Introducción a la Apoptosis (Sexta parte)

Por: Lionel Valenzuela Perez

Síndrome Fetal Alcohólico

El alcohol etílico (etanol) es la principal droga de abuso.

Pero no sólo afecta a los jovenes y adultos, también los recién nacidos sufren sus efectos, y aproximadamente un 1% de los nacimientos en lo E.E.U.U. poseen complicaciones debida al Síndrome Fetal Alcohólico (SFA).

El SFA es un conjunto de síntomas y signos que afectan a los niños nacidos de madres que bebieron alcohol durante el embarazo. En general son niños de bajo peso, pequeños y que a menudo tienen malformaciones de nacimiento y un crecimiento lento. El problema más grave es el retardo mental.

Cuando crecen los problemas de comportamiento suelen ser graves, como lo demuestran las estadísticas (un 94% de los niños con SFA tiene problemas mentales).

El SFA es la principal causa de retraso mental prevenible.

Durante años las causas por las cuales el alcohol, producía las malformaciones permanecieron en la obscuridad. Sin embargo a partir del año 2000, quedó establecido que el daño resultante se debía a que el alcohol producía una distorsión del proceso natural de la apoptosis.

Como ya vimos la apoptosis es crucial para el desarrollo normal. Es una forma de eliminar las células tumorales y las células del sistema inmune que de otra forma atacarían al propio organismo, también se eliminan de esta forma las neuronas que fallan al hacer sinapsis unas con otras. Cuando las células envejecen, son eliminadas por apoptosis en forma natural, así pueden ser reemplazadas por nuevas células.

¿Entonces cual es el efecto del alcohol sobre el sistema nervioso de los embriones jovenes?

Kathleen Sulik, Martina Cartwright, Susan Smith y Marieta Heaton (¡Todas mujeres!), son las investigadoras que descubrieron a lo largo de veinte años de investigaciones como el alcohol induce la apoptosis de las neuronas (neurodegeneracion apoptotica en el SFA).

El alcohol no solo produce neurodegeneracion y alteraciones en el sitema nervioso, sino tambien extensas malformaciones en la cara y en el cráneo (ver arriba las fotografias de niños con SFA).

Más recientemente John Olney describió con mayor precisión los efectos deletéreos del alcohol. El alcohol, tiene poderosos efectos depresores sobre el sistema nervioso, eso es porque actua de dos formas, disminuye el poder excitatorio del neurotransmisor Glutamato y potencia el poder depresor del neurotransmisor GABA.

Es decir todas las acciones del alcohol tiene en común disminuir la actividad neuronal. Esto resulta fatal en un sistema nervioso en formación. Ya que las neuronas interpretarian esta falta de actividad -provocada por el alcohol- como un mensaje de "suicidio" celular ya que no estarian formando sinapsis con otras neuronas, ni en momento adecuado ni en la secuencia correcta. Por lo tanto las neuronas hacen apoptosis confundidas por este mensaje erróneo provocado por el alcohol.

Recordemos que las neuronas del cerebro humano pueden tener miles de contactos sinápticos y que es lógico pensar que las neuronas que no se integran a esta red, en la secuencia y en el momento adecuados activen un programa apoptótico.

Aún pequeñas cantidades de alcohol en forma transitoria provocan la apoptosis de cientos de miles o millones de neuronas. Ya que el cerebro del feto en formación es especialmente suceptible a esta forma de acción.

El alcohol tiene estos efectos tóxicos en momentos muy tempranos del embarazo (en la segunda semana), mucho antes de que la mujer sepa que esta embarazada. La suceptibilidad a los efectos tóxicos del alcohol sobre las neuronas y otras células del organismo en formación, aumenta o disminuye a lo largo del embarazo.

Teniendo en cuenta, que aun con hábitos moderados de bebida ya se provoca la muerte de las neuronas, lo aconsejable es no beber en absoluto durante el embarazo.

Nuestro cerebro continua madurando y formando nuevas sinapsis, hasta los tres años aproximadamente ( y continuara formando nuevas sinapsis hasta que muera). Por lo tanto hasta los tres años luego del nacimiento los bebés no deben beber. El alcohol no es un juego para un cerebro en desarrollo. Tengamos en cuenta que los adultos bebedores buscan que otras personas beban, inclusive niños muy pequeños que quedaran con secuelas por todo el resto de sus vidas.

Introducción a la Apoptosis (Quinta Parte)

Por: Lionel Valenzuela Perez

Activación de las caspasas

Apoptosis disparada por señales externas: vía extrínseca o vía del receptor de muerte

Los receptores Fas y TNF (receptor del Factor de Necrosis Tumoral) son proteínas integrales de membrana con sus dominios de función receptora expuestos en la superficie de la célula.

La unión de las moléculas señalizadoras de muerte FasL (ligando de Fas) y el TNF (factor de necrosis tumoral) a sus receptores respectivos transmite una señal al citoplasma, que determina la activación de la caspasa 8 (una caspasa iniciadora como la caspasa 9), que inicia una cascada proteolítica activadora de caspasas que lleva a la fagocitosis de la célula.

Cuando las celulas T citotóxicas, se unen a sus células objetivo (por ejemplo, células infectadas por virus o células tumorales que deben ser destruidas), producen mas FasL en su superficie. Al aumentar la cantidad de FasL, aumenta su unión al receptor de Fas en la célula objetivo. El receptor de Fas, activado por su unión a FasL, dispara una señal que provoca la apoptosis.

