Una cascada bioquímica , también conocida como cascada de señalización o vía de señalización , es una serie de reacciones químicas que ocurren dentro de una célula biológica cuando son iniciadas por un estímulo. Este estímulo, conocido como primer mensajero, actúa sobre un receptor que es transducido al interior celular a través de segundos mensajeros que amplifican la señal y la transfieren a moléculas efectoras, haciendo que la célula responda al estímulo inicial. [1] La mayoría de las cascadas bioquímicas son series de eventos, en los que un evento desencadena el siguiente, de forma lineal. En cada paso de la cascada de señalización, participan varios factores de control para regular las acciones celulares, con el fin de responder eficazmente a las señales sobre sus entornos internos y externos cambiantes. [1]
Un ejemplo sería la cascada de coagulación de la hemostasia secundaria que conduce a la formación de fibrina y, por tanto, al inicio de la coagulación sanguínea. Otro ejemplo, la vía de señalización sónica del hedgehog , es uno de los reguladores clave del desarrollo embrionario y está presente en todos los bilaterales . [2] Las proteínas de señalización brindan a las células información para que el embrión se desarrolle adecuadamente. Cuando la vía no funciona correctamente, puede provocar enfermedades como el carcinoma de células basales . [3] Estudios recientes señalan el papel de la señalización de hedgehog en la regulación de las células madre adultas implicadas en el mantenimiento y la regeneración de los tejidos adultos. La vía también se ha implicado en el desarrollo de algunos cánceres. Varias compañías farmacéuticas están desarrollando activamente medicamentos que se dirigen específicamente a la señalización del erizo para combatir enfermedades.
Las células necesitan una maquinaria celular completa y funcional para vivir. Cuando pertenecen a organismos multicelulares complejos, necesitan comunicarse entre sí y trabajar en simbiosis para dar vida al organismo. Estas comunicaciones entre células desencadenan cascadas de señalización intracelular, denominadas vías de transducción de señales , que regulan funciones celulares específicas. Cada transducción de señales ocurre con un mensajero extracelular primario que se une a un receptor transmembrana o nuclear, iniciando señales intracelulares. El complejo formado produce o libera segundos mensajeros que integran y adaptan la señal, amplificándola, mediante la activación de dianas moleculares, que a su vez desencadenan efectores que conducirán a la respuesta celular deseada. [4]
La transducción de señales se realiza mediante la activación de receptores específicos y la consiguiente producción/entrega de segundos mensajeros, como Ca 2+ o AMPc . Estas moléculas operan como transductores de señales, desencadenando cascadas intracelulares y, a su vez, amplificando la señal inicial. [4] Se han identificado dos mecanismos principales de transducción de señales, a través de receptores nucleares o mediante receptores transmembrana. En el primero, el primer mensajero atraviesa la membrana celular, uniéndose y activando receptores intracelulares localizados en el núcleo o el citosol , que luego actúan como factores transcripcionales que regulan directamente la expresión génica. Esto es posible debido a la naturaleza lipófila de dichos ligandos, principalmente hormonas. En la transducción de señales a través de receptores transmembrana, el primer mensajero se une al dominio extracelular del receptor transmembrana, activándolo. Estos receptores pueden tener actividad catalítica intrínseca o pueden estar acoplados a enzimas efectoras, o también pueden estar asociados a canales iónicos. Por lo tanto, existen cuatro tipos principales de receptores transmembrana: receptores acoplados a proteína G (GPCR), receptores de tirosina quinasa (RTK), receptores de serina/treonina quinasa (RSTK) y canales iónicos activados por ligando (LGIC). [1] [4] Los segundos mensajeros se pueden clasificar en tres clases:
La respuesta celular en cascadas de transducción de señales implica la alteración de la expresión de genes efectores o la activación/inhibición de proteínas diana. La regulación de la actividad proteica implica principalmente eventos de fosforilación/desfosforilación, que conducen a su activación o inhibición. Este es el caso de la gran mayoría de las respuestas como consecuencia de la unión de los mensajeros primarios a los receptores de membrana. Esta respuesta es rápida, ya que implica la regulación de moléculas que ya están presentes en la célula. Por otro lado, la inducción o represión de la expresión de genes requiere la unión de factores transcripcionales a las secuencias reguladoras de estos genes. Los factores transcripcionales son activados por los mensajeros primarios, en la mayoría de los casos, debido a su función como receptores nucleares de estos mensajeros. Los mensajeros secundarios como DAG o Ca 2+ también podrían inducir o reprimir la expresión génica, a través de factores transcripcionales. Esta respuesta es más lenta que la primera porque implica más pasos, como la transcripción de genes y luego el efecto de las proteínas recién formadas en un objetivo específico. El objetivo podría ser una proteína u otro gen. [1] [4] [5]
En bioquímica , varias cascadas enzimáticas importantes y cascadas de transducción de señales participan en rutas metabólicas o redes de señalización, en las que suelen intervenir enzimas para catalizar las reacciones. Por ejemplo, la vía del factor tisular en la cascada de coagulación de la hemostasia secundaria es la vía principal que conduce a la formación de fibrina y, por tanto, al inicio de la coagulación sanguínea. Las vías son una serie de reacciones en las que un zimógeno (enzima precursora inactiva) de una serina proteasa y sus cofactores glicoproteicos se activan para convertirse en componentes activos que luego catalizan la siguiente reacción en la cascada, lo que finalmente resulta en fibrina reticulada. . [6]
Otro ejemplo, la vía de señalización sónica del hedgehog , es uno de los reguladores clave del desarrollo embrionario y está presente en todos los bilaterales . [2] Diferentes partes del embrión tienen diferentes concentraciones de proteínas de señalización de erizo, que brindan a las células información para hacer que el embrión se desarrolle adecuada y correctamente hasta convertirse en una cabeza o una cola. Cuando la vía no funciona correctamente, puede provocar enfermedades como el carcinoma de células basales . [3] Estudios recientes apuntan al papel de la señalización de hedgehog en la regulación de las células madre adultas involucradas en el mantenimiento y la regeneración de tejidos adultos. La vía también se ha implicado en el desarrollo de algunos cánceres. Varias compañías farmacéuticas están desarrollando activamente medicamentos que se dirigen específicamente a la señalización del erizo para combatir enfermedades. [7] La mayoría de las cascadas bioquímicas son series de eventos, en los que un evento desencadena el siguiente, de forma lineal.
