Ced-3 es uno de los principales componentes proteicos de la vía de muerte celular programada (PCD) de Caenorhabditis elegans . [1] Hay en total 14 genes que están involucrados en la muerte celular programada, otros importantes incluyen los genes ced-4 y ced-9 . [2] El gusano nematodo sano requerirá 131 muertes de células somáticas de las 1090 células durante las etapas de desarrollo. [3] El gen codifica inicialmente una caspasa prototípica (procaspasa) donde el residuo de cisteína activo escinde los residuos de aspartato , convirtiéndose así en una caspasa funcional . [4] Ced-3 es una caspasa verdugo ( proteasa dirigida por aspartato dependiente de cisteína ) que debe dimerizarse consigo misma y ser iniciada por ced-4 para volverse activa. [4] [5] Una vez activo, tendrá una serie de reacciones que finalmente conducirán a la apoptosis de las células objetivo. [6]
La muerte celular programada en C. elegans se producirá en las etapas embrionaria y post-embrionaria, tanto en células somáticas como en células de la línea germinal . [7] Durante la embriogénesis es cuando la transcripción de ced-3 está en su pico más alto debido a las numerosas células que necesitan sufrir un suicidio celular. [8] La mayoría de las muertes celulares programadas ocurren en el tejido cerebral de C. elegans, donde la mayoría de las células objetivo de la muerte celular tienen linajes de células neuronales y gliales . [3] A partir de ahí, ced-3 se localiza en las regiones perinucleares de las células. [3]
Para que ced-3 sea funcional, requiere escisión autocatalítica que es iniciada por ced-4, que actúa como una caspasa iniciadora. [1] El gen Ced-3 se encuentra aguas abajo de ced-4 y regula positivamente ced-3. [1] También puede ser inhibido indirectamente por ced-9 y prevenir la apoptosis al inhibir la función de ced-4, inhibiendo así la función de ced-3. [2]
El ortólogo de ced-3 en humanos es la caspasa 9 , una enzima convertidora de interleucina-1β (ICE) y se descubrió que el ortólogo en ratones era el gen Nedd-2. [8]
En 1986, los dos investigadores, Hilary Ellis y H. Robert Horvitz descubrieron que los genes ced-3 y ced-4 estaban de alguna manera implicados en la apoptosis. [3]
Posteriormente, en 2002, Sydney Brenner , H. Robert Horvitz y John E. Sulston recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2002 por sus investigaciones sobre la muerte celular programada [9]. Pudieron visualizar el proceso de PCD mediante métodos diferenciales. microscopía de contraste de interferencia (DIC). [7]
Durante su investigación, Ellis realizó varios experimentos mutando el gen ced-3 y descubrió que todas las células que codificaban el gen ced-3 mutado sobrevivieron a pesar de que originalmente estaban destinadas a la muerte celular. [10] Esto llevó al descubrimiento de la proteína ced-3 y su papel en la PCD; Antes del experimento, se pensó por primera vez que ced-3 actuaba como un represor del gen ced-1. [11] Ced-1 y ced-2 fueron los primeros genes ced que se descubrieron inicialmente en 1983. [7]
Para que los biólogos aprendieran sobre la PCD, necesitaban un organismo modelo y este fue introducido por primera vez por Sydney Brenner en 1974 con el nematodo C. elegans . [12] Este organismo serviría como tema de investigación durante muchos años, dando lugar a otros descubrimientos biológicos, no sólo para C. elegans sino también para los mamíferos. [12]
Una de las funciones principales de la proteína ced-3 en C. elegans es ayudar al desarrollo y crecimiento del organismo. [13] Sin apoptosis, las células que han sido dañadas o envejecidas no podrán ser reemplazadas por células más nuevas y saludables, lo que inducirá el crecimiento. [13] Las células objetivo están destinadas a morir en ciertos momentos y lugares durante el desarrollo, lo que demostró que todo es parte de un plan de desarrollo. [13] Estas células alguna vez tuvieron una función que era necesaria para el crecimiento del organismo, pero luego se vuelven inútiles y son objetivo de eliminación. [3] Algunas otras funciones de la muerte celular programada incluyen la homeostasis de los tejidos y la prevención de enfermedades. [2] Si una célula se transforma o si su ADN ha sido dañado, entonces la célula debe degradarse antes de que se puedan producir más daños. [12]
En un estudio reciente, se descubrió que, en particular para C. elegans , la muerte celular programada también está relacionada con una respuesta del sistema inmunológico a una infección patógena . [4] Al eliminar las células infectadas, el nematodo puede asegurar su supervivencia contra el ataque. [12] [4] C. elegans también sufre cambios anatómicos importantes que deben estar mediados por muertes celulares programadas, y se descubrió que la PCD está regulada por las condiciones ambientales debido al hecho de que las muertes celulares se encontraban más comúnmente en gusanos viejos y hambrientos. en lugar de gusanos nuevos y sanos. [4] [3]
Durante el proceso de apoptosis , la célula sufre:
Como proteína de tipo salvaje, ced-3 escindirá otros sustratos proteicos dentro de la célula y desencadenará la apoptosis. [7] En el núcleo, ced-3 escinde DCR-1, de modo que el ARN ya no puede procesarse, y luego convierte la RNasa en DNasa promoviendo así la degradación del ADN en el núcleo y la eliminación mitocondrial en el citoplasma. [7] Posteriormente, ced-3 libera indirectamente otra proteína, WAH-1, que puede provocar que se liberen señales en la superficie de la célula para que la célula pueda ser fagocitada por una célula vecina. [7]
