CELL SIGNALING

BIOLOGÍA CELULAR

CELL SIGNALING SEÑALIZACIÓN CELULAR

A. Ordaz-Hernández 1,3 C. Regalado-Santiago 1 J. M. Loeza-Corte 2,3 M. N. Fierro-Muñoz 1 M. Herrera-Martínez 1 *

1 Instituto de Farmacobiología, 2Instituto de Tecnología de los Alimentos, 3Cuerpo Académico Tecnologías Agroalimentarias en Zonas Áridas. Universidad de la Cañada, Carretera Teotitlán - San Antonio Nanahuatipán Km 1.7 s/n., Paraje Titlacuatitla, Teotitlán de Flores Magón, Oaxaca, México, C.P. 68540.

Fecha de envío: 12 de febrero del 2019.

foto: www.pexels.com

ABSTRACT Cell signaling is a conserved and inherent mechanism in all the functions carried out by the cell, which allows its interaction with the surrounding microenvironment. The advance in the understanding of this essential process is largely due to the progress of molecular biology, the generation of new bioinformatics tools and the identification of both, the human genome and other organisms. Recently, new concepts have been described to help in a better understanding on the cell signaling mechanisms; likewise, some paradigms have been discarded in relation to this topic. Due the vast knowledge on cell signaling, the present review is focused on communication processes of multicellular organisms, where it is intended to mention key points that will allow understanding how this process operates, and some concepts established in the last decades. Keywords: Cell Biology, Cell Signaling, Ligand, Receptors, Intercellular Communication, Receptor Tyrosine Kinases, G Protein-Coupled Receptors, Intrinsically Disordered Proteins

RESUMEN La señalización celular es un mecanismo conservado e inherente a todas las funciones celulares, que permite su interacción con el microambiente que lo rodea. El avance en la comprensión de este proceso esencial para la célula, ha sido en gran medida al progreso de la biología

molecular, a la generación de nuevas herramientas bioinformáticas y a la identificación del genoma humano y de otros organismos. Recientemente, se han descrito conceptos nuevos que ayudan en una mejor comprensión de los mecanismos de señalización; así mismo, se han descartado algunos paradigmas en relación a este tema. En virtud del vasto conocimiento de la señalización celular, la presente revisión se centra en procesos de comunicación de los organismos multicelulares, en donde se pretende mencionar puntos clave que permitirán entender cómo opera este proceso, y algunos conceptos establecidos en las últimas décadas. Palabras clave: Biología Celular, Señalización Celular, Ligando, Receptores, Comunicación Intercelular, Receptores Tirosina Cinasa, Receptores Acoplados a Proteínas G, Proteínas Intrínsecamente Desestructuradas

1. INTRODUCCIÓN La célula es la entidad mínima-funcional y fundamental de la vida, la cual presenta características fisiológicas esenciales, una de ellas, es la respuesta a estímulos externos, la cual está estrechamente ligada con la homeostasis y la adaptación celular. Las señales del exterior mayormente son captadas por receptores presentes en la superficie celular, los cuales transmiten la señal al interior de la célula, produciendo una respuesta específica. A éste proceso se le conoce como señalización celular, dado que regula funciones celulares básicas, como son: la división celular, el metabolismo, así como la respuesta ante la presencia/ausencia de nutrientes, incluso, permite la eliminación de tóxicos y la adaptación a condiciones ambientales nuevas; de esta forma, es un proceso requerido por todos los seres vivos: procariotas y eucariotas, tanto unicelulares como pluricelulares. Algunos autores han mostrado que, moléculas implicadas en el proceso de señalización celular se han conservado evolutivamente desde seres unicelulares hasta pluricelulares (King y col., 2003), aunque existe una complejidad mayor (tipos de señalización y regulación) en organismos pluricelulares (Pires daSilva y Sommer, 2003). Cabe mencionar que, hasta hace algunas décadas, se pensaba que la comunicación de una célula a otra, o también llamada señalización intercelular, sólo se llevaba a cabo en los organismos multicelulares, quienes requieren una comunicación altamente específica y regulada para coordinar y mantener las funciones del organismo, de modo que las señales se reciban e interpreten adecuadamente, según los requerimientos del mismo. Sin embargo, en diversos estudios se ha demostrado que los seres unicelulares también necesitan los mecanismos de comunicación intercelulares. En procariotas, se le conoce como quorum sensing a la comunicación bacteria-bacteria, la cual les permite regular procesos como la formación de biopelículas, la expresión de genes de virulencia, incluso la producción de metabolitos secundarios y la generación de mecanismos de resistencia al estrés, como bien se menciona en la revisión que realiza Li y Tian (2012). También se han reportado diversas interacciones bacteria-hospedero, refiriéndose como hospedero a la célula vegetal (Hartmann y Schikora, 2015) o a la célula animal (Holm y Vicktröm, 2014). Así mismo, en algunos eucariotas unicelulares, por ejemplo Entamoeba histolytica, se han identificado interacciones amiba-amiba o amiba-hospedero, capaces de inducir eventos de señalización, en la que no sólo existe una señalización intracelular por el contacto de ambas células, sino que también se promueve la secreción de moléculas autócrinas o parácrinas para llevar a cabo la transformación de trofozoíto a quiste, la infección no invasiva/comenzal y la infección invasiva, como bien reportan Petri y col. (2002). Con lo anterior, se resalta la importancia que tiene la señalización celular en todos los seres vivos, desde las ventajas de supervivencia que pueden adquirir los microogranismos, hasta el desarrollo de enfermedades humanas por la alteración de la señalización celular, por ello, el estudio del mecanismo de operación de este proceso y de las moléculas implicadas se ha puesto en la mira de muchos científicos. Ésto, permitirá complementar el conocimiento de la fisiología celular y ayudará a identificar nuevos blancos terapéuticos para aquellas enfermedades que tienen alterado este proceso.

