miniatura|Representació d'un grànul d'estrès format per proteïnes (rodones) i molècules d'ARNm (línies vermelles), lliures o concentrades als nuclis, a dins del còrtex. Els grànuls d'estrès són compartiments especialitzats sense membrana formats per unions febles entre proteïnes i ARN missatger (ARNm) amb la funció d’ajudar la cèl·lula a combatre l'estrès cel·lular mitjançant l'estalvi d'energia amb la reducció de la traducció i altres mecanismes.
Composició Els grànuls d’estrès són considerats grànuls RNP per estar compostos de proteïnes i molècules d'ARN, al igual que els P-bodies (processing bodies), cossos de Cajal o el nuclèol.
En aquest cas, contenen molècules d’ARNm; subunitats ribosomals 40S; proteïnes d’unió a l’ARN (RBP), com factors d’iniciació de la traducció, i altres tipus de proteïnes, com enzims o proteïnes participants en vies de senyalització.
Els tipus de proteïnes trobats dins d’un grànul d’estrès varien respecte d'un altre grànul segons la cèl·lula on es formi i el tipus i duració de l’estrès o situació que inici la formació dels grànuls. Havent-hi més de 450 tipus de proteïnes, aquestes s’han classificat dins de la següent pàgina web .
A més, aquesta composició específica dels grànuls d’estrès pot ser alterada amb l’ús de modificacions posttraduccionals sobre les proteïnes i modificacions químiques sobre les molècules d’ARN, afavorint l’agregació o separació d’aquests components.
L’agregació dels diferents components dels grànuls d’estrès forma una separació de fase líquid-líquid. Aquesta separació és una concentració dels diferents compostos del grànul units per unions febles separada del citosol amb la capacitat d’intercanviar material amb el medi i el poder de formar-se i dissoldre’s fàcilment.
Les unions febles dels grànuls d’estrès estan fetes per unions entre proteïnes, unions entre molècules d’ARN i unions entre proteïnes i ARN. Si bé els dominis estables de les proteïnes i les unions entre molècules d’ARN ajuden a estructurar el grànul, són els dominis intrínsecament desordenats els que més ajuden a la formació d'aquests.
Aquests dominis intrínsecament desordenats poden unir-se a dominis estables, molècules d’ARN, altres dominis intrínsecament desordenats o fer unions de tipus amiloide amb altres dominis intrínsecament desordenats, però sent més estables que les anteriors.
Els grànuls estan subdividits en regions de major o menor electrodensitat que els confereixen diferents propietats segons la força dels enllaços que els formen.
La regió que predomina en el grànul és el còrtex, una estructura de baixa electrodensitat i concentració de components. Les molècules que el formen tenen unions febles que afavoreixen una velocitat més elevada d’intercanvi amb molècules del citosol sense arribar a perdre l’estructura del grànul d’estrès.
D’altra banda, a l’interior del còrtex hi ha regions més electrodenses i de composició més concentrada anomenades nuclis. Els enllaços entre els components del nucli són més forts que els del còrtex, restringint l’intercanvi de les seves molècules amb l’entorn.
Formació La formació dels grànuls d’estrès és un procés dinàmic i reversible que s’activa en resposta a diverses condicions d’estrès cel·lular, com són l'estrès oxidatiu, xoc tèrmic, estrès de reticle endoplasmàtic, inhibició del proteasoma, estrès hiperosmòtic causat per NaCl, radiacions ultraviolades, òxid nítric, o inhibició de eIF4A entre d’altres. S’ha observat que el contingut dels grànuls d’estrès pot variar en funció de l’estímul a l’origen.
La formació dels grànuls d’estrès és un procés complex que implica interaccions coordinades entre ARNm i RBPs. En condicions d’estrès, la major part dels ARNm és sotmesa a una repressió translacional i és reclutada cap a aquests grànuls per al seu emmagatzematge, fet que permet a la cèl·lula prioritzar la traducció d’ARNm associats a la resposta a l’estrès.
En una etapa inicial, els ARNm s’associen amb RBPs per formar complexos ribonucleoproteics. Entre aquestes proteïnes destaquen G3BP1, G3BP2, TIA-1 i Ataxin-2, les quals contenen dominis de tipus prió que faciliten processos d’autoassemblatge mitjançant oligomerització. Aquestes proteïnes actuen com a punts de nucleació i interactuen amb ARNm específics, promovent-ne el reclutament i contribuint a la separació de fases. Els ARNm tenen un paper actiu en aquest procés, actuant com a bastides moleculars que proporcionen llocs d’unió per a interaccions proteïna-proteïna. Aquesta funció facilita l’assemblatge de les RBPs en complexos d’ordre superior i redueix el llindar necessari per a la separació de fases líquid-líquid. Així, la presència d’ARNm potencia la separació de fases de les RBPs i regula la dinàmica d'assemblatge i desassemblatge dels grànuls.
Funcions Els grànuls d'estrès tenen com a funció principal revertir l'estat d'estrès de la cèl·lula amb diferents mecanismes que depenen de les proteïnes que aglutinin a dins. D’aquesta manera, la manifestació de les seves funcions mitjançant l’agregació de proteïnes és per dos mètodes: l’agregació de proteïnes que s’activen mútuament o el segrestament de proteïnes implicades en diferents processos.
La funció principal dels grànuls d’estrès és la reducció global de la traducció a la cèl·lula per a estalviar energia destinada a solucionar la situació d’estrès. Aquesta funció s’assoleix amb el segrestament de transcrits d’ARN, factors d’iniciació de la traducció, subunitats ribosomals i RBPs, que, un cop resolt l’estat d’estrès, els components seran alliberats per la seva utilització immediata.
Paral·lelament a aquest mecanisme, el segrestament d’ARNm de proteïnes de manteniment impedeix la seva traducció amb els pocs materials no segrestats pel grànul, contribuint a la reducció de la traducció cel·lular.
A més de poder regular la traducció global a la cèl·lula, els grànuls d’estrès tenen la capacitat de regular la traducció de transcrits específics, o bé amb P-bodies, o bé segrestant RBPs encarregades de l’estabilització dels seus transcrits.
La formació dels grànuls d’estrès també redueix l'apoptosi de la cèl·lula d’estrès en aglutinar a dins seu proteïnes implicades en la senyalització de l’apoptosi, reduint la capacitat de poder iniciar-se a la cèl·lula.
Finalment, la formació dels grànuls ofereix una protecció antiviral contra la proliferació dels virus dins de la cèl·lula. Sent la invasió de virus un mecanisme activador dels grànuls d’estrès, l’activació de proteïnes iniciadores de la resposta antiviral de la cèl·lula per la seva aglomeració al grànul i la reducció de la traducció global a la cèl·lula impedeixen la reproducció del virus dins la cèl·lula.
Relació entre els grànuls d’estrès i els P-bodies Els grànuls d’estrès i els P-bodies són agregats citoplasmàtics dinàmics implicats en la regulació posttranscripcional de l’ARNm. Ambdues estructures formen part d’un procés dinàmic conegut com el “mRNA cycle”, en el qual els complexos ribonucleoproteics missatgers (RNPm) (en el que es converteixen els ARNm que no es traduiran aviat) poden transitar entre P-bodies i grànuls d’estrès en funció de l’estat cel·lular i les condicions ambientals.Decker CJ, Parker R. «P-bodies and stress granules: possible roles in the control of translation and mRNA degradation »(en anglès). Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 4, 9, 2012, a012286. DOI: 10.1101/cshperspect.a012286. PMID: 22763747. PMCID: 3428773.
Els grànuls d’estrès es formen de manera transitòria sota condicions puntuals d’estrès com hipòxia, xoc tèrmic o estrès oxidatiu, i actuen aturant la iniciació de la traducció per protegir els ARNm i preservar la viabilitat cel·lular. En canvi, els P-bodies són estructures més estables que contenen enzims de degradació de l’ARNm i factors de silenciament gènic, i participen principalment en la repressió i degradació de transcrits.Buchan JR, Parker R. «Eukaryotic stress granules: the ins and outs of translation» (en anglès). Molecular Cell, 36, 6, 2009, p. 932–941. DOI: 10.1016/j.molcel.2009.11.020. PMID: 20064460. PMCID: 2813218.
