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APOPTOSIS
Mientras los filósofos buscan el significado de la vida, los biólogos están más interesados en el significado de la muerte
Valerie Fadok
ApoptosisN
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Apoptosis
Year1970 1980 1990 2000
0100020003000400050006000700080009000
10000
100
9876
19721972
2007 2008123411 147025
AutoinmunidadAutoinmunidad SIDASIDACáncerCáncer AlzheimerAlzheimer
Apoptosis fisiológicaApoptosis fisiológica
DefectoDefecto ExcesoExceso
ÍNDICE1. Fases y características de la apoptosis
2. Apoptosis y filogenia2.1. Caenorhabditis elegans2.2. Drosophila melanogaster2.3. Apoptosis en vertebrados
3. La maquinaria de la muerte celular en humanos 3.1. Caspasas 3.2. Sustratos de caspasas 3.3. Inhibidores de caspasas 3.4. Vías de inducción de apoptosis
3.4.1. Vía extrínseca o de los receptores de muerte3.4.2. Vía intrínseca o mitocondrial
1) FASES Y 1) FASES Y
CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS
DE LA APOPTOSISDE LA APOPTOSIS
Fases de la apoptosis
1. 1. DecisiónDecisión
2. 2. EjecuciónEjecución
4. 4. DegradaciónDegradación y y presentación presentación
antígenosantígenos
3. 3. FagocitosisFagocitosis
DesequilibrioDesequilibrioentre factoresentre factoresinductores einductores einhibidoresinhibidores
Temprana:Temprana:
Activación Activación de proteasas yde proteasas yendonucleasasendonucleasas
InIntermedia:termedia:Fragmentación DNA Fragmentación DNA
TardTardíía:a:Emisión de Emisión de
cuerpos apoptóticoscuerpos apoptóticos
Activación Activación de receptoresde receptores
Detección Detección de fosfatidil de fosfatidil serina (PS)serina (PS)
Evita liberación de componentes intracelulares inflamación TGF
Diferencias entre Diferencias entre apoptosis y necrosis.apoptosis y necrosis.
ApoptosisApoptosis NecrosisNecrosis(Oncosis)(Oncosis)
Programada genéticamenteProgramada genéticamente Accidental.Accidental.
Se mantieneSe mantiene Se rompeSe rompe
DisminuyeDisminuye aumentaaumenta
Se preservan Se preservan Se desintegran Se desintegran
Fragmentación del DNAFragmentación del DNA tardía tardía
fragmentosfragmentos grandesgrandes
.. En cuerpos apoptóticosEn cuerpos apoptóticos rodeados por membrana rodeados por membrana
Son reconocidosSon reconocidos y fagocitados y fagocitados
Los contenidosLos contenidos de los orgánulosde los orgánulos
se liberanse liberan
Inducen Inducen inflamación local.inflamación local.
Membrana.Membrana.
Tamaño celularTamaño celular
Orgánulos.Orgánulos.
TempranaTemprana fragmentos fragmentos
oligonucleosomalesoligonucleosomales
Fragmentación celularFragmentación celular
Restos celularesRestos celulares
MecanismoMecanismo
CARACTERÍSTICAS DE LA APOPTOSIS
Consecuencias de la apoptosisLa célula se fragmenta en cuerpos apoptóticos La célula se fragmenta en cuerpos apoptóticos con PS en la cara exterior de su membranacon PS en la cara exterior de su membrana
Las células fagocíticas:Las células fagocíticas:
• Reconocen PS y fagocitan los cuerpos Reconocen PS y fagocitan los cuerpos apoptóticos apoptóticos
• Al fagocitarlos producen mediadores anti-Al fagocitarlos producen mediadores anti-inflamatoriosinflamatorios
Consecuencias de la apoptosis
1.1. Se impide la liberación de los contenidos Se impide la liberación de los contenidos celulares al espacio extracelular celulares al espacio extracelular
2.2. Permite muerte celular sin inflamación Permite muerte celular sin inflamación
3.3. La apoptosis permite la muerte celular La apoptosis permite la muerte celular sin provocar daño a las células sin provocar daño a las células adyacentesadyacentes
2) APOPTOSIS Y 2) APOPTOSIS Y
FILOGENIAFILOGENIA
2. Apoptosis y filogenia
2.1. Caenorhabditis elegans
2.2. Drosophila melanogaster
2.3. Vertebrados
2.1. C. elegans- Primera evidencia de una base genética de la apoptosis.
- Desarrollo invariante y lineal.
- Durante la ontogenia de un gusano adulto hermafrodita, 131 céls
de la 1090 céls somáticas mueren por apoptosis (959 céls).
- Análisis genético que determinó genes específicos para la
regulación de la apoptosis:
- egl-1
- ced-3
- ced-4
- ced-9
2.1. C. elegans
A) Mutaciones con pérdida de función en egl-1, ced-3 o ced-4
provocan la supervivencia de las 131 céls: genes
inductores de apoptosis.
B) Gen supresor de apoptosis, ced-9
- Mutantes carentes de ced-9: muerte durante el
desarrollo por muerte masiva de céls
- Ganancia de función: supervivencia de la 131 céls.
2.1. C. elegansLa maquinaria básica de muerte celular está altamente conservada
en la evolución de los metazoos
- ced-3 es una cistein proteasa con dominios de interacción
q forman una estruc. parecida al apoptosoma: caspasa iniciadora
- ced-4 es una proteína adaptadora q desencadenaría la
activación de ced-3 si no estuviera unida a ced-9.
- ced-9 es supresora de muerte celular y homóloga a Bcl-2.
- egl-1 desplaza a ced-9 de ced-4.
2.1. C. elegans
2.2. D. melanogasterSimilitudes con C. elegans:
- Caspasas
- Adaptadores
- Supresores
Aparecen:
- p53
- IAPs
- Mitocondria
2.2. D. melanogaster
2.3. VERTEBRADOS
1. Tanto en C. elegans como en D. melanogaster el desarrollo está
restricto a la vida temprana o a la metamorfosis.
2. En vertebrados la morfogénesis, el remodelado y la regeneración
se produce abundantemente en muchos tejidos a lo largo de toda la
vida.
3. La maquinaria apoptótica es homóloga a invertebrados aunque
más elaborada y degenerada.
2.3. VERTEBRADOS
En mamíferos aparece:
1. Familia de receptores de muerte cuyo reconocimiento
desencadena activación de caspasas y muerte.
2. Daños pro-apoptóticos impactan directamente en la
mitocondria y liberan péptidos pro-apoptóticos:
- Holocitocromo c
- Smac/DIABLO que antagoniza la actividad anti-
apoptótica de XIAP.
2.3. VERTEBRADOS
3) MAQUINARIA DE LA MUERTE 3) MAQUINARIA DE LA MUERTE
CELULAR EN HUMANOSCELULAR EN HUMANOS
3. Maquinaria de la muerte celular en humanos
3.1. Caspasas
3.2. Sustratos de caspasas
3.3. Inhibidores de caspasas
3.4. Vías de inducción de apoptosis
3.4.1. Vía extrínseca
3.4.2. Vía intrínseca
3.1. CASPASAS3.1. CASPASAS
CASPASAS- Son cistein proteasas específicas de aspartato (caspase)
- Se expresan como proenzimas (zimógenos)
- Presentan 3 dominios:
1. Prodominio terminal
2. Subunidad larga (p20) que contiene el centro activo
3. C-terminal que es la subunidad pequeña (p10)
Prodominio terminal
Subunidad larga (p20)
Subunidad pequeña (p10)
Asp
Asp
ACTIVACIÓN DE CASPASAS
Asp
Asp Caspasainiciadora
Caspasaactiva
MECANISMOS DE ACTIVACIÓN DE CASPASAS
1. Activación por otra caspasa
2. Activación inducida por proximidad
3. Asociación con una subunidad reguladora
1. ACTIVACIÓN POR OTRAS CASPASAS
- Activación de una caspasa por otra previamente activada:
cascada de caspasas
- Caspasas con prodominio corto: Caspasas efectoras
- Caspasas –3, -6, -7.
