Apoptosis y caspasas en enfermedad de Alzheimer Drs. A. García-Villalobos1, N. Custodio2, R. Montesinos3
RESUMEN: Las proteínas que intervienen en la apoptosis de los
mamíferos incluyen, las proapopióticas, como caspasas y el factor activador de
proteínas apoptóticas; así como las proteínas antiapoptóticas de la familia BcL2. Las
caspasas se dividen en: caspasas iniciadores, como caspasa-8 y caspasa-9, cuya principal
función es activar la cascada de caspasas; y caspasas ejecutores, como caspasa-3,
caspasa-6, y caspasa-7, los cuales son responsables de¡ desmantelamiento de las
proteínas celulares. Dos son los principales compartimentos celulares comprometidos en
apoptosis, e incluyen la membrana plasmática, y la mitocondria, en la cual se encuentran
las principales proteínas que regulan la apoptosis. Recientemente Yuan y colegas, apuntan
que el retículo endoplásmico sería un tercer compartimento subcelular implicado en la
ejecución apoptotica. Además; ellos, aportan evidencias que caspasa- 12, estaría
comprometida en apoptosis que resulta del stress del retículo endoplásmico, y señalan
su contribución en la neurotoxicidad del Beta-amiloide. ABSTRACT: The proteins participates in the mammalian apoptosis
include, the proapoptotics such as caspases and the apoptosis protein activator factor;
and antiapoptotics proteins of the BcL2 family. Caspases may be divided into two classes:
inítiator caspases, such as caspase-8 and caspase-9, whose main function is to actívate
downstream caspases, and executor caspases, such as caspases-3, caspases-6, andcaspase7,
which are responsible for dismantling cellular proteins. The two main compartments known
to be involved in apoptosis, and are the plasma membrane, and mitochondrion, which is home
to several proteins that regulate apoptosis. Recently, Yuan and colleagues, point to the
endoplasmic reticulum as a third subcellular compartment implicated in apoptotic
execution. Furthermore, they provide evidence that caspasa- 12, would participate in
apoptosís, that results from the endopiasmatic reticul stress, a point its contribution
in the beta-arnyloid neurotoxicity.
En la enfermedad de Alzheimer (EA) la elevación crónica de beta-amiloide 42 (BA-42) en fluidos intersticiales cerebrales, así como quizás dentro de las neuronas1, causada por defectos en los genes que codifican la proteína precursora de amiloide (PPA), presenilina-1 (PS-1) y presenilina-2 (PS-2); conducen gradualmente a oligomerización y, eventualmente fibrilización de dichos péptidos y su depósito como placas difusas, y más tarde, como placas maduras. Basados en estudios de pacientes con síndrome de Down que expresan mutantes de PPA y/o PS1, se ha formulado la hipótesis que la acumulación de BA-42 y formación de placas difusas, está asociado con activación microglial local, liberación de citoquinas, astrocitosis reactiva, y respuesta inflamatoria multiproteica2-4, incluyendo la unión del componente C1 q de la cascada clásica del complemento al BA, y el desencadenamiento de esta cascada5. Se ha propuesto que tal proceso inflamatorio glial y/o algún efecto neurotóxico directo de BA oligomérico y fibrilar puede producir los cambios bioquímicos y estructurales alrededor de los axones, dendritas y cuerpos celulares neuronales demostrado en la corteza límbica y de asociación en pacientes con EA. Así, existe considerable evidencia que los efectos de los procesos inflamatorios y neurotóxicos iniciados por el BA, incluye generación excesiva de radicales libres, así como injuria peroxidativa a proteínas y otras macromoléculas de las neuronas6. Entre otra de las posibles consecuencias de la acumulación y agregación de BA se describe la homeostasis iónica alterada, particularmente el excesivo ingreso de calcio hacia las neuronas, lo cual puede contribuir a una disfunción neuronal selectiva y muerte celular7,8. Por otro lado, se ha establecido definitivamente que la acumulación de BA desencadena la hiperfosforilación de la proteína tau, la cual precede al ensamblaje de esta molécula en filamentos helicoidales pareados (FHP)9. A pesar que aún existen, muchas preguntas sin resolver se ha planteado la siguiente secuencia hipotética de los pasos patogénicos de la formas familiares de EA10(Figura 1).
Mutaciones en genes de PPA, PS-1 y PS-2. • Proteólisis alterada de PPA. Activación microglial y liberación de
citoquinas Disfunción neuronal/neurítica diseminada y muerte en hipocampo y corteza cerebral, con déficit progresivo de neurotransmisores
Entre las preguntas que se intentan resolver, se ha planteado, sí la apoptosis de las neuronas, es importante para producir disfunción cerebral en EA. A pesar que las presenilinas (particularmente mutantes de PS-2) han sido asociados con realce de apoptosis en estudios de cultivos celulares11,no sabemos como las presenilinas median la apoptosis ín vivo. Recientemente se ha planteado que la porción citoplásmica de la PPA puede ser cortada por la caspasa-3, una proteína proapoptótica; la cual ha sido encontrada incrementada en pacientes con EA. Por otro lado, Gervais ha encontrado que la PPA y caspasa 3 están localizadas en las placas seniles17. Con la finalidad de entender el papel de la apoptosis en EA, revisaremos algunos conceptos.
