La apoptosis es una forma programada de muerte celular que elimina células no deseadas a través de una cascada estrechamente regulada de activación de caspasas. Es esencial para el desarrollo, la homeostasis tisular y la función inmune. La desregulación de la apoptosis contribuye al cáncer, enfermedades autoinmunes y neurodegeneración.
Características Morfológicas
Las células apoptóticas muestran cambios característicos. La célula se encoge y condensa, la cromatina se agrega contra la membrana nuclear y el núcleo se fragmenta. La membrana plasmática forma ampollas y la célula se rompe en cuerpos apoptóticos que contienen fragmentos nucleares y orgánulos. Los cuerpos apoptóticos son rápidamente fagocitados sin desencadenar inflamación. Esto contrasta con la necrosis, donde las células se hinchan, lisan y liberan contenido inflamatorio.
Caspasas
Las caspasas son proteasas de cisteína-aspártico que ejecutan el programa apoptótico. Se sintetizan como zimógenos inactivos llamados procaspasas y se activan mediante escisión proteolítica. Las caspasas iniciadoras, incluyendo caspasa-8 y caspasa-9, se activan por dimerización inducida por proximidad en complejos de señalización. Las caspasas efectoras, incluyendo caspasa-3 y caspasa-7, son activadas por las caspasas iniciadoras y llevan a cabo la fase de demolición.
Las caspasas efectoras escinden numerosos sustratos celulares. Inactivan inhibidores de DNasa, permitiendo la fragmentación del ADN. Escinden las láminas nucleares, causando desintegración nuclear. Interrumpen las proteínas del citoesqueleto, causando encogimiento celular y formación de ampollas. Escinden ICAD, liberando la nucleasa CAD que fragmenta el ADN en unidades nucleosomales.
La Ruta Extrínseca
La ruta extrínseca es desencadenada por receptores de muerte en la superficie celular. El ligando Fas se une al receptor Fas, y TNF-alfa se une a TNFR1. La unión del ligando induce la trimerización del receptor y la formación del complejo de señalización inductor de muerte. La proteína de dominio de muerte asociada a Fas recluta procaspasa-8 a DISC, donde se activa. La caspasa-8 activada luego escinde y activa caspasas efectoras.
En algunas células, la caspasa-8 también escinde Bid, una proteína solo BH3, generando Bid truncado que involucra la ruta mitocondrial. Este bucle de amplificación es importante en células tipo II, donde la activación de caspasa-8 es insuficiente para activar directamente suficientes caspasas efectoras. Las proteínas FLIP inhiben la activación de caspasa-8 en DISC y son el objetivo de algunos virus para prevenir la apoptosis de células infectadas.
La Ruta Intrínseca
La ruta intrínseca o mitocondrial está regulada por la familia de proteínas Bcl-2, que controlan la permeabilización de la membrana externa mitocondrial. La familia incluye proteínas pro-apoptóticas solo BH3 como Bid, Bad y Bim que detectan el estrés celular, proteínas ejecutoras pro-apoptóticas Bax y Bak que forman poros, y proteínas anti-apoptóticas Bcl-2, Bcl-xL y Mcl-1 que inhiben Bax y Bak.
Las señales de estrés celular incluyendo daño en el ADN, retirada de factores de crecimiento y activación oncogénica inducen proteínas solo BH3. Las proteínas solo BH3 neutralizan las proteínas Bcl-2 anti-apoptóticas y activan directamente Bax y Bak. Las Bax y Bak activadas se oligomerizan en la membrana mitocondrial externa, formando poros que liberan citocromo c y otras proteínas del espacio intermembrana.
El Apoptosoma
El citocromo c liberado al citosol se une al factor activador de proteasa apoptótica-1, que se oligomeriza para formar el apoptosoma. Esta estructura en forma de rueda recluta procaspasa-9, promoviendo su activación por dimerización. La caspasa-9 activada luego activa caspasa-3 y caspasa-7, ejecutando el programa apoptótico. La proteína inhibidora de apoptosis ligada al X se une e inhibe la caspasa-9 y las caspasas efectoras. Smac-DIABLO, también liberado de las mitocondrias, neutraliza las IAP.
Regulación de la Apoptosis
p53 es un regulador central de la apoptosis, inducido por daño en el ADN y estrés oncogénico. Activa la transcripción de miembros pro-apoptóticos de la familia Bcl-2 incluyendo PUMA, Noxa y Bax. p53 también tiene actividades pro-apoptóticas independientes de transcripción. La pérdida de la función de p53 en el cáncer elimina esta barrera apoptótica crítica.
Las señales de supervivencia activan la señalización PI3K-AKT, que fosforila e inactiva Bad, promueve la expresión de Mcl-1 e inactiva los factores de transcripción FOXO que inducen genes pro-apoptóticos. La ruta NF-kappaB induce proteínas anti-apoptóticas incluyendo Bcl-xL, c-FLIP e IAP.
Apoptosis en Enfermedades
En el cáncer, la apoptosis está suprimida a través de múltiples mecanismos. Bcl-2 está sobreexpresada en el linfoma folicular debido a una translocación cromosómica. Las IAP están frecuentemente sobreexpresadas. p53 está mutado en más de la mitad de los cánceres. Estos defectos contribuyen a la quimiorresistencia. Los miméticos de BH3 como venetoclax, un inhibidor de Bcl-2, han transformado el tratamiento de la CLL.
La apoptosis excesiva contribuye a enfermedades neurodegenerativas. En la enfermedad de Alzheimer, los péptidos beta-amiloide inducen apoptosis en neuronas. La excitotoxicidad en el accidente cerebrovascular activa rutas apoptóticas. En enfermedades autoinmunes, la apoptosis defectuosa de linfocitos autorreactivos contribuye a la autoinmunidad.
Otras Formas de Muerte Celular
La necroptosis es una forma programada de necrosis mediada por RIPK1, RIPK3 y MLKL. Se desencadena cuando la caspasa-8 está inhibida, sirviendo como un mecanismo de muerte celular de respaldo. La necroptosis libera patrones moleculares asociados a daño que activan respuestas inmunes. La piroptosis es una forma altamente inflamatoria de muerte celular programada desencadenada por inflamasomas, que implica la formación de poros de gasdermina D y la liberación de IL-1-beta.
