Funciones
En el sistema nervioso central, TMEM106B está más expresado en las neuronas y los oligodendrocitos, mientras que a nivel subcelular, está localizado en los endosomas tardíos o en los compartimentos lisosomales (orgánulos dedicados a la eliminación de desechos celulares). Siendo una proteína lisosomal transmembrana, TMEM106B participa en varias funciones claves del lisosoma.
1. Morfología y movimiento lisosomal
Diversos estudios han demostrado que la sobreexpresión de TMEM106B provoca un ensanchamiento lisosomal, induce la muerte celular y aumenta la citotoxicidad inducida por el estrés oxidativo. Estas manifestaciones también se han observado en neuronas. Dado que el tamaño de los lisosomas está regulado por eventos de fisión y por su fusión con otros orgánulos, como endosomas y autofagosomas, es probable que TMEM106B afecte a alguno de los procesos de fusión o fisión lisosomal.
Esta proteína está también involucrada en el movimiento lisosomal. En las células de los mamíferos, los lisosomas se desplazan a lo largo de los microtúbulos y su posición afecta al funcionamiento lisosomal y a la fisiología celular. La reducción o inactivación de TMEM106B induce la agrupación de lisosomas cerca del núcleo, lo que reduce la exocitosis lisosomal en células no polares y en la línea celular precursora de oligodendrocitos Oli-neu. Se ha demostrado que la reducción de TMEM106B en neuronas corticales (en cultivos primarios) aumenta el número de lisosomas transportados axonalmente. En las neuronas motoras, la extirpación de TMEM106B produce un aumento del transporte retrógrado de lisosomas a lo largo de los axones, lo que podría provocar que se acumulen o fusionen en exceso en ciertas zonas. En este caso, en el extremo distal del segmento inicial del axón (AIS), dando lugar a la formación de grandes vacuolas lisosomales.
El mecanismo que utiliza TMEM106B para regular el movimiento lisosomal todavía no se ha descubierto. Sin embargo, esta proteína interactúa físicamente con la proteína 6 asociada a microtúbulos (MAP6) para inhibir el transporte retrógrado de los lisosomas en las dendritas neuronales. En las neuronas primarias, la disminución de la expresión de TMEM106B aumenta significativamente el transporte retrógrado de lisosomas en las dendritas y reduce la ramificación dendrítica. Los ratones deficientes de TMEM106B tienen fenotipos únicos de vacuolización de lisosomas en la región del AIS, y es por esta razón que se cree que el TMEM106B podría tener un papel especializado en el transporte de lisosomas a través del AIS en las neuronas motoras y células de Purkinje.
Cabe destacar que queda por determinar si los defectos en el tráfico de lisosomas en las células deficientes de TMEM106B se deben a una regulación directa del movimiento de los lisosomas por parte de TMEM106B o a efectos secundarios causados por la disfunción lisosomal, debido a la pérdida de TMEM106B.
2. pH lisosomal
El lisosoma mantiene un pH ácido (entre 4,5 y 5,0). Esta condición es esencial para garantizar la estabilidad y la actividad óptima de muchas hidrolasas lisosomales y para la correcta degradación de los sustratos celulares. Se consigue gracias a la acción de la ATPasa vacuolar (V-ATPasa) (complejo enzimático bombeador de protones al interior del lisosoma). Se ha demostrado que TMEM106B interacciona con proteínas asociadas al funcionamiento del sistema endosoma-lisosoma, específicamente con la proteína 1 accesoria de V-ATPasa (AP1) y con AP2M. La eliminación de TMEM106B provoca una reducción de los niveles de AP1 y de las subunidades V0 de la V-ATPasa, lo que conlleva una disminución en la acidificación lisosomal.
Los efectos de la sobre expresión de TMEM106B, no obstante, son objeto de debate. Algunos estudios informan que su aumento induce una alcalinización celular dificulta la acidificación endosómica-lisosomal, mientras que otros describen el efecto contrario: una mayor acidificación lisosomal, observada mediante una intensidad aumentada del marcador fluorescente Lysotracker en líneas celulares humanas y murinas. Resultados similares se han obtenido en células HEK293T utilizando tintes sensibles e insensibles al pH para una medición más precisa.
Aún se requieren más investigaciones para aclarar estas discrepancias y determinar con exactitud los mecanismos moleculares mediante los cuales TMEM106B regula el pH lisosomal.
3. Regulación de los niveles y actividades de las proteínas lisosomales
Se ha demostrado que TMEM106B interacciona físicamente con la proteasa lisosomal catepsina D y mantiene niveles adecuados de esta en los oligodendrocitos. Además de la catepsina D, otras proteínas también se ven afectadas por alteraciones en los niveles de TMEM106B. En estudios in vitro, la sobre expresión de TMEM106B conduce a un aumento en la expresión de genes lisosomales, mientras que su reducción provoca una disminución de esta expresión. Esto es probablemente debido a la influencia de TMEM106B en la translocación citoplasma-nuclear del factor de transcripción EB (TFEB), un regulador muy importante para la biogénesis lisosomal.
Sin embargo, los resultados obtenidos in vivo son contradictorios. En un estudio con ratones deficientes en TMEM106B, que aún expresaban entre un 5 y un 10% de la proteína, se observó una reducción de varias proteínas (como la proteína LAMP1) y enzimas lisosomales. En otro trabajo, los niveles de LAMP1 no se vieron alterados, pero sí se detectó una disminución en la actividad de algunas enzimas lisosomales. Por el contrario, en estudios posteriores realizados también con la misma línea de ratones, se encontraron niveles elevados de catepsinas y un incremento en la actividad de varias enzimas lisosomales. Estas discrepancias son probablemente debidas a la presencia residual de TMEM106B funcional.
A pesar de estas diferencias, en todos los estudios los niveles de ARNm de los genes lisosomales no se alteraron después de eliminar TMEM106B, lo que sugiere que esta proteína no afecta directamente la actividad de TFEB, sino que regula las proteínas lisosomales a través de mecanismos postranscripcionales. Asimismo, en células Oli-neu deficientes de TMEM106B, los niveles de LAMP1, catepsina D y catepsina L también disminuyen, lo que indica que los efectos de TMEM106B sobre las proteínas lisosomales pueden variar según el tipo celular.
Implicaciones en la neurodegenaración
La proteína TMEM106B, se localiza principalmente en la membrana de los lisosomas y en los orgánulos del sistema endolisosomal. Por esta razón está relacionada directamente con las neuronas, ya que los lisosomas hacen que las neuronas se encuentren en un estado óptimo, puesto que si estas no lo están, puede provocar la aparición de enfermedades neurodegenerativas como, por ejemplo, EA (Alzheimer) o FTLD (conjunto de enfermedades).
El medio interior de los lisosomas contiene un pH ácido (4’5-5.0) para poder llevar a cabo su actividad enzimática; por tanto, cuando hay una acumulación de TMEM106B en las membranas lisosomales, se produce un aumento de pH, volviéndose más neutro (6-7). Este hecho provoca la inactivación de las enzimas (hidrolasas), las cuales solo trabajan en un pH ácido, ocasionando que los orgánulos sin efectividad no se degraden; por tanto, el resultado es la acumulación de material no degradado (proteínas, lípidos, orgánulos…) en las membranas de los lisosomas, provocando que el tamaño del lisosoma crezca.
En el caso de las neuronas, el aumento de tamaño de los lisosomas provoca una alteración en la homeostasis neuronal, donde este crecimiento sucede en axones y somas. Provocando la acumulación de proteínas no degradadas como ahora la proteína Tau, que está ligada con la enfermedad neurodegenerativa el Alzheimer, provocando demencia y pérdida de memoria.
La proteína TMEM106B está formada por unos filamentos amiloides. Estos filamentos son fibrillas proteicas insolubles. Únicamente una parte de la proteína, el C-terminal, puede formar estas fibrillas. El proceso de formación de estas estructuras consiste en: en primer lugar, el fragmento C-terminal se separa de la proteína mediante la proteólisis lisosomal. Seguidamente, este fragmento es liberado; entonces, cuando este se pliega mal, es cuando se forman las fibrillas amiloides. Las fibrillas amiloides adoptan una estructura plegada en hojas beta (cross-beta); esta conformación provoca que las fibras sean muy estables, ocasionando que sean resistentes a la degradación. Además, una de sus características es que son filamentos homotípicos, es decir, están formados únicamente por TMEM106B. Por tanto, cuando TMEM106B forma los filamentos amiloides, estos se localizan en el interior del lisosoma, dificultando la degradación de otras moléculas. Dando paso al estrés lisosomal, afectando a la homeostasis de proteínas y lípidos. Por otro lado, estas fibrillas son insolubles y muy difíciles de suprimir, lo que causa un aumento de la toxicidad celular, interfiriendo tanto en la autofagia como en la reciclación de los orgánulos. También la acumulación de proteínas no degradadas puede generar, especies reactivas de oxígeno (ROS), ocasionando daño en las membranas, proteínas y al ADN neuronal.
Según el estudio realizado por Anbo Chang, se demostró que la proteína TMEM106B tenía un vínculo tanto molecular como estructural con el envejecimiento celular y la neurodegeneración, a través de formar fibrillas amiloides intracelulares, cuando aumenta el estrés lisosomal. Extrajeron unas muestras de pacientes con diferentes enfermedades neurodegenerativas (demencia frontotemporal con TDP-43 [FTLD-TDP], parálisis supranuclear progresiva [PSP] y atrofia cortical posterior); descubrieron que todos los filamentos amiloides estaban compuestos por TMEM106B.
Estructura molecular
Dominio transmembrana
La proteína codificada por el gen TMEM106B, la cual tiene una longitud de 274 aminoácidos se clasifica como una proteína de membrana tipo dos. Esto significa que traviesa la membrana una única vez y que su extremo N-terminal se orienta hacia el citoplasma y el C-terminal queda expuesto hacia el lumen. Esta región que atraviesa la membrana es un dominio hidrofóbico (TMD). De esta manera, podemos dividir la proteína en tres zonas:
- Región N-terminal (≈ residuos 1–96), localizada en el citosol. En esta zona, la proteína puede interactuar con otras implicadas en el transporte vesicular, con el citoesqueleto o con las rutas del tráfico endosomal, influyendo de esta manera en diferentes procesos, como por ejemplo en la movilidad lisosomal o su distribución por la célula.
- Dominio transmembrana (~97–117), que atraviesa la membrana lisosomal.
- Región C-terminal (≈118–274), situada en el lumen.
La gran mayoría de estas proteínas se encuentran en los lisosomas o endosomas tardíos, gracias a la confirmación de los marcadores específicos celulares. De esta manera, el extremo C-terminal orientado hacia el lumen lisosomal, caracterizado por tener un pH ácido y rico en enzimas. Este contacto con este medio es clave, ya que de esta manera, la proteína puede recibir modificaciones postraduccionales. Una de ellas es la N-glicosilación en los residuos N145, N151, N164, N183 y N256, que protegen este dominio luminal frente a la degradación enzimática y aseguran que la proteína adquiera su forma específica y transporte correcto. Si estas glicosilaciones se ven afectadas, la proteína puede plegarse de forma incorrecta o retenerse en el retículo endoplasmático, cosa que le impide de realizar su función.
Otra de las modificaciones postraduccionales del extremo C-terminal luminal es el procesamiento proteolítico. Esto quiere decir que las enzimas lisosomales corten un fragmento de este extremo para liberarlo y que pueda agregarse y formar fibrillas amiloides. Estas están observadas en los cerebros humanos y están asociadas a diversos trastornos neurodegenerativos.
Localización lisosomal
Marcadores celulares
Podemos afirmar que la proteína TMEM106B se localiza principalmente en la membrana de los lisosomas y endosomas tardíos gracias a la colocalización con marcadores celulares específicos de estos orgánulos.
El primero y más importante es LAMP1, un marcador clásico de los lisosomas, con quien la proteína muestra una notable colocalización. Esto nos indica su presencia principal en este orgánulo.
Además, la colocalización con el marcador de los endosomas tardíos Rab7, sugiere que TMEM106B participa en las etapas finales del tráfico endocítico y no en las etapas iniciales en los endosomas tempranos ya que, no tiene apenas colocalización con Rab5 (marcador de los endosomas tempranos)
En resumen, el hecho que haya una gran colocalización con marcadores presentes en determinados orgánulos, indica que en ellos se encuentra esta proteína. Por contrario, si hay poca, se puede concluir que TMEM106B participa en otros procesos llevados a cabo en otros orgánulos con quien sí existe colocalización. En este caso, estos orgánulos son los lisosomas y los endosomas tardíos.
Función principal lisosomal
La localización de esta proteína en la membrana lisosomal le permite modificar algunas características de esta. Como por ejemplo su tamaño, ya que si hay una sobre expresión del gen y por consiguiente, una acumulación de proteína, provoca la formación de lisosomas más grandes o con vacuolas. Esto también puede implicar una eficiencia menor.
Otro aspecto donde las proteínas juegan un rol indirecto es en la regulación de la acidificación del lisosoma, cosa que es imprescindible para el buen funcionamiento enzimático.
Finalmente, la movilidad y tráfico lisosomal también se ve influido por TMEM106B, ya que esta participa en la interacción con componentes del citoesqueleto y con otras proteínas de tráfico vesicular, determinando el movimiento lisosomal dentro de la célula.
Expresión celular
El gen TMEM106B se expresa mayoritariamente en neuronas y oligodendrocitos. También de forma menos prominente en otras células del sistema nervioso y tejidos periféricos.
En las neuronas, la localización específica de las proteínas codificadas por este gen es muy importante, ya que regula procesos relacionados con la degradación de proteínas, el reciclaje de membranas y la regulación de neurotransmisores. Estos pasos son imprescindibles para mantener el equilibrio general del tráfico vesicular y la homeostasis intracelular.
Conclusión
En conclusión, podemos decir que la localización de la proteína TMEM106B en los lisosomas, no solo es una cuestión estructural, sino que está directamente ligada a la función de la proteína. Si el funcionamiento de la proteína se ve comprometido debido a mutaciones, sobre expresión o modificaciones postraduccionales incorrectas, puede conducir directamente al disfuncionamiento del lisososma entero. Este fenómeno puede conducir directamente a la aparición de enfermedades neurodegenerativas como por ejemplo la demencia frontotemporal.
