Respuesta integrada al estrés

La respuesta integrada al estrés es una respuesta celular al estrés conservada en las células eucariotas que reduce la síntesis de proteínas y aumenta la expresión de genes específicos en respuesta a estrés interno o ambiental. ^{[ 1 ]}

La respuesta integrada al estrés puede desencadenarse dentro de una célula debido a condiciones extrínsecas o intrínsecas. Los factores extrínsecos incluyen hipoxia , privación de aminoácidos , privación de glucosa , infección viral y presencia de oxidantes . El principal factor intrínseco es el estrés del retículo endoplasmático debido a la acumulación de proteínas mal plegadas . También se ha observado que la respuesta integrada al estrés puede desencadenarse debido a la activación de oncogenes . Esta respuesta provocará la expresión de genes que reparan el daño celular causado por las condiciones de estrés, o bien desencadenará una cascada de eventos que conducen a la apoptosis , la cual ocurre cuando la célula no puede recuperar la homeostasis . ^{[ 1 ]}

Las señales de estrés pueden provocar que las quinasas de proteínas , conocidas como quinasas EIF-2 , fosforilen la subunidad α de un complejo proteico llamado factor de iniciación de la traducción 2 (eIF2), lo que activa el gen ATF4 y, a su vez, afecta la expresión génica. ^{[ 1 ]} eIF2 consta de tres subunidades: eIF2α , eIF2β y eIF2γ . eIF2α contiene dos sitios de unión, uno para la fosforilación y otro para la unión al ARN. ^{[ 1 ]} Las quinasas fosforilan la serina 51 de la subunidad α, un proceso reversible. ^{[ 2 ]} En una célula en condiciones normales, eIF2 participa en la iniciación de la traducción del ARNm y en el reconocimiento del codón de inicio AUG. ^{[ 1 ]} Sin embargo, una vez que eIF2α se fosforila, la actividad del complejo disminuye, reduciendo la iniciación de la traducción y la síntesis de proteínas, a la vez que promueve la expresión del gen ATF4. ^{[ 2 ]}

Existen cuatro quinasas de proteínas de mamíferos conocidas que fosforilan eIF2α, incluyendo la quinasa del RE similar a PKR (PERK, EIF2AK3), la quinasa de eIF2α regulada por hemo (HRI, EIF2AK1), la proteína quinasa 2 de control general no depresible (GCN2, EIF2AK4) y la proteína quinasa dependiente de ARN de doble cadena (PKR, EIF2AK2). ^{[ 1 ] [ 3 ]}

GAJE

PERK (codificada en humanos por el gen EIF2AK3 ) responde principalmente al estrés del retículo endoplasmático y tiene dos modos de activación. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Esta quinasa posee un dominio luminal único que participa en su activación. El modelo clásico de activación establece que el dominio luminal normalmente se une a la proteína regulada por glucosa de 78 kDa ( GRP78 ). Una vez que se acumulan proteínas mal plegadas, GRP78 se disocia del dominio luminal. Esto provoca la dimerización de PERK, lo que conduce a la autofosforilación y activación. La quinasa PERK activada fosforila entonces eIF2α, desencadenando una cascada de eventos. Por lo tanto, la activación de esta quinasa depende de la agregación de proteínas mal plegadas en el retículo endoplasmático. También se ha observado que PERK se activa en respuesta a la actividad del protooncogén MYC . Esta activación provoca la expresión de ATF4, lo que resulta en tumorigénesis y transformación celular. ^{[ 1 ]}

HRI

HRI (codificada en humanos por el gen EIF2AK1 ) también se dimeriza para autofosforilarse y activarse. Esta activación depende de la presencia de hemo . HRI tiene dos dominios a los que puede unirse el hemo, uno en el extremo N-terminal y otro en el dominio de inserción de la quinasa. La presencia de hemo provoca la formación de un enlace disulfuro entre los monómeros de HRI, lo que da como resultado la estructura de un dímero inactivo. Sin embargo, en ausencia de hemo, los monómeros de HRI forman un dímero activo mediante interacciones no covalentes. Por lo tanto, la activación de esta quinasa depende de la deficiencia de hemo. La activación de HRI también puede ocurrir debido a otros factores de estrés, como el choque térmico, el estrés osmótico y la inhibición del proteasoma. La activación de HRI en respuesta a estos factores de estrés no depende del hemo, sino que se basa en la ayuda de dos proteínas de choque térmico ( HSP90 y HSP70 ). El HRI se encuentra principalmente en los precursores de los glóbulos rojos y se ha observado que aumenta durante la eritropoyesis . ^{[ 1 ]}

