RESPUESTAS CELULARES AL ESTRES

FABIO A RODRIGUEZ MD, MSUniversidad Nacional de Colombia

Universidad de Michigan, USA

Asociación Colombiana de Psiquiatría BiológicaMiembro fundador - Miembro honorario

Estrés, un estímulo necesario para las funciones celulares

Mecanismos celulares de supervivencia al estrés; regulación de la muerte celular

Respuestas celulares a: shock térmico, desdoblamientoproteico, daño al ADN, estrés oxidativo

Implicaciones clínicas, como resultado del estrés

Relación del estrés con la epigenética

RESPUESTAS CELULARES AL ESTRESTOPICOS A REVISAR

RESPUESTAS CELULARES AL ESTRES

Es un término general

Cubre un amplio rango de cambios molecularesque sufren las células en repuesta a los estresoresambientales.

MARCO CONCEPTUAL

Fenómeno conservado evolutivamente:Bacterias Células eucariotas animales y vegetales (con iguales características funcionales)

Las células responden al estrés en diversas formas:

Desde la activación de vias que promueven la supervivencia hasta provocar la muerte celularprogramada que elimina las células lesionadas.

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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

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MARCO CONCEPTUAL

La muerte celular regulada(RCD) involucra: Apoptosis Necrosis Piroptosis Autofagia

Organización de las respuestas al estrés encélulas eucariotas

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La respuesta al shock térmico

Hay expression génica específicade familias de chaperonas (HSPs), con diversas funciones celulares, que las hacen moléculas de supervivencia y antiapoptóticas.

Pueden proveer un estado de termotolerancia.

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Respuesta al estrés térmicomoderado

Hay daño proteico: Desdoblamiento agregación

La respuesta al desdoblamiento proteico

Las proteinas secretorias y de membrana sufren modificaciones post-traduccionales en el RE(glicosilación, enlaces S—S, plegamiento, oligomerización, etc).

Si la carga proteica excede la capacidadde plegamiento o si hay defectos en el ER, las células tienden a morir porapoptosis.

Hay evidencia de estrés del RE en: diabetes, ateroesclerosis, defectosendocrinos y de desarrollo, trastornosneurodegenerativos y cáncer

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Agentes genotóxicos: Ejemplos: Irradiación, quimioterapia, ambientales ( PCHC, luz UV, etc).

Pueden generar rupturas de unabanda(SSBs) o de doble banda (DSBs).

Activación de los mecanismos de reparación

RESPUESTAS CELULARES AL ESTRESLa respuesta al daño del ADN

La reparación puede ser: Sin errores reconstitución de ADN Con errores mutaciones o muerte

La respuesta al estrés oxidativo

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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

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

Organización de las respuestas en células eucariotas

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APOPTOSIS

Muerte celularprogramada

Depende de cascada de caspasas, controlada porproteinas (genes) proapoptóticas y antiapoptóticas

Es proceso fisiológico enel desarrollo y el envejecimiento

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RESPUESTAS CELULARES AL ESTRESAPOPTOSIS

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ESTRES

Vias de regulación de la apoptosis

Vias ‘intrínseca” y “extrínseca” convergen en activación de caspasas

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Regulada por señalesespecíficas. En respuesta a: isquemia, exocitotoxicidadneuronal (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 inhibirla apoptosis.

RESPUESTAS CELULARES AL ESTRESNECROSIS

APOPTOSIS vs NECROSIS vs PIROPTOSIS

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“Muerte natural” “Catástrofe”

RESPUESTAS CELULARES AL ESTRESAUTOFAGIA

Presenta secuestrovesicular y degradaciónde proteinas y organelas(autofagosoma)

En respuesta a: Estresores metabólicos

y terapéuticos

Deprivación de factoresde crecimiento y señalesespecíficas

Déficit de nutrientes

El lisosoma es fundamental en este proceso

RESPUESTAS CELULARES AL ESTRESAUTOFAGIA

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AUTOFAGIA

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AUTOFAGIA

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AUTOFAGIA

COMPONENTES PRICIPALES DE LA REGULACION DE LA AUTOFAGIA EN MAMIFEROS

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Cuando las defensas celulares no son totalmenteprotectoras, sobreviene el ESTRES OXIDATIVO

Hipótesis original: El estrés oxidativo es un mecanismo del proceso normal de envejecimiento (Denham Harman)

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El “estrés fisiológico” esesencial 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 conduciral desarrollo de diversaspatologias, cuyo tipo variarásegún la susceptibilidadgenética individual.

