Relació estructura-funció de les proteïnes CPT1

Abstract

L’enzim Carnitina palmitoïltransferasa 1 (CPT1) permet l’entrada dels àcids grassos de cadena llarga a la matriu mitocondrial per tal de ser degradats i utilitzats així com a substrat energètic. El malonil-CoA, primer intermediari en la síntesi d’àcids grassos, és un inhibidor al•lostèric de CPT1, fet que permet una regulació coordinada entre la síntesi i l’oxidació d’àcids grassos en un mateix teixit, evitant així que es donin ambdós processos alhora. Una inhibició específica de CPT1, doncs, és una bona aproximació farmacològica per al tractament de desordres metabòlics que impliquin acumulació d’àcids grassos i resistència a insulina, com la diabetis tipus 2 i l’obesitat.

La present tesi doctoral s’ha centrat en l’estudi de la regulació per malonil-CoA dels isotips hepàtic (CPT1A) i muscular (CPT1B) de CPT1, així com en l’estudi de l’isotip més recentment descrit de la proteïna d’expressió en cervell, CPT1C. Per tal d’aprofundir en l’estudi de determinants moleculars de CPT1 que marquen el seu grau d’inhibició per malonil-CoA, s’han realitzat construccions mutants i delecionades dels enzims CPT1A i CPT1B i s’han expressat en el llevat “Pichia pastoris”. Mitjançant l’anàlisi del paràmetre IC50, hem demostrat que la regió aminoterminal de l’enzim CPT1A de rata (residus 1-18) exerceix un efecte dominant sobre les posicions Glu590 i Met593 en determinar la sensibilitat a la inhibició per malonil-CoA. Paral•lament, s’han generat construccions amb la seqüència de l’enzim CPT1 de porc, que presenta una gran diferència en el seu comportament enzimàtic quan es compara amb l’enzim humà, tant l’isotip hepàtic com el muscular. En aquest treball s’ha identificat l’existència d’un determinant negatiu en la posició Glu17 que explica parcialment la menor sensibilitat d’aquest enzim a la inhibició pel malonil-CoA. A més a més, s’ha construït un model 3-D in silico de la CPT1B humana, que permet justificar observacions experimentals mostrades en aquest treball, tot i que no explica encara les diferències en el comportament cinètic entre els isotips hepàtics i musculars de la proteïna. CPT1C és l’isotip descrit més recentment, i encara avui se’n desconeix la seva funció, existeix controvèrsia respecte a la seva distribució subcel•lular i no se n’han descrit els mecanismes que en regulen l’expressió. Els resultats mostrats en aquest treball demostren que CPT1C és una proteïna sense activitat enzimàtica, independentment de la característica extensió C-terminal que presenta respecte els altres isotips. D’altra banda, el patró d’expressió observat del gen Cpt1c no és compatible amb el paper que se li ha atorgat sobre la regulació de la ingesta. A més a més, hem identificat l’expressió d’una isoforma soluble de CPT1C en cervell humà adult, que ofereix una eina útil per a l’obtenció d’un cristall de la regió C-terminal citosòlica de CPT1C.

STRUCTURE-FUNCTION RELATIONSHIP OF CPT1 PROTEINS

CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1) enables the entry of long chain fatty acids into the mitochondrial matrix, in order to be degraded and used as energetic substrate. Malonyl-CoA, the first intermediate in the synthesis of fatty acids, is an allosteric inhibitor of CPT1. Through CPT1 inhibition, it establishes a coordinated regulation between fatty acid synthesis and oxidation, thus preventing that both pathways coexist at the same time. A specific inhibition of CPT1 is therefore a good approximation or the pharmacological treatment of metabolic disorders involving accumulation of fatty acids and nsulin resistance, such as type-2 diabetes and obesity.

This thesis has focused on the study of malonyl-CoA regulation of both CPT1A and CPT1B isotypes. In addition, we studied the more recently described isotype of the protein, CPT1C. To gain insight into the study of CPT1 molecular determinants of malonyl-CoA inhibition, mutants of both CPT1A and CPT1B enzymes were expressed in yeast Pichia pastoris. Analysis of the IC50 parameter, demonstrated that the aminoterminal region (residues 1-18) of the rat CPT1A enzyme has a dominant effect over Glu590 and Met593 positions in determining its sensitivity to malonyl-CoA inhibition. We also identified the existence of a negative determinant within the sequence of pig CPT1A (position Glu17), which partially explains the low sensitivity of this enzyme to malonyl-CoA inhibition. In addition, we designed an in silico 3-D model of human CPT1B, which still does not explain the kinetic differences between liver and muscle isotypes of the protein, but justifies some of our experimental data. CPT1C is the more recently described isotype of the protein. Its function still remains unknown, and controversy exists regarding its subcellular distribution and the mechanisms that regulate its expression. Here we show that CPT1C is a protein without enzymatic activity, regardless of its characteristic C-terminal extension, compared to the other isotypes. Moreover, the observed gene expression pattern is not compatible with its given role on the regulation of food intake. In addition, we identified the expression of a soluble isoform of CPT1C in human adult brain, providing a useful tool for obtaining a crystalline structure of the cytosolic C-terminal region of CPT1.