1. Homeostasis
Una de las características de los seres vivos, ya sean células u organismos pluricelulares, es que crean un medio interno con unas condiciones lo más óptimas y estables posible para su supervivencia. Y esto ha de ser independiente de las fluctuaciones y agentes del medio externo. Estas condiciones varían según el tipo de organismo y el medio al que está adaptado a vivir. Por ejemplo, los organismos extremófilos viven bien en ambientes extremos. La homeostasis es el estado óptimo interno de los organismos y los mecanismos implicados en su mantenimiento. Algunas definiciones de homeostasis incluyen sólo al estado en equilibrio, es decir, al conjunto condiciones óptimas, mientras que en otras definiciones se incluyen sólo a los mecanismos fisiológicos que mantienen los valores óptimos. Cuando los mecanismos homeostáticos no consiguen mantener estos valores óptimos, o volver a ellos tras una perturbación, se producen las enfermedades. La medicina, trata de devolver al cuerpo humano a niveles óptimos, recuperar la homeostasis, a través de la manipulación celular o actuando en los sistemas fisiológicos corporales.
Los parámetros que se regulan para mantener la homeostasis son distintos según la escala. Así, la homeostasis sistémica es la del organismo completo, y se tienen en cuenta parámetros como la temperatura, presión sanguínea, niveles de glucosa, nivel de hormonas, pH sanguíneo, etcétera. Hay otra homeostasis a nivel de órgano, de tejidos, y por supuesto, está la homeostasis celular, que es la que vamos a tratar a partir de aquí.
La homeostasis celular se podría definir como una una serie de estados y procesos internos generados por la propia célula para mantener unas condiciones en las que su funcionalidad es óptima. Los valores de los parámetros que determinan estas condiciones (tales como disponibilidad de aminoácidos, factores tróficos, disponibilidad de ATP, hipoxia, temperatura, pH, estado oxidativo, integridad del ADN, funcionamiento de los orgánulos, presencia de patógenos, etcétera) se mueven entre unos límites. Es decir, la homeostasis es un proceso multifactorial y dinámico. De modo que las condiciones de homeostasis pueden oscilar entre los límites de un rango y los procesos homeostáticos son los que mantienen a la célula dentro de esos límites. Los límites o umbrales son los que definen la zona de confort de la célula.
2. Estrés celular
Salir de la zona de confort supone para una célula rebasar alguno de los límites que definen los rangos de los parámetros homeostáticos. Cuando esto ocurre las células disparan rápidamente diversos mecanismos moleculares internos para enfrentarse a dichas alteraciones y sus consecuencias. Es lo que se llama respuesta al estrés celular. Por supuesto, las células que están respondiendo a condiciones de estrés, lo comunican de algún modo al exterior, es decir, al resto del organismo.
Causas
Los estímulos o variaciones que inducen estrés celular pueden tener origen intracelular o extracelular.
Intracelular: daños en el ADN, problemas con el plegamiento de las proteínas, deterioro del funcionamiento de los orgánulos, aumento de sustancias oxidativas, etcétera.
Externos: carencia de factores tróficos, carencia de nutrientes, temperatura excesiva, sustancias tóxicas, hipoxia, patógenos, variaciones de pH, excesiva salinidad, etcétera. Obviamente las causas externas se convierten en causas internas cuando se alteran los parámetros celulares internos.
Respuesta al estrés celular
La respuesta al estrés incluye a los mecanismos moleculares que tratan de revertir las variaciones de los parámetros que se encuentran fuera del rango homeostático. En toda respuesta de las células a cualquier tipo de estrés hay tres categorías de componentes: los sensores, la cascada de señalización y los efectores.
Valores fuera de los rangos homeostáticos causan daños en las macromoléculas de las células, sobre todo ADN, proteínas y lípidos. Los sensores son las moléculas capaces de detectar estos daños, pero también parámetros como temperatura, grado de oxidación, nivel energético, nivel de oxígeno, etcétera. Dependiendo del tipo de estrés se activan unos sensores u otros. Los sensores a su vez disparan vías de señalización, es decir, activan moléculas que activan a otras moléculas, normalmente enzimas quinasas y factores de transcripción. Estas cascadas de señalización pueden ser más o menos complejas, pudiendo ramificarse mucho y afectar a una gran cantidad de componentes celulares que desencadenan varios tipos de procesos que corren en paralelo. Además, es frecuente que algunas de las moléculas de una cascada de señalización se compartan por otras cascadas de señalización de respuestas a otros tipos de estrés, de manera que se dan fenómenos de interconexión e interacción (convergencia), es decir, unas respuestas al estrés modulan o afectan a otras. Los efectores son los que llevan a cabo la reparación para contrarrestar el parámetro alterado (por ejemplo: reparación del ADN, plegamiento de proteínas, eliminación de radicales libres, aumento de la autofagia, detención del ciclo celular, etcétera), o muerte celular regulada.