Introducción a la Apoptosis (Cuarta Parte)

Por: Lionel Valenzuela Perez

1) La apoptosis disparada por señales internas: La vía intrínseca o vía mitocondrial

Conceptos clave de esta vía:

- La mitocondria es un punto crucial de control en la inducción de la apoptosis.

- La apoptosis es un proceso activo y controlado que requiere las síntesis de ARN y proteínas por parte de la célula que esta muriendo.

Componentes de la vía:

a) Las caspasas: iniciadoras y efectoras de la apoptosis:

Las caspasas son proteasas que tienen un aminoácido cisteína en su sitio activo, por lo tanto son cisteín-proteasas. Cualquier mutación que afecte a este aminoácido dejara a la proteasa sin actividad.

Reciben el nombre de Caspasas más de una docena de proteasas de la misma familia. El término hace referencia, al sitio donde cortan (C) las proteínas, luego de un aminoácido aspartato (Asp), de allí el nombre Caspasas (otros autores solo hacen referencia a que el término caspasas deriva de cisteín-aspartato proteasas).

Estas proteínas pueden ser divididas en dos grandes grupos las caspasas iniciadoras (como la caspasa 9), que son las activadoras de las caspasas efectoras (caspasa 3).

Las caspasas efectoras son responsables en último término de ejecutar a la célula, clivando las proteínas que provocaran la muerte celular. Ya que las caspasas pueden provocar la apoptosis, son proteínas estrechamente reguladas. Pero a la vez, se necesita que de ser necesario se activen rápidamente. ¿Cómo se logra esto? En primer término no se regula su transcripción (las caspasas estan presentes prácticamente en todos los tipos celulares), sino su activación a nivel post-transcripcional. Las caspasas son sintetizadas como pro-caspasas inmaduras. Es decir necesitan ser procesadas (clivadas) para volverse activas.

b) El citocromo c y Apaf-1: activadores de la Caspasa 9

El citocromo c es un componente de la cadena respiratoria, que actua como factor pro-apoptotico cuando es liberado al citoplasma. La liberacion del citocromo c, es precedido por cambios en la permeabilidad de la membrana mitocondrial. Una vez liberado al citoplasama el citocromo c se une con la proteina Apaf-1 (factor activador-1 de la proteasa apoptotica). Este complejo Citocromo c, Apaf-1 más ATP se oligomeriza y se une a la pro-caspasa 9 inmadura activandola, formando el Apoptosoma. Las pro-caspasas 9 una vez activas se clivan unas a otras, formando la caspasa madura (un tetrámero con cuatro subunidades, dos grandes y dos pequeñas).

Luego la caspasa 9 madura inicia una cascada proteolítica que se expande (amplificación), activando otras caspasas efectoras (como la caspasa 3), que llevan finalmente a los cambios celulares característicos de la apoptosis.

c) Resumen de la vía

Las células sanas, expresan sobre la superficie de la membrana mitocondrial externa la proteína Bcl-2. Esta proteína sirve a su vez de anclaje para la proteina Apaf-1 (“factor de activación-1 de la proteasa apoptótica”). Podemos decir entonces que la proteína Bcl-2 es una proteína inhibidora de la apoptosis, porque retiene a la Apaf-1 y le impide formar parte del apoptosoma.

Cuando se generan señales de daño interno celular (por ejemplo por radicales libres), la proteína Bcl-2 libera a la proteína Apaf-1. Una proteína relacionada con Bcl-2 llamada Bax, forma un poro y penetra la membrana mitocondrial, provocando la salida del citocromo c (un componente de la cadena respiratoria). Entonces, la proteina Bax es pro-apoptótica, ya que permite la salida del citocromo c y su unión a Apaf-1.

Las proteínas liberadas, citocromo c (más el ATP necesario para la activación) y Apaf-1 se unen a la proteasa caspasa 9. El resultado de la unión de estas tres proteínas citocromo c, Apaf-1 y caspasa 9, da como resultado la formación del complejo llamado apoptosoma.

El apoptosoma comienza la cascada proteolítica que provoca finalmente la digestión de las proteínas estructurales del citoplasma, proteínas estructurales del núcleo, degradación de los cromosomas y fagocitosis de la célula .

Introducción a la Apoptosis (Tercera Parte)

Por: Lionel Valenzuela Perez

Mecanismo de la apoptosis

La mayoría de las células necesitan para sobrevivir una continua estimulación de otras células, y muchas de ellas necesitan también estar adheridas a la matriz extracelular.

Algunas de las señales de supervivencia (señales positivas) son:

a) Factores de crecimiento y hormonas.

b) Interleucina-2 (IL-2), un factor esencial para la mitosis de los linfocitos.

Por otra parte las células reciben además un constante flujo de señales negativas (señales de muerte), relacionadas en muchos casos con células envejecidas o expuestas a radiaciones o productos tóxicos, entre ellas podemos nombrar:

a) Altos niveles de oxidantes en el interior celular

b) Daño en el ADN por estos oxidantes u otros agentes como luz ultravioleta, rayos x, drogas mutagénicas

c) Acumulación de proteínas que fallan al plegarse, por lo tanto su estructura terciaria es incorrecta

Otro tipo de señales de muerte, son mediadas por ciertas moléculas (ligandos) que se unen a receptores especificos en la superficie celular, para comenzar el programa apoptótico. Es decir, ciertos tipos celulares sufren una selección de acuerdo a sus características, algunas células sobreviven, en cambio a otras se les ordena activar el programa apoptótico. Estos factores de muerte incluyen:

- El factor de necrosis tumoral alfa, (TNF-alfa) que se une al receptor TNF.

- La linfotoxina (tambien conocida como TNF-beta) que también se une al receptor de TNF.

- Ligando de Fas (Fas L), una molécula que se une al receptor de superficie denominado Fas (tambien conocido como CD95).

Por ejemplo en el sistema inmune se eliminan las células autoreactivas (es decir que pueden atacar al propio organismo) por medio de la apoptosis, y se permite sobrevivir a las células que distinguen lo propio de lo extraño. También se les ordena a las células transformadas (tumorales), activar el programa apoptótico. Durante la maduración del sistema nervioso, un enorme numero de neuronas sufren apoptosis, al no recibir los estimulos adecuados de supervivencia, al no formar las sinapsis correctas.

Por lo tanto la supervivencia de la célula esta condicionada por un balance entre las señales positivas de supervivencia (su presencia o ausencia) y la recepción de señales negativas.

Mecanismos moleculares de la apoptosis

Básicamente existen dos mecanismos moleculares principales, por los cuales una célula comete apoptosis.

1) Via intrínseca o vía mitocondrial: señales de muerte que se producen en el interior celular.

2) Vía extrínseca o de los receptores de la muerte: señales activadoras de muerte que arriban desde el exterior. Estas señales se une a receptores en la superficie celular.

En el proximo articulo veremos en detalle, como actuan a nivel molecular la vía intrínseca (mitocondrial) y la vía extrínseca (receptores demuerte).

Introducción a la Apoptosis (Segunda Parte)

Por: Lionel Valenzuela Perez

¿Por qué las células sufren apoptosis?

Existen dos posibles respuestas:

1. La muerte celular programada es tan necesaria para el desarrollo normal como la mitosis.

Ejemplos:

1a. Cada segundo el cuerpo humano produce 100.000 células por mitosis y un número similar muere por apoptosis.

1b. La muerte de células que ya han cumplido su función. Las células de la cola de los renacuajos que al sufrir la metamorfosis en ranas o sapos, sufren apoptosis.

1c. Muerte masiva de células. Durante el desarrollo temprano del sistema nervioso (en este proceso mueren más del 50% de las neuronas), solo sobreviven aquellas que han realizado las sinapsis correctas.

1d. Durante la formación de estructuras corporales. Como en la formación de los dedos en el feto, se produce la muerte del tejido que se encuentra entre ellos (tejido mesenquimatico interdigital).

1e. En el ciclo endometrial de la mujer. La caída del recubrimiento uterino durante la menstruación ocurre por apoptosis.

1f. Formación de los órganos reproductivos. El conducto de Muller, que da origen al útero desaparece en los machos. Conductos de Wolff, que dan origen a los órganos masculinos desaparecen en las hembras.

2. La muerte celular es necesaria para destruir células que representan una amenaza para el organismo.

Ejemplos:

2a. Células infectadas por virus. Uno de los métodos por los cuales los linfocitos T citotóxicos, matan las células infectadas por virus es induciendo la apoptosis ( debemos saber que algunos virus a su vez toman contramedidas para impedirla).

2b. Células del sistema inmunitario. Células autoreactivas del sistema inmune son removidas por apoptosis. Cuando esto no ocurre, por defectos en la maquinaria apoptótica, las células del sistema inmune atacan al propio organismo. Se producen entonces enfermedades autoinmunes, como el lulpus eritematoso y la artritis reumatoidea, entre otras.

3c. Células con el ADN dañado. El daño provocado al genoma de la célula puede:

a) Desajustar el desarrollo normal embrionario provocando defectos de nacimiento,

b) Promover la división celular incontrolad provocando la proliferación cancerosa.

Actualmente sabemos que las células responden al daño del ADN incrementando la producción de la proteina p53. El gen supresor de tumores p53 es un potente inductor de la apoptosis.

Introducción a la Apoptosis (Primera Parte)

Por: Lionel Valenzuela Perez

¿ Por qué mueren las células?

Las células mueren básicamente de dos formas, mueren debido al daño y las lesiones que han sufrido, proceso llamado necrosis o son inducidas a cometer “suicidio”, proceso más lento y regulado conocido también como apotosis o muerte celular programada.

En griego clásico apoptosis significa “caerse” en analogía con la caída de las hojas de los árboles en otoño o de los pétalos en las flores. Esta analogía refuerza la idea de que la muerte celular es parte integral y necesaria del ciclo vital de los seres vivos.

Muerte por lesiones

El daño que puede recibir una célula puede ser de diversos tipos, daño mecánico, isquemia (falta de oxigeno) o también pueden ser expuestas a elementos tóxicos.

En la necrosis la célula es una víctima pasiva. Las células que reciben estos ataques, sufren una serie característica de cambios. Al romperse la membrana, las células y sus organelas (como las mitocondrias) se hinchan, ya que han perdido la habilidad de regular el pasaje de iones y agua. Finalmente la célula se rompe, liberando su contenido que puede provocar procesos inflamatorios en los tejidos circundantes.

