Integración de la cadena respiratoria y la síntesis de coenzima Qla función de COQ4

Résumé

Dentro de las enfermedades mitocondriales se encuentra la deficiencia de CoQ. Este es un síndrome asociado principalmente a cinco fenotipos: encefalomiopatía, enfermedad multisistémica infantil severa, ataxia cerebelar, miopatía aislada y síndrome nefrótico. Aunque los síntomas pueden ser muy variables y no todos los pacientes responden de la misma manera al tratamiento, algunos de ellos responden de manera positiva al ser tratados con CoQ10, por lo que es una de las pocas enfermedades mitocondriales con tratamiento efectivo. Conocer la ruta de síntesis de CoQ puede ayudarnos a realizar un diagnóstico más rápido y a encontrar nuevas terapias para los pacientes con deficiencia de CoQ. Aunque no se conoce bien en humanos, la ruta de síntesis de CoQ está bien conservada por lo que podemos tener una idea de cómo funciona basándonos en la ruta de la levadura S. cerevisiae que sí está bien caracterizada. En S. cerevisiae se conocen al menos 11 genes implicados en la síntesis de CoQ6 (COQ1¿9, Arh1 y Yah1) (Pierrel et al., 2010; Tran and Clarke, 2007). Todo parece indicar que las proteínas que participan en este proceso se organizan formando un complejo multienzimático. En el estudio de complejos de proteínas, se utiliza con frecuencia la sobreexpresión de alguno de los componentes del complejo para suprimir mutaciones en otro de los componentes de este. En el caso de la síntesis de CoQ6, la sobreexprejavascript:abrirTesauroDesdeFichas();sión de Coq8p ha sido utilizada con frecuencia para demostrar la existencia de un complejo de síntesis y darnos información sobre la función de algunas de proteínas de este complejo (Ozeir et al., 2011; Padilla et al., 2009; Xie et al., 2012). En este trabajo se ha utilizado la sobreexpresión de las distintas proteínas Coq tanto en una levadura silvestre como en diferentes mutantes nulos. Los resultados obtenidos muestran que la sobreexpresión provoca distintos efectos en los niveles de CoQ6 de estas levaduras dependiendo de la función que desempeñe cada proteína. Una de las proteínas que interviene en la síntesis de CoQ6 es Coq4p, cuya función es desconocida pero es indispensable para la síntesis de CoQ6 (Belogrudov et al., 2001). Basándose en lo poco que se conoce de ella y en un modelo tridimensional de su estructura, Coq4p ha sido propuesta como proteína nucleadora del complejo de síntesis uniéndose a un intermediario isoprenoide de la síntesis y al resto de proteínas Coq (Marbois et al., 2009; Rea et al., 2010). En los últimos tiempos se han hallado mutaciones en el gen COQ4 en pacientes con deficiencia primaria de CoQ por lo que ha aumentado el interés por conocer su función (Jimenez-Ortega, 2009; Salviati et al., 2012 La síntesis de CoQ, como otros muchos procesos celulares, está regulada por fosforilación. Se ha demostrado que Coq7 es regulado de esta manera e incluso se ha descrito la fosfatasa impliada en su desfosforilación, Ptc7p (Martin-Montalvo et al., 2011, 2013). Además, existen otras proteínas que también son fosforiladas como Coq3p, Coq5p y Coq7p (Tauche et al., 2008) por lo que no podemos descartar que existan otras fosfoproteínas en esta ruta de síntesis. La hipótesis de partida de este trabajo es que Coq4p, debido a su posible función nucleadora es una buena candidata para ser fosforilada y regular mediante este proceso el inicio de la nucleación del complejo de la síntesis de CoQ. Para ello se llevo a cabo un estudio de su secuencia en busca de posibles sitios de fosforilación en el que se seleccionaron tres residuos conservados que se localizaban en la misma región de la superficie de la proteína. Un ensayo de fosforilación in vitro de la proteína demostró que esta era capaz de ser fosforilada por una PKC mientras que la sustitución de estos tres aminoácidos por alanina, un aminoácido que no puede ser fosforilado, llevó a una disminución de la fosforilación de la proteína. Para comprobar el efecto de estas mutaciones in vivo, se utilizaron levaduras portadoras de estas versiones modificadas de Coq4p y se analizaron distintos parámetros fisiológicos como