Las células pueden responder al estrés desencadenando dos tipos de mecanismos: activación de procesos moleculares que promueven la supervivencia y contrarrestan el estrés. Aquí se incluyen multitud y variados tipos de procesos, pero hay algunos que participan en muchos tipos de estrés: proteínas de choque térmico, respuesta UPRRE (“unfolded protein response”) del retículo endoplasmático, reparación del ADN, reparación de daños oxidativos y autofagia. Si estos procesos no son capaces de mitigar el estrés y restaurar la homeostasis, se inician los procesos de muerte celular regulada (apoptosis, necrosis, otros) o en algunos casos la senescencia celular. Es decir, la célula primero pone en marcha mecanismos para sobrevivir, pero si eso no funciona inicia el proceso de muerte celular. Normalmente el proceso de muerte celular o senescencia se produce cuando el estrés es muy fuerte o muy prolongado. Este comportamiento está muy conservado durante la evolución. La multicelularidad ha provocado que los fenómenos de estrés sean informados al resto del organismo. La mayor parte de estos mecanismos producen señales paracrinas y endocrinas. Estas señales pueden ser cambios de forma celular y de las conexiones con el microambiente que las rodea, la exposición de determinadas moléculas en la superficie celular, y la liberación de iones, metabolitos, moléculas intracelulares, citoquinas o microvesículas. En muchas ocasiones relacionadas con la inflamación y el sistema inmune.
3. Proteínas de choque térmico
Las proteínas son estructuras muy complejas que necesitan dos cosas: una organización tridimensional adecuada para llevar a cabo sus funciones, pero también de una plasticidad de esa estructura, una alteración conformacional, que permita cambiar entre estados. Esto es así para los receptores, enzimas y proteínas estructurales, entre otras. Tanto la conformación tridimensional como la plasticidad de dicha organización son muy sensibles a las alteraciones físicas y químicas, de modo que la consecuencia de muchos tipos de estrés en la célula es un plegamiento erróneo de las proteínas y una tendencia de estas proteínas a formar agregados. Ambas cosas llevan a un mal funcionamiento celular, pudiendo ser letales o tóxicas para la propia célula y para su medio ambiente.
Las chaperonas son proteínas celulares que en condiciones de homeostasis ayudan al plegamiento de las proteínas, y actúan durante la síntesis proteica, y durante la post-traducción, tanto en el citosol como en el retículo endoplasmático rugoso. También ayudan a las proteínas a cruzar membranas en forma desplegada (mitocondria, cloroplastos, otros orgánulos). Si a pesar de ello encuentran proteínas que ya no se pueden plegar adecuadamente las marcan para su eliminación por ubiquitina y proteasas. Cuando la cantidad de proteínas mal plegadas se incrementa, o se "cree" que se va a incrementar, de una manera exagerada causada por algún tipo de estrés se dispara la síntesis de proteínas de choque térmico.
Las proteínas de choque térmico, "heat shock proteins" o HSP, se llaman así por su descubrimiento casual cuando se investigaba el efecto del aumento de la temperatura en células de Drosophila. Eran unas proteínas que se sintetizaban en respuesta a estos incrementos. Posteriormente se comprobó que se sintetizaban en respuesta a otros tipos de estrés como la isquemia o hipoxia, exposición a metales pesados, oxidación, inflamación, etc. En general a cualquier estrés que provoque daños en el proteoma dispara la síntesis de HSP. Por tanto la definición de "heat" es una mala definición arrastrada desde su descubrimiento, puesto que son proteínas que se sintetizan en respuesta a múltiples tipos de estrés. Se deberían llamar proteínas de estrés. Esta respuesta al estrés está muy conservada evolutivamente y HSP se han encontrado incluso en procariotas. Hoy se sabe que hay una expresión basal de estas proteínas y que tienen funciones en la célula en condiciones de homeostasis.
