Apoptosis - Apoptosis

Apoptosis
Apoptosis DU145 cells mosaic.jpg
Una célula de cáncer de próstata DU145 tratada con etopósido que explota en una cascada de cuerpos apoptóticos. Las subimágenes se extrajeron de un video de microscopía de lapso de tiempo de 61 horas , creado mediante microscopía de contraste de fase cuantitativa . El espesor óptico está codificado por colores. A medida que aumenta el grosor, el color cambia de gris a amarillo, rojo, morado y finalmente negro.
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Identificadores
Malla D017209
Terminología anatómica
La apoptosis comienza cuando el núcleo de la célula comienza a encogerse. Después de la contracción, la membrana plasmática ampolla y se pliega alrededor de diferentes orgánulos. Las ampollas continúan formándose y los orgánulos se fragmentan y se alejan unos de otros.

La apoptosis (del griego antiguo ἀπόπτωσις , apóptōsis , "caerse") es una forma de muerte celular programada que ocurre en organismos multicelulares . Los eventos bioquímicos conducen a cambios celulares característicos ( morfología ) y muerte. Estos cambios incluyen ampollas , encogimiento celular , fragmentación nuclear , condensación de cromatina , fragmentación del ADN y desintegración del ARNm . El ser humano adulto promedio pierde entre 50 y 70 mil millones de células cada día debido a la apoptosis. Para un niño humano promedio entre las edades de 8 y 14, aproximadamente entre 20 y 30 mil millones de células mueren por día.

A diferencia de la necrosis , que es una forma de muerte celular traumática que resulta de una lesión celular aguda, la apoptosis es un proceso altamente regulado y controlado que confiere ventajas durante el ciclo de vida de un organismo. Por ejemplo, la separación de los dedos de las manos y los pies en un embrión humano en desarrollo ocurre porque las células entre los dedos sufren apoptosis. A diferencia de la necrosis, la apoptosis produce fragmentos de células llamados cuerpos apoptóticos que los fagocitos pueden engullir y eliminar antes de que el contenido de la célula se derrame sobre las células circundantes y les cause daño.

Debido a que la apoptosis no puede detenerse una vez que ha comenzado, es un proceso altamente regulado. La apoptosis se puede iniciar a través de una de dos vías. En la vía intrínseca, la célula se mata a sí misma porque detecta el estrés celular , mientras que en la vía extrínseca la célula se mata a sí misma debido a las señales de otras células. Las señales externas débiles también pueden activar la vía intrínseca de la apoptosis. Ambas vías inducen la muerte celular mediante la activación de caspasas , que son proteasas o enzimas que degradan las proteínas. Las dos vías activan las caspasas iniciadoras, que luego activan las caspasas ejecutoras, que luego matan a la célula degradando las proteínas de forma indiscriminada.

Además de su importancia como fenómeno biológico, los procesos apoptóticos defectuosos se han implicado en una amplia variedad de enfermedades. La apoptosis excesiva causa atrofia , mientras que una cantidad insuficiente da como resultado una proliferación celular descontrolada, como el cáncer . Algunos factores como los receptores Fas y las caspasas promueven la apoptosis, mientras que algunos miembros de la familia de proteínas Bcl-2 inhiben la apoptosis.

Descubrimiento y etimología

El científico alemán Carl Vogt fue el primero en describir el principio de la apoptosis en 1842. En 1885, el anatomista Walther Flemming entregó una descripción más precisa del proceso de muerte celular programada. Sin embargo, no fue hasta 1965 que resucitó el tema. Mientras estudiaba tejidos mediante microscopía electrónica, John Kerr de la Universidad de Queensland pudo distinguir la apoptosis de la muerte celular traumática. Tras la publicación de un artículo que describe el fenómeno, Kerr fue invitado a unirse a Alastair Currie , así como a Andrew Wyllie , quien era estudiante de posgrado de Currie, en la Universidad de Aberdeen . En 1972, el trío publicó un artículo fundamental en el British Journal of Cancer . Kerr había utilizado inicialmente el término necrosis celular programada, pero en el artículo, el proceso de muerte celular natural se denomina apoptosis . Kerr, Wyllie y Currie dieron crédito a James Cormack, profesor de lengua griega en la Universidad de Aberdeen, por sugerir el término apoptosis. Kerr recibió el premio Paul Ehrlich y Ludwig Darmstaedter el 14 de marzo de 2000 por su descripción de la apoptosis. Compartió el premio con el biólogo de Boston H. Robert Horvitz .

Durante muchos años, ni "apoptosis" ni "muerte celular programada" fue un término muy citado. Dos descubrimientos llevaron la muerte celular de la oscuridad a un campo importante de investigación: la identificación de los componentes del control de la muerte celular y los mecanismos efectores, y la vinculación de las anomalías en la muerte celular con la enfermedad humana, en particular el cáncer.

El Premio Nobel de Medicina de 2002 fue otorgado a Sydney Brenner , H. Robert Horvitz y John Sulston por su trabajo en la identificación de genes que controlan la apoptosis. Los genes se identificaron mediante estudios en el nematodo C. elegans y los homólogos de estos genes funcionan en humanos para regular la apoptosis.

John Sulston ganó el Premio Nobel de Medicina en 2002 por su investigación pionera sobre la apoptosis.

En griego, la apoptosis se traduce como la "caída" de las hojas de un árbol. Cormack, profesor de lengua griega, reintrodujo el término para uso médico, ya que tenía un significado médico para los griegos más de dos mil años antes. Hipócrates usó el término para significar "la caída de los huesos". Galeno extendió su significado a "la caída de las costras". Sin duda, Cormack conocía este uso cuando sugirió el nombre. Debate continúa sobre la pronunciación correcta, con la opinión dividida entre una pronunciación con el segundo p silenciosa ( / æ p ə t s ɪ s / ap-ə- TOH -sis ) y el segundo p pronunciado ( / p ə p t s ɪ s / ), como en el griego original. En inglés, la p del grupo de consonantes griegas -pt- es típicamente silenciosa al comienzo de una palabra (por ejemplo , pterodáctilo , Ptolomeo ), pero se articula cuando se usa en formas combinadas precedidas por una vocal, como en helicóptero o las órdenes de los insectos: dípteros , lepidópteros , etc.

En el artículo original de Kerr, Wyllie & Currie, hay una nota al pie sobre la pronunciación:

Estamos muy agradecidos al profesor James Cormack del Departamento de Griego de la Universidad de Aberdeen por sugerir este término. La palabra "apoptosis" ( ἀπόπτωσις ) se usa en griego para describir la "caída" o "caída" de los pétalos de las flores u hojas de los árboles. Para mostrar claramente la derivación, proponemos que el acento debe estar en la penúltima sílaba, la segunda mitad de la palabra se pronuncia como "ptosis" (con la "p" silenciosa), que proviene de la misma raíz "caer", y ya se utiliza para describir la caída del párpado superior.

Mecanismos de activación

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Control de los mecanismos apoptóticos
Control de los mecanismos apoptóticos

El inicio de la apoptosis está estrictamente regulado por mecanismos de activación, porque una vez que ha comenzado, inevitablemente conduce a la muerte de la célula. Los dos mecanismos de activación mejor entendidos son la vía intrínseca (también llamada vía mitocondrial ) y la vía extrínseca. La vía intrínseca se activa mediante señales intracelulares generadas cuando las células están estresadas y depende de la liberación de proteínas del espacio intermembrana de las mitocondrias. La vía extrínseca es activada por ligandos extracelulares que se unen a receptores de muerte de la superficie celular, lo que conduce a la formación del complejo de señalización inductora de muerte (DISC).

Una célula inicia la señalización apoptótica intracelular en respuesta a un estrés, que puede provocar el suicidio celular. La unión de los receptores nucleares por los glucocorticoides , el calor, la radiación, la privación de nutrientes, la infección viral, la hipoxia , el aumento de la concentración intracelular de ácidos grasos libres y el aumento de la concentración intracelular de calcio , por ejemplo, por daño a la membrana, pueden desencadenar la liberación de apoptóticos intracelulares. señales de una célula dañada. Varios componentes celulares, como la poli ADP ribosa polimerasa , también pueden ayudar a regular la apoptosis. Se han observado fluctuaciones unicelulares en estudios experimentales de apoptosis inducida por estrés.

Antes de que las enzimas precipiten el proceso real de muerte celular, las señales apoptóticas deben hacer que las proteínas reguladoras inicien la vía de la apoptosis. Este paso permite que esas señales causen la muerte celular, o que el proceso se detenga, en caso de que la célula ya no necesite morir. Varias proteínas están involucradas, pero se han identificado dos métodos principales de regulación: el direccionamiento de la funcionalidad mitocondrial o la transducción directa de la señal a través de proteínas adaptadoras a los mecanismos apoptóticos. Una vía extrínseca para la iniciación identificada en varios estudios de toxinas es un aumento en la concentración de calcio dentro de una célula causado por la actividad del fármaco, que también puede causar apoptosis a través de una proteasa que se une al calcio, la calpaína .

Camino intrínseco

La vía intrínseca también se conoce como vía mitocondrial. Las mitocondrias son esenciales para la vida multicelular. Sin ellos, una célula deja de respirar aeróbicamente y muere rápidamente. Este hecho forma la base de algunas vías apoptóticas. Las proteínas apoptóticas que se dirigen a las mitocondrias las afectan de diferentes maneras. Pueden causar hinchazón mitocondrial a través de la formación de poros de la membrana, o pueden aumentar la permeabilidad de la membrana mitocondrial y causar la fuga de efectores apoptóticos. Están muy relacionados con la vía intrínseca y los tumores surgen con mayor frecuencia a través de la vía intrínseca que de la vía extrínseca debido a la sensibilidad. También existe un creciente cuerpo de evidencia que indica que el óxido nítrico puede inducir la apoptosis al ayudar a disipar el potencial de membrana de las mitocondrias y, por lo tanto, hacerlo más permeable. Se ha implicado al óxido nítrico en el inicio e inhibición de la apoptosis a través de su posible acción como molécula señal de vías posteriores que activan la apoptosis.

Durante la apoptosis, el citocromo c se libera de las mitocondrias a través de las acciones de las proteínas Bax y Bak . El mecanismo de esta liberación es enigmático, pero parece provenir de una multitud de homo y heterodímeros Bax / Bak de Bax / Bak insertados en la membrana externa. Una vez que se libera el citocromo c, se une al factor activador de proteasa apoptótica - 1 ( Apaf-1 ) y al ATP , que luego se unen a la pro-caspasa-9 para crear un complejo proteico conocido como apoptosoma . El apoptosoma escinde la pro-caspasa en su forma activa de caspasa-9 , que a su vez escinde y activa la pro-caspasa en el efector caspasa-3 .

Las mitocondrias también liberan proteínas conocidas como SMAC (segundo activador de caspasas derivado de las mitocondrias ) en el citosol de la célula después del aumento de la permeabilidad de las membranas mitocondriales. SMAC se une a proteínas que inhiben la apoptosis (IAP), desactivándolas y evitando que las IAP detengan el proceso y, por lo tanto, permitan que prosiga la apoptosis. La IAP también suprime normalmente la actividad de un grupo de cisteína proteasas llamadas caspasas , que llevan a cabo la degradación de la célula. Por lo tanto, se puede ver que las enzimas de degradación reales están reguladas indirectamente por la permeabilidad mitocondrial.

Vía extrínseca

Descripción general de las vías de transducción de señales.
Descripción general de la señalización de TNF (izquierda) y Fas (derecha) en la apoptosis, un ejemplo de transducción de señal directa.

Se han sugerido dos teorías sobre el inicio directo de los mecanismos apoptóticos en mamíferos: el modelo inducido por TNF ( factor de necrosis tumoral ) y el modelo mediado por ligando Fas-Fas , ambos con receptores de la familia de receptores TNF (TNFR) acoplados a señales extrínsecas. .

Ruta de TNF

El TNF-alfa es una citocina producida principalmente por macrófagos activados y es el principal mediador extrínseco de la apoptosis. La mayoría de las células del cuerpo humano tienen dos receptores para TNF-alfa: TNFR1 y TNFR2 . Se ha demostrado que la unión de TNF-alfa a TNFR1 inicia la vía que conduce a la activación de la caspasa a través de las proteínas de membrana intermedias del dominio de muerte asociado al receptor de TNF ( TRADD ) y la proteína del dominio de muerte asociado a Fas ( FADD ). cIAP1 / 2 puede inhibir la señalización de TNF-α al unirse a TRAF2 . FLIP inhibe la activación de caspasa-8. La unión de este receptor también puede conducir indirectamente a la activación de factores de transcripción implicados en la supervivencia celular y las respuestas inflamatorias. Sin embargo, la señalización a través de TNFR1 también podría inducir la apoptosis de una manera independiente de la caspasa. El vínculo entre TNF-alfa y apoptosis muestra por qué una producción anormal de TNF-alfa juega un papel fundamental en varias enfermedades humanas, especialmente en enfermedades autoinmunes . La superfamilia de receptores de TNF-alfa también incluye receptores de muerte (DR), como DR4 y DR5 . Estos receptores se unen a la proteína TRAIL y median la apoptosis. Se sabe que la apoptosis es uno de los principales mecanismos de la terapia dirigida contra el cáncer. Recientemente se han diseñado híbridos de péptido-complejo de iridio luminiscentes (IPH), que imitan a TRAIL y se unen a los receptores de muerte en las células cancerosas, induciendo así su apoptosis.

Camino fas

El receptor fas (primera señal de apoptosis) - (también conocido como Apo-1 o CD95 ) es una proteína transmembrana de la familia TNF que se une al ligando Fas (FasL). La interacción entre Fas y FasL da como resultado la formación del complejo de señalización inductor de muerte (DISC), que contiene FADD, caspasa-8 y caspasa-10. En algunos tipos de células (tipo I), la caspasa-8 procesada activa directamente a otros miembros de la familia de las caspasas y desencadena la ejecución de la apoptosis de la célula. En otros tipos de células (tipo II), Fas -DISC inicia un ciclo de retroalimentación que gira en espiral hacia la liberación creciente de factores proapoptóticos de las mitocondrias y la activación amplificada de caspasa-8.

Componentes comunes

Después de la activación de TNF-R1 y Fas en células de mamífero, se establece un equilibrio entre miembros proapoptóticos ( BAX , BID , BAK o BAD ) y antiapoptóticos ( Bcl-X1 y Bcl-2 ) de la familia Bcl-2 . Este equilibrio es la proporción de homodímeros proapoptóticos que se forman en la membrana externa de la mitocondria. Los homodímeros proapoptóticos son necesarios para hacer que la membrana mitocondrial sea permeable para la liberación de activadores de caspasa como el citocromo cy SMAC. El control de proteínas proapoptóticas en condiciones celulares normales de células no poptóticas no se comprende completamente, pero en general, Bax o Bak se activan mediante la activación de proteínas solo BH3, parte de la familia Bcl-2 .

Caspasas

Las caspasas desempeñan un papel central en la transducción de señales apoptóticas del RE. Las caspasas son proteínas altamente conservadas, proteasas específicas de aspartato dependientes de cisteína. Hay dos tipos de caspasas: caspasas iniciadoras, caspasas 2,8,9,10,11,12, y caspasas efectoras, caspasas 3,6,7. La activación de las caspasas iniciadoras requiere la unión a una proteína activadora oligomérica específica . Las caspasas efectoras son luego activadas por estas caspasas iniciadoras activas a través de la escisión proteolítica . Las caspasas efectoras activas luego degradan proteolíticamente una gran cantidad de proteínas intracelulares para llevar a cabo el programa de muerte celular.

Vía apoptótica independiente de la caspasa

También existe una vía apoptótica independiente de caspasa que está mediada por AIF ( factor inductor de apoptosis ).

Modelo de apoptosis en anfibios

La rana anfibia Xenopus laevis sirve como un sistema modelo ideal para el estudio de los mecanismos de la apoptosis. De hecho, el yodo y la tiroxina también estimulan la espectacular apoptosis de las células de las branquias larvarias, la cola y las aletas en la metamorfosis de los anfibios, y estimulan la evolución de su sistema nervioso transformando al renacuajo acuático y vegetariano en la rana carnívora terrestre .

Reguladores negativos de la apoptosis

La regulación negativa de la apoptosis inhibe las vías de señalización de la muerte celular, ayudando a los tumores a evadir la muerte celular y desarrollando resistencia a los fármacos . La proporción entre proteínas antiapoptóticas (Bcl-2) y proapoptóticas (Bax) determina si una célula vive o muere. Muchas familias de proteínas actúan como reguladores negativos categorizados en factores antiapoptóticos, como IAP y proteínas Bcl-2 , o factores de supervivencia como cFLIP , BNIP3 , FADD , Akt y NF-κB .

Caspasa proteolítica: matando a la célula

Muchas vías y señales conducen a la apoptosis, pero estas convergen en un único mecanismo que en realidad causa la muerte de la célula. Después de que una célula recibe el estímulo, sufre una degradación organizada de orgánulos celulares por caspasas proteolíticas activadas . Además de la destrucción de los orgánulos celulares, el ARNm se degrada rápida y globalmente por un mecanismo que aún no está completamente caracterizado. La desintegración del ARNm se desencadena muy temprano en la apoptosis.

Una célula en apoptosis muestra una serie de cambios morfológicos característicos. Las primeras alteraciones incluyen:

  1. La contracción y el redondeo de las células ocurren debido a la retracción de los lamelipodios y a la descomposición del citoesqueleto proteico por las caspasas.
  2. El citoplasma parece denso y los orgánulos aparecen apretados.
  3. La cromatina se condensa en parches compactos contra la envoltura nuclear (también conocida como envoltura perinuclear) en un proceso conocido como picnosis , un sello distintivo de la apoptosis.
  4. La envoltura nuclear se vuelve discontinua y el ADN dentro de ella se fragmenta en un proceso denominado cariorrexis . El núcleo se rompe en varios cuerpos de cromatina discretos o unidades nucleosomales debido a la degradación del ADN.

La apoptosis progresa rápidamente y sus productos se eliminan rápidamente, lo que dificulta su detección o visualización en las secciones de histología clásica. Durante la cariorrexis, la activación de la endonucleasa deja fragmentos cortos de ADN, regularmente espaciados en tamaño. Estos dan un aspecto característico de "escalera" en gel de agar después de la electroforesis . Las pruebas de escalamiento del ADN diferencian la apoptosis de la muerte celular isquémica o tóxica.

Desmontaje de células apoptóticas

Diferentes pasos en el desmontaje de células apoptóticas.

Antes de que se deseche la célula apoptótica, hay un proceso de desmontaje. Hay tres pasos reconocidos en el desensamblaje de células apoptóticas:

  1. Ampollas en la membrana: la membrana celular muestra brotes irregulares conocidos como ampollas . Inicialmente, se trata de ampollas superficiales más pequeñas. Más tarde, estos pueden convertirse en las llamadas ampollas de membrana dinámica más grandes. Un regulador importante de la formación de ampollas en la membrana celular apoptótica es ROCK1 (proteína quinasa 1 que contiene espirales enrolladas asociadas a rho).
  2. Formación de protuberancias de membrana: algunos tipos de células, en condiciones específicas, pueden desarrollar diferentes tipos de extensiones largas y delgadas de la membrana celular llamadas protuberancias de membrana. Se han descrito tres tipos: puntas de microtúbulos , apoptopodios ( pies de la muerte ) y apoptopodios con cuentas (este último con apariencia de cuentas en una cuerda). La pannexina 1 es un componente importante de los canales de membrana implicados en la formación de apoptopodios y apoptopodios con cuentas.
  3. Fragmentación : la célula se rompe en múltiples vesículas llamadas cuerpos apoptóticos , que se someten a fagocitosis . Las protuberancias de la membrana plasmática pueden ayudar a acercar los cuerpos apoptóticos a los fagocitos.

Eliminación de células muertas

La eliminación de células muertas por células fagocíticas vecinas se ha denominado eferocitosis . Las células moribundas que se someten a las etapas finales de la apoptosis muestran moléculas fagocitóticas, como la fosfatidilserina , en su superficie celular. La fosfatidilserina se encuentra normalmente en la superficie interna de la valva de la membrana plasmática, pero se redistribuye durante la apoptosis a la superficie extracelular por una proteína conocida como scramblase . Estas moléculas marcan la célula para la fagocitosis por células que poseen los receptores apropiados, como los macrófagos. La eliminación de las células moribundas por parte de los fagocitos se produce de manera ordenada sin provocar una respuesta inflamatoria . Durante la apoptosis, el ARN y el ADN celulares se separan entre sí y se clasifican en diferentes cuerpos apoptóticos; la separación del ARN se inicia como segregación nucleolar.

Nocaut en el camino

Se han realizado muchas eliminaciones en las vías de la apoptosis para probar la función de cada una de las proteínas. Se han mutado varias caspasas, además de APAF1 y FADD , para determinar el nuevo fenotipo. Para crear un knockout del factor de necrosis tumoral (TNF), se eliminó del gen un exón que contenía los nucleótidos 3704-5364. Este exón codifica una parte del dominio de TNF maduro, así como la secuencia líder, que es una región altamente conservada necesaria para el procesamiento intracelular adecuado. Los ratones TNF - / - se desarrollan normalmente y no presentan anomalías estructurales o morfológicas macroscópicas. Sin embargo, tras la inmunización con SRBC (glóbulos rojos de oveja), estos ratones demostraron una deficiencia en la maduración de una respuesta de anticuerpos; pudieron generar niveles normales de IgM, pero no pudieron desarrollar niveles de IgG específicos. Apaf-1 es la proteína que activa la caspasa 9 mediante escisión para comenzar la cascada de caspasas que conduce a la apoptosis. Dado que una mutación - / - en el gen APAF-1 es letal para el embrión, se utilizó una estrategia de trampa de genes para generar un ratón APAF-1 - / -. Este ensayo se utiliza para alterar la función de los genes mediante la creación de una fusión de genes intragénica. Cuando se introduce una trampa del gen APAF-1 en las células, se producen muchos cambios morfológicos, como la espina bífida, la persistencia de redes interdigitales y el cerebro abierto. Además, después del día embrionario 12,5, el cerebro de los embriones mostró varios cambios estructurales. Las células APAF-1 están protegidas de estímulos de apoptosis como la irradiación. Un ratón con inactivación de BAX-1 exhibe una formación normal del prosencéfalo y una disminución de la muerte celular programada en algunas poblaciones neuronales y en la médula espinal, lo que conduce a un aumento de las neuronas motoras.

Las proteínas de caspasa son partes integrales de la vía de la apoptosis, por lo que se deduce que los knock-outs realizados tienen diferentes resultados dañinos. Un knock-out de la caspasa 9 conduce a una malformación cerebral grave. Un knock-out de caspasa 8 conduce a insuficiencia cardíaca y, por lo tanto, a letalidad embrionaria. Sin embargo, con el uso de la tecnología cre-lox, se ha creado una eliminación de caspasa 8 que muestra un aumento de las células T periféricas, una respuesta deficiente de las células T y un defecto en el cierre del tubo neural. Se encontró que estos ratones eran resistentes a la apoptosis mediada por CD95, TNFR, etc. pero no resistentes a la apoptosis causada por irradiación UV, fármacos quimioterapéuticos y otros estímulos. Finalmente, un knock-out de la caspasa 3 se caracterizó por masas de células ectópicas en el cerebro y características apoptóticas anormales como la formación de ampollas en la membrana o la fragmentación nuclear. Una característica notable de estos ratones KO es que tienen un fenotipo muy restringido: los ratones KO Casp3, 9, APAF-1 tienen deformaciones del tejido neural y FADD y Casp 8 KO mostraron un desarrollo cardíaco defectuoso, sin embargo, en ambos tipos de otros órganos KO se desarrolló normalmente y algunos tipos de células todavía eran sensibles a los estímulos apoptóticos, lo que sugiere que existen vías proapoptóticas desconocidas.

Métodos para distinguir células apoptóticas de necróticas (necroptóticas)

Imágenes de células vivas a largo plazo (12 h) de preadipocitos de ratón multinucleados que intentan someterse a una mitosis. Debido al exceso de material genético, la célula no se replica y muere por apoptosis.

Para realizar análisis de células apoptóticas versus necróticas (necroptóticas), se puede realizar un análisis de la morfología mediante imágenes de células vivas sin etiquetas , microscopía de lapso de tiempo , fluorocitometría de flujo y microscopía electrónica de transmisión . También existen varias técnicas bioquímicas para el análisis de marcadores de superficie celular (exposición a fosfatidilserina versus permeabilidad celular por citometría de flujo ), marcadores celulares como fragmentación del ADN (citometría de flujo), activación de caspasas, escisión de Bid y liberación de citocromo c ( transferencia Western ). Es importante saber cómo se pueden distinguir las células necróticas primarias y secundarias mediante el análisis del sobrenadante de caspasas, HMGB1 y la liberación de citoqueratina 18. Sin embargo, todavía no se han identificado marcadores bioquímicos o superficiales distintos de muerte celular necrótica, y solo marcadores negativos están disponibles. Estos incluyen ausencia de marcadores apoptóticos (activación de caspasa, liberación de citocromo c y fragmentación del ADN oligonucleosómico) y cinética diferencial de marcadores de muerte celular (exposición a fosfatidilserina y permeabilización de la membrana celular). En estas referencias se puede encontrar una selección de técnicas que pueden usarse para distinguir la apoptosis de las células necroptóticas.

Implicación en la enfermedad

Una sección de hígado de ratón que muestra varias células apoptóticas, indicadas por flechas.
Una sección de hígado de ratón teñida para mostrar células en apoptosis (naranja)
Ultraestructura de cardiomiocitos neonatales tras anoxia-reoxigenación.

Vías defectuosas

Los muchos tipos diferentes de vías apoptóticas contienen una multitud de componentes bioquímicos diferentes, muchos de los cuales aún no se conocen. Como una vía es de naturaleza más o menos secuencial, eliminar o modificar un componente produce un efecto en otro. En un organismo vivo, esto puede tener efectos desastrosos, a menudo en forma de enfermedad o trastorno. Una discusión de cada enfermedad causada por la modificación de las diversas vías apoptóticas no sería práctico, pero el concepto que subyace a cada una es el mismo: el funcionamiento normal de la vía se ha interrumpido de tal manera que afecta la capacidad de la célula para experimentar apoptosis normal. Esto da como resultado una célula que vive más allá de su "fecha de caducidad" y es capaz de replicarse y transmitir cualquier maquinaria defectuosa a su progenie, lo que aumenta la probabilidad de que la célula se vuelva cancerosa o se enferme.

Un ejemplo recientemente descrito de este concepto en acción se puede ver en el desarrollo de un cáncer de pulmón llamado NCI-H460 . El inhibidor de la proteína de apoptosis ligado al cromosoma X ( XIAP ) se sobreexpresa en las células de la línea celular H460 . Los XIAP se unen a la forma procesada de caspasa-9 y suprimen la actividad del citocromo c activador apoptótico , por lo que la sobreexpresión conduce a una disminución en el número de agonistas proapoptóticos. Como consecuencia, el equilibrio de los efectores antiapoptóticos y proapoptóticos se altera a favor de los primeros, y las células dañadas continúan replicándose a pesar de ser dirigidas a morir. Los defectos en la regulación de la apoptosis en las células cancerosas ocurren a menudo en el nivel de control de los factores de transcripción. Como ejemplo particular, los defectos en las moléculas que controlan el factor de transcripción NF-κB en el cáncer cambian el modo de regulación transcripcional y la respuesta a las señales apoptóticas, para reducir la dependencia del tejido al que pertenece la célula. Este grado de independencia de las señales externas de supervivencia puede permitir la metástasis del cáncer.

Desregulación de p53

La proteína supresora de tumores p53 se acumula cuando el ADN se daña debido a una cadena de factores bioquímicos. Parte de esta vía incluye interferón alfa y interferón beta, que inducen la transcripción del gen p53 , lo que da como resultado el aumento del nivel de proteína p53 y la potenciación de la apoptosis de las células cancerosas. p53 evita que la célula se replique deteniendo el ciclo celular en G1, o en la interfase, para dar tiempo a la célula para que se repare; sin embargo, inducirá la apoptosis si el daño es extenso y los esfuerzos de reparación fallan. Cualquier alteración de la regulación de los genes p53 o interferón dará como resultado una apoptosis alterada y la posible formación de tumores.

Inhibición

La inhibición de la apoptosis puede resultar en varios cánceres, enfermedades inflamatorias e infecciones virales. Originalmente se creía que la acumulación asociada de células se debía a un aumento de la proliferación celular, pero ahora se sabe que también se debe a una disminución de la muerte celular. La más común de estas enfermedades es el cáncer, la enfermedad de la proliferación celular excesiva, que a menudo se caracteriza por una sobreexpresión de los miembros de la familia IAP . Como resultado, las células malignas experimentan una respuesta anormal a la inducción de la apoptosis: los genes reguladores del ciclo (como p53, ras o c-myc) se mutan o inactivan en las células enfermas, y otros genes (como bcl-2) también modifican su expresión en tumores. Algunos factores apoptóticos son vitales durante la respiración mitocondrial, por ejemplo, el citocromo C. La inactivación patológica de la apoptosis en las células cancerosas se correlaciona con frecuentes cambios metabólicos respiratorios hacia la glucólisis (una observación conocida como la “hipótesis de Warburg”.

Celda HeLa

La apoptosis en las células HeLa es inhibida por proteínas producidas por la célula; estas proteínas inhibidoras se dirigen a las proteínas supresoras de tumores del retinoblastoma. Estas proteínas supresoras de tumores regulan el ciclo celular, pero se vuelven inactivas cuando se unen a una proteína inhibidora. El VPH E6 y E7 son proteínas inhibidoras expresadas por el virus del papiloma humano, siendo el VPH responsable de la formación del tumor cervical del que se derivan las células HeLa. El VPH E6 hace que p53, que regula el ciclo celular, se vuelva inactivo. El VPH E7 se une a proteínas supresoras de tumores de retinoblastoma y limita su capacidad para controlar la división celular. Estas dos proteínas inhibidoras son parcialmente responsables de la inmortalidad de las células HeLa al inhibir la apoptosis. El virus del moquillo canino (CDV) puede inducir la apoptosis a pesar de la presencia de estas proteínas inhibidoras. Ésta es una propiedad oncolítica importante del CDV: este virus es capaz de matar las células del linfoma canino. Las oncoproteínas E6 y E7 todavía dejan p53 inactivo, pero no pueden evitar la activación de caspasas inducida por el estrés de la infección viral. Estas propiedades oncolíticas proporcionaron un vínculo prometedor entre el CDV y la apoptosis del linfoma, que puede conducir al desarrollo de métodos de tratamiento alternativos tanto para el linfoma canino como para el linfoma no Hodgkin humano. Se cree que los defectos en el ciclo celular son responsables de la resistencia a la quimioterapia o la radiación por parte de ciertas células tumorales, por lo que un virus que puede inducir la apoptosis a pesar de los defectos en el ciclo celular es útil para el tratamiento del cáncer.

Tratos

El principal método de tratamiento para la muerte potencial por enfermedades relacionadas con la señalización implica aumentar o disminuir la susceptibilidad a la apoptosis en las células enfermas, dependiendo de si la enfermedad es causada por la inhibición o el exceso de apoptosis. Por ejemplo, los tratamientos tienen como objetivo restaurar la apoptosis para tratar enfermedades con muerte celular deficiente y aumentar el umbral apoptótico para tratar enfermedades relacionadas con una muerte celular excesiva. Para estimular la apoptosis, se puede aumentar el número de ligandos del receptor de muerte (como TNF o TRAIL), antagonizar la vía antiapoptótica Bcl-2 o introducir miméticos de Smac para inhibir el inhibidor (IAP). La adición de agentes como Herceptin, Iressa o Gleevec actúa para detener el ciclo de las células y provoca la activación de la apoptosis al bloquear el crecimiento y las señales de supervivencia más arriba. Finalmente, la adición de complejos de p53- MDM2 desplaza a p53 y activa la vía de p53, lo que lleva a la detención del ciclo celular y la apoptosis. Se pueden usar muchos métodos diferentes para estimular o inhibir la apoptosis en varios lugares a lo largo de la vía de señalización de la muerte.

La apoptosis es un programa de muerte celular de múltiples pasos y vías que es inherente a cada célula del cuerpo. En el cáncer, la proporción de división celular por apoptosis está alterada. El tratamiento del cáncer mediante quimioterapia e irradiación destruye las células diana principalmente al inducir la apoptosis.

Apoptosis hiperactiva

Por otro lado, la pérdida del control de la muerte celular (que da como resultado un exceso de apoptosis) puede provocar enfermedades neurodegenerativas, enfermedades hematológicas y daño tisular. Es interesante notar que las neuronas que dependen de la respiración mitocondrial sufren apoptosis en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson. (una observación conocida como la "hipótesis de Warburg inversa"). Además, existe una comorbilidad epidemiológica inversa entre enfermedades neurodegenerativas y cáncer. La progresión del VIH está directamente relacionada con un exceso de apoptosis no regulada. En un individuo sano, la cantidad de linfocitos CD4 + está en equilibrio con las células generadas por la médula ósea; sin embargo, en pacientes con VIH, este equilibrio se pierde debido a la incapacidad de la médula ósea para regenerar las células CD4 +. En el caso del VIH, los linfocitos CD4 + mueren a un ritmo acelerado por apoptosis incontrolada, cuando son estimulados. A nivel molecular, la apoptosis hiperactiva puede deberse a defectos en las vías de señalización que regulan las proteínas de la familia Bcl-2. El aumento de la expresión de proteínas apoptóticas como BIM, o su proteólisis disminuida, conduce a la muerte celular y puede provocar una serie de patologías, dependiendo de las células en las que se produzca una actividad excesiva de BIM. Las células cancerosas pueden escapar de la apoptosis a través de mecanismos que suprimen la expresión de BIM o mediante una mayor proteólisis de BIM.

Tratos

Tratamientos destinados a inhibir obras de bloqueo de caspasas específicas. Finalmente, la proteína quinasa Akt promueve la supervivencia celular a través de dos vías. Akt fosforila e inhibe a Bad (un miembro de la familia Bcl-2), lo que hace que Bad interactúe con el andamio 14-3-3 , lo que da como resultado la disociación de Bcl y, por tanto, la supervivencia celular. Akt también activa IKKα, lo que conduce a la activación de NF-κB y la supervivencia celular. El NF-κB activo induce la expresión de genes antiapoptóticos como Bcl-2, lo que da como resultado la inhibición de la apoptosis. Se ha encontrado que NF-κB juega un papel tanto antiapoptótico como proapoptótico dependiendo de los estímulos utilizados y el tipo de célula.

Progresión del VIH

La progresión de la infección por el virus de la inmunodeficiencia humana hacia el SIDA se debe principalmente al agotamiento de los linfocitos T auxiliares CD4 + de una manera demasiado rápida para que la médula ósea del cuerpo reponga las células, lo que conduce a un sistema inmunológico comprometido. Uno de los mecanismos por los que se agotan las células T colaboradoras es la apoptosis, que resulta de una serie de vías bioquímicas:

  1. Las enzimas del VIH desactivan el antiapoptótico Bcl-2 . Esto no causa directamente la muerte celular, pero prepara a la célula para la apoptosis si se recibe la señal apropiada. Paralelamente, estas enzimas activan la procaspasa-8 proapoptótica , que activa directamente los eventos mitocondriales de la apoptosis.
  2. El VIH puede aumentar el nivel de proteínas celulares que provocan la apoptosis mediada por Fas.
  3. Las proteínas del VIH disminuyen la cantidad de marcador de glicoproteína CD4 presente en la membrana celular.
  4. Las partículas virales liberadas y las proteínas presentes en el líquido extracelular pueden inducir la apoptosis en las células auxiliares T "espectadoras" cercanas.
  5. El VIH disminuye la producción de moléculas involucradas en marcar la célula para la apoptosis, dando tiempo al virus para replicarse y continuar liberando agentes apoptóticos y viriones en el tejido circundante.
  6. La célula CD4 + infectada también puede recibir la señal de muerte de una célula T citotóxica.

Las células también pueden morir como consecuencia directa de infecciones virales. La expresión del VIH-1 induce la apoptosis y la detención de G2 / M de las células tubulares. La progresión del VIH al SIDA no es inmediata ni necesariamente rápida; La actividad citotóxica del VIH hacia los linfocitos CD4 + se clasifica como SIDA una vez que el recuento de células CD4 + de un paciente determinado cae por debajo de 200.

Investigadores de la Universidad de Kumamoto en Japón han desarrollado un nuevo método para erradicar el VIH en las células del reservorio viral, llamado "Lock-in y apoptosis". Usando el compuesto sintetizado Heptanoylphosphatidyl L-Inositol Pentakisphophate (o L-Hippo) para unirse fuertemente a la proteína PR55Gag del VIH, pudieron suprimir la gemación viral. Al suprimir la gemación viral, los investigadores pudieron atrapar el virus del VIH en la célula y permitir que la célula sufriera apoptosis (muerte celular natural). El profesor asociado Mikako Fujita ha declarado que el enfoque aún no está disponible para los pacientes con VIH porque el equipo de investigación debe realizar más investigaciones sobre la combinación de la terapia con medicamentos que existe actualmente con este enfoque de "bloqueo y apoptosis" para llevar a una recuperación completa del VIH. .

Infección viral

La inducción viral de la apoptosis ocurre cuando una o varias células de un organismo vivo se infectan con un virus , lo que conduce a la muerte celular. La muerte celular en los organismos es necesaria para el desarrollo normal de las células y la maduración del ciclo celular. También es importante para mantener las funciones y actividades regulares de las células.

Los virus pueden desencadenar la apoptosis de las células infectadas a través de una variedad de mecanismos que incluyen:

  • Enlace del receptor
  • Activación de la proteína quinasa R (PKR)
  • Interacción con p53
  • Expresión de proteínas virales acopladas a proteínas MHC en la superficie de la célula infectada, lo que permite el reconocimiento por parte de las células del sistema inmunológico (como las células Natural Killer y las células T citotóxicas ) que luego inducen a la célula infectada a sufrir apoptosis.

Se sabe que el virus del moquillo canino (CDV) causa apoptosis en el sistema nervioso central y el tejido linfoide de perros infectados in vivo e in vitro. La apoptosis causada por CDV generalmente se induce a través de la vía extrínseca , que activa las caspasas que interrumpen la función celular y eventualmente conduce a la muerte de las células. En las células normales, el CDV activa primero la caspasa-8, que actúa como proteína iniciadora seguida de la proteína ejecutora caspasa-3. Sin embargo, la apoptosis inducida por CDV en células HeLa no involucra a la proteína iniciadora caspasa-8. La apoptosis de células HeLa causada por CDV sigue un mecanismo diferente al de las líneas celulares vero. Este cambio en la cascada de caspasa sugiere que el CDV induce la apoptosis a través de la vía intrínseca , excluyendo la necesidad del iniciador caspasa-8. En cambio, la proteína verdugo es activada por los estímulos internos causados ​​por la infección viral, no por una cascada de caspasas.

El virus Oropouche (OROV) se encuentra en la familia Bunyaviridae . El estudio de la apoptosis provocada por Bunyaviridae se inició en 1996, cuando se observó que el virus de La Crosse inducía la apoptosis en las células renales de crías de hámster y en el cerebro de crías de ratones.

OROV es una enfermedad que se transmite entre humanos por el mosquito picador ( Culicoides paraensis ). Se lo conoce como arbovirus zoonótico y causa una enfermedad febril, caracterizada por la aparición de una fiebre repentina conocida como fiebre de Oropouche.

El virus Oropouche también causa alteraciones en las células cultivadas, células que se cultivan en condiciones distintas y específicas. Un ejemplo de esto se puede ver en las células HeLa , donde las células comienzan a degenerarse poco después de ser infectadas.

Con el uso de electroforesis en gel , se puede observar que OROV provoca la fragmentación del ADN en las células HeLa. Se puede interpretar contando, midiendo y analizando las células de la población de células Sub / G1. Cuando las células HeLA se infectan con OROV, el citocromo C se libera de la membrana de las mitocondrias al citosol de las células. Este tipo de interacción muestra que la apoptosis se activa a través de una vía intrínseca.

Para que ocurra la apoptosis dentro de OROV, es necesario el desencubrimiento viral, la internalización viral, junto con la replicación de las células. La apoptosis en algunos virus se activa por estímulos extracelulares. Sin embargo, los estudios han demostrado que la infección por OROV provoca la activación de la apoptosis a través de estímulos intracelulares e involucra a las mitocondrias.

Muchos virus codifican proteínas que pueden inhibir la apoptosis. Varios virus codifican homólogos virales de Bcl-2. Estos homólogos pueden inhibir proteínas proapoptóticas como BAX y BAK, que son esenciales para la activación de la apoptosis. Los ejemplos de proteínas Bcl-2 víricas incluyen la proteína BHRF1 del virus de Epstein-Barr y la proteína de adenovirus E1B 19K. Algunos virus expresan inhibidores de caspasa que inhiben la actividad de la caspasa y un ejemplo es la proteína CrmA de los virus de la viruela vacuna. Mientras que varios virus pueden bloquear los efectos de TNF y Fas. Por ejemplo, la proteína M-T2 de los virus del mixoma puede unirse a TNF evitando que se una al receptor de TNF e induzca una respuesta. Además, muchos virus expresan inhibidores de p53 que pueden unirse a p53 e inhibir su actividad de transactivación transcripcional. Como consecuencia, p53 no puede inducir la apoptosis, ya que no puede inducir la expresión de proteínas proapoptóticas. La proteína del adenovirus E1B-55K y la proteína HBx del virus de la hepatitis B son ejemplos de proteínas virales que pueden realizar dicha función.

Los virus pueden permanecer intactos de la apoptosis, en particular en las últimas etapas de la infección. Pueden exportarse en los cuerpos apoptóticos que se desprenden de la superficie de la célula moribunda, y el hecho de que estén engullidos por los fagocitos impide el inicio de una respuesta del huésped. Esto favorece la propagación del virus.

Plantas

La muerte celular programada en plantas tiene varias similitudes moleculares con la de la apoptosis animal, pero también tiene diferencias, destacando la presencia de una pared celular y la falta de un sistema inmunológico que elimine los trozos de la célula muerta. En lugar de una respuesta inmune, la célula moribunda sintetiza sustancias para descomponerse y las coloca en una vacuola que se rompe cuando la célula muere. No está claro si todo este proceso se parece a la apoptosis animal lo suficiente como para justificar el uso del nombre de apoptosis (en oposición a la muerte celular programada más general ).

Apoptosis independiente de caspasa

La caracterización de las caspasas permitió el desarrollo de inhibidores de caspasas, que pueden usarse para determinar si un proceso celular involucra caspasas activas. Usando estos inhibidores se descubrió que las células pueden morir mostrando una morfología similar a la apoptosis sin activación de caspasa. Estudios posteriores relacionaron este fenómeno con la liberación de AIF ( factor inductor de apoptosis ) de las mitocondrias y su translocación al núcleo mediada por su NLS (señal de localización nuclear). Dentro de las mitocondrias, el AIF está anclado a la membrana interna. Para ser liberada, la proteína es escindida por una calpaína proteasa dependiente de calcio .

Ver también

Notas explicativas a pie de página

Citas

Bibliografía general

  • Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P (2015). Biología molecular de la célula (6ª ed.). Garland Science. pag. 2. ISBN 978-0815344322.

enlaces externos