RESPUESTAS CELULARES AL ESTRESCONSECUENCIAS

Estresores internos y externo inducen la adaptación celular al estrés

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Los estresores son inevitables en la vida de losorganismos y sus células

El estímulo estresor puedeser demasiado fuerte y prolongado, sin tiempo de recuperación

El manejo celular del estrés , aún del fisiológico, puedeestar alterado por múltiplesfactores detrimento(estados patológicos)

El estrésoxidativo: Un conceptounificador enla gran variedad de condicionesclínicashumanas

Huntington, Lou Gehrig’s,

Bipolar disorder, Schizophrenia,

Anxiety disorders,

Depressive disorders

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IMPLICACIONES CLINICAS

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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 división celular >> apoptosis carcinogénesis( inmortalidad celular )

Si la apoptosis >> division celular degeneración tisular( enfermedades degenerativas )

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Hipótesis:

Es el cáncer un mecanismo de defensa del organismo?

Estrés crónico

Apoptosis

Defensa

División celular

Cáncer??

Cambios en la expresión génica o el fenotipo celular, pasadosde 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)

EPIGENETICA

Estructura de la cromatina eucariota

Los niveles de empaquetamientodel ADN especifican sufunción.

Solamente el 1.5% del ADN humanocodifica proteinas.

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MECANISMOS MOLECULARES EPIGENETICOS

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RESPUESTAS CELULARES AL ESTRESEPIGENETICA

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. 2000 descubiertos; regulan aprox. 60% de

genes humanos)• Priones• Microbioma• CELULAS MADRE (Stem cells, “memoria celular”, totipotenciales y

pluripotenciales)

RESPUESTAS CELULARES AL ESTRESEPIGENETICA

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

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Estrés, su respuesta hormonal y modificaciones epigenéticas

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INTERACCION ENVEJECIMIENTO – ESTRES EN MODIFICACIONES AL EPIGENOMA

Cortisol regula la expresión de múltiples genes a través de:

Inducción de proteinas que inhiben la metilación del ADN

Estimulación de la acción de enzimas que demetilan el ADN

Cambios epigenéticosadicionales ( histonas, cromatina )

Acumulación de cambios a lo largo del periodo vital

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Consecuencias del estrés precoz durante el desarrollo

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RELEVANCIA DE LOS CAMBIOS EPIGENETICOS

Qué revela el estado de metilación del ADN acerca de la saludindividual, su susceptibilidad a la enfermedad o sus riesgos de mortalidad?

Estudios rigurosos indican que las metilaciones ocurren en unas500.000 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 cambiospueden ser reversibles.

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También, de las 58 posiciones CpG, solamente 10 de ellasmuestran la correlación más fuerte con el riesgo de mortalidadpor todas las causas (cáncer, enfermedad CV y otras). Este perfilde 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. Encierto sentido, yo pienso que éste punto de vista es correcto, pero necesitamos mucha más evidencia para obtener un cuadrodefinido”. ( Howard Cedar, el maestro de la metilación )

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RELEVANCIA DE LOS CAMBIOS EPIGENETICOS

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 tambiéndependen de múltiples factores: tipo de célula, receptores, transductores, efectores, etc, además de la interacción ( cross-talk ) entre éstas vias.

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P A R A R E C O R D A R

Los factores de estrés son determinantes de losmecanismos epigenéticos.

Los fenotipos resultantes de estos mecanismostambién están sujetos a la variabilidad de expresión, según la susceptibilidad genética individual.

De acuerdo a lo anterior, cada fenotipopatológico es único, parte de espectros de expresión en cuanto a severidad, posibilidady respuesta terapéutica, pronóstico, etc.

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MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION