Apoptosis

Apoptosis (del griego antiguo: ἀπόπτωσις, romanizado: <span title="romanización en griego antiguo" apóptōsis, lit. ''cayéndose'') es un forma de muerte celular programada que ocurre en los organismos multicelulares. Los eventos bioquímicos conducen a cambios celulares característicos (morfología) y muerte. Estos cambios incluyen la formación de vesículas, el encogimiento de las células, la fragmentación nuclear, la condensación de la cromatina, la fragmentación del ADN y la descomposición del ARNm. El humano adulto promedio pierde entre 50 y 70 mil millones de células cada día debido a la apoptosis. Para un niño humano promedio de entre ocho y catorce años, mueren aproximadamente de veinte a treinta mil millones de células 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 manos y 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 pueda derramarse sobre las células circundantes y dañarlas.

Debido a que la apoptosis no puede detenerse una vez que ha comenzado, es un proceso altamente regulado. La apoptosis puede iniciarse a través de una de dos vías. En la vía intrínseca, la célula se suicida porque detecta el estrés celular, mientras que en la vía extrínseca la célula se suicida 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 al activar caspasas, que son proteasas o enzimas que degradan proteínas. Las dos vías activan las caspasas iniciadoras, que luego activan las caspasas ejecutoras, que luego matan la célula al degradar las proteínas de manera indiscriminada.

Además de su importancia como fenómeno biológico, los procesos apoptóticos defectuosos se han implicado en una amplia variedad de enfermedades. La apoptosis excesiva provoca 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 el tema resucitó. Mientras estudiaba los 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 describía el fenómeno, se invitó a Kerr 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 denominó apoptosis. Kerr, Wyllie y Currie le 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 la "apoptosis" ni "muerte celular programada" era un término muy citado. Dos descubrimientos sacaron la muerte celular de la oscuridad a un importante campo de investigación: la identificación del primer componente del control de la muerte celular y los mecanismos efectores, y la vinculación de anomalías en la muerte celular con enfermedades humanas, en particular el cáncer. Esto ocurrió en 1988 cuando se demostró que BCL2, el gen responsable del linfoma folicular, codificaba una proteína que inhibía la muerte celular.

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 fueron identificados por 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, apoptosis se traduce como "caerse" de 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 referirse a "la caída de los huesos". Galen amplió su significado a "la caída de las costras". Sin duda, Cormack estaba al tanto de este uso cuando sugirió el nombre. El debate continúa sobre la pronunciación correcta, con la opinión dividida entre una pronunciación con la segunda p muda (ap-ə-TOH-sis) y la segunda p pronunciada (). En inglés, la p del grupo de consonantes griegas -pt- generalmente es muda al comienzo de una palabra (por ejemplo, pterodáctilo, Ptolomeo), pero se articula cuando se usa en formas combinadas. precedida de una vocal, como en helicóptero o los órdenes de insectos: dípteros, lepidópteros, etc.

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

Estamos muy agradecidos al profesor James Cormack del Departamento de griego, Universidad de Aberdeen, por sugerir este término. La palabra "apoptosis"中文) se utiliza en griego para describir el "romping" o "cayendo" de pétalos de flores, o hojas de árboles. Para mostrar claramente la derivación, proponemos que el estrés debe estar en la sílaba penúltima, la segunda mitad de la palabra que se pronuncia como "ptosis" (con la "p" silenciosa), que viene de la misma raíz "a caer", y ya se utiliza para describir el dragado del párpado superior.

Mecanismos de activación

Control de los mecanismos apoptóticos

El inicio de la apoptosis está estrictamente regulado por mecanismos de activación, porque una vez que la apoptosis ha comenzado, conduce inevitablemente 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 se activa mediante ligandos extracelulares que se unen a los receptores de muerte de la superficie celular, lo que conduce a la formación del complejo de señalización inductor de muerte (DISC).

Una célula inicia la señalización apoptótica intracelular en respuesta a un estrés, lo 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 apoptosis intracelular. 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 de células individuales 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 provoquen la muerte celular, o que se detenga el proceso, en caso de que la célula ya no necesite morir. Varias proteínas están involucradas, pero se han identificado dos métodos principales de regulación: la orientación de la funcionalidad de las mitocondrias 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 calpaína que se une al calcio.

Vía intrínseca

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 constituye 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 en la membrana, o pueden aumentar la permeabilidad de la membrana mitocondrial y provocar la fuga de efectores apoptóticos. Están muy estrechamente 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 hay un creciente cuerpo de evidencia que indica que el óxido nítrico es capaz de inducir la apoptosis al ayudar a disipar el potencial de membrana de las mitocondrias y, por lo tanto, hacerlas más permeables. El óxido nítrico se ha implicado en el inicio y la inhibición de la apoptosis a través de su posible acción como molécula señalizadora 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 con el factor activador de la proteasa apoptótica - 1 (Apaf-1) y ATP, que luego se unen a la pro-caspasa-9 para crear un complejo proteico conocido como apoptosoma. El apoptosoma escinde la procaspasa en su forma activa de caspasa-9, que a su vez escinde y activa la procaspasa 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 tras el aumento de la permeabilidad de las membranas de las mitocondrias. SMAC se une a las proteínas que inhiben la apoptosis (IAP), desactivándolas y evitando que las IAP detengan el proceso y, por lo tanto, permitan que continúe la apoptosis. 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

Panorama general de las vías de transducción de señales

Resúmenes de señalización TNF (izquierda) y Fas (derecha) en apoptosis, un ejemplo de transducción de señal directa

Se han sugerido dos teorías del 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 modelo, ambos involucrando receptores de la familia TNF receptor (TNFR) acoplados a señales extrínsecas.

Vía del TNF

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 TNF receptor-associated death domain (TRADD) y Fas-associated death domain protein (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 forma independiente a la caspasa. El vínculo entre TNF-alfa y la 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 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 luminiscente (IPH), que imitan TRAIL y se unen a los receptores de muerte en las células cancerosas, induciendo así su apoptosis.

Vía 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 que induce la 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), el Fas-DISC inicia un ciclo de retroalimentación que aumenta en espiral hacia una mayor liberación 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 mamíferos, se logró un equilibrio entre proapoptótico (BAX, BID, BAK o BAD) y antiapoptótico (Bcl -Xl y Bcl-2) se establecen miembros 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 caspasas como el citocromo c y SMAC. El control de las proteínas proapoptóticas en condiciones celulares normales de células no apoptóticas no se conoce por completo, pero en general, Bax o Bak se activan mediante la activación de proteínas BH3 exclusivas, 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 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 sistema modelo ideal para el estudio de los mecanismos de apoptosis. De hecho, el yodo y la tiroxina también estimulan la espectacular apoptosis de las células de las branquias, cola y aletas de las larvas 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, lo que ayuda a los tumores a evadir la muerte celular y desarrollar resistencia a los medicamentos. La relación entre las 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 las proteínas IAP y Bcl-2, o factores de supervivencia como cFLIP, BNIP3, FADD, Akt y NF-κB.

Cascada de caspasa proteolítica: matando a la célula

Muchas vías y señales conducen a la apoptosis, pero convergen en un solo mecanismo que en realidad provoca la muerte de la célula. Después de que una célula recibe un estímulo, sufre una degradación organizada de organelos 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 descomposición 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 celular y el redondeo ocurren debido a la lamellipodia de retracción y la descomposición del citoesqueleto proteoso por cascadas.
2. El citoplasma aparece denso, y los organelles aparecen apretados.
3. La cromatina sufre condensación en parches compactos contra el sobre nuclear (también conocido como el sobre perinuclear) en un proceso conocido como piknosis, un sello distintivo de apoptosis.
4. El sobre nuclear se vuelve discontinuo y el ADN dentro se fragmenta en un proceso denominado karyorrhexis. El núcleo se rompe en varios discretos Cuerpos de cromotina o nucleosomal units debido a la degradación del ADN.

La apoptosis progresa rápidamente y sus productos se eliminan rápidamente, lo que dificulta su detección o visualización en secciones de histología clásica. Durante la cariorrexis, la activación de la endonucleasa deja fragmentos de ADN cortos, espaciados regularmente en tamaño. Estos dan una característica "escalera" apariencia en gel de agar después de la electroforesis. Las pruebas de laddering de 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 desechar la célula apoptótica, hay un proceso de desmontaje. Hay tres pasos reconocidos en el desmontaje de células apoptóticas:

1. Membrane blebbing: La membrana celular muestra brotes irregulares conocidos como blebs. Inicialmente estos son pequeñas manchas superficiales. Más adelante estos pueden crecer en las denominadas hemorragias dinámicas. Un regulador importante de la membrana de células apoptóticas es ROCK1 (coilada-coil-coil-conteniendo proteína kinase 1).
2. Formación de protrusiones de membrana: Algunos tipos de células, en condiciones específicas, pueden desarrollar diferentes tipos de extensiones largas y finas de la membrana celular llamada protrusiones de membrana. Se han descrito tres tipos: picos de microtúbulo, apoptopodia ()pies de muerte), y apoptopodia (este último tiene una apariencia de abalorios en la cuerda). Pannexin 1 es un componente importante de los canales de membrana involucrados en la formación de apoptopodia y apoptopodia.
3. Fragmentación: La célula se separa en múltiples vesículas llamadas apoptotic bodies, que se somete a la fagocitosis. Las protrusiones de membrana de plasma pueden ayudar a acercar los cuerpos apoptóticos a los fagocitos.

Eliminación de células muertas

La eliminación de células muertas por parte de las células fagocíticas vecinas se denomina eferocitosis. Las células moribundas que pasan por las etapas finales de la apoptosis muestran moléculas fagocíticas, como la fosfatidilserina, en su superficie celular. La fosfatidilserina normalmente se encuentra en la superficie interna de la membrana plasmática, pero se redistribuye durante la apoptosis a la superficie extracelular por una proteína conocida como scramblasa. 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 forma 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.

Pathway knock-outs

Se han realizado muchos knock-outs en las vías de 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 una desactivación 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 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 tienen anomalías estructurales o morfológicas graves. 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 específicos de IgG. Apaf-1 es la proteína que activa la caspasa 9 por 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 usó una estrategia de trampa génica 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 intragénicos. 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 knock-out para BAX-1 muestra una formación normal del prosencéfalo y una muerte celular programada reducida en algunas poblaciones neuronales y en la médula espinal, lo que conduce a un aumento de las neuronas motoras.

Las proteínas caspasa son partes integrales de la vía de la apoptosis, por lo que se deduce que los knock-outs producidos tienen resultados dañinos variables. Un knock-out de caspasa 9 conduce a una malformación cerebral grave. Un knock-out de caspasa 8 conduce a insuficiencia cardíaca y, por lo tanto, a la letalidad embrionaria. Sin embargo, con el uso de la tecnología cre-lox, se ha creado un knock-out de caspasa 8 que muestra un aumento en 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 la radiación UV, fármacos quimioterapéuticos y otros estímulos. Finalmente, una inactivación de caspasa 3 se caracterizó por masas de células ectópicas en el cerebro y características apoptóticas anormales, como ampollas en la membrana o fragmentación nuclear. Una característica notable de estos ratones KO es que tienen un fenotipo muy restringido: los ratones Casp3, 9, APAF-1 KO tienen deformaciones del tejido neural y FADD y Casp 8 KO mostraron un desarrollo cardíaco defectuoso, sin embargo, en ambos tipos de KO otros órganos se desarrolló normalmente y algunos tipos de células aún eran sensibles a los estímulos apoptóticos, lo que sugiere que existen vías proapoptóticas desconocidas.

Métodos para distinguir las células apoptóticas de las necróticas

Imágenes de células vivas a largo plazo (12h) de ratón multinucleado pre-Adipocito tratando de someterse a mitosis. Debido al exceso de material genético, la célula no replica y muere por apoptosis.

Se pueden usar imágenes de células vivas sin etiquetas, microscopía de lapso de tiempo, fluorocitometría de flujo y microscopía electrónica de transmisión para comparar células apoptóticas y necróticas. También existen diversas técnicas bioquímicas para el análisis de marcadores de superficie celular (exposición a fosfatidilserina versus permeabilidad celular por citometría de flujo), marcadores celulares como fragmentación de ADN (citometría de flujo), activación de caspasas, escisión de Bid y liberación de citocromo c (Western blotting). El cribado del sobrenadante para la liberación de caspasas, HMGB1 y citoqueratina 18 puede identificar las células necróticas primarias de las secundarias. Sin embargo, todavía no se han identificado marcadores bioquímicos o de superficie distintos de muerte celular necrótica, y solo se dispone de marcadores negativos. Estos incluyen la 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 se pueden usar para distinguir la apoptosis de las células necroptóticas.

Implicación en la enfermedad

Una sección del hígado del ratón que muestra varias células apoptóticas, indicadas por flechas

Una sección del hígado del ratón manchada para mostrar células sometidas a apoptosis (orange)

Carmiocitos neonatales ultraestructura tras la 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 comprenden. Como una vía es de naturaleza más o menos secuencial, la eliminación o modificación de 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 práctica, 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 sufrir apoptosis normales. Esto da como resultado una celda que vive más allá de su "fecha de caducidad" y es capaz de replicar y transmitir cualquier maquinaria defectuosa a su descendencia, lo que aumenta la probabilidad de que la célula se vuelva cancerosa o enferma.

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 la apoptosis ligado al cromosoma X (XIAP) se sobreexpresa en células de la línea celular H460. Los XIAP se unen a la forma procesada de caspasa-9 y suprimen la actividad del activador apoptótico citocromo c, 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 que se les indica que mueran. Los defectos en la regulación de la apoptosis en las células cancerosas ocurren a menudo al nivel del 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 de supervivencia externas 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 el interferón alfa y el interferón beta, que inducen la transcripción del gen p53, lo que da como resultado un aumento del nivel de proteína p53 y una mejora de la apoptosis de las células cancerosas. p53 evita que la célula se replique al detener el ciclo celular en G1, o interfase, para darle tiempo a la célula para que se repare; sin embargo, inducirá la apoptosis si el daño es extenso y fallan los esfuerzos de reparación. Cualquier interrupción de la regulación de los genes p53 o del interferón dará como resultado una apoptosis alterada y la posible formación de tumores.

Inhibición

La inhibición de la apoptosis puede provocar varios tipos de cáncer, enfermedades inflamatorias e infecciones virales. Originalmente se creía que la acumulación de células asociada se debía a un aumento en la proliferación celular, pero ahora se sabe que también se debe a una disminución en la muerte celular. La más común de estas enfermedades es el cáncer, la enfermedad de proliferación celular excesiva, que a menudo se caracteriza por una sobreexpresión de 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) mutan o se desactivan 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, p. citocromo C. La inactivación patológica de la apoptosis en las células cancerosas se correlaciona con cambios metabólicos respiratorios frecuentes hacia la glucólisis (una observación conocida como la "hipótesis de Warburg".

Célula 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. HPV E6 y E7 son proteínas inhibidoras expresadas por el virus del papiloma humano, siendo el HPV responsable de la formación del tumor cervical del que se derivan las células HeLa. HPV E6 hace que p53, que regula el ciclo celular, se vuelva inactivo. HPV E7 se une a las proteínas supresoras de tumores de retinoblastoma y limita su capacidad para controlar la división celular. Estas dos proteínas inhibidoras son parcialmente responsables de las células HeLa' inmortalidad al inhibir la apoptosis para que ocurra. El virus del moquillo canino (CDV) es capaz de inducir la apoptosis a pesar de la presencia de estas proteínas inhibidoras. Esta es una propiedad oncolítica importante del CDV: este virus es capaz de matar células de linfoma canino. Las oncoproteínas E6 y E7 aún dejan inactiva a p53, pero no son capaces de 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, lo 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 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.

Tratamientos

El principal método de tratamiento para la muerte potencial por enfermedades relacionadas con la señalización consiste en aumentar o disminuir la susceptibilidad de 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 involucradas con 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 funciona para detener el ciclo de las células y provoca la activación de la apoptosis al bloquear el crecimiento y la señalización de supervivencia aguas arriba. Finalmente, la adición de complejos 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 ruta de señalización de la muerte.

La apoptosis es un programa de muerte celular de varios pasos y múltiples 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 con quimioterapia e irradiación mata las células diana principalmente al inducir la apoptosis.

Apoptosis hiperactiva

Por otro lado, la pérdida de control de la muerte celular (que da como resultado un exceso de apoptosis) puede provocar enfermedades neurodegenerativas, enfermedades hematológicas y daño tisular. Es interesante señalar 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 las enfermedades neurodegenerativas y el cáncer. La progresión del VIH está directamente relacionada con un exceso de apoptosis no regulada. En un individuo sano, el número de linfocitos CD4+ está en equilibrio con las células generadas por la médula ósea; sin embargo, en pacientes VIH positivos, 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 descontrolada, cuando son estimulados. A nivel molecular, la apoptosis hiperactiva puede ser causada por defectos en las vías de señalización que regulan las proteínas de la familia Bcl-2. La expresión aumentada de proteínas apoptóticas como BIM, o su proteólisis disminuida, conduce a la muerte celular y puede causar una serie de patologías, dependiendo de las células donde 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 el aumento de la proteólisis de BIM.

Tratamientos

Tratamientos destinados a inhibir las obras de bloqueo de caspasas específicas. Finalmente, la proteína quinasa Akt promueve la supervivencia celular a través de dos vías. Akt fosforila e inhibe Bad (un miembro de la familia Bcl-2), lo que hace que Bad interactúe con el andamiaje 14-3-3, lo que da como resultado la disociación de Bcl y, por lo 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 descubierto que NF-κB desempeña 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 al SIDA se debe principalmente a la disminución de los linfocitos T auxiliares CD4+ de una manera que es demasiado rápida para que la médula ósea del cuerpo reponga las células, lo que lleva a un compromiso sistema inmunitario. Uno de los mecanismos por los que se agotan las células T auxiliares es la apoptosis, que resulta de una serie de vías bioquímicas:

1. enzimas del VIH desactivan antiapoptótico Bcl-2. Esto no causa directamente la muerte celular sino que prepara la célula para la apoptosis debe recibir la señal apropiada. En paralelo, estas enzimas activan proapoptotic Procaspase... 8, que activa directamente los eventos mitocondriales de la apoptosis.
2. El VIH puede aumentar el nivel de proteínas celulares que incitan a la apoptosis mediada por Fas.
3. Las proteínas del VIH disminuyen la cantidad de marcadores de glucoproteína CD4 presentes en la membrana celular.
4. Las partículas virales liberadas y las proteínas presentes en líquido extracelular son capaces de inducir apoptosis en células ayudadoras T cercanas "por estándar".
5. El VIH disminuye la producción de moléculas involucradas en marcar la célula para la apoptosis, dando tiempo al virus para replicar 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 las infecciones virales. La expresión de VIH-1 induce la detención y apoptosis de G2/M de 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 dado 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 and apoptosis'. Usando el compuesto sintetizado heptanoilfosfatidil L-inositol pentakisfosfato (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 tiene que realizar más investigaciones sobre la combinación de la terapia farmacológica que existe actualmente con este "bloqueo y apoptosis" enfoque para conducir a la recuperación completa del VIH.

Infección viral

La inducción viral de la apoptosis se produce cuando una o varias células de un organismo vivo se infectan con un virus, lo que provoca 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:

• Receptor binding
• Activación de proteína kinase R (PKR)
• Interacción con p53
• Expresión de proteínas virales acopladas a proteínas MHC en la superficie de la célula infectada, permitiendo el reconocimiento por células del sistema inmunitario (tales como Killer natural y células T citotóxicas) que luego inducen a la célula infectada a someterse a 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 el CDV generalmente se induce a través de la vía extrínseca, que activa las caspasas que interrumpen la función celular y finalmente conducen a la muerte de las células. En las células normales, el CDV activa primero la caspasa-8, que funciona 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 ejecutora se activa 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 ratón.

OROV es una enfermedad que se transmite entre humanos por la picadura del mosquito (Culicoides paraensis). Se le 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 provoca 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 degenerar poco después de infectarse.

Con el uso de electroforesis en gel, se puede observar que OROV provoca la fragmentación del ADN en las células HeLa. Puede interpretarse 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 necesaria la eliminación del recubrimiento viral, la internalización viral, junto con la replicación de las células. La apoptosis en algunos virus es activada por estímulos extracelulares. Sin embargo, los estudios han demostrado que la infección por OROV hace que se active 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 virales Bcl-2 incluyen la proteína BHRF1 del virus Epstein-Barr y la proteína E1B 19K del adenovirus. Algunos virus expresan inhibidores de la caspasa que inhiben la actividad de la caspasa y un ejemplo es la proteína CrmA de los virus de la viruela bovina. Mientras que una serie de virus pueden bloquear los efectos de TNF y Fas. Por ejemplo, la proteína M-T2 de los virus del mixoma puede unirse al TNF evitando que se una al receptor del TNF e inducir 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 E1B-55K del adenovirus y la proteína HBx del virus de la hepatitis B son ejemplos de proteínas virales que pueden realizar tal 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 sean engullidos por los fagocitos impide el inicio de una respuesta del huésped. Esto favorece la propagación del virus.

Plantas

La muerte celular programada en las plantas tiene una serie de similitudes moleculares con la apoptosis animal, pero también tiene diferencias, entre las que destacan la presencia de una pared celular y la falta de un sistema inmunitario que elimine los fragmentos 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. Además, las plantas no contienen células fagocíticas, que son esenciales en el proceso de descomposición y eliminación de cuerpos apoptóticos. No está claro si todo este proceso se parece lo suficiente a la apoptosis animal como para justificar el uso del nombre apoptosis (a diferencia de la muerte celular programada más general).

Apoptosis independiente de caspasa

La caracterización de las caspasas permitió el desarrollo de inhibidores de caspasas, que se pueden utilizar para determinar si un proceso celular involucra caspasas activas. Usando estos inhibidores se descubrió que las células pueden morir mientras muestran 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 la mitocondria y su translocación al núcleo mediada por su NLS (señal de localización nuclear). Dentro de las mitocondrias, AIF está anclado a la membrana interna. Para ser liberada, la proteína es escindida por una calpaína proteasa dependiente de calcio.

Notas explicativas