RESPUESTAS CELULARES AL ESTRES

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1 RESPUESTAS CELULARES AL ESTRES FABIO A RODRIGUEZ MD, MS Universidad Nacional de Colombia Universidad de Michigan, USA Asociación Colombiana de Psiquiatría Biológica Miembro fundador - Miembro honorario

2 TOPICOS A REVISAR Estrés, un estímulo necesario para las funciones celulares Mecanismos celulares de supervivencia al estrés; regulación de la muerte celular Respuestas celulares a: shock térmico, desdoblamiento proteico, daño al ADN, estrés oxidativo Implicaciones clínicas, como resultado del estrés Relación del estrés con la epigenética

3 Es un término general MARCO CONCEPTUAL Cubre un amplio rango de cambios moleculares que sufren las células en repuesta a los estresores ambientales. Fenómeno conservado evolutivamente: Bacterias Células eucariotas animales y vegetales (con iguales características funcionales)

4 MARCO CONCEPTUAL Las células responden al estrés en diversas formas: Desde la activación de vias que promueven la supervivencia hasta provocar la muerte celular programada que elimina las células lesionadas.

5 MARCO CONCEPTUAL Hay muchos tipos de estrés y la respuesta depende del tipo, severidad y nivel del ataque. Si los mecanismos de defensa no son efectivos, se activan los programas de muerte, dependiendo de la capacidad de resolución del problema, sea por: Apoptosis Necrosis Piroptosis (forma inflamatoria de muerte) Autofagia

6 Organización de las respuestas al estrés en células eucariotas La muerte celular regulada (RCD) involucra: Apoptosis Necrosis Piroptosis Autofagia

7 La respuesta al shock térmico Respuesta al estrés térmico moderado Hay daño proteico: Desdoblamiento agregación Hay expression génica específica de familias de chaperonas (HSPs), con diversas funciones celulares, que las hacen moléculas de supervivencia y antiapoptóticas. Pueden proveer un estado de termotolerancia.

8 La respuesta al desdoblamiento proteico Las proteinas secretorias y de membrana sufren modificaciones posttraduccionales en el RE (glicosilación, enlaces S S, plegamiento, oligomerización, etc). Si la carga proteica excede la capacidad de plegamiento o si hay defectos en el ER, las células tienden a morir por apoptosis. Hay evidencia de estrés del RE en: diabetes, ateroesclerosis, defectos endocrinos y de desarrollo, trastornos neurodegenerativos y cáncer

9 La respuesta al daño del ADN Agentes genotóxicos: Ejemplos: Irradiación, quimioterapia, ambientales ( PCHC, luz UV, etc). Pueden generar rupturas de una banda(ssbs) o de doble banda (DSBs). Activación de los mecanismos de reparación La reparación puede ser: Sin errores reconstitución de ADN Con errores mutaciones o muerte

10 La respuesta al estrés oxidativo Hay evidencia de cross-talk entre el estrés oxidativo y otras vias de respuesta al estrés i.e. HSPs El O₂ꜙ es un activador de la autofagia Proteinas antiapoptóticas (Bcl-2) también son antioxidantes ROS también interfieren la apoptosis, por inactivación de caspasas y ATP, forzando las células a NECROSIS

11 Organización de las respuestas en células eucariotas Si los mecanismos de preservación de la homeostasis no son eficientes, las señales celulares llevan a: La muerte celular regulada (RCD) por mecanismos de: Apoptosis Necrosis Piroptosis Autofagia

12 APOPTOSIS Muerte celular programada Depende de cascada de caspasas, controlada por proteinas (genes) proapoptóticas y antiapoptóticas Es proceso fisiológico en el desarrollo y el envejecimiento

13 APOPTOSIS

14 Vias de regulación de la apoptosis Vias intrínseca y extrínseca convergen en activación de caspasas ESTRES

15 NECROSIS Regulada por señales específicas. En respuesta a: isquemia, exocitotoxicidad neuronal (glutamato) ROS y Ca++: mediadores importantes en la activación de las señales. Causan daño a organelas y macromoléculas con pérdida de integridad celular. Estas señales pueden inhibir la apoptosis.

16 APOPTOSIS vs NECROSIS vs PIROPTOSIS Muerte natural Catástrofe

17 AUTOFAGIA Presenta secuestro vesicular y degradación de proteinas y organelas (autofagosoma) En respuesta a: Estresores metabólicos y terapéuticos Deprivación de factores de crecimiento y señales específicas Déficit de nutrientes El lisosoma es fundamental en este proceso

18 AUTOFAGIA

19

20 AUTOFAGIA

21 AUTOFAGIA

22 AUTOFAGIA

23 COMPONENTES PRICIPALES DE LA REGULACION DE LA AUTOFAGIA EN MAMIFEROS

24 Cuando las defensas celulares no son totalmente protectoras, sobreviene el ESTRES OXIDATIVO Hipótesis original: El estrés oxidativo es un mecanismo del proceso normal de envejecimiento (Denham Harman)

25 CONSECUENCIAS El estrés fisiológico es esencial para la función y supervivencia celular La adaptación al estrés no fisiológico conduce a la inhibición de la apoptosis por las caspasas. Un estrés prolongado o persistente puede conducir al desarrollo de diversas patologias, cuyo tipo variará según la susceptibilidad genética individual.

26 Estresores internos y externo inducen la adaptación celular al estrés Los estresores son inevitables en la vida de los organismos y sus células El estímulo estresor puede ser demasiado fuerte y prolongado, sin tiempo de recuperación El manejo celular del estrés, aún del fisiológico, puede estar alterado por múltiples factores detrimento (estados patológicos)

27 IMPLICACIONES CLINICAS El estrés oxidativo: Un concepto unificador en la gran variedad de condiciones clínicas humanas Huntington, Lou Gehrig s, Bipolar disorder, Schizophrenia, Anxiety disorders, Depressive disorders

28 En homeostasis tisular hay: Tasa neta de crecimiento Tasa neta de muerte En exposición al estrés ésta homeostasis se puede alterar, dependiendo del tipo de estrés, su severidad, su duración y la capacidad celular de respuesta. Si la apoptosis >> division celular ( enfermedades degenerativas ) Si la división celular >> apoptosis ( inmortalidad celular ) degeneración tisular carcinogénesis

29 Hipótesis: Es el cáncer un mecanismo de defensa del organismo? Estrés crónico Apoptosis Defensa División celular Cáncer??

30 EPIGENETICA Cambios en la expresión génica o el fenotipo celular, pasados de una generación a la siguiente (Lamarckismo?) Información NO CODIFICADA en las secuencias del ADN No hay modificación de secuencias Los cambios químicos no genéticos incluyen metilaciones del ADN y/o modificación de la histonas, transcripción de ncrna s ( mirna s)

31 Estructura de la cromatina eucariota Los niveles de empaquetamiento del ADN especifican su función. Solamente el 1.5% del ADN humano codifica proteinas.

32 MECANISMOS MOLECULARES EPIGENETICOS

33 EPIGENETICA

34 EPIGENETICA Ejemplos de herencia epigenética: Paramutación (interacción entre dos alelos de un solo gen) Silenciamiento génico Inpronta génica (Imprinting) Inactivación del cromosoma X en la mujer ( 23 XX vs. 23 XY ) Efectos maternos Procesos de carcinogénesis MicroRNAs (aprox descubiertos; regulan aprox. 60% de genes humanos) Priones Microbioma CELULAS MADRE (Stem cells, memoria celular, totipotenciales y pluripotenciales)

35 El estrés puede afectar el epigenoma a distintos niveles y mecanismos diferentes

36 Estrés, su respuesta hormonal y modificaciones epigenéticas

37 Inducción de proteinas que inhiben la metilación del ADN Estimulación de la acción de enzimas que demetilan el ADN Cambios epigenéticos adicionales ( histonas, cromatina ) Acumulación de cambios a lo largo del periodo vital RESPUESTAS CELULARES AL ESTRES INTERACCION ENVEJECIMIENTO ESTRES EN MODIFICACIONES AL EPIGENOMA Cortisol regula la expresión de múltiples genes a través de:

38 Consecuencias del estrés precoz durante el desarrollo

39 RELEVANCIA DE LOS CAMBIOS EPIGENETICOS Qué revela el estado de metilación del ADN acerca de la salud individual, su susceptibilidad a la enfermedad o sus riesgos de mortalidad? Estudios rigurosos indican que las metilaciones ocurren en unas posiciones de dinucleótidos CpG en el genoma y que solamente 58 de ellas muestran una fuerte correlación entre metilación y mortalidad. De estas 58, 22 de ellas muestran la mayor correlación con el hábito de fumar: el fumar deja las huellas epigenéticas más fuertes. Pero, al contrario de las mutaciones en el ADN, estos cambios pueden ser reversibles.

40 RELEVANCIA DE LOS CAMBIOS EPIGENETICOS También, de las 58 posiciones CpG, solamente 10 de ellas muestran la correlación más fuerte con el riesgo de mortalidad por todas las causas (cáncer, enfermedad CV y otras). Este perfil de riesgo epigenético muestra un vínculo más fuerte con la supervivencia que otros indicadores actualmente disponibles ( i.e SNP s ). Sinembargo, recordemos: Hoy, cuando no sabemos qué causa una enfermedad, decimos que posiblemente es epigenética. En cierto sentido, yo pienso que éste punto de vista es correcto, pero necesitamos mucha más evidencia para obtener un cuadro definido. ( Howard Cedar, el maestro de la metilación )

41 P A R A R E C O R D A R Cada tipo de célula maneja las señales de estrés de acuerdo a su capacidad genética. Su supervivencia ó no depende de multiples sistemas de señales, dependientes de numerosos genes. Las vias de no supervivencia a elegir también dependen de múltiples factores: tipo de célula, receptores, transductores, efectores, etc, además de la interacción ( cross-talk ) entre éstas vias.

42 P A R A R E C O R D A R Los factores de estrés son determinantes de los mecanismos epigenéticos. Los fenotipos resultantes de estos mecanismos también están sujetos a la variabilidad de expresión, según la susceptibilidad genética individual. De acuerdo a lo anterior, cada fenotipo patológico es único, parte de espectros de expresión en cuanto a severidad, posibilidad y respuesta terapéutica, pronóstico, etc.

43 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION

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