LTP (Lipid Transfer Protein)

Autores: Lucía Pascual, Ignacio Sanjuan, David Santos

INTRODUCCIÓN

LTP ( non-specific lipid transfer proteins) es una familia de proteínas que se encuentran de manera exclusiva en plantas (frutas, cereales, polen…). Su principal función consiste en la unión y transporte de todo tipo de compuestos lipídicos (de ahí a que sean inespecíficas) a través de las membranas de las células vegetales, con el fin de proporcionar un sistema de defensa; por lo que se encuentran generalmente en las pieles de las frutas y en las superficies de las plantas. Además, es responsable de numerosas reacciones alérgicas, cuyas causas y efectos detallaremos más adelante en el artículo.

Esta proteína se encuentra en numerosos alimentos vegetales que consumimos cada día, como el arroz (A), cebada (B) y maíz (C).

Fig. (1):Aunque existan varios tipos de LTP que se encuentran en distintos vegetales, la estructura es muy similar en todos ellos. Estos modelos han sido obtenidos a partir del Protein Data Bank, empleando el programa Chimera

ESTRUCTURA

Las LTP pertenecen a la familia de las prolaminas; un grupo de proteínas de estructura muy parecida (que ahora detallaremos), que son responsables de un elevado número de alergias, y que se expresan sobre todo en las semillas de numerosos tipos de plantas (la LTP es un caso algo especial, ya que se expresa en mayor medida en la superficie de las frutas, hojas y raíces).

Todas las LTP poseen una estructura similar, basada generalmente en cuatro hélices α, estabilizadas por cuatro puentes disulfuro, y con un motivo de 8 cisteínas que se conserva en todos los tipos de LTP. Las cadenas laterales hidrofóbicas conforman una cavidad hidrófoba que resulta de gran importancia debido a que es el lugar de inserción del lípido a transportar. Los puentes disulfuro permiten que la proteína LTP adquiera una estructura muy compacta, resistente al calor e incluso a los agentes desnaturalizantes. Además, en su estructura encontramos además varias regiones de epítopos capaces de interaccionar activamente con la IgE, lo que permite explicar la causa de las reacciones alérgicas a esta proteína que detallaremos más adelante en el artículo.

Fig. (2): LTP del arroz (PDB: 1UVA). En esta imagen tridimensional se puede observar las 4 hélices alfa que componen la molécula; así como los 4 puentes disulfuro que establecen entre cisteínas y que estabilizan la estructura. Este modelo ha sido obtenido a partir del Protein Data Bank.

Comúnmente, se diferencian dos tipos de LTP: LTP1 y LTP2. Su estructura tridimensional es prácticamente idéntica, y únicamente se diferencian en pequeñas variaciones de la secuencia de aminoácidos, y en su peso molecular (LTP1: 9 kDa y LTP2: 7 kDa). Destacamos además que la LTP2 se encuentra preferentemente en la superficie de las raíces, mientras que la LTP1 se expresa en mayor medida en las frutas y hojas de la planta.

Fig. (3): Superficie de la LTP del arroz (PDB: 1UVA). Se visualizan las regiones hidrofílicas (azul) y las regiones hidrófobas (rojo). Además, es posible observar el paso de un ácido graso en la zona central de la figura (concretamente ácido mirístico) a través de la cavidad hidrófoba de la molécula que, debido a su cola apolar, es capaz de atravesar el canal hidrófobo de la LTP. Este modelo ha sido obtenidos a partir del Protein Data Bank, empleando el programa Chimera

LOCALIZACIÓN

Originalmente, se creía que las LTP no específicas intervenían en el transporte de lípidos en el medio intracelular. Sin embargo, esta idea fue controvertida, ya que en estudios posteriores se observaron que varias LTPs se expresan extracelularmente, y llegaron a la conclusión de que era muy improbable que se encontraran además en el interior de la célula.

Sin embargo, estudios recientes afirman que estas proteínas poseen múltiples localizaciones, como la pared celular, la membrana plasmática, la matriz vegetal, y además, dentro de la propia célula; lo que justifica el elevado número de funciones que poseen y que detallaremos más adelante en el artículo.

Un ejemplo de ello es la Ha AP10, una LTP que se encuentra en las semillas del girasol. Lo curioso de esta proteína radica en que se logró identificar en el apoplasto (espacio extracelular) en semillas secas, pero además se detectó en el interior de las células de semillas embebidas. Para investigar con más profundidad la localización de esta proteína, se emplearon métodos de inmunolocalización; que consisten en emplear anticuerpos específicos como marcadores con el fin averiguar en qué parte de la célula se expresa una determinada molécula.

Tras el experimento, se observó que, en semillas secas, la Ha AP10 posee una localización exclusivamente apoplástica, pero que al poco tiempo tras interactuar la semilla con el agua, la proteína se comenzó a detectar en el interior de las células.

Fig. (4): Inmunolocalización de HA AP10. Se observa la localización de la proteína en el cotiledón de semillas secas (A), y el progresivo movimiento hacia el interior de la célula tras estar la semilla en contacto con el agua durante 20 minutos (B), 2 horas (C) y 16 horas (D). Imagen sacada de este artículo: Pagnussat, L., Burbach, C., Baluška, F. and de la Canal, L. (2012). An extracellular lipid transfer protein is relocalized intracellularly during seed germination. Journal of Experimental Botany, [online] 63(18), pp.6555–6563. Available at: https://academic.oup.com/jxb/article/63/18/6555/502979?login=true.

La Ha AP10 es apoplástica en semillas secas, pero en contacto con el agua, esta proteína sufre un proceso de endocitosis y se transporta a los orgánulos implicados en la síntesis y transporte de lípidos durante la germinación de la semilla. Este fenómeno concuerda con la proposición inicial de que las LTPs intervenían en el transporte intracelular de lípidos y que fue controvertida posteriormente por su supuesta localización extracelular.

Esta investigación permite justificar el gran número de funciones que la proteína, que detallamos a continuación.

FUNCIONES

Las LTPs están involucradas en interacciones de baja afinidad, comúnmente uniéndose a 1 o 2 cadenas de lípidos con grupos acilo de 14 a 18 carbonos; ya sean saturadas o insaturadas. Además, se han encontrado casos en los que se unen a otras moléculas, como esteroles, como puede ser el caso de la LTP2 del arroz.

Estas proteínas están involucradas en el transporte de lípidos que componen las capas de suberina y cutina de los tejidos vegetales. Además, juegan un papel muy importante en la protección de las plantas al estrés biótico y abiótico y en el control de la morfología y reproducción de las plantas.

Por otro lado, también podemos mencionar que su función también puede estar relacionada para combatir patógenos, ya que esta proteína se expresa aún más cuando las plantas son atacadas por bacterias y son capaces de inhibir el crecimiento microbiano. Por todas estas funciones, tiene sentido que la LTP se encuentre en mayor proporción en la superficie de las frutas que en la propia pulpa, ya que su función general es asegurar la protección y supervivencia de la planta.

Un artículo publicado en la revista Planta en 2016.arrojó luz sobre las LTPs. En dicho artículo, se analizaron numerosas mutaciones y observaron los efectos que estas podían tener en las funciones vitales de la planta. De este modo, demostraron que las LTP pueden tener muchas más funciones de las que se pensaba con anterioridad.

Además, desempeñan un papel de gran importancia en la señalización celular y en la acumulación de cera cuticular en las hojas. Se cree que actúan como transportador de los lípidos cuticulares a través de la pared celular (siendo la otra hipótesis que actúan como componente regulador). También juegan un papel esencial en la secreción de líquidos. Es especialmente interesante la metodología que utilizaron en el estudio; en el cual provocaron que un tipo de LTP que encontramos en el tabaco se sobreexpresara (laNtLTP1.2) y como consecuencia, las tricomas (Fig. 2), (finos apéndices que tienen las plantas en su superficie) comenzaron a secretar mucho más líquido en comparación con la LTP sin mutar, proporcionando también más protección frente a las infestaciones de pulgones.

La imagen tiene un atributo ALT vacío; su nombre de archivo es Cosa-rara-planta.png

Fig. (5): Tricoma de la planta del Tabaco . Imagen sacada de este artículo Huchelmann, A., Boutry, M. and Hachez, C. (2017). Plant Glandular Trichomes: Natural Cell Factories of High Biotechnological Interest. Plant Physiology, [online] 175(1), pp.6–22. Available at: http://www.plantphysiol.org/content/175/1/6.

Continuando con las funciones que la LTP desarrolla en la planta, estas proteínas intervienen en el desarrollo del polen y en las semillas y su germinación. Esto último se comprobó de nuevo mediante mutaciones en la molécula: una alteración en la AtLTP1.8 (LTP5) hace que el polen solo llegue hasta la mitad del ovario y que haya un elevado número de óvulos sin fecundar. Otra comprobación fue silenciar mediante ARNi (ARN de interferencia) la expresión de la OsLTPg25 (OsC6) en el arroz. Se observó que las anteras (partes de la planta que contienen el polen) tenían un desarrollo normal hasta prácticamente su finalización; momento en el que el tapete (capa de células que rodea a la antera) se degenera y las micrósporas adquieren formas irregulares encogiéndose y liberándose aún sin haber finalizado el desarrollo.

Además, cabe mencionar que juegan un papel importante en la expansión de la pared celular, permitiendo ablandarla. Intervienen en la formación de nódulos en las raíces (la AsLTP1.1 ) de Astragalus sinicus (Vicia de Leche China) , además de relacionarse con el transporte de lípidos sintetizados por plantas a la membrana simbiótica del Mesorhizobium huakuii, bacteria con la cual establece una relación simbiótica. La silenciación de esta AsLTP1.1 mediante el ARNi provoca una disminución notable de los nódulos que se han formado en las raíces, además de contener un menor número de células en simbiosis. Su sobreexpresión, como cabría esperar, hace que se produzca el efecto contrario, muy visible en las fotos adjuntas (Fig 3)

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Fig. (6): En ella se puede observar el aumento de los nódulos presentes en las raíces de las fotos B y D, correspondientes con la planta con el gen sobreexpresado. Imagen sacada del siguiente artículo: (Lei, L., Chen, L., Shi, X., Li, Y., Wang, J., Chen, D., Xie, F. and Li, Y. (2014). A Nodule-Specific Lipid Transfer Protein AsE246 Participates in Transport of Plant-Synthesized Lipids to Symbiosome Membrane and Is Essential for Nodule Organogenesis in Chinese Milk Vetch1[C][W][OPEN]. Plant Physiology, [online] 164(2), pp.1045–1058. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3912078/.

Por último, podemos resaltar que las LTP influyen en la síntesis y acumulación de suberina en las raíces. Se cree que transportan los precursores de la suberina a lugares de polimerización de la pared celular. Desempeñan un importante papel en la defensa frente a organismos como patógenos fúngicos que afectan a las plantas y también frente a condiciones medioambientales como sequía, calor o exceso de sal. La expresión de la AtLTP1.12 en Arabidopsis thaliana  y la OsLTPd11 en arroz está fuertemente inducida por la sequía y varias LTPs del trigo también se expresan mucho a temperaturas bajas sin congelar. 

¿POR QUÉ CAUSA ALERGIAS?

Como hemos citado anteriormente, uno de los efectos más mencionados de la LTP es el desarrollo de alergias e hipersensibilidad en humanos. Como modelo, hablaremos de la LTP que se encuentra en la piel del melocotón; también conocida como Pru p 3 y que es una de las LTPs más estudiadas y además, uno de los alérgenos más comunes en nuestro país. Pues bien, en un gran número de personas ocurre que, al ingerir esta fruta, pasados unos minutos desarrollan una fuerte reacción alérgica. ¿Por qué razón ocurre esto?

 Este fenómeno se debe a que la LTP es una proteína que, gracias a los puentes disulfuro que contiene en su estructura, resulta una molécula muy resistente, siendo así capaz de que la pepsina y demás peptidasas presentes en el aparato digestivo no puedan degradarla y de este modo, atravesar el epitelio intestinal sin sufrir modificaciones. Su resistencia es tal, que incluso en alimentos procesados en fábricas como mermeladas, pueden contener grandes cantidades de esta proteína.