2. SEÑALIZACIÓN CELULAR Los organismos multicelulares han desarrollado procesos de señalización celular complejos que implican la síntesis de moléculas señales, la expresión de receptores y una organización estructural alta-

mente regulada, con la finalidad de llevar a cabo su reproducción, desarrollo y mantenimiento de la integridad funcional de sus tejidos. Así, en los organismos multicelulares se pueden diferenciar dos tipos de señalización principales: 1) intracelular, dado por moléculas segregadas y por receptores extra/ intracelulares y 2) la comunicación célula a célula (Denef, 2014), los cuales se explican más adelante. La señalización intracelular se ha descrito como un proceso en donde una molécula señal activa un receptor, que a su vez, desencadena la activación de proteínas para dar lugar a una respuesta celular específica. No obstante, en la actualidad se sabe que los procesos de señalización son activados por diferentes señales simultáneas, de modo que cada célula recibe varias señales al mismo tiempo y que la integración o combinación de éstas, será la que genere una respuesta específica. De acuerdo a He y col. (2012), este proceso dependerá del contexto celular (patrón de proteínas expresado en un tipo celular particular), por ejemplo, en las células de cáncer, la mayoría de las redes de proteínas implicadas en la señalización, generalmente son disfuncionales y menos completas que en las células normales, esto podría ser debido a que las células de cáncer están orientadas a proliferar y por ello, “olvidan” otros procesos que para ellas no son requeridas; así, la señalización celular ocurre de acuerdo a las condiciones en que se encuentre la célula en determinado momento. En 1999, Sánchez y col., usaron por primera vez el término “interactoma”, el cual es el conjunto de interacciones de proteína a proteína que ocurre en una célula, en una condición específica. A partir de ellos, se han presentado varios esfuerzos por construir el interactoma de diferentes tipos celulares y en diferentes condiciones, tomando ventaja de las nuevas herramientas tecnológicas que existen, principalmente del campo de la bioinformática. La finalidad de construir el interactoma es dilucidar los patrones de interacción e identificar la función de las proteínas celulares. Estos patrones de interacción entre las proteínas, suelen ser una serie de proteínas específicas que participan de forma secuencial, es decir, una proteína produce cambios bioquímicos a otra y así sucesivamente, por esta razón se le llama cascada o vía de señalización.

2.1. Cascada de señalización

La cascada de señalización es iniciada por señales extracelulares (molécula señal, mensajero químico o ligando). Algunos ejemplos de estas señales extracelulares son las hormonas, las proteínas y/o péptidos, los esteroides, algunos derivados de ácidos grasos y los gases como el óxido nítrico. Los mensajeros químicos se unen de forma específica a los receptores celulares, induciendo cambios bioquímicos en el interior de la célula. Estos cambios pueden ser muy variados: desde la formación de segundos mensajeros, interacciones de proteína-proteína, y proteína-ácido nucleico (Hynes y col., 2013). Los segundos mensajeros más conocidos son el adenosin monofosfato cíclico (AMPc), el ión calcio (Ca 2+ ) y el fosfoinositol. Mientras que la señalización de proteína-proteína, presenta dos cambios principales como la fosforilación/defosforilación y la unión a GTP o GDP, a través de cinasas/fosfatasas o regulación de proteínas G/GTPasas, respectivamente. La unión proteína-ácido nucleico, al igual que proteína-proteína, dependen de los dominios de interacción que presente la proteína implicada. Generalmente, estas interacciones inducirán cambios genómicos que inciden en la transcripción génica y que, al ser traducidos, formarán complejos con otras moléculas para regular diversas funciones celulares, por ejemplo, la inducción de división o diferenciación celular (Valdespino-Gómez y col., 2015). En la tabla I de la página siguiente, se muestra el número aproximado de vías que participan en algunos procesos celulares; estos datos se obtuvieron a partir de información registrada en la base de datos de la Enciclopedia de Kyoto sobre genes y genomas (KEGG, https://www.genome.jp/kegg/). Se puede observar que los procesos esenciales de la célula, como el metabolismo, procesamiento genético y respuesta a estímulos externos, tienen destinado un mayor número de vías de señalización, en comparación con otros. Se han identificado más de 300 vías de señalización en las células humanas (KEEG, 2018). La generación de las distintas respuestas celulares dependerá de las vías de señalización activadas y, de las moléculas implicadas en las vías. Se han estudiado y logrado identificar una variedad de mecanismos importantes para que las moléculas que participan en las vías de señalización celular puedan ejercer sus efectos, como son: la apropiada locali-