Las cascadas bioquímicas incluyen:
Por el contrario, las cascadas negativas incluyen eventos que son circulares o que pueden causar o ser causados por múltiples eventos. [8] Las cascadas negativas incluyen:
La adhesión es un proceso esencial a las células epiteliales para que se pueda formar epitelio y las células puedan estar en contacto permanente con la matriz extracelular y otras células. Existen varias vías para lograr esta comunicación y adhesión con el medio ambiente. Pero las principales vías de señalización son las vías de cadherina e integrina. [9] La vía de la cadherina está presente en las uniones de adhesión o en los desmosomas y es responsable de la adhesión epitelial y la comunicación con las células adyacentes. La cadherina es un receptor de glicoproteína transmembrana que establece contacto con otra cadherina presente en la superficie de una célula vecina formando un complejo de adhesión. [10] Este complejo de adhesión está formado por β-catenina y α-catenina , y p120 CAS es esencial para su estabilización y regulación. Este complejo luego se une a la actina , lo que lleva a la polimerización. Para la polimerización de actina a través de la vía de la cadherina, también participan proteínas de la familia Rho GTPasas . Este complejo está regulado por fosforilación, lo que conduce a una regulación negativa de la adhesión. Varios factores pueden inducir la fosforilación, como EGF , HGF o v-Src . La vía de la cadherina también tiene una función importante en la supervivencia y la proliferación porque regula la concentración de β-catenina citoplasmática. Cuando la β-catenina está libre en el citoplasma, normalmente se degrada, sin embargo, si se activa la señalización Wnt , la degradación de la β-catenina se inhibe y se transloca al núcleo donde forma un complejo con factores de transcripción. Esto conduce a la activación de genes responsables de la proliferación y supervivencia celular. Por tanto, el complejo cadherina-catenina es esencial para la regulación del destino celular. [11] [12] Las integrinas son receptores de glicoproteínas heterodiméricos que reconocen proteínas presentes en la matriz extracelular, como la fibronectina y la laminina. Para funcionar, las integrinas deben formar complejos con las proteínas ILK y Fak . Para la adhesión a la matriz extracelular, ILK activa las proteínas Rac y Cdc42 y conduce a la polimerización de actina. ERK también conduce a la polimerización de actina mediante la activación de cPLA2 . El reclutamiento de FAK por la integrina conduce a la activación de Akt y esto inhibe factores proapoptóticos como BAD y Bax. Cuando no se produce la adhesión a través de integrinas, los factores proapoptóticos no se inhiben y dan como resultado la apoptosis . [13] [14]
El hepatocito es una célula diferenciada compleja y multifuncional cuya respuesta celular estará influenciada por la zona del lóbulo hepático , debido a que las concentraciones de oxígeno y sustancias tóxicas presentes en los sinusoides hepáticos cambian de la zona periportal a la zona centrolobulillar10. Los hepatocitos de la zona intermedia tienen las características morfológicas y funcionales adecuadas ya que tienen un ambiente con concentraciones medias de oxígeno y otras sustancias. [15] Esta célula especializada es capaz de: [16]
El hepatocito también regula otras funciones para la síntesis constitutiva de proteínas ( albúmina , ALT y AST ) que influye en la síntesis o activación de otras moléculas (síntesis de urea y aminoácidos esenciales), activación de la vitamina D , utilización de la vitamina K , transportador de expresión de vitamina A y conversión de tiroxina . [15] [30]
La señalización purinérgica tiene un papel esencial en las interacciones entre neuronas y células de la glía , permitiéndoles detectar potenciales de acción y modular la actividad neuronal, contribuyendo a la regulación de la homeostasis intra y extracelular. Además del neurotransmisor purinérgico, el ATP actúa como factor trófico en el desarrollo y crecimiento celular, participando en la activación y migración de la microglía, y también en la mielinización axonal por parte de los oligodendrocitos. Existen dos tipos principales de receptores purinérgicos , los P1 que se unen a la adenosina y los P2 que se unen al ATP o al ADP, presentando diferentes cascadas de señalización. [31] [32] La vía de señalización Nrf2 /ARE tiene un papel fundamental en la lucha contra el estrés oxidativo, al que las neuronas son especialmente vulnerables debido a su alto consumo de oxígeno y alto contenido de lípidos. Esta vía neuroprotectora implica el control de la actividad neuronal mediante astrocitos perisinápticos y la liberación de glutamato neuronal, con el establecimiento de sinapsis tripartitas. La activación de Nrf2/ARE conduce a una mayor expresión de enzimas implicadas en la síntesis y el metabolismo del glutatión, que tienen un papel clave en la respuesta antioxidante. [33] [34] [35] [36] La vía de señalización LKB1/NUAK1 regula la ramificación del axón terminal en las neuronas corticales, a través de la captura local de mitocondrias inmovilizadas. Además de NUAK1 , la quinasa LKB1 actúa bajo otras enzimas efectoras como SAD-A/B y MARK, regulando así la polarización neuronal y el crecimiento axonal, respectivamente. Estas cascadas de quinasas implican también a Tau y otras MAP . [37] [38] [39] Un conocimiento ampliado de estas y otras vías neuronales podría proporcionar nuevas dianas terapéuticas potenciales para varias enfermedades crónicas neurodegenerativas como el Alzheimer , el Parkinson y la enfermedad de Huntington , y también la esclerosis lateral amiotrófica . [31] [32] [33]
Las células sanguíneas ( eritrocitos , leucocitos y plaquetas ) se producen mediante hematopoyesis . Los eritrocitos tienen como función principal la entrega de O 2 a los tejidos, y esta transferencia se produce por difusión y está determinada por la tensión de O 2 (PO 2 ). El eritrocito es capaz de sentir la necesidad tisular de O 2 y provocar un cambio en el calibre vascular, a través de la vía de liberación de ATP , que requiere un aumento de AMPc , y están regulados por la fosfodiesterasa (PDE). Esta vía puede desencadenarse mediante dos mecanismos: estímulo fisiológico (como la reducción de la tensión de O2) y la activación del receptor de prostaciclina (IPR). Esta vía incluye proteínas G heterotriméricas , adenilil ciclasa (AC), proteína quinasa A (PKA), regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR) y un conducto final que transporta ATP a la luz vascular ( panexina 1 o canal aniónico dependiente de voltaje (VDAC). )). El ATP liberado actúa sobre los receptores purinérgicos de las células endoteliales, desencadenando la síntesis y liberación de varios vasodilatadores , como el óxido nítrico (NO) y la prostaciclina (PGI 2 ). [40] [41] El modelo actual de cascada de adhesión de leucocitos incluye muchos pasos mencionados en la Tabla 1. [42] La adhesión de leucocitos a células endoteliales mediada por integrinas está relacionada con cambios morfológicos tanto en los leucocitos como en las células endoteliales, que en conjunto sostienen los leucocitos. Migración a través de las paredes venulares. Las GTPasas pequeñas Rho y Ras están implicadas en las principales vías de señalización de los leucocitos que subyacen a la adhesión dependiente de integrinas estimuladas por quimiocinas y desempeñan funciones importantes en la regulación de la forma, la adhesión y la motilidad de las células. [43]
Después de que se produce una lesión vascular, las plaquetas se activan mediante colágeno expuesto localmente (receptor de glicoproteína (GP) VI), trombina generada localmente (receptores PAR1 y PAR4), tromboxano A2 derivado de plaquetas (TxA2) (receptor TP) y ADP (P2Y1 y P2Y12). receptores) que se libera de las células dañadas o se secreta a partir de gránulos densos de plaquetas . El factor von Willebrand (VWF) sirve como molécula accesoria esencial. En términos generales, la activación plaquetaria iniciada por el agonista lleva a una cascada de señalización que conduce a un aumento de la concentración de calcio citosólico. En consecuencia, la integrina α IIb β 3 se activa y la unión al fibrinógeno permite la agregación de las plaquetas entre sí. El aumento del calcio citosólico también conduce al cambio de forma y a la síntesis de TxA2, lo que lleva a la amplificación de la señal.
El objetivo principal de las cascadas bioquímicas en los linfocitos es la secreción de moléculas que pueden suprimir las células alteradas o eliminar agentes patógenos, mediante la proliferación, diferenciación y activación de estas células. Por lo tanto, los receptores antigénicos desempeñan un papel central en la transducción de señales en los linfocitos, porque cuando los antígenos interactúan con ellos se produce una cascada de eventos de señales. Estos receptores, que reconocen el antígeno soluble (células B) o unido a una molécula en las células presentadoras de antígeno (células T), no tienen colas citoplasmáticas largas, por lo que están anclados a proteínas señalizadoras, que contienen colas citoplasmáticas largas con un motivo que puede fosforilarse ( ITAM – motivo de activación de inmunorreceptor basado en tirosina) y dar como resultado diferentes vías de señales. El receptor de antígeno y la proteína señal forman un complejo estable, denominado BCR o TCR , en las células B o T, respectivamente. La familia Src es esencial para la transducción de señales en estas células, porque es responsable de la fosforilación de los ITAM. Por tanto, Lyn y Lck , en los linfocitos B y T, respectivamente, fosforilan motivos de activación basados en tirosina de los inmunorreceptores tras el reconocimiento del antígeno y el cambio conformacional del receptor, lo que conduce a la unión de las quinasas Syk / Zap-70 a ITAM y su activación. . La quinasa Syk es específica de los linfocitos B y Zap-70 está presente en las células T. Después de la activación de estas enzimas, algunas proteínas adaptadoras se fosforilan, como BLNK (células B) y LAT (células T). Estas proteínas después de la fosforilación se activan y permiten la unión de otras enzimas que continúan la cascada bioquímica. [4] [44] [45] [46] Un ejemplo de una proteína que se une a proteínas adaptadoras y se activa es la PLC, que es muy importante en las vías de señalización de los linfocitos. PLC es responsable de la activación de PKC , a través de DAG y Ca 2+ , lo que conduce a la fosforilación de la molécula CARMA1 y la formación del complejo CBM. Este complejo activa la Iκκ quinasa, que fosforila la I-κB, y luego permite la translocación de NF-κB al núcleo y la transcripción de genes que codifican citoquinas , por ejemplo. Otros factores transcripcionales como NFAT y el complejo AP1 también son importantes para la transcripción de citoquinas . [45] [47] [48][49] La diferenciación de células B a células plasmáticas también es un ejemplo de un mecanismo de señal en los linfocitos, inducido por un receptor de citoquinas . En este caso, algunas interleucinas se unen a un receptor específico, lo que conduce a la activación de la vía MAPK/ERK . En consecuencia, la proteína BLIMP1 se traduce e inhibe PAX5 , permitiendo la transcripción de genes de inmunoglobulinas y la activación de XBP1 (importante para la formación del aparato secretor y la mejora de la síntesis de proteínas). [50] [51] [52] Además, los correceptores ( CD28 / CD19 ) desempeñan un papel importante porque pueden mejorar la unión antígeno/receptor e iniciar eventos en cascada paralelos, como la activación de la PI3 quinasa. PIP3 entonces es responsable de la activación de varias proteínas, como vav (conduce a la activación de la vía JNK , que en consecuencia conduce a la activación de c-Jun ) y btk (también puede activar PLC). [45] [53]
La vía de señalización Wnt se puede dividir en canónica y no canónica. La señalización canónica implica la unión de Wnt al correceptor Frizzled y LRP5, lo que lleva a la fosforilación de GSK3 y la inhibición de la degradación de β-catenina, lo que resulta en su acumulación y translocación al núcleo, donde actúa como factor de transcripción. La señalización Wnt no canónica se puede dividir en vía de polaridad celular plana (PCP) y vía Wnt/calcio. Se caracteriza por la unión de Wnt a Frizzled y la activación de proteínas G y por un aumento de los niveles intracelulares de calcio a través de mecanismos que involucran a PKC 50. [54] La vía de señalización de Wnt juega un papel importante en la osteoblastogénesis y la formación ósea, induciendo la diferenciación de células pluripotentes mesenquimales en osteoblastos e inhibiendo la vía RANKL/RANK y la osteoclastogénesis. [55]
RANKL es miembro de la superfamilia de ligandos del TNF. Al unirse al receptor RANK, activa varias moléculas, como NF-kappa B, MAPK, NFAT y PI3K52. La vía de señalización RANKL/RANK regula la osteoclastogénesis, así como la supervivencia y activación de los osteoclastos. [56] [57]
La adenosina es muy relevante en el metabolismo óseo, ya que juega un papel en la formación y activación tanto de osteoclastos como de osteoblastos. La adenosina actúa uniéndose a los receptores purinérgicos e influyendo en la actividad de la adenilil ciclasa y la formación de AMPc y PKA 54. [58] La adenosina puede tener efectos opuestos sobre el metabolismo óseo, porque mientras ciertos receptores purinérgicos estimulan la actividad de la adenilil ciclasa, otros tienen el efecto opuesto. [58] [59] En determinadas circunstancias, la adenosina estimula la destrucción ósea y en otras situaciones promueve la formación de hueso, dependiendo del receptor purinérgico que se esté activando.
La capacidad de autorrenovación y diferenciación son propiedades excepcionales de las células madre. Estas células se pueden clasificar por su capacidad de diferenciación, que disminuye progresivamente con el desarrollo, en totipotentes, pluripotentes, multipotentes y unipotentes. [60]
El proceso de autorrenovación está altamente regulado por el ciclo celular y el control de la transcripción genética. Existen algunas vías de señalización, como LIF / JAK / STAT3 (Factor inhibidor de la leucemia/Janus quinasa/Transductor de señal y activador de la transcripción 3) y BMP / SMADs /Id (Proteínas morfogenéticas óseas/ Madres contra decapentapléjicos/ Inhibidor de la diferenciación), mediadas por factores de transcripción, reguladores epigenéticos y otros componentes, y son responsables de la expresión de genes de autorrenovación y de la inhibición de la expresión de genes de diferenciación, respectivamente. [61]
A nivel del ciclo celular hay un aumento de la complejidad de los mecanismos en las células madre somáticas. Sin embargo, se observa una disminución del potencial de autorrenovación con la edad. Estos mecanismos están regulados por las vías de señalización p16 Ink4a -CDK4/6- Rb y p19 Arf - p53 - P21 Cip1 . Las células madre embrionarias tienen actividad constitutiva de ciclina E-CDK2, que hiperfosforila e inactiva Rb. Esto conduce a una fase G1 corta del ciclo celular con una rápida transición G1-S y poca dependencia de señales mitogénicas o ciclinas D para la entrada a la fase S. En las células madre fetales, los mitógenos promueven una transición G1-S relativamente rápida mediante la acción cooperativa de la ciclina D-CDK4/6 y la ciclina E-CDK2 para inactivar las proteínas de la familia Rb. La expresión de p16 Ink4a y p19 Arf se inhibe mediante la regulación de la cromatina dependiente de Hmga2. Muchas células madre de adultos jóvenes están inactivas la mayor parte del tiempo. En ausencia de señales mitogénicas, las ciclina-CDK y la transición G1-S son suprimidas por inhibidores del ciclo celular, incluidas las proteínas de la familia Ink4 y Cip/Kip. Como resultado, Rb está hipofosforilada e inhibe E2F, promoviendo la inactividad en la fase G0 del ciclo celular. La estimulación con mitógenos moviliza estas células al ciclo activando la expresión de ciclina D. En las células madre adultas mayores, la expresión del microARN let-7 aumenta, lo que reduce los niveles de Hmga2 y aumenta los niveles de p16 Ink4a y p19 Arf . Esto reduce la sensibilidad de las células madre a las señales mitogénicas al inhibir los complejos ciclina-CDK. Como resultado, las células madre no pueden entrar en el ciclo celular o la división celular se ralentiza en muchos tejidos. [62]
La regulación extrínseca se realiza mediante señales del nicho, donde se encuentran las células madre, que es capaz de promover el estado de reposo y la activación del ciclo celular en las células madre somáticas. [63] La división asimétrica es característica de las células madre somáticas, manteniendo el reservorio de células madre en el tejido y la producción de células especializadas de las mismas. [64]
Las células madre muestran un elevado potencial terapéutico, principalmente en patologías hematooncológicas, como leucemias y linfomas. Se encontraron pequeños grupos de células madre en los tumores, llamadas células madre cancerosas. Hay evidencias de que estas células promueven el crecimiento tumoral y la metástasis. [sesenta y cinco]
El ovocito es la célula femenina implicada en la reproducción. [66] Existe una estrecha relación entre el ovocito y las células foliculares circundantes que es crucial para el desarrollo de ambos. [67] GDF9 y BMP15 producidos por el ovocito se unen a los receptores BMPR2 en las células foliculares activando los SMAD 2/3 , asegurando el desarrollo folicular. [68] Al mismo tiempo, el crecimiento de los ovocitos se inicia mediante la unión de KITL a su receptor KIT en el ovocito, lo que lleva a la activación de la vía PI3K/Akt , lo que permite la supervivencia y el desarrollo de los ovocitos. [69] Durante la embriogénesis , los ovocitos inician la meiosis y se detienen en la profase I. Esta detención se mantiene mediante niveles elevados de AMPc dentro del ovocito. [70] Recientemente se sugirió que el GMPc coopera con el AMPc para mantener la detención del ciclo celular . [70] [71] Durante la maduración meiótica, el pico de LH que precede a la ovulación activa la vía MAPK , lo que provoca la interrupción de las uniones comunicantes y la ruptura de la comunicación entre el ovocito y las células foliculares. La PDE3A se activa y degrada el AMPc, lo que conduce a la progresión del ciclo celular y la maduración de los ovocitos. [72] [73] El aumento de LH también conduce a la producción de progesterona y prostaglandinas que inducen la expresión de ADAMTS1 y otras proteasas, así como sus inhibidores. Esto provocará la degradación de la pared folicular, pero limitando el daño y asegurando que la rotura se produzca en el lugar adecuado, liberando el ovocito hacia las trompas de Falopio . [74] [75] La activación de los ovocitos depende de la fertilización por los espermatozoides. [76] Se inicia con la atracción de los espermatozoides inducida por las prostaglandinas producidas por el ovocito, lo que creará un gradiente que influirá en la dirección y velocidad de los espermatozoides. [77] Después de la fusión con el ovocito, el PLC ζ de los espermatozoides se libera en el ovocito, lo que provoca un aumento en los niveles de Ca2+ que activará CaMKII , lo que degradará el MPF , lo que provocará la reanudación de la meiosis. [78] [79] El aumento de los niveles de Ca 2+ inducirá la exocitosis deGránulos corticales que degradan los receptores ZP , utilizados por los espermatozoides para penetrar en el ovocito, bloqueando la polispermia . [80] La desregulación de estas vías conducirá a varias enfermedades como el síndrome de falla en la maduración de los ovocitos, que resulta en infertilidad . [81] Aumentar nuestro conocimiento molecular de los mecanismos de desarrollo de los ovocitos podría mejorar el resultado de los procedimientos de reproducción asistida , facilitando la concepción.
El espermatozoide es el gameto masculino. Después de la eyaculación esta célula no está madura, por lo que no puede fertilizar el ovocito. Para tener la capacidad de fecundar el gameto femenino, esta célula sufre capacitación y reacción acrosómica en el tracto reproductor femenino. Las vías de señalización mejor descritas para los espermatozoides implican estos procesos. La vía de señalización de AMPc/PKA conduce a la capacitación de los espermatozoides; sin embargo, la adenilil ciclasa en los espermatozoides es diferente de las células somáticas. La adenilil ciclasa en el espermatozoide no reconoce las proteínas G , por lo que es estimulada por iones bicarbonato y Ca 2+ . Luego, convierte el trifosfato de adenosina en AMP cíclico, que activa la proteína quinasa A. La PKA conduce a la fosforilación de la proteína tirosina. [82] [83] [84] La fosfolipasa C (PLC) participa en la reacción acrosómica. ZP3 es una glicoproteína presente en la zona pelúcida e interactúa con los receptores del espermatozoide. Entonces, ZP3 puede activar receptores acoplados a proteína G y receptores de tirosina quinasa , lo que conduce a la producción de PLC. PLC escinde el fosfolípido fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2) en diacilglicerol (DAG) e inositol 1,4,5-trifosfato . IP3 se libera como una estructura soluble en el citosol y DAG permanece unido a la membrana. IP3 se une a los receptores IP3, presentes en la membrana del acrosoma. Además, el calcio y el DAG trabajan juntos para activar la proteína quinasa C , que luego fosforila otras moléculas, lo que lleva a una actividad celular alterada. Estas acciones provocan un aumento en la concentración citosólica de Ca 2+ que conduce a la dispersión de actina y, en consecuencia, promueve la fusión de la membrana plasmática y la membrana acrosómica externa. [85] [86] La progesterona es una hormona esteroide producida en el cumulus oophorus. En las células somáticas se une a los receptores del núcleo ; sin embargo, en el espermatozoide sus receptores están presentes en la membrana plasmática. Esta hormona activa AKT, lo que conduce a la activación de otras proteínas quinasas, involucradas en la capacitación y la reacción acrosómica. [87] [88] Cuando las ROS (especies reactivas de oxígeno)Están presentes en altas concentraciones, pueden afectar la fisiología de las células, pero cuando están presentes en concentraciones moderadas son importantes para la reacción y capacitación acrosómica. Las ROS pueden interactuar con AMPc/PKA y la vía de la progesterona, estimulándolas. ROS también interactúa con la vía ERK que conduce a la activación de Ras, MEK y proteínas similares a MEK. Estas proteínas activan la proteína tirosina quinasa (PTK) que fosforila varias proteínas importantes para la capacitación y la reacción acrosómica. [89] [90]
Varias vías de señalización, como las vías FGF, WNT y TGF-β , regulan los procesos implicados en la embriogénesis .
Los ligandos de FGF (Fibroblast Growth Factor) se unen a los receptores tirosina quinasa , FGFR (Fibroblast Growth Factor Receptors), y forman un complejo estable con los correceptores HSPG (Heparán Sulfato Proteoglicanos) que promoverán la autofosforilación del dominio intracelular de FGFR y la consiguiente activación de cuatro vías principales: MAPK/ERK , PI3K , PLCγ y JAK/STAT . [91] [92] [93]
La vía WNT permite la función de β-catenina en la transcripción genética, una vez que la interacción entre el ligando WNT y el receptor acoplado a proteína G Frizzled inhibe GSK-3 (glucógeno sintasa quinasa-3) y, por lo tanto, la formación del complejo de destrucción de β-catenina. [93] [99] [100] Aunque existe cierta controversia sobre los efectos de esta vía en la embriogénesis, se cree que la señalización WNT induce la formación de rayas primitivas , mesodermo y endodermo . [100] En la vía del TGF-β (factor de crecimiento transformante β), la BMP (proteína morfogénica ósea), la activina y los ligandos nodales se unen a sus receptores y activan los Smads que se unen al ADN y promueven la transcripción de genes. [93] [101] [102] La activina es necesaria para la diferenciación del mesodermo y especialmente del endodermo , y Nodal y BMP participan en el modelado embrionario. BMP también es responsable de la formación de tejidos extraembrionarios antes y durante la gastrulación, y de la diferenciación temprana del mesodermo, cuando se activan las vías de activina y FGF. [101] [102] [103]
La construcción de vías ha sido realizada por grupos individuales que estudian una red de interés (por ejemplo, la vía de señalización inmune), así como por grandes consorcios de bioinformática (por ejemplo, el Proyecto Reactome) y entidades comerciales (por ejemplo, Ingenuity Systems ). La construcción de rutas es el proceso de identificar e integrar las entidades, interacciones y anotaciones asociadas, y poblar la base de conocimientos. La construcción de rutas puede tener un objetivo basado en datos (DDO) o un objetivo basado en conocimientos (KDO). La construcción de vías basada en datos se utiliza para generar información sobre las relaciones de genes o proteínas identificadas en un experimento específico, como un estudio de microarrays. [104] La construcción de vías basada en el conocimiento implica el desarrollo de una base de conocimientos detallada sobre vías para dominios de interés particulares, como un tipo de célula, una enfermedad o un sistema. El proceso de curación de una vía biológica implica identificar y estructurar contenido, extraer información de forma manual y/o computacional y ensamblar una base de conocimientos utilizando herramientas de software apropiadas. [105] Un esquema que ilustra los principales pasos involucrados en los procesos de construcción basados en datos y en conocimiento. [104]
Para la construcción de rutas DDO o KDO, el primer paso es extraer información pertinente de fuentes de información relevantes sobre las entidades y las interacciones. La información recuperada se ensambla utilizando formatos, estándares de información y herramientas de construcción de caminos apropiados para obtener un prototipo de camino. La vía se perfecciona aún más para incluir anotaciones específicas del contexto, como especie, tipo de célula/tejido o tipo de enfermedad. Luego, los expertos en el dominio pueden verificar la ruta y los curadores pueden actualizarla en función de los comentarios adecuados. [106] Los intentos recientes de mejorar la integración del conocimiento han llevado a clasificaciones refinadas de entidades celulares, como GO, y al ensamblaje de repositorios de conocimiento estructurados. [107] Los repositorios de datos, que contienen información sobre secuencias, metabolismo, señalización, reacciones e interacciones, son una fuente importante de información para la construcción de vías. [108] En la siguiente tabla se describen algunas bases de datos útiles. [104]
Leyenda: Y – Sí, N – No; BIND – Base de datos de la red de interacción biomolecular, DIP – Base de datos de proteínas que interactúan, GNPV – Visor de plataforma de red del genoma, HPRD = Base de datos de referencia de proteínas humanas, MINT – Base de datos de interacción molecular, MIPS – Centro de información de secuencias de proteínas de Munich, UNIHI – Interactome humano unificado, OPHID – Base de datos en línea de interacción humana prevista, EcoCyc – Enciclopedia de genes y metabolismo de E. Coli, MetaCyc – Base de datos de vías metabólicas, KEGG – Enciclopedia de genes y genomas de Kyoto, PANTHER – Base de datos de análisis de proteínas a través de relaciones evolutivas, STKE – Entorno de conocimiento de transducción de señales, PID – Base de datos de interacción de vías, BioPP – Biological Pathway Publisher. Puede encontrar una lista completa de recursos en http://www.pathguide.org.
La creciente cantidad de información genómica y molecular es la base para comprender los sistemas biológicos de orden superior, como la célula y el organismo, y sus interacciones con el medio ambiente, así como para aplicaciones médicas, industriales y otras aplicaciones prácticas. El recurso KEGG [109] proporciona una base de conocimientos de referencia para vincular genomas con sistemas biológicos, categorizados como bloques de construcción en el espacio genómico (KEGG GENES), el espacio químico (KEGG LIGAND), diagramas de cableado de redes de interacción y redes de reacción (KEGG PATHWAY). ) y ontologías para la reconstrucción de vías (base de datos BRITE). [110] La base de datos KEGG PATHWAY es una colección de mapas de rutas dibujados manualmente para el metabolismo , el procesamiento de información genética, el procesamiento de información ambiental como la transducción de señales, la interacción ligando -receptor y la comunicación celular, varios otros procesos celulares y enfermedades humanas, todos basados en una extensa investigación. estudio de la literatura publicada. [111]
Gene Map Annotator y Pathway Profiler ( GenMAPP ) [112] , un programa informático independiente, gratuito y de código abierto, está diseñado para organizar, analizar y compartir datos a escala del genoma en el contexto de vías biológicas. La base de datos GenMAPP admite múltiples anotaciones de genes y especies, así como la creación de bases de datos de especies personalizadas para un número potencialmente ilimitado de especies. [113] Los recursos de las vías se amplían utilizando información de homología para traducir el contenido de las vías entre especies y ampliando las vías existentes con datos derivados de interacciones y coexpresión de proteínas conservadas. Se ha implementado un nuevo modo de visualización de datos que incluye el curso del tiempo, el polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) y el empalme con la base de datos GenMAPP para respaldar el análisis de datos complejos. GenMAPP también ofrece formas innovadoras de mostrar y compartir datos incorporando la exportación HTML de análisis para conjuntos completos de rutas como páginas web organizadas. [114] En resumen, GenMAPP proporciona un medio para interrogar rápidamente datos experimentales complejos en busca de cambios a nivel de vía en una amplia gama de organismos.
Dada la composición genética de un organismo, el conjunto completo de reacciones posibles constituye su reactoma . Reactome , ubicado en http://www.reactome.org, es un recurso curado y revisado por pares de datos de procesos/vías biológicas humanas. La unidad básica de la base de datos Reactome es una reacción; Luego, las reacciones se agrupan en cadenas causales para formar vías [115] . El modelo de datos Reactome nos permite representar muchos procesos diversos en el sistema humano, incluidas las vías del metabolismo intermediario, las vías reguladoras y la transducción de señales, y procesos de alto nivel, como como el ciclo celular . [116] Reactome proporciona un marco cualitativo, sobre el cual se pueden superponer datos cuantitativos. Se han desarrollado herramientas para facilitar la entrada y anotación de datos personalizados por parte de biólogos expertos, y para permitir la visualización y exploración del conjunto de datos terminado como un mapa de proceso interactivo. [117] Aunque el dominio curacional principal son las vías del Homo sapiens, las proyecciones electrónicas de las vías humanas en otros organismos se crean regularmente a través de supuestos ortólogos, lo que hace que Reactome sea relevante para las comunidades de investigación de organismos modelo. La base de datos está disponible públicamente bajo términos de código abierto, lo que permite que tanto su contenido como su infraestructura de software se utilicen y redistribuyan libremente. El estudio de perfiles transcripcionales completos y la catalogación de interacciones proteína-proteína ha arrojado mucha información biológica valiosa, desde el genoma o proteoma hasta la fisiología de un organismo, un órgano, un tejido o incluso una sola célula. La base de datos Reactome contiene un marco de posibles reacciones que, cuando se combina con datos de expresión y cinética enzimática, proporciona la infraestructura para modelos cuantitativos y, por lo tanto, una visión integrada de los procesos biológicos, que vincula dichos productos genéticos y se puede extraer sistemáticamente mediante el uso de aplicaciones bioinformáticas. . [118] Los datos de Reactome están disponibles en una variedad de formatos estándar, incluidos BioPAX , SBML y PSI-MI, y también permiten el intercambio de datos con otras bases de datos de vías, como Cycs, KEGG y amaze , y bases de datos de interacción molecular, como BIND y HPRD . La próxima publicación de datos cubrirá la apoptosis, incluidas las vías de señalización del receptor de muerte y las vías Bcl2, así como las vías involucradas en la hemostasia . Otros temas actualmente en desarrollo incluyen varias vías de señalización, mitosis , fototransducción visual y hematopoyesis . [119]En resumen, Reactome proporciona resúmenes seleccionados de alta calidad de procesos biológicos fundamentales en humanos en una forma de visualización de datos de rutas amigable para los biólogos, y es un proyecto de código abierto.
En la era posgenómica, las técnicas de secuenciación de alto rendimiento y de elaboración de perfiles de genes/proteínas han transformado la investigación biológica al permitir un seguimiento exhaustivo de un sistema biológico, generando una lista de genes o proteínas expresados diferencialmente, lo que resulta útil para identificar genes que pueden tener funciones. en un fenómeno o fenotipo determinado. [120] Con microarrays de ADN y la ingeniería genética de todo el genoma, es posible examinar perfiles de expresión genética global para contribuir con una gran cantidad de datos genómicos al dominio público. Con la interferencia de ARN, es posible destilar las inferencias contenidas en la literatura experimental y las bases de datos primarias en bases de conocimiento que consisten en representaciones comentadas de vías biológicas. En este caso, se sabe que genes y proteínas individuales están involucrados en procesos, componentes o estructuras biológicas, así como también en cómo y dónde los productos genéticos interactúan entre sí. [121] [122] Enfoques orientados a rutas para analizar datos de microarrays, agrupando largas listas de genes, proteínas y/u otras moléculas biológicas individuales según las rutas en las que participan en conjuntos más pequeños de genes o proteínas relacionados, lo que reduce la complejidad, han demostrado ser útiles para conectar datos genómicos con procesos y sistemas biológicos específicos. Identificar vías activas que difieren entre dos condiciones puede tener más poder explicativo que una simple lista de diferentes genes o proteínas. Además, una gran cantidad de métodos analíticos de vías aprovechan el conocimiento de las vías en repositorios públicos como Gene Ontology (GO) o la Enciclopedia de genes y genomas de Kyoto ( KEGG ), en lugar de inferir vías a partir de mediciones moleculares. [123] [124] Además, diferentes enfoques de investigación han dado a la palabra "vía" diferentes significados. Por ejemplo, "vía" puede denotar una vía metabólica que implica una secuencia de reacciones de moléculas pequeñas catalizadas por enzimas, o una vía de señalización que implica un conjunto de reacciones de fosforilación de proteínas y eventos de regulación genética. Por tanto, el término "análisis de vías" tiene una aplicación muy amplia. Por ejemplo, puede referirse al análisis de redes de interacción física (p. ej., interacciones proteína-proteína), simulación cinética de vías y análisis de vías en estado estacionario (p. ej., análisis de equilibrio de flujo), así como a su uso en la inferencia de rutas a partir de datos de expresión y secuencia. Se han desarrollado varias herramientas de análisis de enriquecimiento funcional [125] [126] [127] [128] y algoritmos [129] para mejorar la interpretación de los datos. Los métodos de análisis de rutas basados en la base de conocimientos existentes en cada generación se han resumido en la literatura reciente. [130]
Se utilizó un paquete de programa MatchMiner para escanear los nombres de HUGO en busca de genes clonados de interés, luego se ingresan en GoMiner, que aprovechó el GO para identificar los procesos biológicos, las funciones y los componentes representados en el perfil del gen. Además, la base de datos para anotación, visualización y descubrimiento integrado ( DAVID ) y la base de datos KEGG se pueden utilizar para el análisis de datos de expresión de microarrays y el análisis de cada proceso biológico GO (P), componente celular (C) y función molecular (F). ) ontología. Además, las herramientas DAVID se pueden utilizar para analizar las funciones de los genes en las vías metabólicas y mostrar las relaciones biológicas entre genes o productos genéticos y pueden representar vías metabólicas. Estas dos bases de datos también proporcionan herramientas bioinformáticas en línea para combinar información bioquímica específica sobre un determinado organismo y facilitar la interpretación de significados biológicos de datos experimentales. Mediante el uso de un enfoque combinado de tecnologías de microarrays y bioinformática, se ha demostrado un mecanismo metabólico potencial que contribuye al cáncer colorrectal (CCR). [131] Varios factores ambientales pueden estar involucrados en una serie de puntos a lo largo de la vía genética hacia el CCR. Estos incluyen genes asociados con el metabolismo de los ácidos biliares, el metabolismo de la glucólisis y las vías del metabolismo de los ácidos grasos , lo que respalda la hipótesis de que algunas alteraciones metabólicas observadas en el carcinoma de colon pueden ocurrir en el desarrollo del CCR. [131]
Los modelos celulares son fundamentales para diseccionar un proceso patológico complejo en eventos moleculares más simples. La enfermedad de Parkinson (EP) es multifactorial y clínicamente heterogénea; La etiología de la forma esporádica (y más común) aún no está clara y hasta ahora solo se han aclarado unos pocos mecanismos moleculares en la cascada neurodegenerativa . En un panorama tan multifacético, es particularmente importante identificar modelos experimentales que simplifiquen el estudio de las diferentes redes de proteínas y genes involucrados. Los modelos celulares que reproducen algunas de las características de las neuronas que degeneran en la EP han contribuido a muchos avances en nuestra comprensión del flujo patogénico de la enfermedad. En particular, las vías bioquímicas fundamentales (es decir, apoptosis y estrés oxidativo , deterioro mitocondrial y mitofagia disfuncional , estrés de proteínas desplegadas y eliminación inadecuada de proteínas mal plegadas) se han explorado ampliamente en líneas celulares, desafiadas con agresiones tóxicas o modificadas genéticamente. El papel central de la a-sinucleína ha generado muchos modelos destinados a dilucidar su contribución a la desregulación de diversos procesos celulares. Los modelos celulares clásicos parecen ser la elección correcta para estudios preliminares sobre la acción molecular de nuevos fármacos o toxinas potenciales y para comprender el papel de factores genéticos individuales. Además, la disponibilidad de nuevos sistemas celulares, como los cíbridos o las células madre pluripotentes inducidas, ofrece la posibilidad de explotar las ventajas de una investigación in vitro, aunque refleja más fielmente la población celular afectada. [132]
La degeneración sináptica y la muerte de las células nerviosas son características definitorias de la enfermedad de Alzheimer (EA), el trastorno neurodegenerativo relacionado con la edad más prevalente. En la EA, las neuronas del hipocampo y del prosencéfalo basal (regiones del cerebro que desempeñan funciones de aprendizaje y memoria) son selectivamente vulnerables. Los estudios de tejido cerebral postmortem de personas con EA han proporcionado evidencia de mayores niveles de estrés oxidativo, disfunción mitocondrial y alteración de la absorción de glucosa en poblaciones neuronales vulnerables. Los estudios de modelos animales y de cultivos celulares de EA sugieren que los niveles elevados de estrés oxidativo ( peroxidación lipídica de membrana , en particular) pueden alterar el metabolismo energético neuronal y la homeostasis iónica, al alterar la función de las ATPasas con motivo iónico de membrana , los transportadores de glucosa y glutamato . Tal compromiso oxidativo y metabólico puede hacer que las neuronas sean vulnerables a la excitotoxicidad y la apoptosis . Estudios recientes sugieren que la EA puede manifestar alteraciones sistémicas en el metabolismo energético (p. ej., aumento de la resistencia a la insulina y desregulación del metabolismo de la glucosa). La evidencia emergente de que la restricción dietética puede prevenir el desarrollo de la EA es consistente con un importante componente "metabólico" de estos trastornos y proporciona optimismo de que estos devastadores trastornos cerebrales del envejecimiento pueden prevenirse en gran medida. [133]
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