrição EB (TFEB). [14] Os transcritos do mRNA saem do núcleo para o citosol, onde são traduzidos pelos ribossomos. As cadeias de peptídeos nascentes são translocadas para o retículo endoplasmático rugoso, onde são modificadas. Proteínas solúveis lisossomais saem do retículo endoplasmático via vesículas revestidas de COPII após o recrutamento pelo complexo EGRESS (ER-to-Golgi relaying de eenzimas da mentesosomal ssistema), que é composto pelas proteínas CLN6 e CLN8. [9] [10] As vesículas COPII então entregam enzimas lisossomais ao aparelho de Golgi, onde um marcador lisossomal específico, manose 6-fosfato, é adicionado aos peptídeos. A presença desses marcadores permite a ligação aos receptores 6-fosfato da manose no aparelho de Golgi, fenômeno crucial para o acondicionamento adequado em vesículas destinadas ao sistema lisossomal. [29]

Ao deixar o aparelho de Golgi, a vesícula preenchida com enzima lisossomal se funde com um endossomo tardio, uma organela relativamente ácida com um pH aproximado de 5,5. Este ambiente ácido causa a dissociação das enzimas lisossomais dos receptores 6-fosfato de manose. As enzimas são embaladas em vesículas para posterior transporte para os lisossomos estabelecidos. [29] O próprio endossomo tardio pode eventualmente crescer em um lisossoma maduro, conforme evidenciado pelo transporte de componentes da membrana endossômica dos lisossomas de volta aos endossomos. [27]

Como ponto final da endocitose, o lisossoma também atua como uma salvaguarda na prevenção de patógenos de serem capazes de alcançar o citoplasma antes de serem degradados. Os patógenos frequentemente sequestram as vias endocitóticas, como a pinocitose, para entrar na célula. O lisossoma impede a entrada fácil na célula hidrolisando as biomoléculas de patógenos necessárias para suas estratégias de replicação. A atividade lisossomal reduzida resulta em um aumento da infectividade viral, incluindo o HIV. [30] Além disso, AB5 toxinas como a cólera sequestram a via endossômica enquanto evitam a degradação lisossomal. [30]

Os lisossomas estão envolvidos em um grupo de deficiências herdadas geneticamente, ou mutações chamadas doenças de armazenamento lisossomal (LSD), erros inatos do metabolismo causados ​​por uma disfunção de uma das enzimas. A taxa de incidência é estimada em 1 em 5.000 nascimentos, e espera-se que o número real seja maior, já que muitos casos provavelmente não foram diagnosticados ou foram diagnosticados incorretamente. A principal causa é a deficiência de uma hidrolase ácida. Outras condições são devidas a defeitos nas proteínas da membrana lisossomal que não conseguem transportar a enzima, proteínas lisossomais solúveis não enzimáticas. O efeito inicial de tais distúrbios é o acúmulo de macromoléculas específicas ou compostos monoméricos dentro do sistema endossomal-autofágico-lisossomal. [15] Isso resulta em vias de sinalização anormais, homeostase do cálcio, biossíntese e degradação de lipídios e tráfego intracelular, levando a distúrbios patogenéticos. Os órgãos mais afetados são cérebro, vísceras, ossos e cartilagem. [31] [32]

Não há tratamento médico direto para curar LSDs. [33] O LSD mais comum é a doença de Gaucher, que se deve à deficiência da enzima glicocerebrosidase. Conseqüentemente, o substrato da enzima, o ácido graxo glicosilceramida, se acumula, principalmente nas células brancas do sangue, que por sua vez afetam o baço, o fígado, os rins, os pulmões, o cérebro e a medula óssea. A doença é caracterizada por hematomas, fadiga, anemia, plaquetas baixas, osteoporose e aumento do fígado e baço. [34] [35] Desde 2017, a terapia de reposição enzimática está disponível para o tratamento de 8 dos 50-60 LDs conhecidos. [36]

A doença de armazenamento lisossomal mais grave e raramente encontrada é a doença das células de inclusão. [37]

A leucodistrofia metacromática é outra doença de armazenamento lisossomal que também afeta o metabolismo dos esfingolipídios.

A atividade disfuncional do lisossoma também está fortemente implicada na biologia do envelhecimento e em doenças relacionadas à idade, como Alzheimer, Parkinson e doenças cardiovasculares. [38] [39]

Sr. Não Enzimas Substrato
1 Fosfatos
A- Fosfatase ácida A maioria dos fosfomonoésteres
B- Fosfodiesterase ácida Oligonucleotídeos e fosfodiesterase
2 Nucleases
A- ribonuclease ácida RNA
B- Desoxirribonuclease Ácida DNA
3 Polissacarídeos / mucopolissacarídeos hidrolisando enzimas
A-beta Galactosidase Galactosides
B- alfa glucosidase Glicogênio
C-alfa Manosidase Mannósidos, glicoproteínas
D-beta glucoronidase Polissacarídeos e mucopolissacarídeos
E- lisozimas Paredes celulares bacterianas e mucopolissacarídeos
F- hialuronidase Ácidos hialurônicos, sulfatos de condroitina
H- Arilsulfatase Sulfatos orgânicos
4 Proteases
A- Catepsina (s) Proteínas
B- colagenase Colágeno
C- Peptidase Peptides
5 Enzimas de degradação de lipídios
A- Esterase Ésteres acílicos graxos
B- Fospolipase Fosfolipídios

Edição de Lisossomotropismo

Bases fracas com propriedades lipofílicas se acumulam em compartimentos intracelulares ácidos como os lisossomas. Enquanto o plasma e as membranas lisossomais são permeáveis ​​a espécies neutras e não carregadas de bases fracas, as espécies protonadas carregadas de bases fracas não permeiam as biomembranas e se acumulam dentro dos lisossomas. A concentração nos lisossomos pode atingir níveis 100 a 1000 vezes maiores do que as concentrações extracelulares. Esse fenômeno é denominado lisosomotropismo, [41] efeito de "retenção de ácido" ou "bomba de prótons". [42] A quantidade de acúmulo de compostos lisosomotrópicos pode ser estimada usando um modelo matemático baseado em células. [43]

Uma parte significativa dos medicamentos aprovados clinicamente são bases fracas lipofílicas com propriedades lisosomotrópicas. Isso explica uma série de propriedades farmacológicas dessas drogas, como gradientes de alta concentração de tecido a sangue ou meias-vidas de eliminação de tecido longas, essas propriedades foram encontradas para drogas como haloperidol, [44] levomepromazina, [45] e amantadina. [46] No entanto, altas concentrações nos tecidos e meias-vidas de eliminação longas também são explicadas pela lipofilicidade e pela absorção de drogas pelas estruturas do tecido adiposo. Enzimas lisossomais importantes, como a esfingomielinase ácida, podem ser inibidas por drogas acumuladas lisossomais. [47] [48] Esses compostos são denominados FIASMAs (inibidor funcional da esfingomielinase ácida) [49] e incluem, por exemplo, fluoxetina, sertralina ou amitriptilina.

Ambroxol é um medicamento lisosomotrópico de uso clínico para o tratamento de quadros de tosse produtiva por sua ação mucolítica. O ambroxol desencadeia a exocitose dos lisossomas por meio da neutralização do pH lisossomal e da liberação de cálcio dos estoques de cálcio ácido. [50] Presumivelmente por esse motivo, descobriu-se que o Ambroxol também melhora a função celular em algumas doenças de origem lisossomal, como Parkinson ou doença de armazenamento lisossomal. [51] [52]

Lúpus eritematoso sistêmico Editar

A função prejudicada do lisossoma é proeminente no lúpus eritematoso sistêmico, evitando que macrófagos e monócitos degradem armadilhas extracelulares de neutrófilos [53] e complexos imunes. [54] [55] [56] A falha em degradar os complexos imunes internalizados decorre da atividade crônica do mTORC2, que prejudica a acidificação dos lisossomas. [57] Como resultado, os complexos imunes no lisossoma se reciclam para a superfície dos macrófagos, causando um acúmulo de antígenos nucleares a montante de várias patologias associadas ao lúpus. [54] [58] [59]

Por convenção científica, o termo lisossoma é aplicado a essas organelas vesiculares apenas em animais, e o termo vacúolo é aplicado àquelas em plantas, fungos e algas (algumas células animais também têm vacúolos). As descobertas em células vegetais desde a década de 1970 começaram a desafiar essa definição. Os vacúolos das plantas são muito mais diversos em estrutura e função do que se pensava anteriormente. [60] [61] Alguns vacúolos contêm suas próprias enzimas hidrolíticas e realizam a atividade lisossomal clássica, que é a autofagia. [62] [63] [64] Esses vacúolos são, portanto, vistos como cumprindo a função do lisossoma animal. Com base na descrição de de Duve de que "somente quando considerado como parte de um sistema envolvido direta ou indiretamente na digestão intracelular o termo lisossoma descreve uma unidade fisiológica", alguns botânicos argumentaram fortemente que esses vacúolos são lisossomas. [65] No entanto, isso não é universalmente aceito, pois os vacúolos não são estritamente semelhantes aos lisossomos, como em suas enzimas específicas e falta de funções fagocíticas. [66] Os vacúolos não têm atividade catabólica e não sofrem exocitose como os lisossomos. [67]

A palavra lisossoma (/ ˈ l aɪ s oʊ s oʊ m /, / ˈ l aɪ z ə z oʊ m /) é o novo latim que usa as formas de combinação liso- (referindo-se a lysis e derivado do latim lise, que significa "afrouxar", via grego antigo λύσις [lúsis]), e -algum, a partir de soma, "corpo", produzindo "corpo que lise" ou "corpo lítico". A forma adjetiva é lisossomal. Os formulários * liossoma e * liossomal são muito mais raros, eles usam o lio- do prefixo, mas muitas vezes são tratados pelos leitores e editores como meras réplicas impensadas de erros de digitação, o que, sem dúvida, tem sido verdade na maioria das vezes.


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Os papéis opostos das catepsinas em questões de localização de progressão tumoral

As catepsinas são hidrolases poderosas que podem ser divididas em três subgrupos dependendo do aminoácido localizado em sua díade catalítica: aspartato catepsinas (catepsinas D e E), cisteína catepsinas (catepsinas B, C, F, H, K, L, O, S , V / U / L2, W, X / Z / Y) e catepsinas serina (catepsinas A e G). 34 Semelhante à maioria das outras hidrolases lisossomais, elas funcionam otimamente em pH em torno de 4,5 ou menos. Com respeito à sua secreção para o espaço extracelular e vazamento para o citosol, é importante notar que muitas cistepsinas cisteínicas também podem ser ativas em pH mais alto, embora frequentemente com parâmetros funcionais alterados, como cinética enzimática e especificidade do substrato. 35

O aumento da expressão, atividade e secreção de catepsinas levam ao aumento do crescimento tumoral, invasão e angiogênese. 4, 36, 37 Consequentemente, várias catepsinas são superexpressas em vários tipos de câncer, frequentemente tanto nas células tumorais quanto em leucócitos associados a tumores, fibroblastos, osteoclastos, células mioepiteliais e células endoteliais. 4 Os efeitos promotores de tumor das catepsinas foram atribuídos principalmente às suas atividades proteolíticas fora da célula, enquanto o aumento da atividade da cisteína catepsina no lúmen dos lisossomas aumenta a proteólise de LAMP1 e LAMP2 e leva à desestabilização das membranas lisossomais, sensibilizando as células a vários estresses e limitar a sobrevivência celular. 26 Após a desestabilização das membranas lisossomais, as catepsinas vazam para o citosol, onde podem ativar a via de apoptose mitocondrial ou desencadear a morte celular não apoptótica, um modo de morte celular que pode efetivamente matar até mesmo células cancerosas altamente resistentes à apoptose. 7, 38 Abaixo, destacamos os papéis associados ao câncer de catepsinas individuais.

Catepsina D (codificada por CTSD)

A catepsina D é uma catepsina aspartato e pertence à superfamília das proteases da pepsina. 39 Os primeiros relatos de níveis elevados de catepsina D no câncer humano datam da década de 1980. 40, 41 Desde então, muitos estudos confirmaram esses achados na maioria dos cânceres sólidos. 37, 42 Além disso, correlações positivas entre a expressão da catepsina D e o tamanho do tumor, grau do tumor, metástase, mau prognóstico, quimiorresistência e risco de recorrência foram relatadas. 42, 43 Consequentemente, a catepsina D desempenha um papel essencial nas várias etapas da progressão do tumor, estimulando a proliferação e sobrevivência das células cancerosas, o crescimento de fibroblastos e a angiogênese. 37, 43 Curiosamente, essas funções promotoras de câncer da catepsina D parecem ser amplamente independentes de sua atividade proteolítica, sugerindo que a proteína ou seus precursores não processados ​​têm citocinas ou atividades semelhantes a fatores de crescimento. 37, 43 Apropriadamente, a pró-catepsina D e seu propeptídeo podem induzir a ativação da via de sinalização da proteína quinase ativada por mitogênio (MAPK-ERK), secreção de citocinas e expressão de genes que codificam para proteínas que suportam a proliferação, metástase e angiogênese. 42, 43, 44 A importância da pró-forma em vez da forma ativa da catepsina D na progressão do câncer desafia o desenvolvimento da catepsina D direcionada a drogas anticâncer, uma vez que os inibidores de enzimas de moléculas pequenas não são provavelmente eficazes.

Catepsina B (codificada por CTSB)

A catepsina B é uma cisteína catepsina da superfamília da papaína, cuja expressão aumentada foi amplamente relatada na maioria dos tipos de câncer, frequentemente tanto nas próprias células cancerígenas quanto em macrófagos e fibroblastos associados a tumores. 4, 45, 46 Em consonância com a ideia de que a catepsina B aumenta a invasão e a metástase, muitas vezes está localizada na superfície das células tumorais e sua expressão é predominantemente aumentada nas células da borda invasiva dos tumores. Em geral, níveis aumentados de catepsina B detectados por imuno-histoquímica se correlacionam bem com níveis mais altos de mRNA apontando para uma regulação positiva da transcrição da codificação da catepsina B CTSB gene. 47 Consequentemente, a transformação de fibroblastos e / ou células epiteliais por células ativadas Ras, Src ou ERBB2 oncogenes aumenta os níveis de CTSB / CtsB mRNAs, proteína e atividade proteolítica e promove a distribuição pericelular dos lisossomos. 26, 48, 49, 50 Além disso, a regulação positiva induzida por ErbB2 de catepsinas B (e L) torna as células de câncer de mama não invasivas altamente invasivas em um modelo de invasão de Matrigel tridimensional. 50

A expressão induzida por ErbB2 da codificação da catepsina B CTSB gene parece ser independente do TFEB, 50 o principal regulador da transcrição de genes lisossomais. 31 Em vez disso, ErbB2 ativa uma rede de sinalização que consiste em PAK4, cdc42bpβ, PKCα e MAPK-ERK2 serina-treonina quinases que ativa um fator de transcrição de dedo de zinco mielóide 1 (MZF1), que por sua vez se liga a um elemento potenciador induzido por ErbB2 no primeiro intron de CTSB gene na Vivo. 50 Curiosamente, a atividade de MAPK-ERK2, que é essencial para a ativação induzida por ErbB2 do fator de transcrição de dedo de zinco mielóide 1 e expressão de CTSB, inibe a importação nuclear do TFEB. 51 Resta ser estudado se a troca transcricional semelhante ocorre em resposta a outros CTSB-ativação de oncogenes e se a transcrição de outros genes lisossomais também muda de dependência de TFEB para dependência de fator de transcrição de dedo de zinco mielóide 1 ou outros fatores de transcrição ativados por oncogene.

O papel ativo da catepsina B na tumorigênese é fortemente apoiado por modelos de câncer murino. No modelo de carcinogênese de células das ilhotas pancreáticas RIP1-Tag2 / RT2 (RT2), os múltiplos tumores das ilhotas pancreáticas impulsionados pela expressão do antígeno T SV40 oncogênico em células β produtoras de insulina expressam altos níveis de catepsina B. 52, 53 Cruzamento destes ratos para um Ctsb- o fundo deficiente resulta em formação de tumor fortemente prejudicada, proliferação de células tumorais, angiogênese e capacidade de invasão. A base molecular sugerida neste modelo inclui a secreção de catepsina B de células tumorais e macrófagos associados a tumor e clivagem direta mediada por catepsina B de componentes da matriz extracelular, E-caderina e propeptídeo ativador de plasminogênio uroquinase, o último levando à ativação de um potente cascata proteolítica envolvendo ativação sequencial do ativador uroquinase do plasminogênio, plasmina e várias metaloproteases de matriz. 52, 54, 55, 56, 57 Da mesma forma, Ctsb a deficiência retarda significativamente o início e o crescimento de tumores mamários primários e suas metástases pulmonares em camundongos transgênicos de vírus-polioma antígeno T médio (PyMT) de tumor mamário murino. 58 Vice-versa, a superexpressão da catepsina B em camundongos PyMT promove o crescimento do tumor mamário e metástase. 59 Esses dados revelam a catepsina B extracelular como um alvo atraente para a terapia do câncer. Apoiando esta noção, um inibidor específico da catepsina B não permeável às células CA-074 deu resultados promissores em modelos murinos de melanoma metastático e câncer de mama. 60, 61

Ao contrário das fortes propriedades de promoção de tumor da catepsina B, a atividade aumentada da catepsina B (e L) no lúmen dos lisossomas pode formar uma cura de Aquiles para as células cancerosas por meio da clivagem de LAMP1 e LAMP2 e subsequente desestabilização das membranas lisossomais, diminuição da tolerância ao estresse e sensibilização a drogas que ativam a via de morte das células lisossomais. 26, 62 Assim, a alta expressão da catepsina B em células tumorais pode provar ser um biomarcador útil para a capacidade de resposta a terapias de direcionamento de lisossoma.

Catepsina L (codificada por CTSL1)

A catepsina L é outra cisteína cisteína expressa de forma ubíqua que é freqüentemente superexpressa em vários tumores humanos. 46 Aumenta a migração e a invasão diminuindo a adesão célula-célula e aumentando a degradação da matriz extracelular. 4, 36 São substratos identificados que incluem proteínas da matriz extracelular, como laminina, fibronectina e colágenos, bem como E-caderina e proheparanase. 52, 63, 64, 65, 66 Estudos sobre o papel da catepsina L na angiogênese são um tanto contraditórios. 65 Apoiando seu papel na angiogênese, a expressão da catepsina L está significativamente associada à neovasculatura de tumores astrocíticos, 67 e o inibidor específico da catepsina L NSITC exibe potente atividade antiangiogênica na membrana corioalantóide de frango e modelos de matrigel de camundongo de angiogênese em vitro. 68 No entanto, no modelo de camundongo RT2 de carcinogênese de células das ilhotas pancreáticas Ctsl a deleção não tem efeito na mudança angiogênica, embora prejudique efetivamente o crescimento e a capacidade de invasão do tumor. 52

A catepsina L tem uma atividade tumorigênica adicional no núcleo. Uma isoforma de catepsina L que carece do peptídeo sinal necessário para o direcionamento lisossomal migra para o núcleo onde cliva a histona H3 e fatores de transcrição, como a proteína de deslocamento CCAAT / homeobox de corte (CDP / Cux), alterando assim a progressão do ciclo celular e o gene padrões de expressão e contribuindo para a transformação oncogênica. 69, 70, 71, 72 No câncer colorretal nuclear aumentado contra A localização lisossômica da catepsina L se correlaciona com o estágio avançado do tumor e mau prognóstico. 73 Quanto à catepsina B, inibidores específicos também foram desenvolvidos para a catepsina L. 74, 75 Destes, os compostos bloqueadores de metástase e / ou invasão mais promissores incluem CLIK-148 e FF-FMK. 65 FF-FMK, que também pode inibir a catepsina B em concentrações mais elevadas, diminui a invasão de linhas celulares de carcinoma de células escamosas oral humano em vitro, 76 e a administração oral de CLIK-148 inibe a metástase de células A375 de melanoma humano para o osso, mas não para o fígado ou músculo em um modelo de camundongo de xenoenxerto. 77 Vários estudos adicionais apóiam a função de degradação óssea da catepsina L, tornando-a uma possível molécula alvo no tratamento de doença óssea metastática. 78

A utilidade da catepsina L como um alvo terapêutico para o tratamento do câncer foi, no entanto, questionada por estudos que mostram que sua deficiência ou inativação promove a progressão do tumor em modelos de câncer de pele de camundongo 79, 80, 81, bem como no epitélio intestinal. 82 A explicação molecular para esse papel supressor tumoral da catepsina L pode ser seu papel essencial na regulação negativa da reciclagem de fatores de crescimento e seus receptores do compartimento endocítico de volta à membrana plasmática. 83

Catepsina K (codificada por CTSK)

A cisteína catepsina K possui alta atividade colagenolítica e osteolítica. É predominantemente expresso em osteoclastos, onde é a protease principal responsável pela reabsorção e metabolismo ósseo. 84 Correspondentemente, mutações inativadoras no gene da catepsina K humana (CTSK) resultam em picnodisostose caracterizada por baixa estatura, deformidades cranianas e anormalidades esqueléticas. 85 Cathepsin K expression is activated in breast and prostate carcinomas with higher expression levels in bone metastases as compared with primary tumors. 86, 87, 88 Cathepsin K inhibitors (CKI, AFG495 and Odanacatib), which have been successfully used to treat osteoporosis-associated bone loss, 84, 89 reduce breast cancer-induced osteolysis and skeletal tumor burden in a mouse model of skeletal metastasis. 87 Notably Odanacatib is currently on phase III trial as a treatment to reduce the risk of breast cancer-induced bone metastasis (http://www.cancer.gov/drugdictionary). In melanoma, cathepsin K expression correlates with advanced metastatic disease, 90 and pharmacological inhibition of cathepsin K with Boc-I reduces melanoma cell invasion through the Matrigel basement membrane matrix. 90 Inhibition of cathepsin K in this model results in the accumulation of internalized collagen in the lysosomal compartment, suggesting that cathepsin K is essential for the effective intracellular degradation of phagocytosed matrix proteins also outside the bone.

Other cysteine cathepsins

The expression of cysteine cathepsins S, F, H, O, V (also known as L2 or U) and Z (also known as Y or X) is also increased in human cancers. However, relatively little is known about their regulation or function. Cathepsin S may function in angiogenesis by degrading anti-angiogenic, type IV collagen derived peptides and generating pro-angiogenic peptides by cleavage of laminin-5. 91, 92 Accordingly, genetic inactivation of cathepsin S encoding CTSS gene in the RT2 mouse model of pancreatic cancer leads to impaired tumor formation and impaired angiogenesis. 52 In the same model system, genetic inactivation of CTSH (cathepsin H) also significantly impaired angiogenic switching of the pre-malignant hyperplastic islets and resulted in a reduction in the subsequent number of tumors. 93 Moreover, the tumor burden in CTSH null RT2 mice is significantly reduced, in association with defects in the blood vasculature and increased apoptosis. Finally, simultaneous depletion of cathepsins B and Z results in synergistic antitumor effects in the murine PyMT breast cancer model, suggesting that most, if not all, cysteine cathepsins may posess tumor-promoting features. 94

Pharmacological targeting of cysteine cathepsins

More than one cathepsin is usually upregulated upon oncogene-driven transformation em vitro in pre-clinical murine cancer models as well as in human cancer. Their highly overlapping substrate specificities and functions in tumorigenesis suggest thus that a combined inhibition of their activities might be required for an efficient cancer therapy. Accordingly, a single genetic inactivation of Ctsb ou Ctsz in the PyMT oncogene-induced mammary carcinomas delays only slightly the appearance of tumors and lung metastasis, whereas their combined inactivation results in a significant delay in tumor growth and reduction in the number and size of metastases. 94, 95 In line with this, a cell-permeable broad-spectrum cysteine cathepsin inhibitor JPM-OEt is much more effective than single depletions of Ctsb, Ctsl ou Ctss in reducing angiogenic switching in the murine RT2 pancreatic carcinoma model. 52, 92 By contrast, JPM-OEt shows poor efficacy in the PyMT murine breast cancer model, 96 and fails to reduce metastasis in the breast cancer bone metastasis model in which the non cell-permeable CA-074 is effective. 61 These results may be simply due to differential bioavailability of the drugs in different tissues. 96 Alternatively, different cysteine cathepsins may have opposing roles in some cancers, or the ability of JPM-OEt to enter the cell and inhibit intracellular cathepsins may stabilize lysosomal membranes and provide cancer cells with a survival advantage that counteracts the effects of extracellular inhibition of cathepsins. However, the available preclinical data strongly encourage the continuing development of broad-spectrum cysteine cathepsin inhibitors as cancer therapeutics, but clearly more basic research on the anticancer effects of individual cathepsins and their localization is needed to find the optimal treatment modalities.


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Lysosomal Physiology

Lysosomes are acidic compartments filled with more than 60 different types of hydrolases. They mediate the degradation of extracellular particles from endocytosis and of intracellular components from autophagy. The digested products are transported out of the lysosome via specific catabolite exporters or via vesicular membrane trafficking. Lysosomes also contain more than 50 membrane proteins and are equipped with the machinery to sense nutrient availability, which determines the distribution, number, size, and activity of lysosomes to control the specificity of cargo flux and timing (the initiation and termination) of degradation. Defects in degradation, export, or trafficking result in lysosomal dysfunction and lysosomal storage diseases (LSDs). Lysosomal channels and transporters mediate ion flux across perimeter membranes to regulate lysosomal ion homeostasis, membrane potential, catabolite export, membrane trafficking, and nutrient sensing. Dysregulation of lysosomal channels underlies the pathogenesis of many LSDs and possibly that of metabolic and common neurodegenerative diseases.


How are lysosome membranes protected from the attack of hydrolases? - Biologia

Cholesterol is delivered to lysosomes by receptor-mediated delivery of low density lipoproteins (LDLs) from the extracellular space.

In lysosomes, cholesterol esters are hydrolyzed and subject to binding to specialized proteins such as NPC2.

The transport of cholesterol to the limiting membrane of the lysosome requires that the dense layer of carbohydrates has to be overcome by hydrophobic tunnel systems found in NPC1 as well as in LIMP-2/SCARB2.

At the cytosolic side of the limiting membrane of the lysosome, protein interactions between lysosomal membrane proteins and organelle membrane proteins mediate membrane contact sites and transfer of cholesterol.

The lysosomal cholesterol efflux is sensed and translated to the regulation of cell proliferation and autophagy.

Lysosomes are of major importance for the regulation of cellular cholesterol homeostasis. Food-derived cholesterol and cholesterol esters contained within lipoproteins are delivered to lysosomes by endocytosis. From the lysosomal lumen, cholesterol is transported to the inner surface of the lysosomal membrane through the glycocalyx this shuttling requires Niemann–Pick C (NPC) 1 and NPC2 proteins. The lysosomal membrane proteins lysosomal-associated membrane protein (LAMP)-2 and lysosomal integral membrane protein (LIMP)-2/SCARB2 also bind cholesterol. LAMP-2 may serve as a cholesterol reservoir, whereas LIMP-2, like NPC1, is able to transport cholesterol through a transglycocalyx tunnel. Contact sites and fusion events between lysosomes and other organelles mediate the distribution of cholesterol. Lysosomal cholesterol content is sensed thereby regulating mammalian target of rapamycin complex (mTORC)-dependent signaling. This review summarizes our understanding of the major steps in cholesterol handling from the moment it enters the lysosome until it leaves this compartment.


Conflito de interesses

A. Ballabio is co-founder of CASMA Therapeutics and of Next Generation Diagnostics (NGD).

Para maiores informações

Pending Issues

The current understanding of lysosome biology and function is still evolving. There is a need for further characterization of these aspects that may provide critical information on the pathophysiology of lysosomal storage diseases.

New methodologies should be exploited to improve our knowledge on lysosomal biology and on lysosomal disease pathophysiology. These methodologies may also have a major impact of patient care, with more efficient diagnostic pathways and availability of biomarkers to follow disease progression and effects of therapies.

Current therapies for the treatment of lysosomal storage disease have significant limitations. Particularly, biodistribution in target organs, such as brain, is a critical issue as many of these disorders are associated with central nervous system involvement.

The understanding of disease pathophysiology is critical as it has the potential to identify novel therapeutic targets and to indicate new strategies for the treatment of these disorders.