crecimiento en un medio con glicerol como fuente de carbono, niveles de CoQ6, consumo de oxígeno, medida de las actividades de la cadena respiratoria, etc. Según los resultados, se observó que estas levaduras poseían niveles normales de CoQ6 pero eran incapaces de respirar debido a una deficiencia en la actividad del complejo III causada por las mutaciones en Coq4p. Además, al comparar estos mutantes con otros mutantes puntuales en COQ4 anteriormente descritos (Belogrudov et al., 2001; Marbois et al., 2009) se determinó que existen dos tipos de mutantes en Coq4p asociados a dos funciones distintas de la proteína, por un lado, Coq4p participa en la síntesis de CoQ6 siendo necesaria como nucleadora para la formación del complejo de síntesis. Por otro lado, Coq4p es indispensable para el funcionamiento del complejo III. Por ello podemos considerar a Coq4p como una proteína con una doble función que actúa como punto de control integrando la síntesis de CoQ6 con el funcionamiento de la cadena respiratoria mitocondrial. Bibliografía: Belogrudov, G.I., Lee, P.T., Jonassen, T., Hsu, A.Y., Gin, P., and Clarke, C.F. (2001). Yeast COQ4 Encodes a Mitochondrial Protein Required for Coenzyme Q Synthesis. Arch. Biochem. Biophys. 392, 48¿58. Jimenez-Ortega, J.C. (2009). Complementación genómico-funcional del gen COQ4 humano en levadura como modelo de diagnóstico molecular en enfermedades que cursan con deficiencia primaria de coenzima Q. Marbois, B., Gin, P., Gulmezian, M., and Clarke, C.F. (2009). The yeast Coq4 polypeptide organizes a mitochondrial protein complex essential for coenzyme Q biosynthesis. Biochim. Biophys. Acta - Mol. Cell Biol. Lipids 1791, 69¿75. Martin-Montalvo, A., Gonzalez-Mariscal, I., Padilla, S., Ballesteros, M., Brautigan, D.L., Navas, P.P., Santos-Ocaña, C., Martín-Montalvo, A., and González-Mariscal, I. (2011). Respiratory-induced coenzyme Q biosynthesis is regulated by a phosphorylation cycle of Cat5p/Coq7p. Biochem. J. 440, 107¿114. Martin-Montalvo, A., Gonzalez-Mariscal, I., Pomares-Viciana, T., Padilla-Lopez, S., Ballesteros, M., Vazquez-Fonseca, L., Gandolfo, P., Brautigan, D.L., Navas, P., and Santos-Ocana, C. (2013). The phosphatase Ptc7 induces coenzyme Q biosynthesis by activating the hydroxylase Coq7 in yeast. J. Biol. Chem. Ozeir, M., Mühlenhoff, U., Webert, H., Lill, R., Fontecave, M., and Pierrel, F. (2011). Coenzyme Q Biosynthesis: Coq6 Is Required for the C5-Hydroxylation Reaction and Substrate Analogs Rescue Coq6 Deficiency. Chem. & Biol. 18, 1134¿1142. Padilla, S., Tran, U.C., Jiménez-Hidalgo, M., López-Martín, J.M., Martín-Montalvo, A., Clarke, C.F., Navas, P., and Santos-Ocaña, C. (2009). Hydroxylation of demethoxy-Q6 constitutes a control point in yeast coenzyme Q6 biosynthesis. Cell. Mol. Life Sci. 66, 173¿186. Pierrel, F., Hamelin, O., Douki, T., Kieffer-Jaquinod, S., Mühlenhoff, U., Ozeir, M., Lill, R., and Fontecave, M. (2010). Involvement of Mitochondrial Ferredoxin and Para-Aminobenzoic Acid in Yeast Coenzyme Q Biosynthesis. Chem. Biol. 17, 449¿459. Rea, S.L., Graham, B.H., Nakamaru-Ogiso, E., Kar, A., and Falk, M.J. (2010). Bacteria, yeast, worms, and flies: Exploiting simple model organisms to investigate human mitochondrial diseases. Dev. Disabil. Res. Rev. 16, 200¿218. Salviati, L., Trevisson, E., Rodriguez Hernandez, M.A., Casarin, A., Pertegato, V., Doimo, M., Cassina, M., Agosto, C., Desbats, M.A., Sartori, G., et al. (2012). Haploinsufficiency of COQ4 causes coenzyme Q10 deficiency. J. Med. Genet. 49, 187¿191. Tauche, A., Krause-Buchholz, U., and Rödel, G. (2008). Ubiquinone biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae: the molecular organization of O-methylase Coq3p depends on Abc1p/Coq8p. FEMS Yeast Res. 8, 1263¿1275. Tran, U.C., and Clarke, C.F. (2007). Endogenous synthesis of coenzyme Q in eukaryotes. Mitochondrion 7 Suppl, S62¿71. Xie, L.X., Ozeir, M., Tang, J.Y., Chen, J.Y., Kieffer-Jaquinod, S., Fontecave, M., Clarke, C.F., and Pierrel, F. (2012). Over-expression of the Coq8 kinase in Saccharomyces cerevisiae coq null mutants allows for accumulation of diagnostic intermediates of the Coenzyme Q6 biosynthetic pathway. J. Biol. Chem. 1¿23.