4.3. Vía JAK-STAT
La señalización JAK-STAT media la transferencia del mensaje o señal desde el exterior de la célula al núcleo a través de un gran número de citoquinas, hormonas y factores de crecimiento provocando la alteración de la transcripción de genes específicos. La vía consta de receptores de citoquinas, un subtipo de receptores ligados a enzimas que depende de las quinasas citoplasmáticas para transferir las señales al interior de la célula. La activación intracelular y la multimerización de los receptores se produce cuando el ligando, como el interferón o las interleucinas, se une al receptor. Como resultado, Jaks (una tirosina quinasa citoplasmática) asociada al receptor se activa.
En los mamíferos, se conocen cuatro tipos de Jaks -Jak1, Jak2, Jak3 y Tyk- y cada uno está asociado a receptores de citoquinas específicos que constituyen dos o más cadenas polipeptídicas. La dimerización (en algunos casos, la multimerización) hace que los Jak asociados (Janus quinasa) de dos unidades de receptores estén muy cerca, lo que ayuda a que ambos se fosforilen mutuamente, aumentando así la actividad de sus dominios de tirosina quinasa. La tirosina fosforilada actúa como sitio de acoplamiento para las STAT y otras vías de señalización. Las STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription) son factores de transcripción latentes que quedan confinados en el citoplasma cuando están inactivos. Hay muchos tipos de STAT, cada uno con un dominio SH2 que desempeña un papel crucial en la transducción de señales. El dominio SH2 del STAT se une con el residuo de fosfotirosina del receptor de citoquina activado. Además, el Jak fosforila la STAT en el residuo de tirosina en el C-terminal, lo que conduce a su liberación del receptor. El dominio SH2 de la STAT disociada facilita su unión con un residuo de fosfotirosina de la segunda proteína STAT dando lugar a la formación de un homodímero o un heterodímero. El dímero STAT se transloca al núcleo, donde se une a las secuencias reguladoras específicas y estimula su transcripción para la supervivencia, la proliferación y la diferenciación de la célula.
Además de los efectores positivos, existen varios reguladores negativos que suelen desactivar la respuesta. Algunos de ellos son los siguientes:
- Supresores de la señalización de citoquinas (SOCs) : El STAT activado inicia la transcripción de los SOCs y, en última instancia, la proteína SOCs se asocia con los Jaks fosforilados y por este proceso termina la vía.
- Proteína inhibidora de STAT activada (PIAS) : La proteína PIAS se une a los dímeros de STAT e inhibe la interacción de STAT con el elemento de respuesta del ADN, inhibiendo así la transcripción de las proteínas diana.
- PTPs (proteínas tirosina fosfatasas): Las PTPs desfosforilan la molécula efectora, haciéndola inactiva, por lo que regulan negativamente la señalización.
4.4. Vía del TGF-β
El factor de crecimiento transformante β es una enzima multifuncional que bien puede actuar como hormonas, molécula efectora o mediadores locales para regular muchas respuestas celulares. El ligando para la señalización puede ser el propio TGFβ, las proteínas morfogenéticas óseas (BMP), la hormona antimülleriana (AMH), la activina y la proteína nodal. Estas proteínas proceden con la ayuda de receptores ligados a enzimas que contienen un dominio de serina/treonina quinasa en el lado citoplasmático de la membrana. Estos receptores se componen principalmente de dos clases -tipo I y tipo II- que se asocian de manera específica, necesaria para la señalización. SARA (anclaje SMAD para la activación del receptor) y HGS (sustrato de tirosina quinasa regulado por el factor de crecimiento de los hepatocitos) son las proteínas que median la vía del TGF β. La vía de señalización procede como sigue:
- El ligando del TGF- β se une al homodímero de tipo II provocando la fosforilación y activación del receptor de tipo I. Así, se forma un complejo tetramérico.
- En la activación, el complejo del receptor se une y fosforila la proteína reguladora, Smad 1, Smad 2, Smad 3. El Smad fosforilado se disocia del receptor y se combina con el Smad 4.
- El complejo Smad se disocia y entra en el núcleo y se une al sitio específico en el ADN y regula la expresión de los genes diana.
La señalización del TGF β está implicada en varios procesos celulares que incluyen el crecimiento celular, la diferenciación celular, la proliferación y la apoptosis. El mecanismo está regulado por la inhibición de la retroalimentación a través de varias vías como la endocitosis mediada por clatrina, bloqueando la formación del complejo Smad y, por lo tanto, cerrando la vía del TGF- β.