Al producirse las señales inflamatorias, los macrófagos y otros glóbulos blancos convergen en las células necróticas y las ingieren. La inflamación coadyuva a limitar la infección y eliminar los restos, pero la acción y las secreciones de los glóbulos blancos pueden dañar al tejido normal.

Muerte por "suicidio"

La apoptosis es un proceso activo que requiere que la célula gaste energía en su propio ocaso. Se acompaña de cambios morfológicos específicos, la célula pierde volumen (se achica), se aparta de las células vecinas y parecería que hierve ya que sobre su superficie se forman “burbujas”.

El núcleo celular, sufre cambios muy importantes, la cromatina inicialmente se condensa y se margina sobre la envoltura nuclear. Las mitocondrias se rompen y liberan el citocromo c. La membrana plasmática también puede sufrir cambios, como la exposición hacia la superficie externa del fosfolípido fosfatidilserina, que normalmente se encuentra del lado interno de la membrana (asimetría de la membrana plasmática).

Estas células que están muriendo y exponiendo sus fosfatidilserinas pueden ser reconocidas por células cercanas o células carroñeras que poseen receptores para la fosfatidilserina. Estas células fagocíticas como macrófagos y céulas dendriticas, que se encuentran presentes en todos los tejidos, fagocitan las células apoptóticas sin que se produzca respuesta inflamatoria, ya que liberan citoquinas que inhiben la inflamación (IL-10 y TGF-beta).

Otras células apoptóticas que no son ingeridas continuan sufriendo nuevos cambios. La cromatina y el núcleo se fragmentan junto con el resto de la célula que queda dividida en numerosos cuerpos apoptósicos, que pueden contener uno o dos fragmentos nuleares. Estos cuerpos a su vez pueden ser ingeridos por las células fagocíticas sin producir inflamación.

Finalmente sabemos que ciertas células que sufren muerte programada no son fagocitadas sino que pueden persistir indefinidamente. Uno de estos casos, es el del cristalino del ojo, cuyas células sustituyen la mayor parte de su citoplasma por la proteína cristalina, cuando mueren, Otro caso es el de la células de la piel, denominadas queratinocitos, que se generan a partir de precursores de una capa más profunda y después migran hacia la superficie, muriendo en el camino. Estas células reemplazan su contenido citoplasmatico por queratina. Estas células muertas constituyen la capa protectora externa de la piel, hasta que se caen y son reemplazadas por otros queratinocitos.

Los eventos que llevan a la muerte celular programada siguen un patrón tan específico y ordenado que pueden ser comparados con los de la mitosis celular.

Les dejo aquí unos videos (luego agregaré otros, conforme avance con el tema). Estan en inglés y en aleman. En cuanto pueda pondre los subtitulos en castellano.

Este video esta sólo para linkearlo, y esta en aleman. Un poco de paciencia, pues la claridad de la filmación de la célula en apoptosis lo vale.

http://www.youtube.com/watch?v=E5e1jbFYjD4&feature=related

¡Madre de miles, madre de millones!

Por: Lionel Valenzuela Perez

¡Que planta más rara!

Sin duda la Kalanchoe daigremontiana, da esa impresión cuando uno la observa. Con todas esas pequeñas “plantitas” creciendo en el borde de las hojas. Tiene una apariencia muy extraña. Cada vez que una de esas pequeñas plántulas (propágulos) del borde de las hojas se desprende, es muy probable que logre formar una planta adulta. Esta forma de reproducción característica de la Kalanchoe daigremontiana es asexual y enormemente eficaz.

¡Una planta exótica y tóxica!

La Kalanchoe es originaria de Madagascar, es extremadamente resistente y se ha esparcido por muchas regiones del mundo. Se reproduce muy rápidamente (como lo dice su nombre común “madre de miles”) y es tóxica ya que contiene un glucósido cardíaco, la Daigremontianina. Es común en algunas regiones del mundo que el ganado sufra una intoxicación característica, por comer esta planta.

¿Cómo se reproducen las plantas?

A nivel muy básico podemos decir que las plantas pueden reproducirse de forma sexual o asexual. En la reproducción sexual, se forman células muy diferenciadas haploides, llamadas gametos. La fusión de los gametos masculino y femenino lleva al desarrollo de un embrión (embrión cigótico) y posteriormente a la formación de la semilla.
En cambio en la reproducción asexual, las nuevas plantas se originan por medio de órganos vegetativos especializados, formados por células somáticas, tales como tubérculos, rizomas, estolones, bulbos, etc. Aunque también pueden hacerlo por otros métodos como la embriogénesis somática natural (embrión somático).

Por lo tanto las plantas pueden desarrollar dos tipos de embriones, los embriones cigóticos (a partir de la reproducción sexual) y los embriones somáticos (por reproducción asexual). Las plantas que se desarrollen a partir de embriones cigóticos poseerán características de ambos progenitores, en cambio aquellas que se formen a partir de los embriones somáticos serán genéticamente iguales a su progenitor (clones). Recordemos que en las plantas los embriones son bipolares. Un polo posee el meristema apical que dará origen a las hojas y el tallo y el otro polo posee el meristema radicular que dará origen alas raíces.

En ciertas plantas es muy común la formación de embriones somáticos, inclusive en las semillas. Por ejemplo, en los cítricos, donde ambos tipos de embriones se forman casi al mismo tiempo.

¿Cómo crecen y se desarrollan las plantas?