Es una forma importante de muerte celular caracterizada por una serie de distintas alteraciones morfológicas y bioquímicas que sugieren la presencia de una maquinaria de ejecución común en diferentes células. la condensación y fragmentación de la cromatina nuclear, el compromiso tardío de organelas citoplasmáticas, la disminución en el volumen celular, y alteraciones tardías en la membrana plasmática son clásicamente observadas, resultando finalmente en el reconocimiento y fagocitosis de células apoptóticas12. la apoptosis no es simplemente una condición patológica; es fundamental para muchos eventos fisiológicos normales. Aunque apoptosis conduce a pérdida de células en ciertas enfermedades neurode-generativas, una mala regulación de sus componentes puede asimismo, conducir al efecto opuesto; el crecimiento incontrolable en los tejidos cancerosos. Así, dependiendo de la enfermedad, la muerte celular necesita ser estimulada o inhibida. En ambos casos, el objetivo o blanco final para intervenir, parece ser el mediador clave de apoptosis, las proteasas cisteína-depend¡entes: denominadas caspasas.
El enlace molecular para la patogénesis de la apoptosis fue identificado inicialmente en el invertebrado Caenorhabditis elegans. Se identificó tres genes destinados a la muerte celular: los genes proapoptóticos (promotores de la muerte) ced-3 y ced-4, y el gen antiapoptótico ced-9. Sus homólogos en mamíferos son la familia de caspasas, el factor-1 activador de proteínas apoptóticas (Apaf-1), y la familia Bcl-2, respectivamente (Figura 2).
CASPASAS Incluye una familia de proteínas, de al menos 14 proteasas cisteína-depend¡entes, denominadas como caspasa-1 hasta caspasa-1 4, dependiendo de su secuencia de descubrimiento. Esta familia incluye dos homólogos murinos (caspasa-11 y caspasa-12), de quienes aún no se conoce su contraparte en humanos. Estas proteínas se caracterizan por una especificidad absoluta al ácido aspártico en el lado aminoterminal del sitio de ensamblaje del sustrato, y cada una contiene una secuencia pentapéptida específica en el sitio catalítico de la enzima. Las caspasas son sintetizadas y depositadas como proenzimas inactivas. Ellas contienen dos subunidades, una larga (p17 a p20) y otra corta (p10 a p12), unidos hacia una región denominada PRO. La activación de caspasas requiere un ensamblaje (usualmente por otra caspasa) para liberar las subunidades larga y corta, de la región PRO, las cuales, posteriormente, se asocian formando un heterotetrámero que contiene dos subunidades largas y dos subunidades cortas. Las caspasas pueden ser divididas en dos clases: las caspasas que regulan la activación o iniciadores de otras caspasas (caspasas 1,2,4,5,8,9, y 10), y las caspasas que regulan la fase de ejecución (caspasas 3,6,7, y 14). Existen evidencias sustanciales que la subfamilia de la enzima convertidora de interleuquina-1 (ICE) (caspasas 1,4,5 y 12) juegan un rol predominante en la inflamación, componente importante de la isquemia cerebral; mientras que miembros de la subfamilia ced-3 (caspasas 2,3,7,10 y 14) están comprometidos en apoptosis13. Dos son los principales compartimentos celulares comprometidos en la apoptosis, e incluyen: 1) la membrana plasmática, donde residen los receptores de muerte y receptores de supervivencia; y, 2) la mitocondria, en la cual se encuentran las principales proteínas que regulan la apoptosis, así como el citocromo c, un cofactor esencial para la activación de los iniciadores de caspasas.