4.5. La familia de receptores de hormonas esteroideas y tiroideas funciona como factores de transcripción, ya que tras la unión de las hormonas activan la expresión génica. La superfamilia de receptores de hormonas esteroideas Sus receptores se localizan en el citoplasma y unen sus ligandos hormonales lipofílicos en este compartimento ya que estas hormonas son capaces de penetrar libremente la membrana plasmática hidrofóbica. Al unirse al ligando, el complejo hormona-receptor se traslada al núcleo y se une a secuencias específicas de ADN denominadas elementos de respuesta hormonal (HRE). La unión del complejo a un HRE provoca una alteración de las tasas de transcripción del gen asociado. El análisis del genoma humano ha revelado 48 genes de receptores nucleares.
Muchos de estos genes son capaces de producir más de una isoforma del receptor. Todos los receptores nucleares contienen un dominio de unión al ligando (LBD) y un dominio de unión al ADN (DBD). El receptor de esteroides III se une al ADN como homodímeros, por ejemplo, el receptor de estrógenos (ER), el receptor de mineralocorticoides (MR), el receptor de progesterona (PR), el receptor de andrógenos (AR) y el receptor de glucocorticoides (GR). El receptor de esteroides I se une al ADN en forma de heterodímeros. Los receptores X retinoides (RXRs), los receptores X hepáticos (LXRs), los receptores X farnesoides (FXRs) y los receptores activados por el proliferador de peroxisomas (PPARs) son el ejemplo de receptor que se une con ligandos lipofílicos al igual que el receptor de la hormona esteroidea y los receptores de la hormona tiroidea.
Las hormonas esteroides son todas derivadas del colesterol. Además, con la excepción de la vitamina D, todas contienen el mismo anillo de ciclopentanofenantreno y el mismo sistema de numeración atómica que el colesterol. Los esteroides con 21 átomos de carbono se conocen como pregnanos, mientras que los que contienen 19 y 18 átomos de carbono se conocen como androstanos y estranos, respectivamente. El ácido retinoico y la vitamina D no derivan de la pregnenolona, sino de la vitamina A y del colesterol, respectivamente, pero todas las hormonas esteroides derivan de la pregneolona.
Todas las hormonas esteroides ejercen su acción atravesando la membrana plasmática y uniéndose a los receptores intracelulares. El complejo hormona-receptor funciona como factor de transcripción. El complejo se desplaza al núcleo y se une a sus secuencias de ADN conocidas como elementos de respuesta hormonal y activa los genes.
4.6. Sistema de dos componentes Sistema de dos componentes :
En bacterias y plantas, la transducción de señales está mediada por el sistema de dos componentes (TCS), que participa en la comunicación célula-célula y responde a la señal extracelular. En las bacterias los sistemas de dos componentes son ubicuos. El TCS no está presente en el ser humano ni en otros mamíferos, por lo que se ha convertido en una diana para los fármacos.
El sistema de dos componentes contiene un sensor, que es una proteína transmembrana homodimérica llamada histidina quinasa colocada, que tiene actividad autofosforilante junto con un residuo conservado de histidina y un regulador de respuesta situado después de la histidina quinasa, que contiene un residuo conservado de aspartato. La histidina quinasa (HK) tiene dos dominios, uno de transferencia de fosfato de histidina, que posee una histidina específica y un segundo dominio de unión a ATP. El regulador de respuesta (RR) también tiene dos dominios, uno receptor conservado, que comprende aspartato conservado y el segundo dominio efector.
Cuando un ligando llega y se une al terminal N de la histidina quinasa, a su vez provoca la activación de la actividad autofosforilante de la histidina quinasa. Como resultado, provoca la transferencia de un residuo de fosfato del ATP a la histidina conservada presente en el dominio de la quinasa presente en el terminal C. Esto conduce a la transferencia de este fosfato desde la histidina para conservar el aspartato presente en el dominio receptor conservado del regulador de respuesta. La fosforilación del aspartato resulta en un cambio conformacional en el RR, a su vez causa la activación del dominio efector del RR, como resultado se genera una señal para mediar en la respuesta celular específicamente en la expresión del gen.
La histidina quinasa también está presente en forma híbrida llamada histidina quinasa híbrida, la cual también contiene un dominio receptor interno, cuando el ligando se une a la histidina quinasa híbrida, ésta se autofosforila de la histidina por el mismo mecanismo. Luego transfiere este fosfato al residuo de aspartato del dominio receptor interno, después de eso este fosfato se transfiere a la proteína de fosfotransferencia de histidina o a la fosfotransferasa de histidina, que transfiere este fosfato al regulador de respuesta terminal que contiene un residuo de aspartato conservado. Este sistema se denomina sistema de fosforilación.
4.7. Detección de quórum
La detección de quórum se define como un mecanismo a través del cual se produce la regulación del proceso fisiológico (motilidad, competencia, conjugación, simbiosis, virulencia, esporulación y producción de antibióticos) y la actividad cooperativa en las bacterias porque controla la expresión génica. A través de este mecanismo, la comunicación entre las células bacterianas se produce al detectar y responder a una pequeña molécula de señal de bajo peso molecular secretada, que es difusible en la naturaleza y conocida como autoinductor, cuya concentración define la densidad de las células bacterianas, ya que ambas tienen una correlación directamente proporcional. Este mecanismo ayuda a las bacterias a llevar a cabo varias funciones como, por ejemplo, permitir que las células bacterianas identifiquen su densidad de población, en la formación de biofilms, en la colonización de las bacterias, durante la protección contra los competidores y proporcionar la capacidad de adaptarse al entorno cambiante. Vibrio fischeri, un bioluminiscente marino, es el primero en el que se describe la detección de quórum.
La detección de quórum es responsable de la iniciación de la actividad coordinada que gobierna la expresión de los genes, que se realiza cuando esos genes que gobiernan la expresión transcripcional del activador o sensor interactúan con su respectivo autoinductor, debido a esta señalización el autoinductor también induce su propia expresión genética. La detección del quórum se lleva a cabo en respuesta a la densidad de la población bacteriana y el cambio según la fluctuación tiene lugar en la población bacteriana, a su vez el cambio de la actividad coordinada que rige la expresión del gen también tiene lugar porque en esta situación la interacción de la expresión del gen que rige el activador transcripcional o el sensor con su autoinductor también cambia con respecto a la situación. La alteración de la expresión génica tiene lugar cuando la concentración del autoinductor se detecta como un nivel de concentración estimulante mínimo. El mecanismo de detección de quórum lo utilizan tanto las bacterias gramnegativas como las grampositivas.
En las bacterias existen tres clases de detección de quórum que se mencionan a continuación:
La primera clase se rige por el sistema LuxI/LuxR que posee acil-homoserina lactona (AHL) como su molécula de señal y este tipo de detección de quórum está presente en las bacterias gramnegativas. La AHL se forma mediante el acoplamiento de la fracción de homocisteína de la S-adenosilmetionina (SAM) a una proteína transportadora de acil-acil (acil-ACP) específica. En este acoplamiento, la fracción de homocisteína se une a la cadena lateral de acil-ACP y la lactonización de este producto intermedio da lugar a la formación de acil-HSL junto con la liberación de metiltioadenosina. Cada especie bacteriana produce una AHL única como resultado de que un miembro particular de la especie bacteriana responda y reconozca una molécula de señal específica. Después de la síntesis, se difunde y es reconocida y unida por una proteína LuxR afín, a su vez la activación de LuxR se produce entonces el complejo de AHL-LuxR se une al promotor del gen objetivo y la transcripción de ese gen se inicia.
Este es el diagrama de la detección del quórum en las bacterias Gram negativas, definir la activación transcripcional requiere la concentración umbral particular para activar la transcripción del gen, por debajo de esa concentración no se produce ningún tipo de transcripción.
La segunda clase rige el sistema de dos componentes mediado por oligopéptidos que posee un pequeño péptido como su molécula de señal y este tipo de detección de quórum presente en las bacterias Gram-positivas. En las bacterias Gram-positivas el autoinductor no es capaz de atravesar la membrana plasmática y el sensor o receptor de este inductor llamado péptido autoinductor (AIP- 5 a 25 aminoácidos) es una proteína transmembrana, aquí está presente un sistema de transducción de señales de dos componentes que contiene un receptor de AIP llamado proteína histidina quinasa junto con un regulador de respuesta citoplasmático que procede a la transducción de señales mediando la regulación de la expresión génica a través de la señalización peptídica. El AIP se secreta en el ambiente externo desde el interior de la célula por medio del transportador ABC.
La tercera clase se rige por el autoinductor 2 codificado por luxS y este tipo de detección de quórum está presente en las bacterias Gram-negativas y Gram-positivas.
Ahora hablemos del ejemplo de Vibrio fischeri, un bioluminiscente marino. Vibrio fischeri reside en una relación simbiótica con un número de animales marinos huéspedes. Vibrio fischeri produce luz mediante la producción de la enzima luciferasa. Por lo tanto, se llama bioluminiscente y las bacterias producen luminiscencia que es la luz azul-verde, cuando las bacterias están presentes en gran concentración en respuesta a la detección de quórum AHLs. La producción de luz tiene lugar en un órgano especializado presente en el organismo marino llamado órgano de luz cuando las bacterias se colonizan en alta concentración en este órgano de luz pero Vibrio fischeri no produce luminiscencia cuando está presente en estado libre y esta luminiscencia aparece en la oscuridad.