- Amplificación e integración de señales
1. ACTIVACIÓN POR OTRAS CASPASAS
2. ACTIVACIÓN INDUCIDA POR PROXIMIDAD
- Activación de una caspasa por proximidad: Trimerización de
receptores que reclutan caspasas y se procesan mutuamente.
- Caspasas con prodominio largo: Caspasas iniciadoras.
- Caspasa -8.
- Implicada en vía extrínseca (CD95).
2. ACTIVACIÓN INDUCIDA POR PROXIMIDAD
3. ASOCIACIÓN CON UNA SUBUNIDAD REGULADORA- Activación de una caspasa a través de un cofactor.
- No se activa por proteolisis sino por cambio conformacional.
- Caspasas con prodominio largo: Caspasas iniciadoras.
- Caspasa -9. Cofactor: Apaf-1. Citocromo c.
- Implicada en vía intrínseca o mitocondrial.
3. ASOCIACIÓN CON UNA SUBUNIDAD REGULADORA
Apoptosoma
CASPASAS
- Las caspasas efectoras se activan proteolíticamente por otras
caspasas
- Las caspasas iniciadoras son activadas mediante interacciones
reguladas proteína-proteína.
3.2. SUSTRATOS DE 3.2. SUSTRATOS DE
CASPASASCASPASAS
SUSTRATOS DE CASPASAS
- La caspasa-3 es la última responsable de los efectos apoptóticos
junto con las caspasas -6 y –7.
- Estas 3 caspasas ejecutoras causan el fenotipo apoptótico:
1) Fragmentación de DNA
2) Alteraciones de la membrana plasmática
3) Translocación PS
1) FRAGMENTACIÓN DEL DNA
- La caspasa-3 actúa sobre el complejo DNasa activado por caspasa
(CAD) y sobre su inhibidor, iCAD.
iCAD CAD Caspasa-3
2) ALTERACIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA
- La caspasa-3 actúa sobre:
- La gelsolina - La fodrina
- Se disocia de membrana plasmática del citoesqueleto
- Formación de vesículas- Plegamiento de la membrana plasmática
3.3. INHIBIDORES 3.3. INHIBIDORES
DE CASPASASDE CASPASAS
INHIBIDORES DE CASPASAS
- Proteínas inhibidoras de apoptosis (IAP).
- Se identificaron en baculovirus. Hay al menos 5 en mamíferos:
- X-linked inhibitor of apoptosis (XIAP)- c-IAP1- c-IAP2- IAP neuronal- Survivina
- Todos inhiben caspasa –3 y –7 activa y procaspasa-9.
INHIBIDORES DE CASPASAS
Frenan la apoptosis por inhibición, unión y degradación:
1. Dominio repetido IAP de baculovirus (BIR) por el q el IAP se
une e inhibe a las caspasas. Entre 1-4 dominios BIR.
2. Dominio RING q actúa como una ligasa de ubiquitina:
degradación del IAP y de cualquier caspasa unida a él.
3. Dominio CARD: regulación directa o indirecta del
procesamiento de las caspasas. c-IAP1 y c-IAP2
INHIBIDORES DE CASPASAS
RING BIR3 BIR2 BIR1 XIAP
RING BIR3 BIR2 BIR1CARDc-IAP1c-IAP2
3.4) VÍAS DE INDUCCIÓN 3.4) VÍAS DE INDUCCIÓN
DE APOPTOSISDE APOPTOSIS
3.4) VÍAS DE INDUCCIÓN DE APOPTOSIS3.4) VÍAS DE INDUCCIÓN DE APOPTOSIS
Existen dos vías de inducción de apoptosis:
3.4.1. Vía extrínseca o vía de los receptores de muerte
3.4.2. Vía intrínseca o vía de la mitocondria
3.4.1. VÍA EXTRÍNSECA
- A través de receptores superficiales: receptores de muerte.
Receptores de la familia de TNFR: CD95, TNFR1, TNFR2. Tb
DR3, TRAIL...
- Requiere trimerización para la transducción de la señal.
- Al receptor activado se le asocia un complejo de proteínas:
dominio de señalización inductor de muerte (DISC, death-
induced signalling domain)
DISC
1. El adaptador FADD se une a través de su dominio de muerte
(DD) al dominio de muerte del receptor activado
2. FADD contiene un dominio efector de muerte (DED) que por
homología atrae procaspasa-8 o FLICE que se activa.
3. Inhibición debida a proteínas con dos dominios DED: proteína
inhibidora de FLICE (FLIP, FLICE-inhibitory protein).
c-FLIP
CD95L
CD95
FADD
DISCDD
Caspasa-8
Procaspasa-8DED
Caspasa-3Bid
3.4.1. VÍA EXTRÍNSECAFasFasL
MORT/FAAD
caspasa 8
Cambios apoptóticos extranucleares
Fragmentación nuclear
Formación de cuerpos apoptóticos
caspasa-6caspasa-7 caspasa-3
Hidrólisis de NuMA
Cambios apoptóticos nucleares
Fragmentación DNA
Condensación cromatina
Externalización de PS
Deshidratación citoplásmica
Bid Vía mitocondrial
3.4.1. VÍA EXTRÍNSECA
3.4.2. VÍA INTRÍNSECA- La regulación de la apoptosis en esta vía es debida a la familia de
Bcl-2.
- Bcl-2 fue descubierto como un proto-oncogén en el linfoma
folicular de células B y es homólogo a ced-9.
- Existen 19 miembros que se dividen en tres grupos.
- Cada miembro posee al menos uno de los cuatro motivos
conservados denominados dominios de homología con Bcl-2
(BH): BH1-BH4.
FAMILIA DE Bcl-21. Grupo I:
- Actividad anti-apoptótica
- Bcl-2, Bcl-XL, Bcl-w...
- 4 motivos BH: BH1-BH4
- Cola hidrofóbica en el C-terminal
2. Grupo II:
- Actividad pro-apoptótica
- Bax, Bak, Bok...
- Carecen de BH4
3. Grupo III:
- Actividad pro-apoptótica
- Bid, Bik, Bad, Bim...
- Sólo poseen el dominio BH3
- Pueden o no tener región transmembrana
CONTROL DE LA APOPTOSIS POR LA FAMILIA DE Bcl-2
- Los miembros de la familia de Bcl-2 intentan bloquear el
siguiente movimiento de otro.
- Algunos homodimerizan
- Se forman heterodímeros de miembros pro y anti-apoptóticos
neutralizándose
Gradientepro-apoptóticos
GradienteAnti-apoptóticos
MITOCONDRIA: CENTRO DE LA MUERTE CELULAR
La mitocondria no es sólo la central productora de energía de la
célula, también es un arsenal pues secuestra un potente
combinado de proteínas pro-apoptóticas:
1. Citocromo c: Componente junto con Apaf-1 y caspasa
9del apoptosoma
2. Smac/DIABLO (second mitochondria-derived activator
of caspases/direct IAP-binding protein with low pI): es
una proteína que inhibe IAPs secuestrándolas.
Daño genotóxico
p53
Bax
Bcl-2
citocromo c
Smac/DIABLOProcaspasa-9
Apaf-1
Procaspasa-3
caspasa-3
IAPs
Apoptosoma
INTEGRACIÓN DE LAS DOS VÍAS
APOPTOSIS
- Características definidas
- Regulada genéticamente
- Conservada en la evolución
- Muy regulada: patologías
- Inducida por señales externas e internas
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