En C. elegans , el gen ced-3 se encuentra en el cromosoma 4 con un recuento de exones de 8 y es un gen expresado en proteínas. [5] El gen codifica una caspasa; más específicamente, una proteasa cisteína-aspartato [5] [11] El gen se describe como una "proteína de muerte celular 3" y es un ortólogo de la versión de mamíferos del gen, caspasa 9. [5] Su nombre se deriva de el término " muerte celular " . [7]
Estructuralmente, ced-3 tiene dos dominios proteicos :
Los dominios CARD tienen interacciones proteína-proteína donde el dominio CARD de ced-3 y ced-4 pueden tener interacciones homofílicas entre sí. [15] El dominio caspasa es el dominio principal de la proteína, donde tiene lugar la actividad de escisión de la proteasa. [11] La proteasa activa contiene una subunidad grande y una pequeña, donde la subunidad grande tiene un peso de 17 kDa y la subunidad pequeña tiene un peso de 15 kDa. [7]
Ced-3 consta de 2 isoformas , la isoforma a y la isoforma b. La isoforma a tiene una longitud de transcripción de 2437 nucleótidos (nt), una secuencia codificante de 1512 nt y una longitud de proteína de 503 aminoácidos (aa). La isoforma b tiene una longitud de transcripción de 864 nt, una secuencia codificante de 864 nt y una longitud de proteína de 287 aa. [11] Las regiones medias de la secuencia de aminoácidos son ricas en residuos de serina , pero estas regiones no están conservadas para las proteínas ICE en humanos. [8] En cambio, las regiones carboxi-terminales de las proteínas son las mejor conservadas tanto en humanos como en ratones. [8]
Los genes Ced-3 se expresan altamente en la madre de las células hijas que están destinadas a morir. El gen de la procaspasa ced-3 producido en las células madre se hereda a las células hijas, donde se traduce y activa. [7]
Cuando el gen ced-3 se traduce en una proteína, primero se convierte en una proteína precursora que necesita sufrir modificaciones para convertirse en una caspasa activa. [6] Primero, la cisteína activa reconoce secuencias específicas que contienen aspartato y escinde el aspartato, lo que hace que el dominio C-terminal y los polipéptidos centrales se heterodimericen para formar la proteasa. [6] Este proceso es un proceso autocatalítico , lo que significa que la proteína ced-3 se escinde para volverse funcional. [6] El dominio N-terminal restante ahora se llama prodominio y es parte del dominio CARD pero no es parte de la proteasa escindida. [6] El prodominio es reconocido por ced-4 y, en consecuencia, inicia el procesamiento ced-3. [6] Antes de esto, la apoptosis debe ser desencadenada por el aumento de la expresión genética de otra proteína conocida como "receptor de la muerte", llamada proteína EGL-1. [7] EGL-1 luego se unirá e inhibirá ced-9, que es una caspasa inhibidora que reconoce y se une a ced-4 para que ya no pueda activar ced-3. Esto provoca un fallo en la apoptosis y la célula seguiría viva. [12] Se considera que estas 4 proteínas, incluida ced-3, constituyen la maquinaria apoptótica central que también se puede encontrar en ortólogos de mamíferos. [7]
Una vez que se activa la caspasa ced-3, el mismo residuo de cisteína de la proteasa va y reconoce el aminoácido aspartato, en otras proteínas, escindiéndolas efectivamente. [13] Estas proteínas se encuentran en el núcleo , la lámina nuclear , el citoesqueleto , el retículo endoplásmico y el citosol . [13] La acción de escindir ciertas proteínas inicia una serie de vías que conducen a la degradación de la célula. [14]
Ced-3 es una parte fundamental de la vía de muerte celular programada, que es una vía bien conocida por estar asociada con el cáncer , enfermedades autoinmunes y enfermedades neurodegenerativas en mamíferos. [4] El descubrimiento de la función ced-3 y las mutaciones en C. elegans llevaron a la comprensión de cómo funciona la muerte celular programada en los mamíferos. [8] C.elegans sirvió como organismo modelo que permitió a los investigadores comparar los genes ortólogos en la vía de muerte celular programada. [8] El ortólogo del gen ced-3 es la caspasa 9 y su forma mutada está implicada en el origen de ciertos cánceres y tejidos tumorales. [12] Una mutación en el gen caspasa puede causar que la proteína deje de funcionar, permitiendo así que las células vivan y se acumulen en el tejido o causar que una proteína dañada en el ADN viva y altere el cuerpo para causar más daño. [12] Esto ocurre comúnmente en el cerebro, lo que conduce a enfermedades del desarrollo neurológico o neurodegenerativas. [4]
Se realizaron varios experimentos en C. elegans para determinar la función de ced-3. [4] La mayoría de estos experimentos implicaron mutar el gen ced-3 y ver cómo eso afectaba el desarrollo general del gusano. [4] Con la pérdida de función de las mutaciones en el gen ced-3, se descubrió que las células somáticas que estaban programadas para morir se encontraron vivas. [4] Con mutaciones sin sentido en el gen ced-3, hubo una disminución en la activación de ced-3 por ced-4, lo que indica que el prodominio estaba afectado. [1] Una mutación por eliminación en la región de proteasa de ced-3 también provocó una disminución en la eficacia de la actividad de muerte celular. [7] Finalmente, con mutaciones de ganancia de función, se encontró que el gusano tenía células adicionales que estaban muertas de las 131 células normales. [4]
Se ha demostrado que Ced-3 interactúa con: