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Introducción a La
Apoptosis
Introducción a La Terapia Génica
Curso 2004-2005
Introducción a La
Apoptosis
• Concepto
• Mecanismos moleculares:
– Inducción
– Control
– Ejecución
• Implicaciones:
– Función fisiológica
– Implicaciones patológicas
Introducción a La
Apoptosis
• Concepto
• Mecanismos moleculares:
– Inducción
– Control
– Ejecución
• Implicaciones:
– Función fisiológica
– Implicaciones patológicas
Apoptwsix
Kerr, J.F.R., Wyllie, A.H. & Currie, A.R.
“Apoptosis: A Basic Biological
Phenomenon With Wide Ranging
Implications In Tissue Kinetics”
British Journal of Cancer (1972), 26: 239.
¿Qué Es La Apoptosis?
 Caída de la hoja (Kerr et al., 1972).
 Suicidio celular.
“Autodestrucción de las células,
activa y genéticamente
controlada, caracterizada por
una morfología específica.”
Apoptosis
Necrosis
• Necrosis:
– Tipo de muerte celular, que ocurre como
consecuencia de un daño masivo de tejido,
asociada con una rápida incapacitación de
las principales funciones celulares como
son la expresión génica, síntesis de ATP y
potencial de membrana.
Apoptosis versus
Necrosis
Apoptosis
Necrosis
Causas
Falta factores crecimiento
Influencia hormonal
Toxicidad suave
Anoxia
Daño físico o químico
Morfología
Cel. Encogida
Cel. Inflada
Núcleo
Condensación,
segmentación,
fragmentación ADN
Degradación ADN
Membrana
celular
Mitocondria
Protuberancias, cambios
en la distribución de
fosfatidilserina
Lisa, lisis
Cambios moleculares
Inflamiento
Expresión
+ Expresión génica,
síntesis proteica,
activación proteasas
-
Apoptosis de una célula trofoblástica:
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www.sghms.ac.uk/depts/immunology/ ~dash/apoptosis/intro.html
Introducción a La
Apoptosis
• Concepto
• Mecanismos moleculares:
– Inducción
– Control
– Ejecución
• Implicaciones:
– Función fisiológica
– Implicaciones patológicas
Mecanismos Moleculares
• Caenorhabditis elegans:
– Adulto: 1090 células somáticas  131 mueren por
apoptosis
– Básicamente, 4 genes mayores controlan la MCP
(ced = cell death defective):
• Mutaciones en egl-1, ced-3 y ced-4: células sobreviven
(promotores de MCP)
• Mutación en ced-9: aumenta la apoptosis (inhibidor)
– Genes homólogos en mamíferos
Proteinas Apoptóticas En
C. elegans
Hengartner, M. (1998) Science 281: 1298-99
Genes Homólogos En
Mamíferos
Adams, J & Cory, S. (1998) Science 281: 1322-26
Introducción a La
Apoptosis
• Concepto
• Mecanismos moleculares:
– Inducción
– Control
– Ejecución
• Implicaciones:
– Función fisiológica
– Implicaciones patológicas
Inducción De La Apoptosis
• Interacciones
ligando-receptor.
• Estrés celular:
– Químicos,
– Radiaciones,
– Infecciones virales.
• Linfocitos T
citotóxicos
(granzima).
www.sghms.ac.uk/depts/immunology/ ~dash/apoptosis/intro.html
1. Interacción LigandoReceptor
• “Death receptors” (Superfamilia de TNF):
– CD95 (Fas)
– TNFR1
– TRAIL (TNF related apoptosis inducing
ligand): DR4 y DR5
Inducción Vía CD95/Fas
• Muerte celular
mediada por las
células T citotóxicas.
• Respuesta inmune:
supresión de células
T activadas.
• Sitios
inmunoprivilegiados:
destrucción de
células inmunes e
inflamatorias.
DISC
www.sghms.ac.uk/depts/immunology/ ~dash/apoptosis/intro.html
Inducción Vía TNFR1
• TNF se produce por
células T y Macrófagos
activados en respuesta
a la infección.
– Activación de NF-kB y
AP-1  Inducción de
genes proinflamatorios
(1).
– Inducción de apoptosis
(2)
2
1
www.sghms.ac.uk/depts/immunology/ ~dash/apoptosis/intro.html
Inducción Vía TRAIL
• Acción similar a
CD95.
• Unión a receptores
DR4 y DR5.
• Expresión
constitutiva en
muchos tejidos
• Mecanismos de
protección celular
mediante la
expresión de
receptores señuelo
DcR1 y DcR2.
www.uchsc.edu/sm/neuro/tylerlab/pennyclarke/pennyclarketrail.html
2. Estrés celular: Daño
genotóxico
• Agentes intercalantes
(Cisplatin, mytomicin C, formaldehyde).
• Inductores de aductos al ADN
hydrocarbons: benzo(a)pyrene).
• Agente alquilante
nitrosurea).
(Polycyclic aromatic
(ethyl Methanesulphonate, n-ethyl-n-
• Productores de radicales libres
• Inhibidores de microtúbulos
(Niquel, arsenic, H2O2).
(Taxol).
• Inhibidores de la Topoisomerasa
(Etoposide, doxorubicin).
• Perturbadores del balance nucleotídico
• Radiaciones (x-ray).
(methotrexate).
p53: El Guardián Del Genoma
Lane (1992)
• Proteína de unión al ADN con dominios
de activación de la trascripción.
• Previene la replicación del ADN dañado.
• Supresor tumoral.
• Mutaciones de p53 en el 50% de los
tumores humanos (60-70% cancer
asociados al ambiente).
Funciones De p53
ADN dañado
ATM
1. Parada del ciclo celular:
p53
p21
P
Cdk2
p53
2b. Apoptosis:
Bax, Fas/FasL
Bcl-2
P
M
G2
G1
S phase
(DNA synthesis)
2a. ADN reparado:
ATM
p53
MDM
Regulación De p53
MDM
Stanchina et al. (1998) Genes and Development 12: 2434-42
3. Linfocitos T Citotóxicos
http://www.bio.davidson.edu/courses/Immunology/Students/spring2000/woodall/perforine.html
http://www.nature.com/nri/journal/v2/n4/slideshow/nri775_bx2.html
Introducción a La
Apoptosis
• Concepto
• Mecanismos moleculares:
– Inducción
– Control
– Ejecución
• Implicaciones:
– Función fisiológica
– Implicaciones patológicas
Función de la Mitocondria
• Localización de
miembros de la
familia de Bcl-2 en la
membrana
mitocondrial.
• Promover o prevenir
la formación de
poros en la
membrana
controlando la
liberación de
citocromo C.
www.sghms.ac.uk/depts/immunology/ ~dash/apoptosis/intro.html
Familia de Bcl-2
 Homólogos a las proteínas ced-9 y egl-1.
 Miembros pro- y anti-apoptóticos
Adams, J & Cory, S. (1998) Science 281: 1322-26
http://www.geocities.com/CollegePark/Lab/1580/bcl-2.html
Estructura proteica
• Formación de homoy hetero-dímeros.
• Similar a las
proteínas de formación
de poros bacterianas.
• Dominios de unión a
membrana en el
extremo C terminal.
• Localización en la
membrana externa
mitocondrial.
Adams, J & Cory, S. (1998) Science 281: 1322-26
Regulación de la apoptosis por la
familia de Bcl-2
Liberación de Cyt C
Activación de caspasas
Adams, J & Cory, S. (1998) Science 281: 1322-26
Regulación de la apoptosis por la
familia de Bcl-2
La sensibilidad de la célula a un estímulo
apoptótico depende del balance entre miembros
pro y anti-apoptóticos.