Tras el inicio de diversos tipos estrés la célula responde sintetizando muchas HSP, las cuales pueden llegar del 15 al 25 % de proteínas totales en el citosol. En distintos lugares de la célula actúan distintos tipos de HSP y también hay una variación en la proporción y tipos de HSP según los tejidos.
En la respuesta celular al estrés hay una disminución importante de las síntesis de proteínas, excepto algunos genes como los de las HSP. Esta inhibición general se produce por la fosforilación del factor eIF2-alpha que inhibe la traducción, mientras que la expresión de los genes HSP se produce por la activación del factor de transcripción HSF.
Los factores de transcripción que permiten la expresión de los genes para las HSPs son los HSF (1-4 en humanos). El HSF oligomeriza (forma trímeros) cuando se produce el estrés y se traslada al núcleo donde activa la expresión de los genes para las HSPs. HSF está unido normalmente a una HSF70/90, por lo que tiene que liberarse de ella para poder oligomerizar. HSF también está sometido a muchos tipos de regulación mediante fosforilación, ubiquitinación, acetilación, etc. Mientras que se conoce relativamente bien lo que pasa tras la activación del HSF, no se sabe muy bien el mecanismo de activación, es decir, cómo "siente" el estrés.
Las HSPs son proteínas efectoras puesto que reparan los daños causados por el estrés. Detectan residuos hidrófobos que deberían estar escondidos en el interior de las proteínas. Estos residuos desestabilizan la estructura, son indicios de mal plegamiento, y pueden formar agregados. Todo ello lleva a que las proteínas puedan ser tóxicas para la célula y causen daños por mal funcionamiento o agregación.
Las funciones de las HSP son variadas: ayudar a recuperar una conformación adecuada (plegamiento), desagregar complejos de proteínas tóxicos, recolocar proteínas a través de membranas, o marcar proteínas para su degradación. También inhibe la apoptosis. Todo ello lleva a recuperar la proteostasis u homeostasis proteica.
Las HSP son el resultado de la expresión de una familia de genes y se encuentran en todos los compartimentos celulares. Se agrupan en dos familias: las grandes (40-150 kDa) y las pequeñas (12-40 kDa). Así, se escriben como Hsp27, Hsp70, etcétera (los genes de los que proceden se escriben igual pero con la H en minúscula). Aunque su función sea evitar un mal plegamiento de las proteínas y la formación de agregados, se diferencian en su localización, especificidad de sustrato y detalles de su mecánica. Las primeras dependen de ATP, y las segundas no.
Grandes. Son las más abundantes y mejor estudiadas, como la sub-familia Hsp70. Las Hsp70 son ubicuas en prácticamente todos los tejidos. En el citosol se unen a los péptidos nacientes antes de ser liberados de los ribosomas. Reconocen secuencias hidrofóbicas de las proteínas.
Pequeñas. Actúan disminuyendo la capacidad de formar agregados de las proteínas mal plegadas mediante su unión a ellas. No consumen ATP y no son capaces de replegar a la proteína.
4. Respuesta a daños en el ADN
El ADN es una molécula relativamente inestable que sufre constantemente modificaciones y mutaciones de todo tipo. Es uno de los principales centros de inicio del estrés celular, el cual es un mecanismo de defensa contra las mutaciones potencialmente cancerígenas o que provoquen mal funcionamiento celular. Hay muchos factores externos e internos que dañan el ADN. Por ejemplo, ROS (“reactive oxidative species”), luz ultravioleta, rayos X, radiación ionizante, agentes alkilantes, mutaciones espontáneas, sustancias tóxicas, etcétera. Y los daños más comunes que se producen en el ADN son modificación química de las bases, pérdida de una base, alquilación, uniones químicas entre bases, uniones químicas con otras moléculas, roturas de doble cadena y de simple cadena.
La respuesta a los daños en el ADN activa varias vías de señalización. Se activan los puntos de control del ciclo celular, con lo que el ciclo celular se detiene. Esta detención ocurre en cualquier momento del ciclo celular en el que se encuentre la célula. Se activa un patrón de transcripción para expresar aquellos genes necesarios para la maquinaria de reparación de los daños. Como los daños son muy variados, también lo es la maquinaria para la reparación.
El tipo de respuesta que da la célula dependerá de la cantidad de daño. Si el daño ha sido muy grande y no se puede reparar, o si el proceso de reparación se prolonga en el tiempo, se activarán otros mecanismos que iniciarán senescencia o apoptosis.