Se ha planteado una cascada de eventos apoptóticos14, que se inicia en las diferentes vías que desencadenan apoptosis (como isquemia/hipoxia, mutaciones de presenilinas), las cuales liberan citocromo c, localizado entre la membrana interna y externa de la mitocondria (Fase de inducción). Se han planteado dos mecanismos, mediante el cual se produce la liberación de citocromo c: uno compromete el desequilibrio osmótico, el cual conduce a expansión del espacio de la matriz, edema, y subsecuente ruptura de la membrana externa; y el otro, compromete la apertura de canales en la membrana externa, liberando así, citocromo c a partir del espacio intermembrana de la mitocondria, y lo expulsa hacia el citosol. Los miembros de la familia Bcl-2 pueden cumplir doble papel, controlando la liberación del citocromo c, a partir de la mitocondria, y también posibilitando la unión a Apaf-1, de modo que se comporta como proteína antiapoptótica. Recordar que la familia Bcl-2 está adherida a Apaf-1, la cual a su vez está unida al complejo de dominio reclutador de caspasas (complejo CARD), importantes para la activación de caspasas. Una vez que el citocromo c es liberado, gracias a su unión con Apaf-1, se asocia con la procaspasa iniciador(formando un complejo CARD-Apaf-1 -citocromo c- Procaspasa iniciador), el cual posteriormente se disociará, liberando Apaf-1, y la región pro del procaspasa iniciador, dando lugar a la formación del caspasa iniciador (Fase de propagación). Es este caspasa iniciador, quien activa a la caspasa efector, dando inicio a la cascada proteolítica que culmina en apoptosis( Fase de ejecución)14 (Figura 3).
Recientemente Yuan y col.15 en un estudio realizado en corteza cerebral de micos recién nacidos, reportan que el retículo endoplásmico sería un tercer compartimento implicado en la ejecución apoptótica. Además, ellos aportan evidencias que la caspasa-12 estaría comprometida en apoptosis que resulta del stress del retículo endoplásmico, y señalan su contribución en la neurotoxicidad del BA. Caspasa-12 murino es un miembro de la subfamilia de caspasas, que conforman ICE. La secuencia de aminoácidos de caspasa-12 tiene gran homología con caspasa-1 (39%), y caspasa-11(38%) murinos; y con caspasa-4(48%), y caspasa-5(45%) humanos. La sobreexpresión de caspasa-12 induce apoptosis, el cual es inhibido totalmente por el inhibidor sintético no selectivo de caspasas, z-VAD-fmk (N-benziloxicarbonil-Val-Ala-Asp-fluorometilcetona), e inhibido parcialmente por la sobreexpresión de bcl-XL (miembro de la familia antiapoptótica bcl-2). Caspasa-12 está ubicuamente expresado en tejido de ratas, y se expresa en elevados niveles en músculo, hígado y riñón, y en moderados niveles en cerebro, sobre todo en neuronas corticales, células de Purkinge, neuronas del tallo cerebral y neuronas olfatorias15. Sabemos, ya, que las caspasas se divide en dos grupos:
- Vía receptores de la muerte, los cuales activan caspasa-8, siempre y cuando dichos receptores, como Fas o receptores del factor de necrosis tumoral, sean oligomerizados, después de unión a ligandos específicos - Vía mitocondrial, que activa caspasa-9, cuando el citocromo C es liberado hacia el citoplasma desde el espacio intermembrana mitocondrial. Recientemente se ha planteado una tercera vía: - Vía del retículo endoplásmico, el cual en respuesta a stress, y a liberación de calcio intrarreticular, activa a caspasa-12. Las tres vías apoptóticas y su relación con la proteína precursora de amiloide (PPA). Por otro lado, la PPA, ha sido identificado como sustrato específico para caspasa-3, lo cual fue demostrado al procesar células con PPA, a las cuales le adicionaron caspasa-3, produciendo así, mayor cantidad de BA que las células que contenían proteínas no procesadas17. Además, las neuronas piramidales teñidas en el cerebro de pacientes con EA, tienen niveles incrementados de caspasa-3; y Gervais encontró que la PPA y caspasa-3 está colocalizada en las placas seniles. Finalmente, una mutación que causa EA familiar de inicio temprano (mutación sueca), al parecer altera la secuencia de aminoácidos en el lugar de la B-secretasa, de tal manera que suele mejorar el reconocimiento por otra proteasa, caspasa-6; lo cual podría explicar la producción incrementada de BA en este tipo de EA. Basado en tales resultados, se ha planteado que la activación de caspasas promueve producción de BA, el cual a su vez, estimula apoptosis, y activa en forma reververante a caspasas. Dicho todo esto, y en base a lo propuesto por H. Mehmet16, se intenta resolver las interrogantes planteadas, respecto al papel de la apoptosis en EA: La activación de caspasas iniciadoras, resulta en activación de caspasas ejecutoras, como caspasa-3, el cual al ser activado, corta la PPA, resultando en producción aumentada de BA, el cual puede retroalimentar la activación de caspasa-3, y ejecutar apoptosis de una manera caspasa-12 dependiente. Es necesario, mayores investigaciones para explicar porque a pesar del alto nivel de apoptosis, la EA se desarrolla tan lentamente, en un largo período de años. Quizás, en algún momento, la acumulación gradual de BA, puede eventualmente alcanzar niveles críticos, desencadenando muerte neuronal, a través de un círculo de autoperpetuación de corte de PPA, producción de EA, y apoptosis dependiente de caspasa-12. |
