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Una de las principales fuentes de Ca2+ para señalización proviene de los depósitos intracelulares y en especial del ER, cuya homeostasis resulta crítica, ya que niveles bajos de Ca2+ en este depósito pueden desencadenar fenómenos de estrés celular o apoptosis. En las décadas de los 80-90s diversos grupos de investigación propusieron que ante una depleción de Ca2+ en el ER, por ejemplo inducida por estímulos de IP3 o Ca2+ a través de receptores de IP3R y RyR respectivamente, las ATPasas de Ca2+ del retículo sarco/endoplásmico (SERCA), participarían en la acumulación de Ca2+ en colaboración con un conjunto de canales regulados por el nivel de llenado de dicho depósito, en un mecanismo denominado entrada capacitativa de Ca2+ o SOCE.

Posteriormente, se detectó una corriente principalmente de Ca2+, e independiente de voltaje, receptores y cambios en la [Ca2+]C, denominada ICRAC (Calcium Release

Activated Current) evidencia de dicho mecanismo (Putney, 1986; 1990; Hoth & Penner,

1992). Los canales de Ca2+ operados por depósitos intracelulares (Stored Operated

Calcium Channels; SOCC) se activan, por tanto, en respuesta a una disminución de la

[Ca2+] de los depósitos intracelulares, y suponen la principal vía de entrada de Ca2+ desde el medio extracelular en células no excitables, y una vía importante en células excitables.

Si bien este modelo SOCE fue ampliamente aceptado, ha existido un debate sobre la identidad de los componentes implicados y su funcionamiento. Diversos estudios genómicos identificaron el papel de las proteínas STIM (STromal Interaction Molecule) y Orai en la entrada operada por depósitos (Ross et al., 2005; Feske et al., 2006). STIM es una proteína transmembrana compuesta de un dominio C-terminal dispuesto en el citosol y el N-terminal en el lumen de los depósitos, fundamentalmente el ER. En el dominio C-terminal se distingue una región CAD (CRAC Activation Domain) y en el dominio N-terminal un dominio EF-SAM (EF-Hand – Sterile Alfa Motif). La región SAM presenta residuos hidrofóbicos responsables de la oligomerización de STIM. En humanos existen dos tipos de STIM (STIM1-2) y tres tipos de proteína Orai presenta (Orai1-3) siendo STIM1 y Orai1 las más activas. Orai se encuentra localizada en la membrana plasmática y estructuralmente se compone de cuatro hélices transmembrana situándose los extremos C-terminal y N-terminal en el lado citosólico con regiones altamente conservadas en la interacción con STIM. Es responsable de la formación del poro del canal con alta selectividad por Ca2+ frente a Na+. Actualmente se ha asume que dicho canal es un hexámero de unidades Orai (Hou et al., 2012). Previamente al descubrimiento de Orai, se propusieron los canales VOCC y TRP como responsables de la entrada capacitativa. La participación de los canales TRP en la entrada capacitativa sigue siendo objeto de debate en la actualidad (Cheng et al., 2013).

Históricamente se han propuestos diversos mecanismos del proceso de entrada capacitativa, como la existencia de un mensajero difusible, fusión y exocitosis de vesículas que contuvieran los SOCC e incluso un acoplamiento directo entre canales similar al visto en la excitación-contracción del músculo esquelético (Berridge, 2012).

En la actualidad, el modelo más aceptado implica a las proteínas STIM1 y Orai1 (Fig.

4). En situación de reposo los niveles de concentración de Ca2+ en el ER ([Ca2+]ER) se sitúan entre 400-700µM y el Ca2+ del lumen reticular se encontraría unido a la región

EF-Hand formando un complejo estable (EF-SAM) con el dominio SAM de STIM1. En

este momento tanto STIM1 como Orai1 estarían distribuidos libremente en la membrana del ER y plasmática respectivamente. La depleción de Ca2+ del ER desencadenaría el cambio conformacional de EF-Hand y la desestabilización del complejo EF-SAM que conduciría a la autoasociación de STIM1. Seguidamente, los oligómeros de STIM1 translocarían a las uniones entre el ER y la membrana plasmática, zonas más probables de interacción con Orai1 que, a su vez, oligomerizaría y formaría el canal por acción de los agregados de STIM1 (Xu et al., 2006; Luik et al., 2008; Shim et al., 2015). STIM1 se une a Orai1 en dos posibles regiones a través del CAD con apertura del poro e inicio de la corriente ICRAC, generándose un microdominio de alto Ca2+ rápidamente captado por las SERCA del ER.

Fig. 4. El papel de STIM y Orai en el mecanismo SOCE. Los dímeros de STIM interaccionan con Ca2+ _(bolas

amarillas) a través del dominio EF-Hand de baja afinidad del extremo N-terminal cuando el SR/ER está lleno o con una concentración de Ca2+ en el ER ([Ca2+]ER) alrededor de 1mM. La depleción del SR/ER mediada, por ejemplo, a

través de IP3R desencadena la oligomerización y translocación de los dímeros de STIM a las uniones con la

membrana plasmática. La acumulación de los oligómeros de STIM en la proximidad de Orai induce la formación y apertura del canal, y la entrada capacitativa de Ca2+. Las cascadas de señalización a través de fosfolipasas C (PLC) como receptores acoplados a proteínas G (GPCR) o de tirosina-quinasa (TKR), son ejemplos de señalización de Ca2+ a través de IP3. Imagen modificada de Kuhr et al., 2012.

Cytosol

Extracellular medium

SR/ER lumen

PM

Recientes estudios afirman que STIM en condiciones de reposo celular forma dímeros que interaccionan unimolecularmente con cada unidad Orai del canal (Zhou et al., 2015).

Todo este mecanismo de entrada capacitativa se encuentra altamente regulado por cambios en el potencial de membrana, Ca2+, variaciones en el pH y procesos de fosforilación en regiones clave de STIM y Orai. Existe un conjunto de proteínas de anclaje, de unión a Ca2+ y chaperonas que pueden interaccionar y regular la actividad de STIM1 y Orai1, como septina, CRAC2A (CRAC regulatory protein 2A), junctato y CaM (Shim et al., 2015; Hogan & Rao, 2015). Los otros tipos de STIM y Orai, dadas sus propiedades de sensibilidad y cinética, pueden intervenir en procesos de rellenado de depósitos como las oscilaciones de Ca2+. El mecanismo SOCE, aparte de su función primordial de rellenado de depósitos, desencadena otros procesos fisiológicos en las células como la proliferación celular. En neuronas, el SOCE puede intervenir en la plasticidad de la señal sináptica y el crecimiento dirigido del axón (Pinto et al., 2015; Majewski & Kuznicki, 2015).