Caracterización molecular y funcional de la enzima arginiltransferasa 1 (ATE1) en el proceso de autofagia

Abstract

Resumen: La enzima arginil-ARNt transferasa (Ate1) cataliza la transferencia de arginina desde un ARN de transferencia a una proteína aceptora. Este proceso conocido como arginilación postraduccional está involucrado en el catabolismo de proteínas, particularmente en la señalización de sustratos del sistema de degradación ubiquitina-proteasoma (UPS). En situaciones donde el UPS está comprometido, la célula activa el mecanismo proteolítico de autofagia para evitar la acumulación de especies tóxicas y mantener el fitness celular. No obstante, se desconoce si la arginilación es necesaria para el reconocimiento y la degradación de proteínas por la vía autofágica. Por este motivo, en este trabajo de tesis se propuso investigar la implicancia funcional de Ate1 en la autofagia. Se analizaron aspectos moleculares y celulares de las distintas variantes alternativas de la enzima durante la respuesta autofágica inducida por la inhibición del proteasoma. Utilizando diferentes metodologías, se demostró que las isoformas de Ate1 se localizan en el citosol y núcleo de la célula, mientras que una fracción de las mismas se une a membranas biológicas y proteínas del citoesqueleto. Esta distribución se correlaciona con la formación de estructuras de alto peso molecular, que se localizan en las proximidades del núcleo junto a la proteína adaptadora autofágica p62 y otros sustratos de degradación. Dada la importancia de p62 en el reconocimiento de sustratos, la compartimentación de Ate1 junto a esta proteína sugiere que podría ser necesaria durante la respuesta autofágica. Además, para comprender la implicancia biológica de la enzima en este proceso degradativo, se analizó la actividad autofágica en ausencia de Ate1, y frente a la expresión endógena y ectópica de la enzima en células. Con esta finalidad, se realizaron ensayos bioquímicos y de microscopía confocal que permitieron descubrir aspectos funcionales de la enzima. Se demostró que en ausencia de Ate1, el complejo mTORC1 está hiperactivado, lo cual disminuye el flujo de autofagia y provoca la acumulación de vacuolas y sustratos autofágicos en la célula. Además, se observaron defectos en la inducción de autofagia en condiciones de déficit nutricional. La expresión ectópica de una única isoforma de Ate1 permitió recuperar parcialmente el fenotipo salvaje. Este estudio sugiere que Ate1 podría contribuir al proceso de reconocimiento de los sustratos junto a p62 y permite establecer la importancia de la arginilación en la regulación del proceso de degradación autofágico.

Abstract: arginyl-tRNA transferase (Ate1) enzyme catalyzes the transfer of arginine from a transfer RNA to an acceptor protein. This process known as post-translational arginylation is involved in protein catabolism, notably during substrates recognition by the ubiquitin-proteasome degradation system (UPS). When the UPS is compromised, cells activate autophagy, a proteolytic mechanism that prevents the accumulation of toxic species and maintains cellular homeostasis. To further investigate whether protein arginylation is required in this process, this work was focused on the functional implication of Ate1 in the autophagic pathway. Molecular and cellular aspects of Ate1 isoforms were analyzed during the autophagic response induced by proteasome inhibition using different experimental approaches. Ate1 isoforms were found in the cytosol and nucleus of the cell, whereas a fraction was associated with biological membranes and cytoskeleton proteins. This subcellular distribution correlates with the formation of high molecular weight structures, which are localized in the perinuclear region of the cell together with the autophagic adaptor protein, p62 and other degradation substrates. Given the importance of p62 in substrate recognition, the compartmentalization of Ate1 with this protein suggests that it may be required during autophagic response. To understand the biological implication of Ate1 in this degradative process, we assessed autophagic activity in the absence of the enzyme, and under endogenous or ectopic expression of Ate1 in cultured cells. Ate1 deletion causes mTORC1 complex hyperactivation, a decrease of autophagic flux and leads to an accumulation of autophagosomes and their substrates. Moreover, autophagic induction is impaired under fasting conditions. The observed phenotype can be partially rescued by reintroduction of stably expressed Ate1-specific isoform. Finally, this study suggests that Ate1 may contribute to the substrate recognition process together with p62 and highlights the importance of post-translational arginylation in the regulation of the autophagic degradation process.