MUERTE CELULAR PROGRAMADA

MUERTE CELULAR PROGRAMADA
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002
"for their discoveries concerning genetic regulation of organ
development and programmed cell death”
Sydney Brenner
1/3 of the prize
United Kingdom
The Molecular
Sciences Institute
Berkeley, CA, USA
H. Robert Horvitz
1/3 of the prize
USA
Massachusetts Institute
Of Technology (MIT)
Cambridge, MA, USA
John E. Sulston
1/3 of the prize
United Kingdom
The Wellcome Trust
Sanger Institute
Cambridge, UK
PROGRAMMED CELL DEATH
SINE QUA NON OF A MULTICELLULAR STATE
Caenorhabditis elegans
Mature form has 959 somatic cells;
these arise from 1090 cells,
of which 131 undergo PCD (embryogenesis).
(Sulston & Horvitz. 1977. Dev. Biol., 56: 110-156)
Picea abies
?
PROGRAMMED CELL DEATH
SEVERAL OPTIONS TO DIE UNDER CONTROL
(Schweichel & M erker. 1973. Teratology, 7: 253-266)
Heterophagy (Apoptosis): - isolated dying cell
- nucleus destruction
- phagocytosis
Decision
to die
Autophagy:
Execution
of death
Engulfment
Degradation
- groups of associated cells or entire tissues
- cytoplasm destruction
- autophagic vacuoles
Decision
to die
Execution
of death
Degradation
Autophagic
vacuoles
DISTINTA MORFOLOGÍA CELULAR
¿DIFERENTE MECANISMO?
Apoptosis
Autofagia
Núcleo
degradación, picnosis,
segmentación
sin cambios hasta fase tardía
entonces condensación
Cromatina
condensación,fragmentación
internucleosómica del DNA
ligera condensación, separación
de la membrana nuclear,
fragmentación tardía del DNA
Membrana nuclear
agrupación de poros nucleares
intacta
Citoplasma
condensación, formación de
“cuerpos apoptóticos”
digestión por “vacuolas autofágicas”
Orgánulos
intactos en su mayoría
observaciones ambiguas
Retículo endoplásmico
intacto, separación de
ribosomas del RER
vesiculación
Mitocondria
intacta
intacta
Golgi
intacto
aumento en número (participa en
formación de vacuolas autofágicas)
Membrana plasmática
lobulación
intacta
PROGRAMMED CELL DEATH
HOW DEATH SHAPES LIFE
(adapted from Baerecke. 2002. Nature Rev. Mol. Cell Biol., 3: 779-787)
•Formation of structures:
- Chick heart
- M ouse digits
- M ouse palete
- M ouse retina
•Deletion of structures:
- Frog tail
- Frog intestine
- Frog notochord
- Fly midgut
- Fly salivary gland
- M ale mouse mammary tissue
•Control of cell numbers:
Cell migration?, M orphogenesis?
- Chick motoneurons
- Worm neurons
- Fly eye pigment cells
- Fly glia and neurons
- Rat glia
- M ouse muscles
•Elimination of abnormal cells:
- Fly cells harbouring DNA damage
- M ouse cells harbouring DNA damage
- Lymphocytes with self-reactive receptor
PATHWAYS LEADING TO PCD
STIMULI
•D Cell linage (neurons C. elegans)
Life
TRA-1
EGL-1
Death
EGL-1
CED-9
CED-4
CED-3
Core
cell-death
machinary
Phagocytosis
•D Trophic-factor withdrawal (glia Drosophila)
Life
Growth
factor
Death
No growth
factor
EGF
receptor
MAPK
HID
Pro-caspase Apaf-1
HID
IAP
Active caspase
•D Steroid hormones (salivary-gland Drosophila)
Hormone receptor
Complex
Early
genes
Late
genes
Autophagy
Competence factor
•D Membrane-bound death receptors (mammalian immune system)
Life
No death ligand
Death
Death
ligand
Death
receptor
Adaptor