La quimiotaxis en las bacterias
La quimiotaxis es un fenómeno que explica el movimiento de las bacterias en respuesta al estímulo químico, en la dirección específica. La quimiotaxis desempeña un papel importante en el movimiento de los flagelos de las bacterias, en la búsqueda de alimento y en caso de protección, como la detección de venenos. Si el movimiento tiene lugar hacia una mayor concentración de sustancias químicas, se denomina quimiotaxis positiva, y viceversa, si el movimiento tiene lugar en dirección opuesta a la mayor concentración de sustancias químicas, se denomina quimiotaxis negativa. Los inductores de la quimiotaxis en las células móviles se denominan quimioatrayentes (quimiocinas y péptidos formílicos) y quimiorrepelentes (aminoácidos, sales inorgánicas y algunas quimiocinas). Ambas sustancias químicas realizan su señalización mediante la interacción con su receptor, que es una proteína transmembrana. La quimiotaxis se lleva a cabo mediante un sistema de dos componentes, que contiene la proteína histidina quinasa como receptor transmembrana junto con un regulador de respuesta citoplasmático que procede a la transducción de la señal mediando la regulación de la expresión génica en respuesta a una sustancia química concreta.
La rotación flagelar en E.coli se rige por la quimiotaxis y el movimiento de los flagelos se correlaciona con el comportamiento de natación de las bacterias, durante la rotación flagelar en sentido contrario a las agujas del reloj, las bacterias se mueven hacia delante, lo que también se denomina correr junto con estas bacterias nadan en línea recta, este tipo de movimiento se consigue porque la rotación en sentido contrario a las agujas del reloj provoca la alineación de los flagelos en un único haz giratorio. Durante la rotación de los flagelos en el sentido de las agujas del reloj, el movimiento de las bacterias en la dirección de avance se detiene y la bacteria se mueve en su lugar. Este tipo de movimiento tiene lugar porque la rotación en el sentido de las agujas del reloj rompe el haz de flagelos por separado, aquí cada flagelo apunta en dirección separada. Si el gradiente químico no está presente, el movimiento de la bacteria es aleatorio, en este caso la bacteria se mueve hacia adelante/corre. Por lo tanto, nada y después de algún tiempo se detiene, por lo que da tumbos. Si el gradiente químico está presente, en caso de la presencia de chemoattractant el tumble es menos frecuente y la carrera más larga ocurre o en caso de la presencia de chemorepellent, la carrera más larga ocurre en la dirección opuesta junto con menos tumble.
El movimiento flagelar se produce por medio de un sistema de dos componentes como se ha mencionado anteriormente, aquí el receptor se conoce como proteína de quimiotaxis de aceptación de metilo (MCP) y la metilación del receptor se realiza por medio de una metiltransferasa llamada CheR, CheW una proteína adaptadora se une al receptor en un lado y se une a CheA en el otro lado, uniendo así la CheA con una proteína sensor. CheA es un sensor de histidina quinasa que posee un residuo de histidina conservado. Cuando un quimiorrepelente llega y se une a la MCP a su vez activa la MCP, que activa la CheW y que activa la CheA en cascada, la CheA activada causa la autofosforilación de su propio residuo de histidina conservado y después la CheA lo transfiere fosfato a la CheY, que es un regulador de respuesta y posee un residuo de aspartato conservado, como resultado la difusión de ChsY tiene lugar e interactúa con la proteína del interruptor flagelar FliM o la proteína del motor flagelar, esto conduce al cambio de la rotación del flagelo de manera contraria a las agujas del reloj.
CheY es responsable del control del motor flagelar. Al producirse el cambio de rotación de un solo flagelo, se produce la interrupción de todo el haz de flagelos, lo que da lugar a la voltereta. El estado de fosforilación de CheY persiste durante unos segundos, y CheY es desfosforilado por CheZ, que es responsable de la terminación de la señal y se conoce como fosfatización específica de Asp. La inactivación de CheY es realizada por CheZ. La unión del atrayente ejerce un efecto opuesto, causando la inactivación del receptor, a su vez la fosforilación de CheA y CheY disminuye, como resultado de la rotación en sentido contrario a las agujas del reloj de los flagelos, por lo que las bacterias corren y nadan en dirección hacia adelante. Las bacterias se desensibilizan si hay una mayor concentración de ligando y que es más que la concentración habitual más alta.
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