Apoptosis, una forma elegante y ordenada de morir

Tiempo atrás ya hice una entrada en el blog acerca de este tema titulada Crónica de una muerte anunciada del profesor Jose Carlos Dávila Cansino de la Universidad de Málaga. Pero hoy me animo yo a explicaros un poco más de que va esto.

Primero que nada aclarar que aunque la mayoría de veces el concepto de apoptosis va asociado a muerte celular programada no siempre ocurre así. La muerte celular programada se da porque como su propio nombre indica está predefinida en el patrón de expresión génica, en muchas ocasiones son células jóvenes y en perfecto funcionamiento las que mueren, como ocurre por ejemplo en la “reabsorción” de la cola de los anfibios durante el paso del estado larvario al adulto. La apoptosis es la muerte celular de forma ordenada, siguiendo una pauta de cambios morfológicos que reducen la célula a pequeñas vesículas que van a ser endocitadas o bien por las propias células vecinas o por macrófagos que las van a reconocer. Esto no significa que una célula presente apoptosis haya muerto por muerte celular programada, por ejemplo la adición de barbitúricos produce apoptosis, una muerte ordenada de las células, sin embargo no estamos hablando de muerte celular programada.

A pesar de esta diferencia es cierto que la mayoría de veces la muerte celular programada sigue el patrón apoptótico. En el momento en que llega el señal a los receptores de muerte se produce una cadena de transducción en el interior de la célula que implica una serie de proteínas denominadas proteínas de muerte. 

Estas proteínas implicadas en la muerte celular fueron descubiertas en C. elegans y tienen sus respectivos homólogos en humanos. 

Hay 3 genes principales implicados en la muerte celular programada, todos pertenecen a la misma familia. El gen Ced3 codifica para una familia de proteínas conocidas como caspasas, de las cuales hablaré después. El gen Ced4 activa la transcripción del gen Ced3, y finalmente el gen Ced9 impide la transcripción del gen Ced4 y por tanto la entrada en la muerte celular.

En cuanto a las caspasas todas ellas participan en la apoptosis, se han descrito hasta 13 diferentes y se pueden dividir en dos grupos, las iniciadoras (2, 8, 9 y 10) y las efectoras (3, 6 y 7), al parecer las iniciadoras son activadas directamente por los receptores y las efectoras activadas por las iniciadoras, pero todas ellas participan en el proceso ya que todas poseen actividad proteolítica. 

Estas proteasas empiezan a desmantelar la célula, hidrolizando la lámina nuclear, activando a las nucleasas, componentes citoesqueléticos…

Por lo visto la vida o muerte depende del balance entre los genes Ced9 (vivir)  y Ced4 (morir). ¿Pero quien decanta la balanza hacia Ced4?

Cuando los receptores de muerte detectan una la señal específica se provoca un incremento en la concentración de un glucolípido que se encuentra normalmente en la mitad exterior de la bicapa y que al aumentar la concentración pasa al interior e incluso se difunde por el citoplasma, es la ceramida. Cuando la ceramida se une a la membrana externa de la mitocondria provoca un cambio en la permeabilidad, liberándose el CytC y el AIF (factor inductor de la apoptosi). Cuando esto ocurre deja de transcribirse Ced9 que bloqueaba Ced4, y empieza la transcripción de Ced4, que activa Ced3, aparecen las caspasas y a la célula sólo le queda despedirse de sus vecinas porque ya tiene marcado su final y es algo irreversible. Aquí os dejo una animación de todo el proceso:

Toxinas y la conversión fágica

Después de una ajetreada vuelta de vacaciones de Pascua por trabajos, exámenes, viaje a Madrid, reuniones…me detengo a escribir un ratito porque es bueno que haya movimiento por el blog que si no se vuelve monótono.

Las toxinas a las que me refiero en el título son toxinas producidas por microorganismos que dan lugar a ciertas patologías. Se trata la mayoría de veces de proteínas producidas por los microorganismos y que producen efectos adversos en el hospedador que las acoge, pero más curioso aun es, al menos para mí, el origen genético de estas.


No todas las bacterias, aunque sean de la misma especie, son capaces de sintetizar dicha toxina, en muchas ocasiones dicha capacidad reside en el genoma de un fago lisogénico. Cuando el fago lisogeniza la célula el DNA pasa al estado de profago, y además de inmunidad frente a otra posible infección la bacteria adquiere nuevas características entre ellas la producción de toxinas. Este fenómeno es conocido como conversión fágica.

Uno de los ejemplos más significativos es el de la difteria. Esta enfermedad está causada por una exotoxina de Corynebacterium diphteriae. No obstante no todas las cepas son capaces de producir dicha toxina, tan sólo aquellas cepas que son lisogénicas para un bacteriófago llamado fago beta en cuyo genoma está codificada la toxina.

En este caso se trata de una toxina de tipo A-B. El factor B cuando entra en contacto con las células del hospedador se une irreversiblemente al receptor y al mismo tiempo permite la entrada del fragmento A en el citoplasma. Es este fragmento el que va a interferir en la fisiología de la célula y en concreto en la síntesis proteica ya que va a interaccionar con el factor de elongación EFII al catalizar una ADP-ribosilación. A partir de este momento se ve afectada la síntesis proteica.

 

 

Este es un ejemplo, pero no es el único, en el caso del botulismo  causado por las toxinas que produce Clostridium botulinum, de las cuales al menos 2 de las 7 descritas están codificadas por bacteriófagos. Otro ejemplo muy estudiado es el de Salmonella anatum.

Estas patologías quedan asociadas directamente a las bacterias que hemos nombrado, pero no hay que olvidar que realmente, el causante de la patología es el profago ya que si no hay lisogenización la cepa bacteriana no es capaz de producir la toxina causante de la patología.

Madigan, M. T., Gacto Fernández, M., Martinko, J. M., Parker, J. 2004. Brock biología de los microorganismos. 10̇ ed. Prentice Hall Iberia, Madrid. 1011, [53] pp

Determinación del sexo

La mayoría de los que pasáis por este blog conocéis de sobra la determinación del sexo en mamíferos, que viene definido por los cromosomas sexuales (eso no implica que un día no dedique una entrada para explicar más detalladamente el mecanismo) pero hay algunos casos en que hay una prevalencia epigenética sobre el genotipo, es decir, tienen más peso otros factores externos en la determinación del sexo que el propio genotipo.

En el caso de algunos equinoideos como Boneilla viridis (a la izquierda) el sexo se  determina según el lugar de maduración de la larva. Si la larva hace contacto en un sitio en donde hay hembras se desarrollará como macho y si llega a un entorno si hembras se desarrollará como hembra. Las hembras poseen probóscide y los machos no, y al parecer es la presencia de una sustancia emitida por la probóscide lo que induce el desarrollo como machos.




Los gasterópodos del género Crepídula (derecha) son individuos coloniales, se amotinan unos encima de otros, que presentan la peculiaridad de que los juveniles son todos machos y al llegar la madurez sexual pierden la condición  masculinas y entran en una etapa de sexo indiferenciado y a partir de este momento van a adquirir el sexo opuesto al del individuo sobre el que están fijados para facilitar la reproducción sexual.

Los factores sociales también pueden modificar el sexo genético como en el caso de algunos peces tropicales, entre ellos el pez payaso o más conocido como NEMO (que daño hacen este tipo de dibujos…). En el caso de estos peces siempre hay uno que actúa como jefe del grupo, siempre el individuo más grande de todos. Cuando el individuo dominante debe ser sustituido por otro, el “heredero”, la primera pauta es que sea el siguiente individuo más grande, y la segunda que sea macho, en el caso de que el individuo más grande después del dominante sea una hembra esta se convertirá en macho. En este caso la ausencia de jefe provocara la secreción de hormonas hipotalámicas que darán lugar a cambios en las gónadas produciéndose la diferenciación sexual.

Otro ejemplo de determinación del sexo archiconocido es el de algunos grupos de reptiles, cocodrilianos, quelónidos y algunos lacértidos, en que los cromosomas sexuales se expresan según los rangos de temperatura en machos o hembras pudiendo ser controlada la proporción de sexos durante la puesta según la profundidad a la que se entierren los huevos.

Eso sí, aunque sean calificados de epigenéticos no debemos olvidar que en última instancia la determinación del sexo es genética, aunque el factor determinante, sea por ejemplo la temperatura, ésta marcará la pauta, pero según sea una u otra se traducirán unos genes u otros.

Modelo termodinámico del desarrollo temprano

En una entrada de hace unos meses os expliqué la importancia de las proteínas de reconocimiento en el proceso del desplazamiento celular durante la gastrulación para la formación de las tres hojas embrionarias.

Como se pudo ver en esa entrada al final de la gastrulación poblaciones de células distintas quedaban en disposiciones distintas, unas en la parte externa como el ectodermo, otras en la parte interna, como el endodermo…ya explicamos el mecanismo por el cuál las células llegaban a ocupar esas posiciones, pero ¿por qué?¿Por qué no nos encontramos con células ectodérmicas y endodérmicas alternadas?

El modelo que trata de explicar este fenómeno se conoce como el modelo termodinámico del desarrollo temprano que se basa en la ordenación y disposición de las células según su fuerza de unión entre ella:

1.- Distribución selectiva: en donde una población de células “a” queda dentro de otra población de células externas “b”. Este fenómeno ocurre cuando la fuerza de unión homotípica entre las células de la población “a” es mucho más fuerte que la de las células “b”, quedando las de mayor fuerza de unión en la parte más interna.

2.- Distribución al azar: se da cuando la fuerza de unión heterotípica (a – b) es mayor o igual que cualquiera de las uniones homotípicas, como es el caso de las células mesodérmicas.

3.-Distribución en poblaciones separadas; se da cuando las fuerzas de unión homotípicas de las poblaciones “a” y “b” son iguales entre sí y muy superiores a las uniones heterotípicas como ocurre con la ectoderma y la endoderma.

Control genético de los ritmos circadianos: Neurospora crassa

Después de un tiempo sin poder actualizar por asuntos académicos vuelvo con una entrada acerca de los estudios genéticos y su importancia en el correcto funcionamiento de los relojes circadianos. Es una ampliación de un seminario que tengo que exponer junto con unos compañeros en el mes de mayo, pero como la extensión es limitada no puedo meterme en muchos detalles en el seminario, pero como este es mi blog y no hay reglas me puedo expandir todo lo que quiera.

Los estudios genéticos han sido de gran utilidad para obtener información sobre la naturaleza del oscilador del reloj circadiano. El objetivo perseguido en todos los casos ha sido el aislamiento y la caracterización de los genes que intervienen en los ritmos circadianos. Los primeros estudios se hicieron en Neurospora crassa y en Drosophila melanogaster.

Figura 1. Imagen de microscopía de barrido de hifas y cuerpos fructíferos de Neurospora crassa .

En este caso trataremos el reloj de Neurospora crassa (figura 1), uno de los más estudiados por su facilidad de mantenimiento en laboratorio,uno de los modelos de oscilador que se postulan es el de la figura 2.

Figura 2. Ciclos de retroalimentación conectados entre sí en Neurospora crasa. Modificado de: Dunlap,Jay C. 1996.

Dos son los genes que se han clonado de Neurospora crassa, el gen frq y el gen prd-4, que están relacionadas con los relojes circadianos . Al parecer uno de estos dos frq es uno de los componentes principales del reloj circadiano. Se conocen dos transcritos de este gen de diferente longitud y lo que varía principalmente es el número de repeticiones ATG 5’ upstream. El transcrito, la proteína FRQ, tiene una serie de características que corresponden a un factor de transcripción, como son un dominio hélice-vuelta-hélice de unión a DNA, se localiza en el núcleo y puede activar la transcripción en levaduras (Dunlap,Jay C. 1996). Otros elementos que intervienen en el ciclo son los factores WHITE COLLAR-1 y 2, o lo que es lo mismo WC-1 y WC-2 (Brunner,Michael 2006). Además de los componentes anteriormente nombrados aparecen también otras proteínas como quinasas y fosfatasas que no serán nombradas porque participan en muchos de los procesos de señalización celular y son un mecanismo común. El oscilador en Neurospora funciona como un ciclo de retroalimentación negativa. Este ciclo se establece entre FRQ, WC-1 y WC-2. Estos elementos son interdependientes entre sí. La transcripción del gen frq está controlada por WC-1 y WC-2 (figura 2). Además FRQ inhibe la actividad de WC-1 y WC-2 y por tanto autoregula los niveles de FRQ (Brunner,Michael 2006).

Figura 3. Representación de los niveles de frq RNA, FRQ y WC-1. En el caso de FRQ los niveles citosólicos se muestran con una línea discontinua y los nucleares en una línea gris. La zona coloreada de gris representa la "noche" del ciclo

WCC, es decir WC-1 y WC-2, se localizan predominantemente en el núcleo, pero también está presente en el citosol , hay que tener en cuenta que es allí en donde la proteína es sintetizada, una vez se ensamblan los dos componentes WCC pasa rápidamente al núcleo. Una vez aquí WCC activa la transcripción de frq de “noche” y los niveles de FRQ alcanzarían un máximo nivel por la “tarde”. Después de su síntesis FRQ recluta una quinasa CK1a y inactiva el complejo WCC en el núcleo fosforilándolo. Esto provoca que el complejo WCC deje de promover la transcripción de FRQ y que sus niveles en el núcleo vayan disminuyendo, y a su vez los niveles de WCC inactivo, fosforilado, vayan aumentando y se establezca un equilibrio entre el citosol y el núcleo. A lo largo del ciclo FRQ es progresivamente hiperfosforilado por quinasas, entre ellas CK1a. En el citosol nos encontramos con un FRQ-CK1 hiperfosforilado y con WCC también fosforilado. No obstante el WCC fosforilado en el citosol permanece inactivo per es muy estable. La hiperfosforilación de FRQ se produce a lo largo del ciclo y su degradación se produce durante la “noche”. Cuando los niveles de FRQ-hiperfosforilado disminuyen una fosfatasa (PP2A-depenent) predomina cinéticamente sobre el FRQ unido a la quinasa de manera que WCC es progresivamente activado, entre en el núcleo y activa la transcripción de frq de nuevo(Brunner,Michael 2006). El resultado de todo este proceso es la oscilación de los diferentes componentes, del frq RNA, de FRQ y de WC-1 (figura 3).

Brunner, M. and Schafmeier, T. (2006) Transcriptional and posttranscriptional regulation of the circadian clock of cyanobacteria and Neurospora. Genes & Dev. 20, 1061-1074 (Review).

 Dunlap J C (1996) Genetics and molecular analysis of circadian rhythms. Annual review of genetics 1996;30():579-601.