Pro-caspase 8
csp 8
csp 3
Phagocytosis
Autophagy
APOPTOSIS: “CAÍDA” DE LAS HOJAS DE UN ÁRBOL
Estímulo III
Déficit de factores de crecimiento
Sustancias tóxicas, radiación γ
Daño en el DNA
Estímulo I
Ligandos
M embrana
Citoplasma
Compromiso
Adaptador
Estímulo II
Estrés RE
Iniciador
Alteración en ψ
[Ca+]
Represor
Iniciador
Retroalimentación
lazo de amplificación
Represor
Cit c
Iniciador
Ejecutor
Ejecución
Ejecutor
Ejecutor
Citoesqueleto
Proteínas estructurales
Ciclo celular y replicación
Transcripción y traducción
Reparación del DNA
AUTOFAGIA
(Bozhkov & Suarez. 2005. Current Topics Dev. Biol., 16: 135-179)
CELL-DEATH GENES ARE CONSERVED IN METAZOOS
(Baehrecke. 2002. Nature Rev. Mol. Cell Biol., 3: 779-787))
Gene family
Worm
Fly
Mouse
Caspases
ced-3,csp-1, csp-2
Dredd, Dronc,
Dream/Strica,
Dcp-1, Drice, Decay,
Daydream/Damm
Caspases 1-14
Bcl-2
ced-9, egl-1
Debcl-1/Drob-1/Dborg-1/Dbok,
Buffy/Dborg-2
Bcl-2, Bcl-x, Bcl-w, Mcl-1
Al, Diva, Bax, Bak, Bok, Bik,
Bid, Bad, Hrk, Bim, Bnip, Nix
APAF-1
ced-4
ark/dark/hac/dApaf-1
Apaf-1
IAP
bir-1, bir-2
diap-1, diap-2, dbruce, deterin
Xiap, c-iap-1, C-ap2, hlLP-2,
ml-iap, naip, survivin, bruce
Rpr,hid, grim, sickle
Smac/DIABLO
Omi/HtrA2
RHG domain
?
CASPASES: THE CORE OF APOPTOSIS
THE STRUCTURAL AND FUNCTIONAL ORGANIZATION
(Köhler et al. 2002. J. Immunol. Methods, 265: 97-110)
32-56 kDa
QACXG
Asp-X
Prodomain
(2-25 kDa)
Large subunit
(17-21 kDa)
Long
Short
Initiator caspases
Effector caspases
Caspase-2
Caspase-9
Caspase-1
Caspase-3
Caspase-6
Caspase-7
Cytokine activators
Other function
Caspase-1 Caspase-4
Caspase-5 Caspase-11
Caspase-13
Caspase-14
Asp-X
Small subunit
(10-13 kDa)
Active caspase
Cleavage specificity
Group I
Group II
Group III
(W/L)EHD
DEXD
(L/V)EDX
MCP EN PLANTAS: UNA FORMA COMÚN DE MORIR?
LAS PLANTAS CARECEN DE MAQUINARIA APOPTÓTICA
• No se han identificado:
proteínas de la familia Bcl-2
“clásicas” caspasas
• Detección de actividad caspasa-”like”
(rev. Watanabe & Lam. 2004. Mol. Plant Pathol., 5: 65-70)
• Predicción de proteínas caspasa-”like”
(Uren et al. 2002. Mol. Cell, 6: 961-967)
• La maquinaria molecular no se conoce
1. Metacaspasas (“cargasa”, embriogénesis)
(Suarez et al. 2004. Current Biol., 14: R339-R340)
2. Saspasas (HR frente a patógenos)
(Coffeen & Wolpert 2004. Plant Cell., 16: 857-873)
3. VPE (csp1-”like”, HR frente a patógenos)
(Hatsugay et al. 2004. Science, 305: 855-858)
(Buckner et al. 1998.Trend Plant Sci., 3: 218-223)
CASPASE-LIKE PROTEINS
A BIG FAMILY IDENTIFIED BY DATABASE SEARCHES
(Uren et al. 2000. Mol. Cell, 6: 961-967)
Active site
H
Caspase 1
C
CARD
CASPASES
Caspase 3
Caspase 8
DED
H. sapiens
DED
DD
C. elegans
Ig
Ig
DD
Ig
PARACASPASES
D. discoideum
S. cerevisiae
Pr o
P. falciparum
A . thaliana (type I)
METACASPASES
ZnF Pr o
A . thaliana (type II)
Kinase
S. coelicolor
Rhizobium sp.
Gingipain R
Ig
BACTERIAL
CYSTEINE
PROTEASES
ORIGIN AND EVOLUTION OF EUKARYOTIC PCD
THE BACTERIAL CONNECTION
(Koonin & Aravind. 2002. Cell Death Diff., 9: 394-404)
CASPASE-LIKE PROTEIN FAMILY
(based on Aravind & Koonin. 2002. Proteins, 46: 355-367)
PCD?
SI
?
NO
SI
?
SI
DEATH SHAPES LIFE
PLANTS MAY HAVE ANCESTRAL PCD MACHINERY PRESERVED