Al no verse alterada la estructura de la proteína, los epítopos se mantienen, de manera que es capaz de interaccionar con la IgE, lo que provoca que se liberen grandes cantidades de histamina, desencadenando una respuesta exagerada del sistema inmunitario que da lugar a una reacción alérgica, que puede ser más o menos severa dependiendo de la persona, aunque los síntomas  más comunes son urticaria, dificultad para respirar, vómitos, picor orofraíngeo tras la ingesta e incluso, en los casos más desfavorables, un shock anafiláctico. Esta liberación de histamina también puede desencadenarse de manera cutánea al tocar la piel de una fruta con LTP en su superficie, así como a través de las vías respiratorias, aunque es menos frecuente.

Fig. (7): Superficie de la LTP del melocotón. En ella se observan las distintas regiones de epítopos que son capaces de interaccionar con la IgE. Imagen sacada de este artículo: Egger, M., Hauser, M., Mari, A., Ferreira, F. and Gadermaier, G. (2010). The Role of Lipid Transfer Proteins in Allergic Diseases. Current Allergy and Asthma Reports, 10(5), pp.326–335.

Como curiosidad, destacamos además que, se ha demostrado que existe una prevalencia de hipersensibilidad a LTP en función de la latitud: considerablemente más alta en regiones mediterráneas que en regiones del norte. Estudios recientes afirman que la cosensibilidad al polen de abedul es capaz de atenuar los efectos y la hipersensibilidad de la LTP en humanos; actuando así como un cofactor positivo. Como en países mediterráneos como España o Italia hay un menor número de abedules que en el resto de países, esto explica que en los primeros haya una mayor prevalencia de hipersensibilidad al LTP.

Fig. (8): Imagen representativa de la disminución de la latitud y el consecuente aumento de la frecuencia de la hipersensibilidad de ATP.

APLICACIONES BIOMÉDICAS

En relación a las diferentes aplicaciones biomédicas que posee esta familia de proteínas encontramos dos bien denifidas:

En primer lugar, las LTP se utilizan a la hora de verificar la eficacia de tests de tipo in vitro e in vivo; con el fin de estudiar la reactividad cruzada entre las LTP y un gran número de alimentos de origen vegetal que no están relacionados entre sí botánicamente. In vitro se refiere a la técnica empleada para realizar un determinado experimento en un tubo de ensayo, y proporcionan resultados exactos. In vivo, en cambio, se refiere a la experimentación realizada en el tejido vivo de un organismo. Esta última suele ser más apropiada para observar los efectos finales de un experimento en el sujeto.

En segundo lugar, el estudio e investigación de las LTP es imprescindible a la hora conocer los cofactores tanto positivos como negativos que están involucrados en la expresión clínica de la hipersensibilidad a las frutas y vegetales que contienen esta proteína, cuyo funcionamiento hemos mencionado anteriormente.

Entre los cofactores negativos que pueden inducir al desarrollo de una hipersensibilidad a la LTP, podemos mencionar la ingesta del alimento después del ayuno, ya que el alérgeno se absorbe más rápidamente cuando el tubo digestivo está vacío. Además, estudios afirman que existe una fuerte relación entre la hipersensibilidad a la LTP y las reacciones adversas a los antiinflamatorios no esteroideos (AINE); los cuales son capaces de estimular la activación de los basófilos a través de la IgE. Esto puede provocar reacciones severas en aquellas personas que están poco sensibilizados a algunos alimentos que contienen LTP.

En relación a los cofactores positivos, encontramos un claro ejemplo en la co-sensibilización al polen de abedul mencionado anteriormente, o a la profilina, que protegen contralas reacciones alérgicas graves inducidas por alimentos vegetales que contienen LTP.

MATERIAL SUPLEMENTARIO

Huchelmann, A., Boutry, M. and Hachez, C. (2017). Plant Glandular Trichomes: Natural Cell Factories of High Biotechnological Interest. Plant Physiology, [online] 175(1), pp.6–22. Available at: http://www.plantphysiol.org/content/175/1/6.

(Lei, L., Chen, L., Shi, X., Li, Y., Wang, J., Chen, D., Xie, F. and Li, Y. (2014). A Nodule-Specific Lipid Transfer Protein AsE246 Participates in Transport of Plant-Synthesized Lipids to Symbiosome Membrane and Is Essential for Nodule Organogenesis in Chinese Milk Vetch1[C][W][OPEN]. Plant Physiology, [online] 164(2), pp.1045–1058. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3912078/.

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