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Os transtornos do neurodesenvolvimento (NDDs) surgem de diversas etiologias com determinantes ambientais ou genéticos que impulsionam o desenvolvimento atípico do sistema nervoso1. O teste genético de sequenciamento de última geração relacionou um número crescente de variantes em genes relacionados ao sistema de ubiquitina com NDDs genéticos2. O sistema ubiquitina catalisa a ligação do pequeno modificador de proteína ubiquitina a resíduos principalmente de lisina em substratos proteicos para impulsionar mudanças no comportamento celular, incluindo localização, estabilidade, interações proteína-proteína ou atividade3. A ubiquitilação é mediada pelas enzimas E1 ativadora, conjugação E2 e E3 ligase4 e é reversível pela atividade de enzimas desubiquitilantes (DUBs) que catalisam a clivagem e remoção de ubiquitina de substratos proteicos5. A ubiquitina pode ser ligada ao substrato como um monômero (monoubiquitilação) ou cadeias poliméricas (poliubiquitilação) que são formadas em qualquer um dos sete resíduos de lisina (K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63) ou o resíduo M1 da ubiquitina. Essas diferentes topologias de cadeia de ubiquitina e suas combinações criam um código celular que é fundamental para a transdução de sinal6.
DUBs como USP27X, USP7, USP9X, USP48, STAMBP, OTUD4, OTUD6B e OTUD5 foram associados a NDDs 2,7,8,9,10,11. Para a maioria dos NDDs, os mecanismos moleculares que impulsionam a patogênese permanecem experimentalmente indefinidos. Alguns dos DUBs que conduzem distúrbios descritos recentemente são mal compreendidos e carecem de leituras celulares conhecidas que possam ser usadas para avaliar o impacto da variação genética na função das proteínas. In vitro, os ensaios de clivagem da cadeia de ubiquitina superam essa limitação como leituras de atividade de DUB independentes do substrato que podem medir o impacto das variantes genéticas na atividade enzimática12.
Ensaios de clivagem de ubiquitina in vitro têm sido usados desde a década de 1980. Esses ensaios usando substratos radiomarcados permitiram a descoberta dos primeiros DUBs, incluindo isopeptidase, identificada por sua capacidade de desubiquitilar histona H2A13, e ubiquitina carboxila terminal hidrolase (UCH), identificada por sua capacidade de hidrolisar ubiquitina a partir de uma variedade de conjugados químicos14 , 15 , 16. Além disso, proteínas ou peptídeos de comprimento total poliubiquitilados radiomarcados foram usados para identificar isopeptidase T e vários UCHs e proteases específicas de ubiquitina (UBPs) de eritrócitos e músculo esquelético, respectivamente 17,18,19,20. Cadeias de ubiquitina de comprimento e tipo de ligação definidos (tetra-ubiquitina ligada a K48) foram usadas pela primeira vez para medir a atividade DUB da isopeptidase T21. Desde então, este ensaio tornou-se o padrão-ouro para medir a atividade de DUB em análises mutacionais22 , 23 . O refinamento deste ensaio atualmente permite a visualização da clivagem da ubiquitina por meio de eletroforese e colorações convencionais de gel, como azul de Coomassie, laranja SYPRO, rubi e prata ou detecção fluorescente ou baseada em immunoblotting12,24. Aspectos moleculares da atividade de DUB, como comprimento mínimo da cadeia e especificidade de ligação 25,26,27,28, podem ser esclarecidos usando cadeias de ubiquitina de diferentes comprimentos (por exemplo, di-, tri-, tetra-ubiquitina) e ligações (K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63, linear) em ensaios funcionais. As variantes associadas ao NDD podem levar a defeitos de atividade de DUB específicos do tipo de ligação da cadeia de ubiquitina11.
Um ensaio de clivagem de di-ubiquitina usando proteínas DUB recombinantes purificadas pode medir diretamente o impacto das variantes de NDD na atividade de DUB. O USP27X, que é mutado no transtorno de deficiência intelectual ligado ao NDD X 105 (XLID105)7,28, modela o processo aqui apresentado. Essa abordagem permite determinar como a atividade do DUB é interrompida por variantes genéticas em NDDs associados ao DUB existentes e desconhecidos.