Plantas y animales, crecen y se desarrollan, pero lo hacen de forma diferente. En las plantas la formación de los órganos (organogénesis) se realiza en forma posterior al desarrollo embrionario (embriogénesis). Por lo tanto podríamos decir que en las plantas habría dos programas, uno organogénico y otro embriogénico.

Embriogénesis y organogénesis son procesos separados en las plantas.

Cuando una planta se reproduce en forma sexual, ocurre la fecundación de los óvulos (a través de la polinización), obtenemos el cigoto, se desarrolla el embrión, la semilla (al proceso de formación de la semillas se lo denomina, embriogénesis), las estructuras accesorias y el fruto.

Los embriones en las plantas deben pasar por un proceso de desecación (perdida de agua) esencial para detener el metabolismo celular y que la semilla quede en un estado “durmiente” hasta que sea reactivada. Por lo tanto la semilla con su embrión es capaz de resistir hasta que el fruto madure, caiga, se descomponga, la semilla quede libre y finalmente (si es que encontró un medio adecuado) cuando entre en contacto con el agua se reactive el metabolismo, comience a germinar y a desarrollarse la plántula a partir del embrión (a este proceso lo llamaremos organogénesis).

Pensemos por un momento en lo importante que es que la semilla pase por un periodo de letargo de aparente inactividad, gracias eso podemos almacenar y transportar las semillas para su cultivo en el momento adecuado.

¿Que son los meristemas?

Todas las plantas, tienen el mismo patrón básico de esquema corporal, consistente en unidades repetitivas de tallo y hoja. Como habíamos dicho anteriormente estas unidades de tallo y hoja, tienen su origen en los meristemas apicales, mientras que las raíces crecen a partir de los meristemas radiculares.

El brote o yema del meristema apical (en ingles, shoot apical meristem o SAM, en su abreviatura), contiene en su centro, un grupo de células troncales, totipotentes indiferenciadas, que se autorenuevan. A medida que las células troncales se dividen, las células hijas son empujadas hacia los bordes del meristema, donde agrupaciones de estas células, se diferenciaran en células fundadoras de las hojas.

Por lo tanto podemos decir que los meristemas son tejidos formados por un grupo de células totipotentes, indiferenciadas, que se autorenuevan y que generan los demás tipos celulares que a su vez formaran los distintos tejidos y órganos de las plantas.

Tanto los meristemas apicales como los radiculares, son generados durante la embriogénesis (formación de la semilla), pero no participan del desarrollo del embrión. Los meristemas se activan una vez que la plántula haya germinado, permaneciendo activos, durante toda la vida de la planta, siendo un reservorio de células nuevas para la organogénesis (desarrollo de tallo, hojas, flores).

Totipotencialidad en las células vegetales.

Las células somáticas de las plantas, a diferencia de las células somáticas animales, tienen una notable característica, pueden regenerar un organismo completo. Este potencial para la regeneración es llamado totipotencialidad.

Esta habilidad de las plantas es utilizada ampliamente, para multiplicarlas asexualmente, por ejemplo a partir de embriones somáticos. Por lo tanto a partir de una única planta, en un laboratorio, pueden cultivarse cientos de plantas genéticamente iguales a la planta madre y repetir este proceso una y otra vez.

Control de la embriogénesis y de la organogénesis en las plantas.

Se han identificado varis genes reguladores maestros de la organogénesis y de la embriogénesis vegetal. Uno de los mas importantes es el gen STM (Shoot Meristemless), un gen similar a los genes homeóticos Knotted1 (en ingles Knotted1-like homeobox). A estos genes en general se los llama genes KNOX1. Ya veremos en otra serie de artículos que los genes homeóticos controlan el desarrollo en plantas y animales. En este caso cuando el gen STM esta mutado, los meristemas apicales (recuerden que abreviaban SAM), no se forman y por lo tanto las plantas no pueden crecer y quedan en el estado de semilla. Entonces podemos decir que el gen STM es muy importante para la organogénesis. Es mas, cuando este gen se sobreeexpresa consitutivamente las plantas muestran yemas de crecimiento ectópicas (fuera de lugar) en las hojas.

Genes esenciales para la formación de ambos tipos de embriones (somáticos y cigóticos) son el LEC1 (Leafy Cotyledon 1) y el FUS3. Si estos genes están mutados los embriones no detienen su desarrollo, son intolerantes a la desecación y por lo tanto inviables. Cuando estos genes se sobreexpresan ectópicamente en plantas transgénicas se forman embriones somáticos a partir de células vegetativas.

Es interesante que la sobreexpresión ectópica ya sea de los genes que controlan la organogénesis (STM) como la embriogénesis (LEC1, FUS3), fuerzan a las células vegetativas de las plantas modificadas genéticamente a formar estructuras similares a las plántulas de Kalanchoe daigremontiana. Por lo tanto los investigadores decidieron estudiar la actividad de los genes STM, LEC1 Y FUS3 directamente en las plántulas, para así comprobar directamente cuales son los programas genéticos que intervienen en su formación.

Las plantas del genero Kalanchoe, un excelente modelo experimental.

Las plantas del género Kalanchoe muestran diferentes estrategias evolutivas:

1- Especies que se reproducen sólo sexualmente y no forman plántulas. Por lo tanto pueden formar embriones cigóticos y poseen el gen LEC1 activo.

2- Especies como la Kalanchoe daigremontiana que sólo se reproducen asexualmente y forman plántulas en el borde de las hojas, en forma constitutiva. Todas estas especies poseen el gen LEC1 mutado, y posiblemente inactivo o su función alterada. Estas plantas no pueden formar embriones (por lo tanto sus semillas son inviables).

3- Especies que pueden reproducirse sexualmente (forma semillas viables) y que producen plántulas en forma semiconstitutiva y también en situaciones de stress. Gen LEC1 activo. Estas especies como la Kalanchoe gastonis-bonnieri, que posee todas las estrategias reproductivas representarían a la línea evolutiva ancestral.

4- Especies que se reproducen sexualmente, pero que en condiciones de stress pueden producir plántulas. Gen LEC1 activo.

Evolución de la reproducción asexual en Kalanchoe.

Como ya vimos la Kalanchoe daigremontana, se reproduce de forma asexual exclusivamente, no forma semillas ni embriones normales, sino que por el contrario, desarrolla estas plántulas, muy pequeñas (sus hojuelas parecen cotiledones), que aun adheridas a la planta madre, comienzan a formar sus raíces adventicias. En ningún momento sufren desecación, sino que poseen su propio sistema de transporte y aunque se parecen, no son embriones.

¿Por que realiza este proceso de reproducción asexual? Pues aparentemente algunas plantas de este género, han perdido la capacidad de reproducirse sexualmente, ya que tienen mutado el gen LEC1, clave en la formación de las semillas y por lo tanto se han adaptad a la reproducción asexual. O al revés, puede ser que la mutación de LEC1 de alguna manera favorezca la reproducción asexual.

Los estudios mas recientes han demostrado que la Kalanchoe daigremontiana forma plántulas en el borde de sus hojas, porque ambos programas el organogénico y el embriogénico, trabajan cooperativamente en la hoja. Estas conclusiones se basan en tres puntos:

1- El gen STM en Kalanchoe daigremontiana, puede iniciar un proceso de cambio en el desarrollo y generar un grupo de células indiferenciadas y competentes como meristema en el borde de las hojas (programa organogénico).

2- La supresión del gen STM, impide el desarrollo de las plántulas en el borde de las hojas.

3- Tanto el Gen LEC1 (mutado) como el gen FUS3 se expresan activamente en la formación de las plántulas (programa embriogénico), y por lo tanto habrían sido reclutados dentro del programa organogénico del desarrollo de las plántulas, y serian responsables de algunas de las características únicas de estos propágalos somáticos (estructura similar a un embrión).

Las evidencias aportadas sugieren entonces que la reproducción asexual probablemente comenzó, como un proceso de organogénesis que luego recluto un programa de embriogénesis en las hojas, en respuesta a la perdida de la capacidad de reproducción sexual en este genero.

¿Por que son importantes estos trabajos?

La respuesta es simple, nos ayudan a entender como se reproducen las plantas, como evolucionan y se adaptan. Fenómenos poco conocidos y peor entendidos actualmente.

Además existe un enorme interés en la producción de plantas a partir de embriones somáticos, tecnología de semillas artificiales, reproducción de plantas en peligro de extinción o autóctonas desplazadas. Propagación de ejemplares de alto valor comercial, selección de híbridos, estudios sobre la reproducción de plantas manipuladas genéticamente, saneamiento de enfermedades, etc, etc, etc. Todas estas tecnologías podrían tener un gran impacto en nuestra capacidad de producir semillas y plantas más resistentes, en su valor comercial o alimentario y por lo tanto afectar nuestra capacidad de brindar más y mejores alimentos de origen vegetal a una población creciente con un medio ambiente cada vez más degradado.

Fuente: Helena M. P. Garces, Neelima R. Sinha (2007) Proc Natl Acad Sci USA, vol 104:15578-15583

¡Sumo si, karate no!

Por: Lionel Valenzuela Perez

¡Que es la sumoilación, que alguien me lo expliqueeeeeeeee!

Paciencia jóvenes padawan (es que hoy vi “La venganza de los Siths”).

La sumoilación es una modificación post-traduccional, reversible, que tiene como objetivo unir covalentemente una o mas proteínas SUMO a un aminoácido lisina de una proteína blanco. La proteína blanco queda de esta forma “etiquetada” y preparada para diferentes procesos biológicos.

Se llama SUMO (small ubiquitin-like modifier) a una familia de pequeñas proteínas que modifican covalentemente a otras proteínas, en forma similar a como lo hace la ubiquitina. De allí su denominación en ingles y el acrónimo.

Así como la modificación postraduccional llevada acabo por la ubiquitina se la denomina ubiquitinización a la modificación realizada por la proteína SUMO se la llama sumoilación.

Recordemos que la ubiquitinización es conocida como una señal de degradación. Cuando la proteína blanco es ligada a la ubiquitina, es reconocida por el proteasoma de 26S y luego degradada.

Procesos regulados por la sumoilación

La unión de la proteína SUMO al aminoácido lisina de la proteína sustrato es reversible ya que existe una familia de proteasas específicas, denominadas SENP (por sentrina proteasas), capaces de remover a SUMO de la proteína que etiquetaba. SUMO altera las propiedades bioquímicas de la proteína conjugada. Regulando de esta forma, entre otros procesos:

- localización y trafico intracelular

- estabilidad proteica e interacción proteína-proteína

- actividad transcripcional e interacción proteína-ADN

- señalización y transporte nucleo-citoplasmático

- replicación del ADN

- regulación del ciclo celular

- regulación de la replicación viral

- ubiquitinización (recientemente reportado)

En cuanto a su estructura SUMO es una proteína de 97 aminoácidos que posee homología con la ubiquitina. Ambas proteínas Sumo y la ubiquitina se unen a la misma secuencia consenso. Por lo tanto podría haber una competencia entre ambos procesos. Si una proteína es sumoilizada no podría luego ser ubiquitinizada, a menos que antes, SUMO, fuera removida por una proteasa específica. En concordancia con este razonamiento, algunos ejemplos demuestran que la ubiquitinización y la sumoilación de algunas proteínas podrían ser procesos antagónicos.

Definición de sumoilación

Definiremos a la sumoilación como un proceso reversible de modificación postranscripcional, que regula la actividad de las proteínas unidas covalentemente a la proteína SUMO.

La sumilación consta de 4 pasos, en forma similar a la ubiquitinización, estos son:

1- Maduración: la proteína sumo es activada por una peptidasa.

2- Activación: unión a la enzima activadora E1, proceso dependiente de ATP

3- Conjugación: transferencia de SUMO desde la enzima E1 a la proteína conjugadora E2 (UBC9).

4- Ligadura: Las enzimas E3 son las responsables de regular la unión de SUMO a sus proteínas sustrato. Realizan este proceso uniéndose tanto a la enzima conjugadora E2 como a la proteína sustrato. De esta forma pueden estimular la transferencia del modificador.

La sumoilación y la segregación de los cromosomas

Como señalamos anteriormente la sumoilación utiliza una sola enzima conjugadora, denominada E2 (UBC9), para unir la proteína SUMO a sus sustratos. Estudios recientes indican que si la sumoilación falla por una mutación en UBC9, la viabilidad de los embriones se ve comprometida, ya que esta vía estaría involucrada en la estabilidad y segregación de los cromosomas.

Las levaduras con la proteína SUMO mutada muestran problemas en la mitosis y en la segregación de los cromosomas. Se ha establecido que la sumoilación es esencial para reclutar y retener las proteínas del cinetocoro.

Estos y otros ejemplos implican a la sumoilación como un importante factor en la segregación de los cromosomas y por lo tanto en la división celular.

El transporte núcleo-citoplasmático es regulado por la sumoilación

Sabemos que la proteína Ran juega un importantísimo papel en el transporte a través del complejo del poro nuclear (CPN).

La actividad de la proteína Ran depende a su vez de la proteína activadora 1 de la Ran GTPasa (RanGAP1).

Esta proteína RanGAP1 una vez sumoilizada es transportada al CPN, donde activa a la proteína RAN permitiendo un transporte nucleo-citoplasmático normal. Pero si la sumoilación de RanGAP1 falla, no es transportada luego al CPN y se altera todo el transporte entre el núcleo y el citoplasma.

Por lo tanto la sumoilación es determinante en el transporte nuclear.

La respuesta celular a la hipoxia y la sumoilación

La hipoxia, es una condición potencialmente peligrosa, donde la concentración de oxigeno es muy baja y que requiere una respuesta adaptativa muy rápida del metabolismo celular.

Condiciones de hipoxia pueden encontrarse en los tumores (a medida que el tumor crece, las células en el interior de la masa tumoral reciben menos oxigeno y sufren necrosis), así como en el desarrollo embrionario normal.

La hipoxia dispara una importante respuesta transcripcional que promueve el desarrollo vascular (nuevos vasos sanguíneos, angiogénesis) así como la formación de nuevos eritrocitos (eritropoyesis). La hipoxia también potencia la glucólisis a través del aumento de la trascripción de los genes Glut-1 que codifican transportadores de glucosa.

¿Cuál es el gen regulador maestro de la hipoxia?

El gen regulador maestro de la hipoxia, es el factor inducible por la hipoxia (HIF). El HIF consiste de dos subunidades, una de las cuales, la HIFα, sufre una intrincada regulación dependiente de los niveles de oxigeno. Por ejemplo, el HIFα, posee un dominio denominado ODD (degradación dependiente de oxigeno). Si los niveles de oxigeno son normales, el dominio ODD del HIFα, es hidroxilado, siendo potenciada de esta forma la ubiquitinización del HIFα y luego degradado.

Si las condiciones son de hipoxia, HIFα escapa a la degradación, aumentando la trascripción de los genes responsables del desarrollo de los vasos sanguíneos como el del factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF) y del aumento de la eritropoyesis, vía estimulación de la síntesis de la eritropoyetina (Epo).

¿Cuál es el papel de la sumoilación en la hipoxia?

Algunos trabajos, reportan que en condiciones de hipoxia, el HIFα es sumoilizado, esto aumentaría su estabilidad e impediría que fuera degradado vía ubiquitinización (ver mas arriba, la ubiquitinización y la sumoilación como procesos antagónicos). De esta forma el HIFα, escapa a la degradación activando la trascripción de los genes necesarios para corregir la situación de hipoxia.

Un importante descubrimiento de investigadores argentinos

Recientemente en la revista CELL, un equipo de investigadores argentinos, dirigidos por el investigador Eduardo ARTZ, describe el descubrimiento de un nuevo regulador de HIFα.

Este nuevo regulador llamado RSUME (por RWD-containing Sumoylation Enhancer), es decir potenciador de la sumoilación que contiene el dominio RWD (un dominio específico para las interacciones proteína-proteína), también es inducido por hipoxia.