Estímulo apoptótico
Bax
Bcl-2
Cyt C
Regulación de la apoptosis por la
familia de Bcl-2
Modelos de control de apoptosis:
A
B
Bax
Bcl-2
Bcl-2
C
Bax
Bax Bcl-2
Chau, D.T. & Korsmeyer, S.J. (1998) Annual Review in Immunology 16: 395-419
A + B+ C
Regulación de la apoptosis por la
familia de Bcl-2
Regulación post-traducción: “BH3 only”
PI3-K
AKT
Chau, D.T. & Korsmeyer, S.J. (1998) Annual Review in Immunology 16: 395-419
Regulación de la apoptosis por la
familia de Bcl-2
Caspasa-8
Regulación post-traducción: “BH3 only”
Bid
Desagher et al. (1999) JBC 144: 891-901
Introducción a La
Apoptosis
• Concepto
• Mecanismos moleculares:
– Inducción
– Control
– Ejecución
• Implicaciones:
– Función fisiológica
– Implicaciones patológicas
Familia De Caspasas
• Homólogos a ced-3.
• Cystein proteasas (Cys en su sitio
activo).
• Ampliamente expresadas en forma de
proenzimas.
• Digestión de proteínas en los residuos
de ácido aspártico.
Clases De Caspasas
• Iniciadoras
(like caspasa-9)
• Ejecutoras
(like Caspasa-3)
– Digestión de
proteínas
– Cambios
morfólogicos
celulares.
Thornberry, N.A.. & Lazebnik, Y. (1998) Science 281: 1312-16
Caspasa
Nombre
alternativo
Substrato
Función
Caspasa-1
ICE
pre-Interleukin-1b
Interleukin-18
Lamins
Processing of
interleukins
(inflammation). Can
also induce apoptosis
depending on isoform
and if overexpressed.
Caspasa-2
Ich-1 (human),
Nedd2 (rat, mouse)
Golgin-160
Lamins (?)
Apoptosis (activity
supressed by serum
deprivation)
Caspasa-3
CPP32, Yama,
apopain
PARP
SREBs
Gelsolin
Caspase-6
Caspase-7
Caspase-9
DNA-PK
MDM2
Gas2
Fodrin
b-Catenin
Lamins
NuMA
HnRNP proteins
Topoisomerase I
FAK
Calpastatin
p21Waf1
Presenelin2
ICAD
Apoptosis
Caspasa
Nombre
alternativo
Substrato
Función
Caspasa-4
Ich-2, ICErelII
Caspase-1
Inflammation/Apoptosis
(note: this could be the
human form of mouse
caspase-11). Related to
human caspase-5 and
caspase-1
Caspasa-5
ICErelIII, TY
?
Inflammation/Apoptosis
(related to human
caspase-4 and caspase-1)
Caspasa-6
Mch2
PARP
Lamins
NuMA
FAK
Caspase-3
Keratin-18
Apoptosis
Caspasa-7
Mch3, ICE-LAP3,
CMH-1
PARP
Gas2
SREB1
EMAP II
FAK
Calpastatin
p21Waf1
Apoptosis
(activity blocked by cIAP1
and cIAP2)
Similar in structure and
substrate specificity to
caspase-3
Caspasa
Nombre
alternativo
Substrato
Función
Caspasa-8
FLICE, MACH, Mch5
Caspase-3
Caspase-4
Caspase-6
Caspase-7
Caspase-9
Caspase-10
Caspase-13
PARP
Bid
Apoptosis
(death receptors)
Caspasa-9
Apaf-3, ICE-LAP6,
Mch6
Caspase-3
pro-Caspase-9
Caspase-7
PARP
Apoptosis
Caspasa-10
FLICE-2, Mch4
Caspase-3
Caspase-4
Caspase-6
Caspase-7
Caspase-8
Caspase-9
Apoptosis
(death receptors)
Caspasa-11
Ich-3, ICE_B
?
Murine caspase similar to
human caspase-4.
Belongs to the same
family as caspase-3 of
enzymes. May be involved
in inflammation and
apoptosis
Caspasa
Nombre
alternativo
Substrato
Función
Caspasa-12
ICE_C
?
Involved in mediating
apoptosis following ER
stress. Related to mouse
caspase-1 and caspase11 and human caspase-4
and caspase-5
Caspasa-13
ERICE
?
Member of the ICE family
of caspases that include
caspase-1 and caspases4, -5 and –11. Involved in
inflammation.
http://www.sghms.ac.uk/depts/immunology/~dash/apoptosis/caspases.html
Regulación De Las
Caspasas
Raff, M. (1998) Nature 396: 119
Regulación De Las
Caspasas
Thornberry, N.A.. & Lazebnik, Y. (1998) Science 281: 1312-16
Regulación De Las Caspasas
Slee et L. (1999) Jounal of Cell Biology 144: 281-91
http://www.sghms.ac.uk/depts/immunology/~dash/apoptosis/caspases.html
Caspasa-8
Regulación De Las Caspasas
Bid
Desagher et al. (1999) JBC 144: 891-901
Efectos De Las Caspasas
Thornberry, N.A.. & Lazebnik, Y. (1998) Science 281: 1312-16
Efectos En El Núcleo
• Inhibición de enzimas
de reparación [Poly (ADPribosa) polimerasa o PARP].
• Inhibición de enzimas
de replicación celular
(DNA topoisomerasa II).
• Ruptura de proteínas
estructurales nucleares
(Caspasa-6 lamina).
• Fragmentación del ADN.
http://www.sghms.ac.uk/depts/immunology/~dash/apoptosis/caspases.html
Apoptosis Independiente
De caspasas (AIF)
• AIF (Apoptosis Inducing Factor) se
localiza en la mitocondria.
• Apoptosis: AIF migra al núcleo.
• AIF se une al ADN y desencadena la
destrucción del mismo y la muerte
celular.
• Mecanismo observado en neuronas.
Eliminación De Las Células
Apoptóticas
Pérdida de la asimetría de membrana  exposición de
la fosfatidil serina en la capa externa
Mecanismos moleculares
de la apoptosis
Terapia
Cáncer
Enfermedades cardiacas
Infartos
SIDA
Enfermedades autoinmunes
Enfermedades neurodegenerativas
Introducción a La
Apoptosis
To be continued...
Introducción a La
Apoptosis
• Concepto
• Mecanismos moleculares:
– Inducción
– Control
– Ejecución
• Implicaciones:
– Función fisiológica
– Implicaciones patológicas
Implicaciones
Función fisiológica:
*
*
*
Desarrollo embrionario
Homeostasia tisular y diferenciación tisular
Respuesta inmune
Desarrollo
• Eliminación de órganos transitorios.
• Remodelación Tisular.
• Formación de conexiones neuronales
adecuadas.
• Inhibición de apoptosis mediante señales
extrínsecas:
– Factores Neurotróficos  Supervivencia neuronal.
– Factor Stell de las crestas genitales 
Supervivencia de las células germinales
primordiales.
– Andrógenos Supervivencia de las células de la
próstata.
Respuesta Inmune
Selección de células B con anticuerpos de alta afinidad
CDF
CDF
Apoptosis del 90%
de centrocitos
B
Bcl-2
Mantenimiento De La Integridad De
Sitios inmunoprivilegiados
• Organos: ojo, oído interno, testículo o
cerebro.
• Expresión de FasL e inducción de
apoptosis en linfocitos Fas+.
Linfocito
Célula cornea
Utilización para permitir
la tolerancia a
transplantes.
Eliminación De Células
Peligrosas Para La Integridad
Del Organismo
•
•
•
•
Células
Células
Células
Células
infectadas con virus (CTL).
del sistema inmune.
con el ADN dañado.
cancerosas.
Introducción a La
Apoptosis
• Concepto
• Mecanismos moleculares:
– Inducción
– Control
– Ejecución
• Implicaciones:
– Función fisiológica
– Implicaciones patológicas
Implicaciones
Implicación patológica:
*
*
*
*
Cancer
SIDA
Daño tóxico
Enfermedades Neurodegenerativas
Apoptosis Y Cáncer
Apoptosis
Bcl-2
p53
Oncogenes / Supresores tumorales
ras
c-myc
Cancer
Bcl-2
90% adenocarcinomas colorectales
30-60% cancer de próstata
70% leucemias linfocitarias
20% cancer de pulmón
p53*
50% tumores
P53 “El guardian Del Genoma”
radiación
p53*
Carcinógenos genotóxicos
p53
- Arresto del ciclo celular en G1
- Inducción de la apoptosis
CANCER
céls. hematop.
Intestino delgado
(stem cells)
Colon
epitelios
Apoptosis Y Cáncer
APOPTOSIS
Iniciación Y Promoción
• 80-90 % de las células pretumorales
no desarrollan lesiones observables.
(GST-P+)
•
apoptosis por promotores tumorales
(Fenobarbital, acetato de ciproterona).
•
apoptosis mediante restricción
alimentaria
Progresión Y Crecimiento
• Apoptosis:
hepatocitos, foci ,
•
!
adenoma, carcinoma
Daño genético.
• Ausencia de factor de supervivencia
(mitógenos, hormonas)
regresión y
potencial eliminación de tumores.
Apoptosis En Tumores
Crecimiento < 5% del
esperado
Higado
Apoptosis
0.05% 0.5%/h
Proliferación
Apoptosis
5%/h
Inducción de Apoptosis De
Células Tumorales
Apoptosis
Bax Bcl-2
Quimioterapia
Radiación
p53
Bax Bcl-2
Bcl-2Bcl-2
Bcl-2
Bax
Bax Bax
Bax Bax
Bax Bcl-2
Apoptosis
Mecanismos De Escape De La
Apoptosis
• Cáncer causado por virus:
– HPV: Inactivación de p53 por E6.
– Epstein-Barr Virus:
• Producción de proteína similar a Bcl-2,
• Incremento en la producción de Bcl-2 celular.
• Leucemias de células B: traslocación del gen
de Bcl-2.
• Melanoma: Inhibición de la expresión del gen
de Apaf-1.
Mecanismos De Escape De La
Apoptosis
• Mantenimiento del tumor como un sitio
inmunoprivilegiado:
– Secreción de moléculas señuelo que se
unen a FasL de los CTL.
– Expresión de altos niveles de FasL e
inducción de la apoptosis de linfocitos T
activados.
APOPTOSIS Y SIDA
Síndrome de Inmuno-Deficiencia
Adquirida
1. Infección aguda:
•
•
Altos niveles de viremia e infección de células
CD4+, macrófagos, otras,...
Respuesta inmune celular y Ac.
2. Estadío asintomático:
•
•
Replicación viral/Respuesta inmune celular,
Disminución Ac.
3. Estadío sintomático:
•
•
Disminución de CD4+ y aumento de carga viral.
Sintomatología, infecciones oportunista,
neoplasias, demencia...
Depleción de CD4+
• Producción de citoquinas para la eliminación
de las células infectadas por los efectores
(NK, linfocitos gd o monocitos).
• Activación y maduración de linfocitos B en
células secretoras de Ac.
• Diferenciación de células CD8+ en CTL
específicas.
• Fuente de quimoquinas supresoras de la
replicación del HIV.
HIV + Deficiencia inmune
Apoptosis de células inmunitarias
gp120-gp41
Apoptosis:
CD8+
Células B
NK
Granulocitos
Monocitos
CD4+
¿Mecanismo indirecto de inducción de apoptosis?
Expresión de altos niveles de FasL
Demencia en SIDA
• Pérdida de neuronas en ganglios basales,
materia blanca y corteza cerebral.
• Infección por HIV de macrófagos, microglia y
astrocitos. No neuronas.
• Actividad neurotóxica:
– Proteínas virales: gp120, Tat.
– Secreciones de macrófagos y microglía activados:
• TNF-a, excitoxinas, NO
Apoptosis y Daño Tóxico