martes, 30 de mayo de 2017

4 APOPTOSIS O MUERTE CELULAR PROGRAMADA

La apoptosis o muerte celular programada, es un fenómeno natural de las células, en las cuales se desencadenan una serie de eventos fijos que terminan con la muerte de la célula.  Por La muerte por apoptosis no tiene nada de accidental o de aleatorio que se caracteriza por un colapso del volumen de la célula y su núcleo sobre sí misma, la perdida de adhesión a las células vecinales, la formación de burbujas en la superficie celular, la disección de la cromatina y el rápido reciclado de los restos celulares por los macrófagos fagocitados.

Debido a que es un proceso seguro y ordenado, la apoptosis puede ser comparada con una implosión controlada de un edificio usando explosivos puestos de manera muy precisa para que los restos no afecten a las construcciones vecinales. ¿Por qué nuestro cuerpo posee células no deseadas? ¿Dónde encontramos células que sean blancos de esta eliminación controlada? La respuesta corta es en todas partes. Por ejemplo, la apoptosis está involucrada en la eliminación de células que han sufrido dañoso genéticos irreparables. Esto es importante porque los daños en la información genética pueden resultar en una replicación celular no regulada, y por lo tanto en el desarrollo de cáncer.

Durante el desarrollo embrionario, las neuronas crecen fuera del sistema nervioso central para inervar órganos que se encuentran en la periferia del cuerpo. Usualmente muchas más neuronas crecen fuera de los lugares donde son necesarias para una inervación normal. Las neuronas que llegan a su sitio blanco reciben la orden hormonal de seguir con vida. Las neuronas que fallan en encontrar el tejido a donde deben ir no reciben la señal de supervivencia, y son eliminadas finalmente por apoptosis.

Los linfocitos Y son células del sistema inmune que reconocen células anormales que han sido infectadas por patógenos intracelulares como los virus. Estas células se reconocen mediante un sistema de proteínas llamado sistema de histocompatibilidad tipo II, el cual señala sobre la superficie de la célula infectada que sucede algo anormal en su interior. Los linfocitos T a su vez poseen una serie de receptores específicos en sus membranas que encajan con estas señales de alarma. Una vez se ha identificado a la célula anormal mediante el reconocimiento, los linfocitos T estimulan la producción de proteínas que estimulan la muerte celular de la célula anormal y todo el tejido adyacente.

Durante el desarrollo embrionario, los linfocitos T son producidos con propiedades diversas, algunos pueden reconocer las células del propio cuerpo, lo cual  podría genera que el sistema inmune ataque los tejidos del mismo cuerpo desencadenando necrosis y la muerte. Estos linfocitos peligrosos son eliminados por medio de la apoptosis. Finalmente, la apoptosis parece estar involucrada en enfermedades neurodegenerativas graves como el Alzheimer, el Parkinson y la enfermedad de Huntington. La eliminación de neuronas esenciales por la progresión de la enfermedad genera perdida de la memoria y disminución de la coordinación muscular. Estos ejemplos muestran como la apoptosis es importante en el mantenimiento de la homeostasis en los organismos multicelulares y que la falla en la regulación de la apoptosis puede degenerar en serios daños para el organismo.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

4.1 Definición e historia

El termino apoptosis fue acuñado en 1972 por John Kerr, Andrew Wyllie y A. R. Currie de la universidad de Aberdeen en escocia, en un artículo paradigmático donde se describieron por vez primera los eventos coordinados de ocurren dentro de la muerte celular programada de una amplia gama de células.  Los primeros vistazos moleculares de la apoptosis fueron revelados mediante estudios en el gusano nematodo Caenorhabditis elegans, cuyas células están numeradas y trazadas con absoluta precisión desde el cigoto y a través de todas las fases del desarrollo embrionario (Cotter, 2009; Granville, Carthy, Hunt, & McManus, 1998; Kerr, Wyllie, & Currie, 1972; Reynolds, 2014; Yang & Goping, 2013).

De las 1090 células producidas durante el desarrollo de este gusano 131 son normalmente eliminadas por medio de la apoptosis. En 1986 Robert Horvitz y sus colegas del Instituto de Tecnología de Massachisetts descubrieron gusanos con una mutación en el gen CED-3 que genera un desarrollo embrionario carente de apoptosis. Este descubrimiento sugiere que el producto del gen CED-3 juega un papel crucial en el proceso de apoptosis en este organismo. Una vez que un gen ha sido identificado en un modelo biológico, los investigadores buscan sus homólogos en otros organismos como los mamíferos y el ser humano (Ellis & Horvitz, 1986; Horvitz, 1999).

En el modelo anterior podemos ver a la Caspasa-3 esta es la proteína dispensadora de muerte, pues ejecuta numerosos cortes en proteínas diferentes que desencadenan en el suicidio celular, este es un modelo basado en cristalografia. La identificación de CED-3 en los nemátodos conllevó al descubrimiento no a uno, sino a una familia de proteínas en los mamíferos que son actualmente denominadas caspasas. Las caspasas son un grupo de proteasas de cisteína que son activadas en un estado bastante temprano de la apoptosis y que son responsables por gatillar la mayoría, sino es que todos los cambios observados durante la muerte celular programada. Específicamente la caspasa que ejecuta los "cortes de muerte" es la caspasa-3 y su activación representa el punto de convergencia de las rutas de apoptosis.

Las caspasas logran este evento mediante el corte de un grupo de proteínas esenciales "cortes de muerte". Dentro de los blancos de la caspasa-3 se encuentran:

1.   Más de una docena de quinasas, incluyendo la quinasa de adhesión focal (FAK), PKB, PKC y raf1. La inactivación de por ejemplo FAK afectaría la adhesión  conllevando a la separación de la célula en apoptosis del resto de sus vecinos.
2.   Láminas, estas proteínas mantienen la cohesión de la membrana nuclear, el corte de estas proteínas conlleva al desensamble de la lámina y el colapso del núcleo.
3.   Proteínas del cito-esqueleto, el corte del andamiaje de la célula conlleva a un colapso generalizado de la forma de la célula.
4.   La caspasa activa a una endonucleasa de manera similar a como ocurre con las proteasas de serina, esta endonucleasa (CAD) corta el ADN en fragmentos de modo tal que sea irreparable.

Los estudios recientes se han enfocado en los eventos que conllevan a la activación del programa de suicidio celular. La apoptosis puede ser activada por estímulos internos como anormalidades en el ADN; o por estímulos externos, como ciertas citoquinas (proteínas segregadas por células del sistema inmune). Por ejemplo, las células del epitelio de la próstata se vuelven apoptóticas cuando son privadas de la testosterona. Esta es la razón por la cual el cáncer de próstata que ha invadido a otros tejidos es generalmente atacado con drogas que intervienen con la producción de testosterona. Algunos estudios indican que los estímulos externos que activan a la apoptosis mediante una ruta de señalación llamada ruta extrínseca, la cual se distingue de los estímulos internos de la ruta intrínseca.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

4.2 Ruta extrínseca

En este caso el estímulo apoptótico es transportado por un mensajero extracelular llamado factor de necrosis tumoral (TNF) el cual es célebre por su habilidad para inducir a las células de tumores cancerígenos a suicidarse en masa. El factor de necrosis tumoral es producido por ciertas células del sistema inmune en respuesta a diversas condiciones como la exposición a radiación ionizante, la elevación de la temperatura, infecciones virales, agentes químicos tóxicos tales como los que se emplean en la quimioterapia contra el cáncer.

Todo mensajero en los seres vivos requiere de una proteína integral de la membrana que funge como su receptor especifico, en este caso existe no una, sino toda una familia de proteínas llamada “receptores de muerte” llamada formalmente TNFR. La evidencia indica que los receptores de muerte TNFR están presentes en la membrana como un trímero pre-ensamblado. El dominio citoplasmático de cada subunidad de TNFR contiene un segmento de unos 70 aminoácidos llamados “dominio de muerte” que median en las interacciones entre proteínas.

Cuando el mensajero TNF se une al receptor TNFR se produce un cambio conformacional en los dominios de muerte en el citoplasma celular, el cual conlleva al reclutamiento de cierto tipo de proteínas llamadas FADD. Estas proteínas llamadas FADD reclutan una segunda serie de proteínas pro-caspasas debido a que son precursores inactivos de la caspasa. La caspasa funciona de manera muy similar a los factores de coagulación al ser una proteasa que se encuentra inactiva normalmente, y que para activarse debe ser cortada debido a la presencia de un segmento inhibidor en su región activa, pero se diferencia de las proteasas de serina en que además de un corte debe fucionarse con otra procaspasa. En resumen, el receptor con las FADD que son como dedos separa una parte de cada pro-caspasa y luego une lo que ceda para formar la caspasa-8.

Sin embargo, a diferencia de la gran mayoría de las pro-enzimas líticas, las pro-caspasas exhiben ciertos niveles proteolíticos remanentes. De hecho en ocasiones esta actividad remanente puede causar que dos caspasas puedan activarse una a otra generando reacciones en cadena no controladas. En cualquier caso, la enzima final madura llamada caspasa-8 contiene cuatro cadenas de polipéptidos, derivadas de dos precursores pro-caspasa. La activación de la caspasa-8 es similar a la activación de los efectores mediante la hormona de factor de crecimiento. La caspasa-8 como se ha mencionado antes es una proteína lítica pero que activa a la procaspasa-3, el resultado es la caspasa-3 que corta en una diversa cantidad de proteínas celulares, pero que también causa la activación de otras pro-caspasas lo que la convierte en el “ejecutor de muerte” de la apoptosis.

El presente video representa ambas rutas, la extrinseca va desde 00:00 hasta  02:41. La ruta se activa por una célula del sistema inmune que tiene insertada en su membrana la proteína mensajera TNF, la cual se une a TNFR en 01:14, posterior a esto se reclutan FADD en 01:28 y luego se activa la pro-caspasa en 01:42; caspasa-8 activa la procaspasa-3 en 1:58 generando la cascada de activación.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

4.3 Ruta intrínseca

Mediante estímulos internos como el daño genético irreparable, la falta de oxígeno, concentraciones extremadamente altas de ion calcio (II), infecciones virales, estrés oxidativo elevado (producción de grandes cantidades de especies químicas oxidantes) activan la apoptosis por medio de la ruta intrínseca. La activación de la ruta intrínseca es regulada por miembros de la familia de proteínas Bcl-2, la cual se caracteriza por la presencia de uno o más dominios BH, en general también se las conoce como reguladores de la apoptosis. Los miembros de la familia Bcl-2 pueden ser divididos en dos grupos:

1- Miembros pro-apoptóticos que estimulan la apoptosis como Bax y Bak.
2- Miembros anti-apoptóticos que protegen a la célula de la apoptosis como Bcl-xl; Bcl-w y Bcl-2.

En cualquier caso, la diversidad de proteínas es amplia, y en términos generales estas pueden ejercer su efecto de inducción de la apoptosis por medio de dos mecanismos, dependiendo de las proteínas particulares involucradas. En algunos casos aparentemente la apoptosis se promueve mediante la inhibición de los miembros anti-apoptóticos de la case Bcl-2, mientras que en otros casos aparentemente la apoptosis es promovida mediante la activación de los miembros apoptóticos de la clase Bcl-2.

En cualquiera de los casos, son las proteínas con dominios BH3 las que son determinantes en el destino de la célula. En una célula sana las proteínas de do minios BH3 están ausentes o fuertemente inhibidas, y los miembros anti-apoptóticos son capaces de regular a los miembros apoptóticos. El mecanismo exacto aún se encuentra bajo mucho debate, en cualquier caso lo que sucede es un rompimiento de este equilibrio, que induce a que las proteínas Bax y/o Bak cambien conformacionalmente haciéndose hidrófobas e insertándose en la membrana, una vez allí se polimerizan formando canales iónicos que permeabilizan la membrana externa de la mitocondria.

Una vez allí, la permeabilidad de la membrana mitocondrial a proteínas de esta se incrementa, liberándose grades cantidades como la citocromo c la cual reside en el espacio inter-membranal. La permeabilización de la membrana externa de la mitocondria es reforzada por el incremento en la concentración de iones calcio (II) en el citoplasma debido a su liberación masiva por el retículo endoplasmático. Casi todas las moléculas de citocromo c presente en todas las mitocondrias de la célula pueden ser liberadas de una célula en apoptosis en un periodo tan corto como cinco minutos. De hecho es casi como si fuera una toxina o factor de patogenicidad de un invasor, una vez que el citocromo c es liberado al citoplasma ya no existe vuelta atrás.

Una vez en el citoplasma la citocromo c forma un complejo multi-proteico bastante grande llamado apoptosoma, la cual también agrupa a otras proteínas como la procaspasa-9. La procaspasa-9 es activada por el proteosoma. La caspasa-9 es una caspasa de ejecución de muerte, lo cual indica que puede activar a otras caspasas y realizar también los cortes que causan la apoptosis. El video de la sección anterior tambien representa la segunda ruta de la apoptosis, la ruta intrinseca está ilustrada desde el minuto 02:41 hasta el final. La formación del apoptosoma se da en 03:15 y la activación de la caspasa-9 en 03:24 y la activación de la caspasa-3 en 03:31. Ambas rutas convergen en 03:50.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

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