Mecanismo de asociación del receptor de acetilcolina nicotínico a su microentorno lípido

Abstract

El receptor de acetilcolina nicotínico (AChR) es una proteína integral de membrana, en íntimo contacto con los lípidos de la misma. El objetivo de este trabajo de Tesis fue analizar si las propiedades intrínsecas del AChR son las que determinan su partición en un determinado dominio de lípidos. Para ello se eligió el tipo de AChR con mejor caracterización, el del tejido eléctrico del pez marino Torpedo. El AChR completo, purificado a partir de T. californica, se reconstituyó en membranas mode-lo con proporciones definidas de colesterol, esfingomielina y fosfatidilcolina, y luego se procedió a su análisis mediante téc-nicas bioquímicas y biofísicas. Una porción del AChR que se sabe reside normalmente en el interior de la membrana, el péptido sintético γM4, se estudió de manera similar con el objetivo de aprender acerca de la contribución del anillo exte-rior del segmento transmembrana, en contacto directo con los lípidos, en la supuesta segregación lateral en la membrana del AChR. La distribución del AChR o del péptido γM4 se evaluó por extracción de los liposomas con el detergente no-iónico Triton X-100, y su posterior centrifugación, para obtener membranas resistentes al detergente (DRM). Se ha postulado que tales fracciones serían el homólogo bioquímico de los dominios de lípidos tipo balsa ("rafts") preexistentes en la membrana plasmática de células. La contrapartida de tales fracciones, las denominadas "no-rafts", son las membranas solubles en el detergente (DSM). Se estudió también la in-fluencia de la rapsina (una proteína periférica involucrada en agrupamiento del AChR) o de la agregación de dominios tipo-rafts (utilizando membranas que contienen al gangliósido GM1 seguido por el entrecruzamiento de GM1). Los resultados experimentales permiten concluir que el péptido γM4 exhibe una marcada preferencia por los dominios tipo-rafts. Por el contrario el AChR, ya sea solo o en presencia de la proteína rapsina, o de la agregación del gangliósido GM1, no exhibió tal preferencia por los dominios tipo-rafts. La composición lipídica de las fracciones DRM y DSM obtenidas a partir de liposomas compuestos sólo por fosfatidilcolina:esfingomielina:colesterol en proporciones equimolares, o por la mismo mezcla de lípidos con γM4 o AChR incorporado, estaba enriquecida en todos los casos en colesterol y esfingomielina en la fracciones DRM, y enriquecidas en fosfatidilcolina en las fracciones DSM. Estos resultados demuestran que la composición lipídica de estas fases depende principalmente de las propiedades de los lípidos que las componen. Sin embargo, la proporción de cada dominio de lípidos depende de la presencia del AChR o del péptido γM4. El AChR produjo un aumento significativo en la cantidad total de la fracción DSM, con una reducción concomitante en la cantidad total de la fracción DRM. Por otra parte, γM4 aumentó la proporción de la fracción DRM. Por lo que inferimos que el péptido γM4 actuaría como un promotor de DRM y el AChR completo, por el contrario, actua-ría como un perturbador de DRM. La eficiencia de la transfe-rencia de energía resonante de Förster entre la fluorescencia intrínseca de la proteína (o del péptido) y el dehidroergosterol (mimético fluorescente del colesterol) sirve como una medida de la localización de la proteína en la membrana. La sonda fluorescente Laurdan como aceptora se utilizó como control, ya que no muestra ninguna partición preferencial por un dominio en particular. Los valores de la denominada polariza-ción generalizada, calculados a partir de los espectros de fluorescencia de la sonda Laurdan, fueron utilizados como informativos de las condiciones biofísicas de cada membrana. El AChR purificado no tuvo una partición preferencial entre dominios rafts (dominios enriquecidos en colesterol) y domi-nios no-rafts, mientras que el péptido γM4 se particionó preferentemente en dominios rafts. Podemos inferir que la predilección del AChR en su medio natural por un dominio dado de lípidos no puede ser atribuida exclusivamente a las propiedades fisicoquímicas de ambos o a las interacciones entre el dominio TM de la proteína y el ambiente lipídico, por lo que debería haber señales exteriores en las membranas celulares nativas que direccionen al AChR hacia un dominio de membrana específico.

The nicotinic acetylcholine receptor (AChR) is an integral membrane protein, in intimate contact with the lipids in its native membrane. The aim of the present Thesis was to analyze the possibility that it is the intrinsic properties of the AChR that determine its partition into a given lipid domain. For this purpose we chose the best characterized AChR, the one from Torpedo electric tissue. The AChR purified from Torpedo californica was reconstituted into model membranes with defined proportions of cholesterol, sphingomyelin and phosphatidylcholine, and analyzed by biochemical and biophysical techniques. The synthetic γM4 peptide was studied using the same experimental approach to learn about the contribution of the lipid-contacting transmembrane outer ring to the putative lateral segregation of the AChR in the membrane. The distribution of the AChR or the γM4 peptide was assessed by Triton X-100 extraction of the liposomes combined with centrifugation to yield detergent-resistant membranes (DRMs). These fractions have been postulated to correspond to the biochemical homolog of the lipid rafts domains that preexist in the cellular plasma membrane. Counterparts of those fractions, non-raft domains, are detergent soluble membranes (DSM). The influence of rapsyn (a peripheral protein involved in AChR aggregation) or that of aggregation of raft-like domains (using membranes containing the ganglioside GM1 followed by GM1 crosslinking) was also studied. The γM4 peptide displays a marked preference for raft-like domains. In contrast, the AChR alone or in the presence of rapsyn or ganglioside aggregation exhibits no such preference for raft-like domains. The lipid composition of the DRM and DSM fractions obtained from liposomes composed of the equimolar phosphatidylcholine: sphin-gomyelin:cholesterol mixture alone, or the same lipid mixture with γM4 or AChR, were all enriched in cholesterol and sphingomyelin in the DRM fractions, and enriched in phosphatidylcholine in the DSM fractions. These results indicate that the lipid composition of these phases depended mainly on the properties of the lipid. However, the amount of each lipid domain depends on the presence of the AChR or the γM4 peptide. The AChR macromolecule caused a significant increase in the total amount of the DSM fraction, with a concomitant reduction in the total amount of the DRM fraction. On the other hand, the presence of the γM4 increased the proportion of the DRM fraction. Thus, the γM4 peptide appears to behave as a DRM promoter and the AChR as a DRM disruptor. The efficiency of the Förster resonance energy transfr (E) between the protein (or peptide) intrinsic fluorescence and dehydroergosterol (a fluorescent cholesterol mimetic) served as a measure of the protein location in the membrane. Using the fluorescent probe Laurdan as a control acceptor -as it shows no preferential partition into a particular domain- the so-called generalized polarization values calculated from the Laurdan fluorescence spectra were used as a reporter of the biophysical properties of te membrane. Purified AChR displayed no preferential partition between rafts (domanins enriched in cholesterol) and non-rafts domains, whereas the y M4 peptide preferentially partitioned into raft domains. Putting all the data together, it can be inferred that the preference of the AChR for a given lipid domain in its natural milieu cannot be solely ascribed to the physicochemical properties of the two partners or to the interactions between the protein transmembrane domain and the lipid moiety, and that there must therefore be an external signal in native cell membranes that directs the AChR to a specific membrane domain.