Procesos celulares Número de vías participantes Ejemplos Metabolismo 130 aprox. Metabolismo de hidratos de carbono, lípidos, aminoácidos, nucleótidos, factores y vitaminas. Ciclos anabólicos y catabólicos, etc. Procesamientos genéticos/genómicos 22 aprox. Transcripción, traducción, cambios postraduccionales, replicación y reparación del ADN Procesamientos de las señales extracelulares (ambientales) 24 aprox. Recepción, transducción y respuesta biológica Transportación intracelular de organelos 4 aprox. Endocitósis, exocitosis; regulación de autofagia Movilidad celular 3 aprox. Remodelación del citoesqueleto, quimiotaxis, etc. Crecimiento celular y muerte 14 aprox. Ciclo celular, meiosis, apoptosis, vía de p53, etc. Comunicación intercelular 4 aprox. Uniones estrechas, uniones focales, etc. Vías específicas de las células del sistema inmunológico 15 aprox. Vías de señalización de receptores de los linfocitos CD8+ y Cd4+, etc. Vías específicas de las células del sistema endocrino 12 aprox. Vías de señalización de la insulina, de los estrógenos, de los andrógenos, etc. Vías específicas de las células del sistema circulatorio 6 aprox. Vías de señalización en la contracción de las células cardíacas y de los vasos Vías específicas de las células del sistema digestivo 10 aprox. Vías de señalización participantes en la absorción, digestión y secreción, etc. Vías específicas de las células del sistema excretor 5 aprox. Vías de señalización participantes en la regulación de la excreción del agua, sodio, bicarbonato, etc. Vías de específicas de las células del sistema nervioso/sensorial 14 aprox. Vías de señalización de las sinapsis dopaminérgicas, colinérgicas. Fototransducción, transducción olfatoria, etc. Vías específicas de las células que participan en el desarrollo embrionario 4 aprox. Vías de señalización participantes en el desarrollo del eje dorsoventral, etc. Vías específicas de las células que responden a los cambios medioambientales Múltiples Ciclos circadianos, interacciones con microorganismos no patógenos Vías específicas de células que responden a agentes infecciosos, tóxicos, drogas etc. Múltiples Respuestas antibacterianas, antivirales, etc.

Tabla I. Número de vías de señalización intracelulares participantes en los principales procesos celulares estructurales y funcionales. Tomada de Valdespino-Gómez y col. (2015).

zación celular, la concentración, las modificaciones postraduccionales y el tiempo de residencia en la célula (Badu y col., 2011). Otros autores (Barolo y Posakony, 2002) han sugerido tres principales tipos de regulación de vías de señalización que repercuten en la transcripción de genes: activación insuficiente, en la cual, las concentraciones de los factores de transcripción no son suficientes para activar los genes diana, por lo que se evita la activación indiscriminada; contrario a ello, la activación cooperativa, genera una combinación de factores de transcripción regulados por una señal, lo que permite altos niveles de expresión del gen diana; y la represión por defecto, que reprime la capacidad

de activadores locales para que no se activen genes diana en ausencia de la señalización. Los mecanismos de regulación (Hwang y col., 2014), así como las redes de señalización que se forman por la interacción de proteínas (Chen y col., 2012) son materia de interés para el área de bioingeniería, ya que presenta características muy atractivas en la generación de redes de procesamiento de la información, como la amplificación, especificidad, adaptación, ultrasensibilidad y sincronización.