Por lo tanto en hipoxia RSUME se sobreexpresa, potenciando la sumoilación de HIFα, aumentando su estabilidad y escapando a la degradación. Al poder acumularse HIFα en el núcleo este termina induciendo entre otros al VEGF, para que comience la angiogénesis y pueda llegar mas oxigeno al tumor.

Por lo tanto al potenciar la sumoilación de HIFα y prevenir su degradación, RSUME es un importante factor en la supervivencia del tumor cuando este crece y las células de su interior sufren de hipoxia. Si pudiera bloquearse la función de RSUME, entonces el tumor podría detener su crecimiento.

Nuevos trabajos entran en conflicto con reportes previos

En un excelente ejemplo de cómo funciona el trabajo científico, solo un mes después de la publicación del descubrimiento de RSUME, un equipo norteamericano dirigido por Edward Yeh, entrega otra visión de la regulación de HIFα, que por lo menos parcialmente contrasta con los conocimientos previos.

En estos trabajos, se muestra que es necesario que una proteasa, la SENP1, de la familia de las sentrinas, remueva la proteína SUMO (desumoilación) del HIFα para que sea estabilizado y pueda estimular la trascripción.

Durante la embriogénesis, uno de los disparadores para la eritropoyesis es la hipoxia fisiológica que se produce durante el crecimiento del embrión. Nuevamente es HIFα el regulador maestro, que induce tanto la angiogénesis como la eritropoyesis.

Este grupo de investigadores, demostró que si la desumoilación falla (por ejemplo si el gen de la proteasa es mutado), no se produce la eritropoyesis normal y los embriones mueren. Por lo tanto la estabilización de HIFα no se produciría mediante la sumoilación sino por la desumoilación. Es mas, según el grupo de Yeh, la sumoilación de HIFα, promueve su degradación vía ubiquitinización.

Estas investigaciones del equipo de Yeh, de la Universidad de Texas, no explican como o por que el HIFα es sumoilizado cuando hay hipoxia.

Como vemos este trabajo muestra contrastes con lo reportado por el equipo de Eduardo Artz.

Pero de esta forma, con dos o más hipótesis diferentes que compiten, y múltiples grupos de investigación involucrados, que seguramente profundizarán y ampliarán nuestro conocimiento sobre los reguladores maestros del metabolismo celular como el HIF.

Crean un super ratón en forma completamente inesperada

Por: Lionel Valenzuela Perez

La enzima Fosfoenolpiruvato Carboxiquinasa (PEPCK), participa de la gluconeogénesis, un proceso que involucra la formación de glúcidos a partir de precursores no glucídicos, como por ejemplo, los aminoácidos. Esta función de la enzima era bien conocida en el hígado y riñón, pero en otros tejidos, como músculo, colon y glándula mamaria, entre otros, se sabía mucho menos de su funcionamiento. Por esta razón los investigadores se propusieron diseñar un ratón que sobreexpresara el gen de la PEPCK citosolica (PEPCK-C) del músculo esquelético para ver que efectos metabólicos y fisiológicos se producían.

El cDNA de la PEPCK-C fue unido al promotor de la alfa-actina del músculo esquelético, de esta forma logramos que el gen se exprese en el músculo esquelético.

Los resultados fueron más que sorprendentes. Los ratones transgénicos, son siete veces más activos, que los ratones normales y corren al doble de velocidad que sus ratones control. Un ratón normal corre 0,2 km comparados con los 2-6 km que corre el ratón manipulado genéticamente. Pueden estar corriendo 20 metros por minuto durante 5 o 6 horas. No se acalambran porque acumulan la mitad de ácido láctico que los ratones no manipulados.

No solamente son más activos, sino que son mucho más longevos y mantienen su fertilidad por más tiempo. La grasa corporal es mucho menor en un “super ratón”, “viejo” que en los ratones jóvenes normales (WT). Esto a pesar de que los “super ratones” comen 60% más que sus controles.

El músculo esquelético muestra además un número mayor de mitocondrias y de triglicéridos, una demostración gráfica del uso continuo de los ácidos grasos por parte del ratón PEPCK-C durante el ejercicio.

¿Hubo algunos efectos negativos? Si, los ratones PEPCK-C son más agresivos que los ratones wild-type (WT).

Este trabajo tiene, profundas implicancias en varias ramas, inclusive evolutivas, ya que demuestra que la sobreexpresión de un solo gen puede cambiar múltiples aspectos de la fisiología y del metabolismo de un animal.

El trabajo fue publicado originalmente en el Journal of Biological Chemistry.

Imágenes y video tienen esa procedencia.

http://www.jbc.org/cgi/content/short/282/45/32844

La vida interior de una célula

Les dejo aquí, este excelente video de la Universidad de Harvard. No sólo esta muy bien hecho, sino que esta muy actualizado y nos muestra a las células como un universo muy complejo, lleno de armonía y belleza.

La traducción es propia, así que disculpen los errores.

Espero que les guste tanto como a mí.

Lionel Valenzuela Pérez

Pd: Les recomiendo el artículo del día de hoy del diario La Nación, sobre el descubrimiento de un gen regulatorio maestro, por investigadores argentinos. Excelente trabajo de la periodista Nora Bar. Les dejo el link:

http://www.lanacion.com.ar/EdicionImpresa/cienciasalud/nota.asp?nota_id=954587&pid=3369274&toi=5283