A més, la formació de grànuls d’estrès està relacionada amb la resposta cel·lular a l’estrès, que pot conduir a supervivència (estrès de tipus 1) o a apoptosi (estrès de tipus 2). En condicions d’estrès de tipus 2, que inclouen radiació X i agents genotòxics, s’indueix l’apoptosi mitjançant l’activació de les vies de les MAP quinases activades per estrès (SAPK), especialment les vies p38 MAPK i JNK. En canvi, en condicions d’estrès de tipus 1, els grànuls d’estrès poden segrestar proteïnes com RACK1, impedint la seva participació en aquestes vies de senyalització i reduint així l’activació de senyals proapoptòtics, fet que afavoreix la supervivència cel·lular.Arimoto K, Fukuda H, Imajoh-Ohmi S, Saito H, Takekawa M.
«Formation of stress granules inhibits apoptosis by suppressing stress-responsive MAPK pathways»(en anglès). Nature Cell Biology, 10, 11, 2008, p. 1324–1332. DOI: 10.1038/ncb1791. PMID: 18836437.Paul A, Wilson S, Belham CM, Robinson CJ, Scott PH, Gould GW, Plevin R. «Stress-activated protein kinases: activation, regulation and function» (en anglès). Cell Signalling, 9, 6, 1997, p. 403–410. DOI: 10.1016/S0898-6568(97)00042-9. PMID: 9376221.
Tot i aquestes diferències, ambdues estructures estan funcionalment connectades i poden intercanviar ARNm i proteïnes. Els ARNm poden ser inicialment reclutats als grànuls d’estrès i posteriorment transferits als P-bodies per a la seva degradació o processament, fet que suggereix una coordinació en el destí dels transcrits.
En conjunt, els grànuls d’estrès i els P-bodies formen una xarxa coordinada de regulació de l’ARNm que permet a la cèl·lula ajustar ràpidament la traducció, l’emmagatzematge o la degradació dels transcrits en resposta a l’estrès.
Fisopatologia La funció dels grànuls d'estrès més enllà de la seva funció fisiològica, que principalment és protectora, poden contribuir a processos patològics quan la seva regulació es veu alterada. La desregulació de la seva dinàmica, composició o eliminació s'ha associat amb diverses malalties.
Paper en càncer Els grànuls d'estrès tenen un paper dual en el càncer. D'una banda contribueixen a la supervivència de les cèl·lules tumorals en condicions d'estrès mitjançant la reprogramació de la traducció selectiva d'ARN.
D'altra banda, la seva presència s'ha associat amb la progressió tumoral, la metàstasi i la resistència als tractaments, per diversos mecanismes.
A més, la sequestració de proteïnes proapoptòtiques com RACK1 dins dels grànuls d'estrès pot inhibir l'activació de vies apoptòtiques (per exemple, MTK1-SAPK), afavorint la resistència a la quimioteràpia.
Diversos estudis han mostrat que la inhibició de la formació o funció dels grànuls d'estrès pot augmentar la sensibilitat de les cèl·lules tumorals a la quimioteràpia, suggerint que aquests grànuls representen una possible diana terapèutica oncològica.
Paper en malalties cardiovasculars En el sistema cardiovascular, els grànuls d'estrès participen en la resposta a l'estrès metabòlic i oxidatiu en diferents tipus cel·lulars vasculars. La seva formació pot contribuir a la inflamació i a la inestabilitta de les plaques ateroscleròtiques.
En condicions d'hipoglucèmia, l'activació de PKM2 pot induir l'expressió de G3BP1 i la formació de grànuls d'estrès en monòcits i macròfags, contribuint a la desestabilització de les plaques. Així mateix, l'estrès oxidatiu i l'exposició a lipoproteïnes modificades, com LDL oxidat, promouen la formació de grànuls d'estrès que contenen G3BP1 i PABP, alterant la funció de les cèl·lules del múscul llis vascular i afavorint la progressió de la malaltia cardiovascular.
Paper en infeccions víriques