2.1.1. Proteínas intrínsecamente desestructuradas Intrinsically disordered proteins (IDPs) are important components of the cellular signaling machinery, allowing the same polypeptide to undertake different interactions with different consequences. IDPs are subject to combinatorial post-translational modifications and alternative splicing, adding complexity to regulatory networks and providing a mechanism for tissue-specific signaling. IDPs participate in assembly of signaling complexes and in the dynamic self-assembly of membrane-less nuclear and cytoplasmic organelles. Experimental, computational and bioinformatic analysis combine to identify and characterize disordered regions of proteins, leading to a greater appreciation of their widespread role in biological processes. Intrinsically disordered proteins (IDPs) are important components of the cellular signaling machinery, allowing the same polypeptide to undertake different interactions with different consequences. IDPs are subject to combinatorial post-translational modifications and alternative splicing, adding complexity to regulatory networks and providing a mechanism for tissue-specific signaling. IDPs participate in assembly of signaling complexes and in the dynamic self-assembly of membrane-less nuclear and cytoplasmic organelles. Experimental, computational and bioinformatic analysis combine to identify and characterize disordered regions of proteins, leading to a greater appreciation of their widespread role in biological processes. Intrinsically disordered proteins (IDPs) are important components of the cellular signaling machinery, allowing the same polypeptide to undertake different interactions with different consequences. IDPs are subject to combinatorial post-translatio

nal modifications and alternative splicing, adding complexity to regulatory networks and providing a mechanism for tissue-specific signaling. IDPs participate in assembly of signaling complexes and in the dynamic self-assembly of membrane-less nuclear and cytoplasmic organelles. Experimental, computational and bioinformatic analysis combine to identify and characterize disordered regions of proteins, leading to a greater appreciation of their widespread role in biological processes. Otro concepto que ha llamado la atención en los últimos años, es el de las proteínas intrínsecamente desestructuradas (IDPs en inglés para Intrinsically Disordered Proteins), las cuales tienen regiones desestructuradas, es decir, sitios que no presentan plegamientos como los que se conocen comúnmente, ni en alpha hélice ni en beta plegada. Aunque el término ya se había usado antes del 2005, no fue hasta este año cuando Dyson y Wright propusieron una función importante en la señalización celular (Dyson y Wright, 2005). El modelo de estructura-función proteica, originalmente introducido por Beadle and Tatum (1941), se basa en que la secuencia de aminoácidos dicta una única estructura tridimensional de una proteína, a su vez, esto determina su función. Recientemente, estudios bioinformáticos han mostrado fuerte evidencia de la existencia de IDPs, proteínas altamente dinámicas; quienes son capaces de adoptar diferentes estructuras conformacionales dependiendo de las proteínas con las que interactúe, y que dicha unión le permite su estabilidad conformacional (Badu y col., 2016); esto causó gran impacto en la comunidad científica, debido a que rompe los esquemas tradicionales de la estructura-función proteica, no observado previamente en otros complejos proteicos. Sin embargo, las herramientas con las que se cuentan en este momento, no permiten hacer una evaluación in vitro de las estructuras predichas para estas proteínas, ya que son difíciles de cristalizar y de identificar. A pesar de ello, se ha sugerido que las IDPs están enriquecidas en funciones regulatorias y de señalización (Wright y Dyson, 2015), debido a que regiones desestructuradas permiten la interacción con varias proteínas y, por lo tanto, re-usan las mismas proteínas en múltiples vías (Badu y col., 2011). Comprender la regulación y función de las IDPs es muy importante, ya que la alteración de su expresión está asociada a muchas enfermedades. Como

se puede ver, la elucidación de la existencia de las IDPs ha comenzado a revolucionar la concepción de estructura-función proteica, lo que hace reflexionar sobre la complejidad de la señalización intracelular y de sus componentes. Por otro lado, en la comunicación intercelular la complejidad está dada a nivel de ligando-receptor, en donde se requiere una alta especificidad y sincronización de sus eventos.

2.2. Señalización por moléculas segregadas Los organismos multicelulares presentan redes de señalización complejas que incluyen la comunicación intercelular mediante el envío y recepción de moléculas segregadas. Estas señales son muy variadas, desde gases simples como el óxido nítrico (NO), hasta proteínas complejas. Se han propuesto dos mecanismos de acción en cuanto a la detección diferencial de las moléculas segregadas, la primera, en donde la señal es recibida sólo por células que presenten el receptor. En la segunda, el mecanismo de activación del receptor está presente en varios tipos celulares pero la arquitectura celular y los componentes de señalización son distintos, por lo tanto, la respuesta será diferente (Miller-Jensen y col., 2007). Al respecto, He y col. (2012) reportaron que gran porcentaje de los receptores estudiados, se encuentran en todos los tipos celulares, sugiriendo que podrían estar cumpliendo funciones básicas y esenciales; mientras que sólo el 6% de los receptores están expresados diferencialmente. Estos datos sugieren que ambos mecanismos propuestos por Miller-Jensen y col. (2007), podrían estar llevándose a cabo, no obstante, el primer mecanismo que postula la expresión diferencial de receptores, parece tener menor frecuencia en comparación con el segundo mecanismo. Consecuentemente, la activación de receptores dependerá de los requerimientos celulares y, por lo tanto, del contexto celular, el cual se define como el patrón de proteínas expresado en un tipo celular particular. Dependiendo de la distancia que recorren las moléculas segregadas para encontrar la célula diana, se pueden diferenciar tres tipos de señalización intercelular: parácrina, cuyo sitio de acción es local, en células vecinas; sináptica, es un tipo de señalización parácrina neuro-endocrina que involucra la activación de canales ionotrópicos y metabotrópicos, y endócrina, que actúa a largas distancias. Antes de comentar estos tipos de comunicación, es necesario explicar un poco más sobre los receptores celulares, moléculas encargadas de captar a las moléculas segregadas. Algunas moléculas segregadas se unen directamente a los receptores expresados en la superficie celular; mientras que otras son capaces de cruzar la membrana plasmática para unirse a receptores intracelulares, presentes en el citoplasma, núcleo u otro organelo celular.

2.2.1. Proteínas receptoras Los receptores son proteínas o glicoproteínas que se encuentran ancladas en la superficie de la membrana celular o a nivel intracelular y que tienen como función la de captar al ligando para formar el complejo ligando-receptor, necesario para desencadenar una cascada de señalización. Los receptores extracelulares tienen tres dominios esenciales, el dominio extracelular, donde recibe las señales; el dominio transmembranal, para anclarse a la membrana; y el dominio intracelular, cuya función es mandar la señal al interior de la célula. Mientras que los receptores intracelulares, funcionan como factor de transcripción, tienen una zona de unión al ADN y otra de unión al ligando. Algunos de estos receptores luego de unirse al ligando son translocados al núcleo para poder interactuar con secuencias especificas del ADN activando la transcripción de genes. Múltiples estudios han reportado la alteración en la expresión o en la activación de los receptores como un factor importante en el origen y desarrollo de enfermedades como el cáncer y diabetes, como se describirá en la sección de receptores tirosina cinasa.

2.2.1.1. Receptores extracelulares Los receptores extracelulares son proteínas que identifican y se unen a un ligando específico y que envían la señal al interior de la célula. Generalmente son proteínas transmembranales que presentan un dominio o región extracelular que permite la unión de un ligando y un dominio intracelular; la unión ligando-proteína genera un cambio conformacional en el receptor, lo que a su vez desencadenará que el dominio intracelular, transmita una señal al interior de la célula. Existe una amplia diversidad de receptores extracelulares: receptores acoplados a proteínas G, receptores de tirosina cinasa, receptores ionotrópicos, receptores de citocinas, receptores

de matriz extracelular, receptores de antígenos; sin embargo, en esta revisión sólo se abordarán los primeros tres mencionados, ya que regulan procesos de señalización esenciales.

2.2.1.1.1. Receptores tirosina cinasas (RTKs) Los receptores tirosina cinasa (RTKs en inglés para Receptor Tyrosine Kinases) presentan un dominio extracelular, un paso transmembranal y un dominio intracelular; dichos componentes son importantes en la señalización celular al regular procesos esenciales para la célula, como el crecimiento, la diferenciación, el metabolismo y la migración (Hubbard y Miller, 2007). En los últimos años, se han revelado una gran diversidad de mecanismos de activación de los RTKs por la unión de ligandos polipeptídicos, principalmente factores tróficos como: el factor de crecimiento de fibroblastos, el factor de crecimiento de endotelio vascular y el factor de crecimiento epidérmico, por mencionar algunos (Lemmon y Schlessinger, 2010). Las enzimas vinculadas a estos receptores, son heterogéneas comparadas con otras clases de receptores; pero la gran mayoría, son proteínas cinasas o están asociadas a ellas. Para ello, el ligando se une inicialmente a dos monómeros de manera secuencial, formando así un dímero del receptor. El complejo ligando-receptor promueve su autofosforilación y la fosforilación de proteínas en la célula diana (Fig. 1), con la subsecuente acti

Figura 1. La activación de receptores con actividad tirosina cinasa (RTK) involucra su dimerización y la fosforilación de otras proteínas. A) Dos RTKs (color verde) son unidos por un ligando (color rojo); después de la unión ligando-receptor, B) se genera una dimerización, C) en donde ambos RTKs se fosforilan uno al otro; D) A través de éste mecanismo, otras proteínas de unión al receptor también se fosforilan (Nature Education, 2010). Recent structural studies of receptor tyrosine kinases (RTKs) have revealed unexpected diversity in the mechanisms of their activation by growth factor ligands. Strategies for inducing dimerization by ligand binding are surprisingly diverse, as are mechanisms that couple this event to activation of the intracellular tyrosine kinase domains. As our understanding of these details becomes increasingly sophisticated, it provides an important context for therapeutically countering the effects of pathogenic RTK mutations in cancer and other diseases. Much remains to be learned, however, about the complex signaling networks downstream from RTKs and how alterations in these networks are translated into cellular responses.

vación de vías de señalización específicas (Alberts y col., 2002). Las vías de señalización inducidas por el complejo ligando-receptor, se han encontrado alteradas en células cancerígenas, principalmente por la activación de RTKs independiente de la unión con el ligando o por la presencia de mutaciones en moléculas de estas vías que generan una activación indefinida, lo que conlleva a una proliferación descontrolada. Por esta razón, existen varios grupos de trabajo buscando inhibidores contra los RTKs y algunas cinasas que participan en estas vías de señalización. Vale la pena mencionar el éxito que han tenido algunas estrategias terapeúticas, basadas en el desarrollo de anticuerpos monoclonales dirigidos contra los RTKs, al prolongar la vida de los pacientes con cáncer; por ejemplo, el trastuzumab (Herceptin), dirigido contra el receptor del factor de crecimiento epidérmico y usado en el tratamiento de cáncer de mama.

2.2.1.1.2. Receptores acoplados a proteína G (GPCRs) Los receptores acoplados a proteína G (GPCR en inglés para G protein-coupled receptors) median respuestas a hormonas, neurotransmisores y estímulos ambientales (Rosenbaum y col., 2009). Los GPCRs tienen siete dominios transmembranales; un dominio extracelular que recibe la señal; y un dominio intracelular, el cual se puede unir a distintos tipos de proteínas G (Fig. 2A), lo que implica que el efecto puede ser variado y múltiple a la vez (Capper y Wacker, 2018). Las proteínas G están compuestas por tres subunidades: alpha, beta y gamma; la subunidad alpha, en su estado inactivo tiene unido una molécula de guanosina difosfato (GDP), cuando el ligando se une al GPCR, el GDP de la subunidad alpha, es intercambiado por guanosina trifosfato (GTP), lo que lleva a la activación de la proteína G, esto a su vez, induce la activación de otras proteínas, llamadas GTPasas pequeñas debido a que también tienen un ciclo de activación GDP/GTP, pero a diferencia de las proteínas G, éstas son monoméricas. Las GTPasas pequeñas se pueden agrupar en tres grandes familias: Ras, Rac, Rho, que son puntos cruciales para inducir eventos de proliferación, migración y supervivencia celular. Las proteínas G también activan a la adenil ciclasa, lo que conlleva a un incremento en la concentración de AMPc, uno de los principales segundos mensajeros. Los GPCRs también son llamados receptores metabotrópicos, ya que su función la cumplen mayoritariamente mediante el uso de mensajeros secundarios, aunado a la fosforilación de ciertos RTKs (Mayor Menendez, 2009), dejando en claro que los GPCRs representan un importante punto de convergencia de diferentes vías de señalización. Su alteración puede dar lugar a situaciones patológicas, como enfermedades cardiovasculares inflamatorias o neoplasias, por ello, el mejor conocimiento de las redes de interacciones de estos receptores ha permitido proponerlos como diana terapéutica, a tal punto que una tercera parte de todos los fármacos antihistamínicos y antipsicóticos tienen su efecto por la unión a GPCRs (Santos y col., 2016). Así mismo, recientemente se describió un sitio en el dominio intracelular de los GPCRs, el cual está altamente conservado y se sobrelapa con el sitio de unión a las proteínas G, por lo que los autores lo proponen como blanco farmacológico para modular al receptor desde dentro de la célula (Ortiz Zacarías y col., 2018).

2.2.1.1.3. Receptores ionotrópicos El impulso nervioso es uno de los eventos de señalización intercelular más importante en organismos multicelulares. Los receptores ionotrópicos se encuentran unidos a canales iónicos y son los encargados de activar su apertura en la membrana celular de la neurona, por lo que están involucrados en una rápida señalización sináptica entre células eléctricamente excitables, ya sea de neurona a neurona o de neurona a fibra muscular. El receptor ionotrópico pertenece a una gran familia de proteínas transmembranales multipasos, al igual que los receptores metabotrópicos que se encuentran acoplados a proteínas G. Estos canales pueden ser activados por voltaje, por unión del ligando o por estímulos mecánicos, a éste último también se le conoce como mecanoreceptores (Alberts y col., 2002). La señalización inicia con la unión del neurotransmisor al receptor, donde la conformación estructural del receptor cambia, de modo que abre el canal iónico para permitir el flujo de un determinado ión (calcio, potasio, sodio, etc.) (Fig. 2B); éste es un proceso muy rápido, en el orden de milisegundos, y se detiene inmediatamente luego de la disociación del ligando (Robert, 2015). El flujo de iones resultante altera de manera

Figura 2. Mecanismo de activación de un receptor acoplado a proteína G (GPCR) y un receptor ionotrópico. La activación de ambos receptores induce un cambio conformacional en la proteína receptora, A) la activación de la proteína G conduce a múltiples eventos intracelulares a través de una variedad de proteínas intracelulares. B) En contraste, el receptor ionotrópico abre el canal iónico, causando la formación de corriente eléctrica; la activación de este receptor causa una respuesta mucho más rápida, en orden de milisegundos. Tomado y modificado de Moreau y col. (2008).

temporal el potencial de membrana, mediante la inversión de cargas que, al sobrepasar el umbral, despolariza a la membrana de la neurona y genera el potencial de acción que promueve la apertura de canales de calcio dependientes de voltaje. La entrada del ion calcio a la neurona, estimula la movilización y fusión de vesículas cargadas de neurotransmisores en la membrana de la neurona presináptica. Una vez que los neurotransmisores se liberan al espacio sináptico, se unen a los receptores ubicados en la neurona post-sináptica. Lo anterior conduce a cambios conformacionales en el receptor del neurotransmisor que desencadena la entrada de iones o bien a la activación de las proteínas G. De tal manera que las interacciones proteicas con los receptores ionotrópicos o metabotrópicos activan las cascadas de señalización neuronal y por ello, estas vías representan nuevos blancos terapéuticos en las enfermedades neuropsiquiátricas (Li y col., 2014).

2.2.1.2. Receptores intracelulares Los receptores también pueden localizarse dentro de la célula, ya sea en el citoplasma o en la membrana nuclear o de otro organelo. Estos receptores son factores de transcripción que contienen dominios relacionados con la unión al ligando, unión al ADN y activación transcripcional. Para entrar en la célula, la molécula señal debe ser suficientemente pequeña e hidrofóbica para cruzar la membrana plasmática. Las hormonas esteroideas (testosterona, estrógeno, progesterona, corticoesteroides y ecdysona) son los clásicos ejemplos de este tipo de molécula señal. Algunos receptores son incapaces de unirse al ADN en ausencia de la hormona, ya que requieren un cambio conformacional inducido por la unión ligando-receptor, permitiendo la unión a regiones del ADN y activando la transcripción de genes diana. El receptor se une al ADN en presencia

o ausencia de la hormona, pero cuando la hormona se une, se genera la actividad del receptor como regulador transcripcional (Cooper, 2000). Existe una Familia de receptores nucleares que hace pocos años empezaron a estar en la mira de los biólogos moleculares, los receptores activados por proliferadores de peroxisomas (PPARs). Los PPARs son factores de transcripción que están involucrados en varias vías enzimáticas y moleculares en tejido adiposo, hígado y músculo-esquelético; su alteración conlleva a la generación de enfermedades metabólicas y cáncer (Tyagi y col., 2011). Por esta razón, durante años se han buscado agonistas (activación del receptor) y antagonistas (inhibición) que ayuden a reestablecer el papel fisiológico normal de estos factores de transcripción. Ejemplo de ello son las tiazolidinedionas, como tratamiento para la diabetes mellitus tipo II, cuyos reportes señalan que la unión de estos fármacos a los receptores de PPARs, promueven efectos biológicos relevantes como la disminución de la lipólisis, así como del factor de necrosis tumoral alfa a, e incremento en los niveles de adiponectina.

2.2.2. Señalización endócrina, parácrina y sináptica La complejidad de los mecanismos de comunicación en organismos multicelulares, no sólo se da por la diversidad de vías de señalización o de receptores, sino también se ve influenciada por tres tipos principales de señalización dependiendo de la distancia que recorran las moléculas segregadas para encontrar a su célula diana: endócrina, parácrina y sináptica. Algunos autores han indicado que un ligando puede actuar, al mismo tiempo, mediante más de un tipo de señalización (Qi y col., 2017), que prácticamente dependerá de la presencia de receptores específicos, del grado de afinidad al receptor y del contexto celular, como ya se ha mencionado. La señalización endócrina involucra la secreción de hormonas, por células endócrinas especializadas, que son transportadas por el torrente sanguíneo para actuar sobre células diana que se encuentran lejos de las células secretoras. En animales, más de 50 diferentes hormonas son producidas por glándulas endócrinas, la hipófisis, tiroides, paratiroides, páncreas, glándula adrenal y gónadas. La señalización parácrina, hace uso de moléculas liberadas que actúan en células vecinas. El óxido nítrico (NO), por ejemplo, es la mayor molécula de señalización parácrina en el sistema nervioso, inmune y circulatorio, el cual es capaz de difundir cruzando la membrana plasmática de las células diana. Adicionalmente, el NO tienen pocos segundos de vida media, sin embargo, suficiente para alterar la actividad intracelular de enzimas, generando efectos como la dilatación de los vasos sanguíneos. La señalización sináptica es realizada por las neuronas, en donde una célula secreta los mensajeros (también llamados neurotransmisores) al espacio sináptico, de esta forma actuarán sobre los receptores de la célula vecina (neurona o miocito). Algunos autores la clasifican como señalización parácrina, sin embargo, se puede diferenciar por el ligando (neurotransmisores) y los receptores ionotrópicos; los neurotransmisores son moléculas pequeñas hidrofílicas, por ello, requieren la unión a receptores para cruzar la membrana. Algunos ejemplos son: acetilcolina, dopamina, epinefrina, serotonina, histamina, glutamato, glicina y ácido γ-aminobutírico (GABA). Los neurotransmisores también pueden actuar como hormonas, y se les denomina neurohormonas, por ejemplo, la epinefrina también señaliza la ruptura del glucógeno en células musculares. Otra particularidad de la señalización sináptica es que los receptores son canales ionotrópicos, como se describió en la sección 2.2.1.1.3.

2.3. Contacto célula-célula También llamada señalización juxtácrina/yuxtácrina, se genera por contacto célula-célula o célula-matriz extracelular, a través de los receptores extracelulares. Esta comunicación tiene la ventaja de generar una unión más fuerte entre las células en cuestión. Esta interacción puede ser mediante uniones heterólogas, como la interacción entre los distintos tipos de células del sistema inmune; o por uniones homólogas, son característicos de las células que constituyen a los tejidos. La función de integrinas y caderinas no sólo es como moléculas de adhesión, sino como moléculas de señalización que regulan la proliferación, supervivencia, diferenciación y migración celular en respuesta a la señalización. Este tipo de señalización juega papeles importantes en el desarrollo embrionario, en el

mantenimiento de tejidos y en la respuesta inmune. En el caso de la señalización por moléculas segregadas, la señalización ocurre del ligando hacia el receptor, pero en la señalización juxtácrina, la señalización es hacia las dos células implicadas. La señalización por interacción directa célula-célula juega un papel crítico en la regulación de la conducta celular en tejidos animales. Las células que están en contacto poseen uniones estrechas. Estas uniones se forman al coincidir proteínas hexaméricas llamadas conexinas, que atraviesan la membrana entre dos células adyacentes, se podría decir que éste complejo funciona como un “puente” para permitir el intercambio de moléculas de bajo peso molecular (<1000 Da), por ejemplo: precursores de ácidos nucleicos, mediadores intracelulares (Ca 2+ y AMPc), iones y otras moléculas pequeñas (Meşe y col., 2007). Recientemente surgió un nuevo concepto, el modelo del citonema, en el que se postula que los morfógenos, o moléculas implicadas en el desarrollo embrionario, pueden transferirse entre células, en un sitio de contacto célula-célula, que es un filopodio celular llamado citonema (Ramírez-Weber y Kornberg, 1999). En este modelo, se garantiza que la señalización sea específica de las células que hacen contacto directo (Kornberg y Roy, 2014); y a diferencia de las uniones estrechas, en este tipo de estructura, las células pueden estar muy separadas y los intercambios siguen siendo muy eficaces.

3. CONCLUSIONES Se pueden apreciar grandes avances en el conocimiento de la señalización celular, lo cual permite una mayor comprensión de la fisiología celular, así como la identificación de nuevos blancos para el tratamiento de enfermedades. El reto que se aproxima es concretar la construcción de los interactomas, ya que, conociendo esta red de interacciones con los distintos entornos al que puede estar sometida la célula, será más fácil entender el comportamiento celular. Así mismo, resultará necesario indagar más en las estructuras proteicas fuera de lo común, como las IDPs, ya que están asociadas en la generación de condiciones patológicas. Por otra parte, queda claro que estudiar de forma aislada a las moléculas que participan en la señalización celular, tendrá que cambiar, se debe entender como un

ente integral que es afectado por la combinación y suma de todos los factores. El conocimiento del genoma y del proteoma; así como la aplicación de nuevas tecnologías de biología molecular, por ejemplo, para la expresión de enzimas o receptores; y la utilización de herramientas que permitan la elucidación estructural, tendrán importantes repercusiones en el esclarecimiento de los mecanismos de señalización celular. En la medida en que se desarrolle este conocimiento, se podría considerar el uso de estas vías y receptores con fines terapéuticos. Considerando el éxito que han tenido los anticuerpos monoclonales junto con los compuestos dirigidos a moléculas de vías específicas, hacen pensar que, durante los próximos años, se generarán estrategias de tratamientos más eficaces y seguras, como la terapia combinada (que ya se ha venido manejando), dirigida a más de dos blancos presentes en las vías de señalización alteradas.

AGRADECIMIENTOS MHM agradece a la Secretaría de Educación Pública (SEP), por la beca otorgada de Apoyo a Nuevos Profesores de Tiempo Completo (No. 511-6/18-8474), como parte del Programa para el Desarrollo Profesional Docente (PRODEP).

NOMENCLATURA

ADN

AMPc

Ca 2+

ECM GDP GPCR GTP IDPs

NO PPARs

RTKs

Ácido desoxirribonucleico Adenosina monofosfato cíclico Ión calcio Matriz extracelular Guanosina difosfato Receptores acoplados a proteínas G Guanosina trifosfato Proteínas intrínsecamente desestructuradas Óxido nítrico Receptores activados por proliferadores de peroxisomas Receptores tirosina cinasas

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