miniatura|Estructura de cintes del complex de l'exosoma humà. El complex de l'exosoma, també anomenat complex PM/Scl, complex exosòmic o simplement exosoma, és un complex multiproteic capaç de degradar diversos tipus de molècules d'ARN (àcid ribonucleic). Els exosomes es donen tant en els eucariotes com en els arqueus, mentre que en els bacteris és un complex més simple, el degradosoma, el que compleix funcions similars.
El nucli del complex té una estructura anular de sis membres a la qual s'acoblen altres proteïnes. En les cèl·lules eucariotes està present al citoplasma, el nucli cel·lular i especialment el nuclèol, tot i que diferents proteïnes interaccionen en aquests compartiments, regulant l'activitat degradadora de l'ARN del complex en substrats específics a aquests compartiments cel·lulars. Els substrats de l'exosoma inclouen l'ARN missatger, l'ARN ribosòmic i moltes espècies d'ARN petit. L'exosoma té una funció exoribonucleolítica, cosa que significa que comença a degradar l'ARN a partir d'un extrem (l'anomenat extrem 3′, en aquest cas) en lloc de fragmentar l'ARN en punts específics de la molècula.
Encara que no es coneix cap relació causal entre el complex de l'exosoma i qualsevol malaltia, algunes de les seves proteïnes són la diana d'autoanticossos en els pacients amb malalties autoimmunitàries específiques (especialment la síndrome de solapament PM/Scl), i algunes quimioteràpies antimetabolítiques actuen bloquejant l'activitat del complex.
Descobriment L'exosoma fou descobert com una ribonucleasa el 1997 en el llevat gemmant Saccharomyces cerevisiae, un organisme model utilitzat sovint. Poc després, el 1999, es va comprovar que de fet l'exosoma era l'equivalent d'un complex ja descrit en cèl·lules humanes, conegut com a complex PM/Scl, que havia estat identificat com un autoantigen en pacients amb certes malalties autoimmunitàries anys abans (vegeu més avall). La purificació d'aquest complex PM/Sc1 va permetre la identificació de més proteïnes de l'exosoma i finalment la caracterització de tots els seus components. El 2001, la creixent quantitat de dades procedents dels diferents projectes sobre el genoma que havien esdevingut disponibles va permetre la predicció de proteïnes de l'exosoma en els arqueus, tot i que haurien de transcórrer dos anys abans que es purifiqués per primer cop l'exosoma d'un d'aquests organismes.
Estructura Proteïnes centrals miniatura|Vista des de dalt (imatge superior) i des del lateral (imatge inferior) de l'estructura cristal·lina del complex de l'exosoma humà.
El nucli del complex té una estructura anular composta per sis proteïnes, totes elles pertanyents al mateix tipus de ribonucleasa, les proteïnes similars a les ARNases PH. En els arqueus hi ha dues proteïnes diferents d'aquest tipus (anomenades Rrp41 i Rrp42), cadascuna present tres vegades en ordre altern. Els complexos de l'exosoma eucariota tenen sis proteïnes diferents que formen l'estructura anular. D'aquestes sis proteïnes eucariotes, tres són semblants a la proteïna Rrp41 i les altres tres són més similars a Rrp42.
Situades a la part superior de l'anell es troben tres proteïnes que tenen un domini d'unió a ARN de tipus S1 (RBD). Dues proteïnes també tenen un domini d'homologia K (domini KH). En els eucariotes s'uneixen tres proteïnes S1 diferents a l'anell, mentre que en els arqueus poden formar part de l'exosoma un o dos tipus d'aquestes proteïnes (encara que sempre hi ha tres subunitats S1 unides al complex). miniatura|esquerra|Subunitats i organització d'un complex de l'exosoma d'un arqueu (esquerra) i d'un eucariota (dreta). Es numeren les diferents proteïnes, mostrant que l'exosoma d'un arqueu conté quatre proteïnes diferents, mentre que en els eucariotes n'hi ha nou.
Aquesta estructura anular és molt similar a la de les proteïnes ARNasa PH i polinucleòtid fosforilasa (PNPasa). En els bacteris, l'ARNasa PH, implicada en el processament de l'ARNt, forma un anell hexamèric consistent en sis ARNases PH idèntiques. En el cas de la PNPasa, que és una proteïna fosforolítica degradadora de l'ARN que es troba tant en els bacteris com en els cloroplasts i mitocondris d'alguns organismes eucariotes, dos dominis ARNasa PH, un domini d'unió a l'ARN S1 i un altre de KH formen part d'una única proteïna, que forma un complex trimèric que adopta una estructura gairebé idèntica a la de l'exosoma. A causa de la gran semblança tant en els dos dominis de la proteïna com en la seva estructura, es pensa que aquests complexos estan relacionats evolutivament i tenen un avantpassat comú. En els bacteris existeix una ARNasa PH diferent implicada en el processament de l'ARN de transferència, que s'ha vist que adopta una estructura anular similar de sis membres, però en aquest cas es compon de sis subunitats idèntiques. Les proteïnes de l'exosoma similars a l'ARNasa PH, les PNPases i les ARNases PH pertanyen totes a la família d'ARNases de l'ARNasa PH i són exoribonucleases fosforolítiques, és a dir, utilitzen fosfat inorgànic per eliminar nucleòtids de l'extrem 3' de les molècules d'ARN.
Proteïnes associades A més de les nou proteïnes de l'exosoma essencials, dues altres proteïnes sovint s'associen al complex de l'exosoma en els organismes eucariotes. Una d'elles és l'Rrp44, una ARNasa hidrolítica que pertany a la família de l'ARNasa R d'exoribonucleases hidrolítiques (nucleaes que utilitzen aigua per trencar els enllaços entre nucleòtids). A més de ser un enzim exoribonucleolític, l'Rrp44 també té una activitat endoribonucleolítica, que resideix en un domini diferent de la proteïna. En els llevats, l'Rrp44 està associada a tots els complexos de l'exosoma i té un paper crucial en l'activitat del complex exosòmic d'aquests organismes. Cal destacar que, encara que existeix una proteïna homòloga humana, fins ara no s'ha trobat cap prova ni tan sols del fet que estigui associada al complex de l'exosoma humà. miniatura|Diagrama de cintes de l'estructura parcial de la subunitat Rrp6 de l'exosoma dels llevats amb les α-hèlixs en vermell i les làmines β en groc.
La segona proteïna associada comuna s'anomena Rrp6 (en els llevats) o PM/Scl-100 (en els humans). Com l'Rrp44, aquesta proteïna també és una exoribonucleasa hidrolítica, però en aquest cas pertany a la família de proteïnes de l'ARNasa D. La proteïna PM/Scl-100 forma part habitualment dels complexos de l'exosoma del nucli de les cèl·lules, però també pot formar part del complex de l'exosoma citoplasmàtic.
Proteïnes reguladores A més d'aquestes dues subunitats estretament unides, moltes proteïnes interaccionen amb el complex exosòmic tant al citoplasma com nucli de les cèl·lules. Aquestes proteïnes d'unió laxa poden regular l'activitat i l'especificitat del complex de l'exosoma. Al citoplasma, l'exosoma interacciona amb proteïnes que s'uneixen a elements rics en AU (ARE, per exemple la KRSP i la TTP), que poden promoure o impedir la degradació dels ARNm. L'exosoma nuclear s'associa amb les proteïnes d'unió a ARN (ex. l'MPP6 en els humans i l'Rrp47/C1D en els humans i els llevats) que són necessàries per processar determinats substrats.
A més de proteïnes individuals, també interaccionen amb l'exosoma altres complexos proteics. Un d'ells és el complex citoplasmàtic Ski, que inclou una ARN helicasa (Ski2) i està implicat en la degradació de l'ARNm. Al nucli, el processament de l'ARNr i el ARNnop per part de l'exosoma és mitjançat pel complex TRAMP, que té activitat tant d'ARN helicasa (Mtr4) com de poliadenilació (Trf4).
Funció Funció enzimàtica miniatura|Diagrames de reacció de la degradació hidrolítica (esquerra) i fosforolítica (dreta) de l'extrem 3' de l'ARN. Com s'ha dit anteriorment, el complex exosòmic conté moltes proteïnes amb dominis de ribonucleasa. La seva naturalesa exacta ha canviat al llarg de l'evolució dels complexos bacterians als dels arqueus i els eucariotes, amb el guany i la pèrdua de diferents activitats. L'exosoma és principalment una 3'-5' exoribonucleasa, és a dir, degrada les molècules de l'ARN a partir del seu extrem 3'. Les exoribonucleases dels complexos exosòmics són o bé fosforolítiques (les proteïnes semblants a l'ARNasa PH), o bé, en els eucariotes, hidrolítiques (les proteïnes dels dominis de l'ARNasa D i l'ARNasa R). Els enzims fosforolítics utilitzen fosfat inorgànic per trencar els enllaços fosfodièster, alliberant nucleòtids monofosfats. Els enzims hidrolítics utilitzen aigua per hidrolitzar aquests enllaços, alliberant també nucleòtids monofosfats.
En els arqueus, la subunitat Rrp41 del complex és una exoribonucleasa fosforolítica. L'anell d'aquest enzim presenta tres còpies d'aquesta proteïna, que són les responsables de l'activitat del complex. En els eucariotes, cap de les subunitats d'ARNasa PH no ha mantingut aquesta activitat catalítica, cosa que significa que l'estructura anular central de l'exosoma humà no té cap proteïna amb activitat enzimàtica. Malgrat aquesta pèrdua de l'activitat catalítica, l'estructura de l'exosoma central està molt conservada dels arqueus als humans, suggerint que el complex té una funció cel·lular vital. En els eucariotes l'absència d'activitat fosforolítica és compensada per la presència dels enzims hidrolítics, que són els encarregats de l'activitat de ribonucleasa de l'exosoma en aquests organismes. Per exemple, en els llevats es compensa mitjançant un dels enzims hidrolítics associats, l'Rrp44, que és el responsable de la major part de l'activitat ribonucleasa de l'exososoma; tanmateix, aquesta subunitat hidrolítica en particular podria ser pròpia dels llevats, ja que no s'ha trobat cap proteïna homòloga a l'Rrp44 a l'exosoma humà (ni en els arqueus).
Es pot associar encara un altre enzim hidrolític en els humans i els llevats amb el complex, l'Rrp6, que contribueix a l'activitat de l'exosoma dels llevats i és l'únic responsable de l'activitat del complex humà. Encara que inicialment es va pensar que les proteïnes amb domini S1 també tenien activitat hidrolítica 3' → 5', treballs posteriors ho han posat en dubte, proposant que aquestes proteïnes podrien tenir un paper únicament en la unió de substrats abans de la seva degradació per part del complex.
miniatura|esquerra|Vista esquemàtica dels exosomes dels arqueus (esquerra), dels llevats (centre) i dels humans (dreta) amb les proteïnes associades més comunes. S'assenyala en color i amb una estrella les subunitats de cada complex que tenen activitat catalítica.
Substrats L'exosoma està implicat en la degradació i el processament d'una gran varietat d'espècies d'ARN. Al citoplasma, cel·lular està implicat en la substitució de les molècules d'ARN missatger. (ARNm) El complex pot degradar molècules d'ARNm que han estat marcades per la seva degradació perquè contenen errors, mitjançant interaccions amb proteïnes de les rutes de la nonsense mediated decay o de la non-stop decay. Alternativament, els ARNm es degraden com a part del seu cicle normal. Hi ha diverses proteïnes que estabilitzen o desestabilitzen les molècules d'ARNm unint-se als elements rics en AU de les regions 3' no traduïdes (3'UTR) i interaccionant amb el complex de l'exosoma.
Al nucli cel·lular, l'exosoma és necessari per al processament correcte de diverses molècules de ARNnop. Finalment, el nuclèol és el compartiment on es troba la major part dels complexos de l'exosoma, on tenen un paper en el processament de l'ARN ribosòmic 5,8S (la primera funció identificada de l'exosoma) i de diversos ARNnop.