Un gen fundamental en la respuesta al daño del ADN es p53. p53 es clave puesto que dependiendo del ambiente y de otras cascadas de señalización presentes en la célula puede producir apoptosis, senescencia, o detención del ciclo celular hasta que éste se haya reparado. Como se dijo anteriormente, existe una secuencia en la respuesta al daño en el ADN: sensores, señalización y respuesta. p53 formaría parte de la señalización.
Ejemplo: rotura de cadena
Los sensores son moléculas que reconocen y se unen a la zona dañada. Cuando la rotura es doble, las moléculas MRN y ku70/80 se unen a los extremos libres, si la rotura es simple se unen las moléculas RPA y 9-1-1 (ATRIP).
Los sensores atraen o activan a otras proteínas que inician la cascada de señalización. Son enzimas denominadas en conjunto como transductores. Por ejemplo, en roturas de doble cadena con sensores tipo ku70/80 se activa la enzima DNA-PKC (proteína quinasa dependiente de ADN), MRN activa a ATM, y en roturas simples RPA/9-1-1 activan a ATR.
Estos enzimas transductores tienen una enorme cantidad de proteínas a las que pueden fosforilar. Se estima que ATM y ATR inician una cascada de fosforilación en la que se ven afectadas más de 700 proteínas. Muchas de estas proteínas desencadenan procesos que se desarrollan al mismo tiempo.
Las proteínas efectoras son las que llevan a cabo la respuesta efectiva de la célula. Si el daño no es grave cuantitativamente hablando, hay proteínas relacionadas con los puntos de control del ciclo de celular que hacen detener su avance, independientemente de la fase del ciclo celular donde se encuentre, normalmente actuando sobre las Cdk-ciclinas. Al mismo tiempo, otro grupo de proteínas ha modificado a factores de transcripción que permiten la expresión de proteínas que repararán el ADN, siendo estas últimas las proteínas efectoras. De igual modo, se inhiben los procesos de senescencia y apoptosis. Pero, si los daños son muy grandes o se tarda mucho tiempo en la reparación, en la propia cascada de señalización se activaron moléculas que van a disparar uno y otro proceso, con lo que la célula quedará inutilizada y será eliminada o morirá directamente.
La molécula p53 es un actor clave en este proceso porque participa en las principales decisiones de la célula. Es el responsable de la detención del ciclo celular, pero también es el que determina si la célula entrará en senescencia o apoptosis. Ello dependerá de las condiciones químicas de la célula en cada momento y a la interacción con otras moléculas.
ADN mitocondrial. El estrés celular puede venir provocado también por el daño en el ADN mitocondrial. Los posibles daños son similares a los del ADN nuclear y si no se reparan lleva a un mal funcionamiento mitocondrial con lo que la fisiología de la célula se ve resentida. El ADN mitocondrial se ve más afectado por daños oxidativos por su proximidad a la cadena de transporte de electrones. Pero puede eliminarse o diluirse el problema mediante fusión y fisión de las mitocondrias y por mitofagia.
5. UPRER y UPRMT
UPRER retícul endoplasmático
El retículo es un orgánulo con muchas funciones que está conectado con prácticamente todos los procesos celulares mediante el tráfico vesicular e interacciones físicas. Participa en las síntesis proteínas, almacén de calcio y de lípidos, en el metabolismo de la glucosa y de los lípidos, entre otras.
En el retículo se sintetizan un 30 % de las proteínas de una célula normal. El correcto plegamiento de las proteínas en el interior de la cisterna es importante y para ello hay muchas chaperonas y otras proteínas lo llevan a cabo. Las proteínas mal plegadas y sin arreglo son eliminadas por el sistema ERAD (“Endoplasmic-reticulum-associated protein degradation”), el cual la exporta a dichas proteínas al citosol para su degradación por el sistema ubiquitina-proteosoma. Este es un sistema de mantenimiento normal que funciona durante la homeostasis.
Al igual que ocurre con las HSP, hay un variado tipo perturbaciones celulares que pueden afectar al funcionamiento del retículo. Estas perturbaciones pueden ser mutaciones en el ADN, fallos en la concentración de oligómeros proteicos, carencia de chaperonas, incremento de la síntesis de proteínas, privación de nutrientes, infecciones víricas, hipoxia, acidosis, aumentos de temperatura, estrés oxidativo, ROS, etcétera. Estas perturbaciones producen muchas proteínas que no pueden ser plegadas o eliminadas por el sistema ERAD, y entonces se activa otros sistema de respuesta al estrés llamado UPRER ("unfolded protein response").
Hay 3 enzimas transmembrana que se encuentran en el retículo endoplasmático (proteínas residentes) que son sensores de estrés: PERK, IRE1-alfa y ATF6. El extremo interior de estas proteínas está normalmente unido a una chaperona que las mantiene en estado inactivo. Cuando aumenta el número de proteínas mal plegadas la chaperona se libera y PERK e IRE1-alfa se activan mediante oligomerización y autofosforilación. Mientras, ATF6 es exportada al aparato de Golgi. A partir de aquí cada una es responsable de una respuesta celular.
PERK fosforila al factor de transcripción eIF2-alpha, el cual disminuye la traducción de proteínas, que además activa a ATF-4. ATF-4 que es un factor de transcripción activador general de genes relacionados con enzimas antioxidantes y con el metabolismo de aminoácidos. También se activa la autofagia.
IRE1-alfa degrada ARNm en general y procesa el ARNm del factor de transcripción XBP-1. Una ve procesado el ARNm y traducido tenemos el factor XBP-1s, el cual es un factor de transcripción que permite la expresión de muchos genes relacionados con el retículo endoplásmico (sistema de control de calidad, crecimiento del orgánulo, síntesis de chaperonas, etc).
ATF6-alfa emigra primero al Golgi, donde es cortado, y el fragmento citosólico se traslada al núcleo y expresa genes relacionados con el control de calidad de proteínas.
Durante este proceso hay una inhibición de los genes que activan a la apoptosis, pero si el estrés se mantiene, lo que quiere decir que la célula no ha conseguido recuperar la homeostasis, las mismas cascadas de señalización son capaces de activar la apoptosis. Referencia: Hotamisligil et al., 2022
UPRMT mitocondrias
Las mitocondrias realizan funciones esenciales en la célula como fuente de energía y participan en numerosos procesos metabólicos. Pero también son uno de los principales centros de inicio de la apoptosis. En las mitocondrias hay síntesis proteica, y chaperonas, y cuando se acumulan proteínas mal plegadas en la mitocondria también se inicia una respuesta al estrés llamada UPRMIT, que detiene la traducción mitocondrial, también el importe de proteínas a las mitocondrias desde el citosol y se activan chaperonas de reparación.
El sensor que inicia la UPRMT es el factor de transcripción ATF5 (o ATFS-1), el cual regula la expresión de chaperonas y proteasas. Tiene una secuencia de incorporación a la mitocondria y otra de incorporación al núcleo. En condiciones normales se incorpora a la mitocondria y es degradado. Sin embargo, si su importación disminuye y se concentra en el citosol, pasa al interior del núcleo donde activa la expresión de más de 500 genes. Entre estos genes están aquellos que codifican para chaperonas que se incorporarán a la mitocondria, enzimas detoxificantes, maquinaria de importación de proteínas, etcétera. Si las mitocondrias siguen sin recuperar su actividad normal son eliminadas por autofagia, en concreto por mitofagia. Pero si es problema irresoluble del conjunto de mitocondrias de la célula, ellas mismas disparan la apoptosis.
6. Estrés oxidativo. ROS.
En la célula, en condiciones de homeostasis, se genera una cierta cantidad de sustancias oxidantes y de antioxidantes. Ambas son importantes para el funcionamiento celular. Muchas moléculas necesitan este cambio entre estado oxidado y reducido para realizar bien sus funciones. El estrés oxidativo se produce por un incremento de las sustancias oxidantes por encima de unos valores dentro de la célula.
Los principales agentes oxidantes dañinos se denominan "productos reactivos del oxígeno" (ROS: “reactive oxygen species”). Son moléculas que tienen un electrón desapareado en su orbital más externo y eso les hace ser muy reactivas. Ejemplos de ROS son peróxidos (O2-), superóxidos, radicales hidroxilos (OH-), y otros que los producen como el H2O2. Los ROS están entre los elementos más peligrosos para las células puesto que pueden causar daños a todas las macromoléculas de la célula que incluyen proteínas, lípidos, carbohidratos y ADN.
Estos elementos ROS se producen sobre todo en mitocondrias durante la respiración (cadena de transporte de electrones, p450). Aparte de las mitocondrias, se producen en el citosol, en los peroxisomoas, en el retículo y otros. Fuentes importantes son las enzimas NADPH-oxidasas asociadas a las membranas, las lipooxigensas, óxido nítrico sintasas, etcétera. Las fuentes exógenas son muy variadas, desde el tabaco, tóxicos, radiaciones, etcétera. La célula dispone de enzimas y moléculas antioxidantes para mantener a las ROS dentro de los parámetros homeostáticos, tales como la superóxido dismutasa, glutatión peroxidasa y la catalasa, la proteína glutatión, vitaminas A, C y E, etcétera.
Respuesta al estrés oxidativo
Cuando la concentración de ROS es elevada se disparan las respuestas al estrés oxidativo. Consiste en activación enzimas quinasas y de factores de transcripción que inducen la expresión de genes que codifican para agentes anti-oxidantes, tanto citosólicas como mitocondriales. Hay más de 11 proteínas quinasas y más de 7 factores de trascripción que pueden actuar como sensores. La activación de estos sensores inician vías de señalización que permite la activación de genes que expresan proteínas y agentes antioxidantes. Todos estos agentes antioxidantes, o efectores, tratan de revertir la concentración ROS a valores fisiológicos. Muchos de estos enzimas eliminan a las ROS y otras pueden reparar a las moléculas dañadas. Para aquellas proteínas que no pueden ser reparadas, se activan otro mecanismos para eliminarlas: ubiquitinación-proteosoma y autofagia (mitofagia).
Cuando el estrés oxidativo es muy alto, las mismas especies reactivas son capaces de activar la muerte regulada, apoptosis o necrosis. En este caso también la autofagia contribuye a la muerte celular.
Elevación de ROS no siempre es negativo, sino que puede tener funciones en tipos celulares concretos: macrófagos a la hora de degradar a otras células o patógenos, durante la síntesis de hormona T4. Algo que hay que tener en cuenta es que no hay evidencias de que la ingesta de antioxidantes permita una protección frente al estrés oxidativo. Introducir una molécula antioxidante en el cuerpo no significa que vaya a actuar como tal. La mayoría de las moléculas antioxidantes se han probado en cultivos celulares, pero su papel en el organismo como antioxidantes está en discusión.
7. Respuesta integrada al estrés
Es un sistema que integra señales que vienen de múltiples compartimentos celulares, tales como las mitocondrias, el retículo, o el citosol, en un único tipo de respuesta. Se activa tras el UPR del estrés del retículo, deficiencia de aminoácidos, infecciones víricas, estrés oxidativo e hipoxia. Esta vía está muy conservada en eucariotas.
El punto de convergencia de estos estímulos es el factor eIF2-alfa, que es un factor de transcripción que disminuye la traducción y la síntesis de proteínas, permitiendo a los sistemas de supervivencia arreglar el desperfecto. eIF2-alfa forma parte del complejo trimérico eIF2 que permite que el ARNt-met se una a los ribosomas y se produzca la traducción. Cuando hay estrés eIF2-alfa es fosforilado e inhibe la traducción global de la célula. Pero hay algunos ARNm que tienen unas secuencias especiales que no se ven afectados, entre ellos el factor ATF4, el cual es un factor de transcripción que altera el patrón de expresión génica de la célula.
eIF2-alfa puede ser fosforilado por 4 enzimas: GCN2, PERK, PKR y HRI. GCN2 es un sensor de nutrientes, PERK es un sensor del estrés en el retículo, HRI es un sensor de estrés oxidativo y agregación de proteínas, PKR es un sensor de infecciones víricas. Entre los grupos de genes que activa ATF4 están aquellos que inducen la utofagia, responden a la hipoxia, favorece la importación de aminoácidos, síntesis de glutatión (estrés oxidativo), angiogénesis, resistencia a drogas, diferenciación, etcétera. La respuesta final de la célula dependerá del tipo celular y condiciones en las que se encuentre la célula, además del tipo de estrés.
Como en otros procesos de estrés, si éste no es mitigado, el mismo proceso integrativo puede favorecer la apoptosis. ATF4 induce apoptosis mediante la activación CHOP que induce la expresión de genes proapoptóticos y XIAP que es un modificador postranslacional de las caspasas. Pero ATF4 también induce apoptosis directamente a través de moléculas proapoptóticas de la familia BCL-2.
8. Autofagia
La autofagia es un mecanismo basal de todas las células eucariotas para eliminar componentes celulares (proteínas y orgánulos) en los lisosomas. Hay tres tipos: macroautofagia, microautofagia y mediada por chaperonas.
La autofagia se activa en muchos tipos de estrés para favorecer la supervivencia de la célula: estrés oxidativo, hipoxia, infecciones de patógenos, incluso presiones osmóticas. Por ejemplo, durante el extrés oxidativo se incrementa la producción de ROS y uno de los centros productivos son las mitocondrias. El incremento de la autofagia permite eliminar a estas mitocondrias dañadas (mitofagia). Esto es posible porque estos tipos de estrés desencadenan cascadas moleculares que convergen en moléculas que afectan a la autofagia como son mTORC y beclina-1.
La autofagia se ha convertido en una diana muy importante para el tratamiento de enfermedades causadas por el estrés celular. Y esto es así porque es un mecanismo que actúa para reponer la homeostasis celular tras un estrés celular.
Su relación con la muerte celular es compleja porque la autofagia se inicia normalmente para que la célula sobreviva, y sólo en algunas ocasiones es una herramienta para desencadenar la muerte celular. La muerte celular por autofagia se ha demostrado sobre todo durante el desarrollo, donde se ha establecido una conexión entre autofagia y apoptosis.
9. Muerte celular regulada
Cuando se inicia una respuesta al estrés se desencadena primero una respuesta de supervivencia. Esta respuesta, sea cual sea, generalmente lleva implícito un mecanismo de inhibición de la apoptosis. Sin embargo, este freno a la apoptosis es liberado si el estrés se prolonga en el tiempo o la cantidad de daño es muy alta. Hay dos vías que son capaces de iniciar la apoptosis: externas e internas. La externa se inicia por la activación de receptores localizados en la membrana plasmática y la interna tiene su centro en las mitocondrias. La vía externa produce normalmente un fenotipo silencioso de muerte celular, donde no se liberan muchas moléculas al exterior. Sin embargo, la apoptosis por estrés es ruidosa y libera normalmente moléculas proinflamatorias.
La vía interna está mediada por la familia de proteínas BCL-2. Incluye miembros que favorecen la apoptosis (Bax, Bak y BH3) y que la inhiben (Bcl-2, Bcl-Xl, Mcl-1). En todos los casos de estrés celular que no han conseguido repararse se dispara la síntesis de proteínas BH-3-only que suprimen la actividad de las proteínas BCL-2 anti-apoptóticas. Esto hace que se liberen las moléculas de la familia BAX y BAK, las cuales permeabilizan la membrana externa de las mitocondrias y liberan el citocromo C, también SMAC/DIABLO al citosol (y otras como AIF y HtrA2). El citocromo C forma APAF1, que es un apoptosoma que activa a las caspasas. SMAC/DIABLO inhiben a los inhibidores de las caspasas tales como XIAP, que es el inhibidor más potente. Otra vía de activación de la apoptosis se inicia con la acción de p53 sobre PUMA y NOXA.
En determinadas ocasiones se inician procesos de muerte distintos como la necrosis, que supone la rotura de la membrana plasmática y liberación del contenido al exterior. En otras ocasiones se activa un proceso mixto entre la necrosis y la apoptosis llamado necroptosis. Todos estos mecanismos están regulados, es decir, dependen de la activación de vías de señalización para que se lleven a cabo.
10. Senescencia
La senescencia se produce fundamentalmente tras la imposibilidad de reparar daños producidos en el ADN. Ver apartado de envejecimiento celular.
11. Estrés celular y organismo
Los mecanismos de respuesta al estrés tienen como resultado, en la mayoría de los casos, mantener la funcionalidad celular, y por tanto la funcionalidad del organismo en el que se encuentran. Pero también, si el estrés no se resuelve producen enfermedades o deterioros locales o sistémicos. Por ejemplo, la muerte celular regulada tiene que verse como un mecanismo para evitar que una célula potencialmente peligrosa afecte al resto del organismo. La mayoría de las patologías de los organismos tienen como base el estrés celular. El resultado del estrés celular es un funcionamiento anómalo temporal o permanente de las células afectadas, y el efecto en el organismo dependerá del tipo celular y su función concreta. Por ejemplo, el estrés en las células beta del páncreas llevará a alteraciones glucémicas en todo el organismo. Pero además, prácticamente todas las respuestas al estrés celular son comunicadas a sus vecinas mediante diversos mecanismos, como el cambio en la forma celular y de sus adhesiones con el microambiente, exposición de moléculas en su superficie y la liberación pasiva o activa de señales endocrinas o paracrinas (iones, pequeños metabolitos, proteínas intracelulares, citoquinas y microvesículas). Muchas de estas moléculas son proinflamatorias (respuesta inmune innata y no innata). La inflamación tiene como misión la localización y eliminación de factores perniciosos, incluso aunque ello conlleve la muerte celular de las propias células en el foco inflamatorio.
Daño en el ADN. DDR
Los daños en el ADN causan alteraciones potencialmente muy perjudiciales para las células. Si no se reparan la célula dispara la apoptosis o senescencia. Al mismo tiempo, el estado deteriorado de la célula desencadena respuestas inmunes e inflamatorias, ambas contribuyen a la homeostasis local y sistémica. Así, los daños en el ADN cambian la inmunogenicidad de la célula afectada puesto que aumentan la expresión de HMC-I (complejo mayor de histocompatibilidad), lo que aumenta la probabilidad de reconocimiento por los linfocitos T, y también incrementan los ligandos para los linfocitos "natural killers" (en el caso de la vía senescente). También se inician procesos inflamatorios mediante la liberación de sustancias al medio. Por ejemplo, trozos de DNA nucleares pueden ser liberados al citosol, lo que dispara la liberación de interferón tipo I, una molécula proinflamatoria.
Estrés oxidativo
Este proceso tiene efectos muy variados según el tipo celular en el que se active. En muchos el aumento de ROS lleva a la liberación de sustancias proinflamatorias, y en otros participa en la propia función de la célula. Por ejemplo, los infocitos NK son capaces de liberar granzima y perforina tras el aumento de ROS.
UPRRE
El estrés en el retículo endoplasmático es capaz de disparar respuestas inflamatorias. También producen moléculas que afectan a otros sistemas del organismo. Por ejemplo, las células renales con UPRRE secretan angiotensina, que afecta a la tensión arterial. Las células hepáticas liberan la molécula HAMP, la cual aumenta la incorporación de hierro a nivel sistémico. Las células musculares activan UPRRE tras un ejercicio intenso o temperaturas bajas, lo que lleva a activar PERK, y esta a ATF4, la cual induce la liberación de FGF21, un inhibidor de la obesidad.
UPRMIT
Las mitocondrias de las células musculares bajo estrés de proteínas mal plegadas también son capaces de liberar factores de crecimiento (FGF21 y GDF15). Estos favorecen el crecimiento de las mitocondrias en otras células musculares, aceleran el metabolismo lipídico en el hígado, adiposo y músculo. Es una comunicación endocrina entre el estrés celular y la homeostasis sistémica. Es interesante que UPRMIT y UPRRE comparten algunas moléculas como ATF4
Autofagia
La autofagia se activa en respuesta a muchos tipos de estrés como elemento común para eliminar agregados proteicos y orgánulos citoplasmáticos degenerados o que funcionan mal y que pueden ser potencialmente tóxicos. La autofagia además es capaz de liberar ATP al medio extracelular en células que están en proceso de muerte celular regulada. El ATP favorece el reclutamiento de células mieloides y favorece la inflamación. Se sabe además que la inducción de autofagia en el hígado, el músculo esquelético y el adiposo previene la ganancia de peso patológica por vías endocrina todavía desconocidas. Es interesante que la autofagia es capaz de liberar sustancias mediante una vía independiente a la exocitosis convencional.
Los efectos extracelulares de la autofagia están a veces ligados al metabolismo local o sistémico. Por ejemplo, las células que forman el microambiente canceroso suelen aumentar la autofagia y liberan factores como cuerpos cetónicos o alanina que ayudan a progresar a las células cancerosas. Esta autofagia está disparada en las células sanas por hipoxia o disminución de nutrientes, cosas que suelen ocurrir en el microambiente tumoral.
Muerte celular regulada (vs muerte celular programada) La muerte celular programada, aquella disparada por receptores no suele informar a sus vecinos. Sin embargo, la muerte celular regulada por estrés no se comporta de la misma manera. En 2005 se introdujo el concepto de muerte celular inmunogénica que es cuando el proceso de apoptosis activa el sistema inmune adaptativo y crea memoria inmunológica, para diferenciarlas de aquellas que sólo producen respuesta inmune innata que crea procesos inflamatorios. Algunos tratamientos anti-cáncer activan la muerte celular inmunogénica, con lo que el tratamiento es más eficaz puesto que involucra al sistema inmune. También ocurre con la muerte celular provocada por patógenos. Sin embargo, a veces la activación del sistema inmune por apoptosis es perjudicial para el organismo.
Bibliografía
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