GCN2

GCN2 (codificado en humanos por el gen EIF2AK4 ) se activa como resultado de la privación de aminoácidos . Los mecanismos relacionados con esta activación aún se están investigando; sin embargo, se ha estudiado un mecanismo en levaduras. ^{[ 1 ]} Se observó que GCN2 se une al ARNt sin carga/desacilado , lo que provoca un cambio conformacional que resulta en dimerización. ^{[ 2 ]} La dimerización luego causa autofosforilación y activación. ^{[ 2 ]} También se ha informado que otros factores de estrés activan GCN2. Se observó activación de GCN2 en células tumorales privadas de glucosa, aunque se sugirió que era un efecto indirecto debido a que las células utilizan aminoácidos como fuente de energía alternativa. ^{[ 1 ]} En células de fibroblastos embrionarios de ratón y queratinocitos humanos , GCN2 se activó debido a la exposición a la luz UV . ^{[ 4 ] [ 5 ]} Las vías para esta activación requieren más investigación, aunque se han propuesto múltiples modelos, incluido el entrecruzamiento entre GCN2 y ARNt. ^{[ 1 ]}

Cuando una célula se somete a condiciones de estrés, se expresa el gen ATF4 . ^{[ 1 ]} El factor de transcripción ATF4 tiene la capacidad de formar dímeros con diversas proteínas que influyen en la expresión génica y el destino celular. ATF4 se une a las secuencias del elemento de respuesta C/EBP-ATF (CARE), las cuales trabajan conjuntamente para aumentar la transcripción de genes que responden al estrés. Sin embargo, en caso de privación de aminoácidos, estas secuencias actúan como elementos de respuesta a aminoácidos. ^{[ 1 ]}

ATF4 trabajará junto con otros factores de transcripción, como CHOP y ATF3 , formando homodímeros o heterodímeros, lo que resulta en numerosos efectos observados. ^{[ 3 ]} Las proteínas con las que interactúa ATF4 determinan el resultado de la célula durante la respuesta integrada al estrés. ^{[ 1 ]} Por ejemplo, ATF4 y ATF3 trabajan para establecer la homeostasis dentro de la célula después de condiciones estresantes. ^{[ 3 ]} Por otro lado, ATF4 y CHOP trabajan juntos para inducir la muerte celular, así como para regular la biosíntesis de aminoácidos, el transporte y los procesos metabólicos. La presencia de un dominio de cremallera de leucina ( bZIP ) permite que ATF4 trabaje junto con muchas otras proteínas, creando así respuestas específicas a diferentes tipos de estresores. Cuando una célula está experimentando el estrés de la hipoxia, ATF4 interactuará con PHD1 y PHD3 para disminuir su actividad transcripcional. Además, cuando una célula está experimentando inanición de aminoácidos o estrés del retículo endoplasmático, TRIP3 también interactúa con ATF4 para disminuir la actividad. ^{[ 1 ]}

Una consecuencia de la expresión de ATF4 y de las proteínas de respuesta al estrés es la inducción de la autofagia . ^{[ 6 ]} Durante este proceso, la célula forma autofagosomas , o vesículas de doble membrana, que permiten el transporte de material por toda la célula. ^{[ 6 ]} Estos autofagosomas pueden transportar orgánulos y proteínas innecesarios, así como componentes dañados o perjudiciales, en un intento de la célula por mantener la homeostasis. ^{[ 6 ]}

Para finalizar la respuesta integrada al estrés, se requiere la desfosforilación de eIF2α. El complejo de la proteína fosfatasa 1 (PP1) participa en la desfosforilación de eIF2α. Este complejo contiene una subunidad catalítica PP1 y dos subunidades reguladoras. Este complejo está regulado negativamente por dos proteínas: la proteína inducible por detención del crecimiento y daño del ADN (GADD34), también conocida como PPP1R15A , o el represor constitutivo de la fosforilación de eIF2α (CReP), también conocido como PPP1R15B . CReP mantiene bajos los niveles de fosforilación de eIF2α en las células en condiciones normales. GADD34 se produce en respuesta a ATF4 y aumenta la desfosforilación de eIF2α. La desfosforilación de eIF2α restablece la síntesis proteica y la función celular normales. Sin embargo, la desfosforilación de eIF2α también puede facilitar la producción de proteínas inductoras de muerte en casos en los que la célula está tan gravemente dañada que no se puede restaurar su funcionamiento normal. ^{[ 1 ]}

Las mutaciones que afectan el funcionamiento de la respuesta integrada al estrés pueden tener efectos debilitantes en las células. Por ejemplo, las células que carecen del gen ATF4 no pueden generar una expresión génica adecuada en respuesta a los factores estresantes. Esto provoca que las células presenten problemas con el transporte de aminoácidos, la biosíntesis de glutatión y la resistencia al estrés oxidativo. Cuando una mutación inhibe el funcionamiento de PERK, se acumulan peróxidos endógenos cuando la célula experimenta estrés del retículo endoplasmático. ^{[ 1 ]} En ratones y humanos que carecen de PERK, se ha observado la destrucción de células secretoras sometidas a un alto estrés del retículo endoplasmático. ^{[ 2 ]}

• ISRIB , inhibidor integrado de la respuesta al estrés