Parthanatos

El término parthanatos no se acuñó hasta una revisión en 2009. ^{[ 1 ]} La palabra parthanatos deriva de Thanatos , la personificación de la muerte en la mitología griega.

El parthanatos fue descubierto por primera vez en un artículo de 2006 de Yu et al. que estudiaba el aumento de la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) mitocondriales por la hiperglucemia . ^{[ 3 ]} Este fenómeno está vinculado con efectos negativos derivados de las complicaciones clínicas de la diabetes y la obesidad .

Los investigadores observaron que las altas concentraciones de glucosa provocaban una sobreproducción de especies reactivas de oxígeno y una rápida fragmentación de las mitocondrias . La inhibición de la captación mitocondrial de piruvato bloqueó el aumento de especies reactivas de oxígeno, pero no impidió la fragmentación mitocondrial. Tras incubar las células con el estereoisómero no metabolizable L-glucosa, no se observó ni un aumento de especies reactivas de oxígeno ni fragmentación mitocondrial. En definitiva, los investigadores descubrieron que la fragmentación mitocondrial mediada por el proceso de fisión es un componente necesario para el aumento de la respiración y la sobreproducción de especies reactivas de oxígeno inducidos por altas concentraciones de glucosa.

La exposición prolongada a niveles elevados de glucosa es similar a la de la diabetes no tratada, por lo que sus efectos son similares. En esta condición, la exposición provoca un aumento periódico y prolongado de la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), junto con cambios en la morfología mitocondrial. Si se inhibiera la fisión mitocondrial , se evitaría la fluctuación periódica de la producción de ROS en un entorno con alta concentración de glucosa. Esta investigación demuestra que, cuando el daño celular causado por las ROS es excesivo, la PARP-1 desencadena la muerte celular.

La poli(ADP-ribosa) polimerasa-1 ( PARP-1 ) es una enzima nuclear presente en todos los eucariotas y codificada por el gen PARP-1. Pertenece a la familia PARP, un grupo de catalizadores que transfieren unidades de ADP-ribosa del NAD (nicotinamida dinucleótido) a proteínas diana, creando así polímeros ramificados o lineales. ^{[ 4 ]} Los principales dominios de PARP-1 le confieren la capacidad de desempeñar sus funciones. Estas secciones proteicas incluyen el dominio de unión al ADN en el extremo N-terminal (que permite a PARP-1 detectar roturas del ADN), el dominio de automodificación (que posee un motivo del extremo C-terminal BRCA1 , clave para las interacciones proteína-proteína) y un sitio catalítico con el pliegue NAD+ (característico de las toxinas mono-ADP ribosilantes). ^{[ 1 ]}

Normalmente, PARP-1 participa en diversas funciones importantes para la homeostasis celular , como la mitosis. Otra de estas funciones es la reparación del ADN , incluyendo la reparación de lesiones en las bases y roturas de cadena simple. ^{[ 5 ]} PARP-1 interactúa con una amplia variedad de sustratos, incluyendo histonas , helicasas de ADN , proteínas del grupo de alta movilidad, topoisomerasas I y II, factores de reparación de roturas de cadena simple, factores de reparación por escisión de bases y varios factores de transcripción . ^{[ 1 ]}

PARP-1 cumple muchas de sus funciones regulando el poli(ADP-ribosa) (PAR). El PAR es un polímero de longitud variable que puede ser lineal o ramificado. ^{[ 6 ]} Tiene carga negativa, lo que le permite alterar la función de las proteínas a las que se une, ya sea de forma covalente o no covalente. ^{[ 1 ]} La afinidad de unión del PAR es mayor para los polímeros ramificados, menor para los polímeros lineales largos y la menor para los polímeros lineales cortos. ^{[ 7 ]} El PAR también se une selectivamente con distinta fuerza a las diferentes histonas. ^{[ 7 ]} Se sospecha que PARP-1 modula procesos (como la reparación del ADN , la transcripción del ADN y la mitosis ) a través de la unión del PAR a sus proteínas diana.

Se ha demostrado que el daño extremo del ADN que causa roturas y cambios en la estructura de la cromatina induce la vía de parthanatos. ^{[ 8 ]} Los estímulos que causan el daño al ADN pueden provenir de diversas fuentes. La metilnitronitrosoguanidina , un agente alquilante , se ha utilizado ampliamente en varios estudios para inducir la vía de parthanatos. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} También se han utilizado otros estímulos o condiciones tóxicas para causar daño al ADN, como la generación de H ₂ O ₂ , NO y ONOO ⁻ (privación de oxígeno y glucosa). ^{[ 10 ] [ 13 ] [ 14 ]}

La magnitud, la duración de la exposición, el tipo de célula utilizada y la pureza del cultivo son factores que pueden influir en la activación de la vía. ^{[ 15 ]} El daño debe ser lo suficientemente extremo como para alterar la estructura de la cromatina. Este cambio en la estructura es reconocido por el dominio de dedo de zinc N-terminal de la proteína PARP-1. ^{[ 16 ]} La proteína puede reconocer roturas de ADN tanto de cadena simple como de doble cadena.

Una vez que la proteína PARP-1 reconoce el daño en el ADN, cataliza la modificación postranscripcional de PAR. ^{[ 9 ]} PAR se formará como una molécula ramificada o lineal. Los polímeros ramificados y de cadena larga serán más tóxicos para la célula que los polímeros cortos simples. ^{[ 17 ]} Cuanto más extremo sea el daño en el ADN, más PAR se acumulará en el núcleo. Una vez que se ha acumulado suficiente PAR, se translocará del núcleo al citosol . Un estudio ha sugerido que PAR puede translocarse como un polímero libre, ^{[ 17 ]} sin embargo, no se puede descartar la translocación de un PAR conjugado con proteína y, de hecho, es un tema de investigación activa. ^{[ 8 ]} PAR se mueve a través del citosol y entra en las mitocondrias a través de la despolarización. ^{[ 9 ]} Dentro de las mitocondrias, PAR se une directamente al AIF que tiene un sitio de unión de polímero de PAR, lo que hace que el AIF se disocie de las mitocondrias. ^{[ 18 ]} AIF se transloca al núcleo donde induce la condensación de la cromatina y la fragmentación del ADN a gran escala (50 Kb). ^{[ 9 ]} Aún se desconoce cómo AIF induce estos efectos. Se cree que puede estar presente una nucleasa asociada a AIF (PAAN) que actualmente no se ha identificado. ^{[ 8 ]} El AIF humano tiene un sitio de unión al ADN ^{[ 10 ]} que indicaría que AIF se une directamente al ADN en el núcleo causando directamente los cambios. Sin embargo, como el AIF de los ratones no tiene este dominio de unión y aún puede sufrir partenatos, ^{[ 19 ]} es evidente que debe haber otro mecanismo involucrado.

El PAR, responsable de la activación del AIF, está regulado en la célula por la enzima poli(ADP-ribosa) glicohidrolasa ( PARG ). Tras su síntesis por PARP-1, el PAR se degrada mediante un proceso catalizado por PARG. ^{[ 20 ]} Se ha observado que PARG protege contra la muerte celular mediada por PAR ^{[ 9 ],} mientras que su eliminación incrementa la toxicidad debido a la acumulación de PAR. ^{[ 9 ]}

Antes del descubrimiento de la vía PAR y AIF, se pensaba que la sobreactivación de PARP-1 conducía a un consumo excesivo de NAD+ . ^{[ 21 ]} Como resultado del agotamiento de NAD+, se produciría una disminución en la producción de ATP, y la consiguiente pérdida de energía mataría a la célula. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Sin embargo, ahora se sabe que esta pérdida de energía no sería suficiente para explicar la muerte celular. En células que carecen de PARG , la activación de PARP-1 conduce a la muerte celular en presencia de abundante NAD+. ^{[ 24 ]}

La parthanatos se define como una vía de muerte celular única, distinta de la apoptosis , por varias razones clave. Principalmente, la apoptosis depende de la vía de las caspasas activada por la liberación del citocromo c , mientras que la vía de la parthanatos puede actuar independientemente de las caspasas. ^{[ 8 ]} Además, a diferencia de la apoptosis, la parthanatos causa una fragmentación del ADN a gran escala (la apoptosis solo produce una fragmentación a pequeña escala) y no forma cuerpos apoptóticos . ^{[ 25 ]}

Aunque la parthanatos comparte similitudes con la necrosis , también presenta varias diferencias. La necrosis no es una vía regulada y no implica una fragmentación nuclear controlada. Si bien la parthanatos conlleva la pérdida de la integridad de la membrana celular, al igual que la necrosis , no se acompaña de hinchazón celular. ^{[ 26 ]}

La enzima PAR se relacionó originalmente con las vías de degradación neuronal en 1993. Se ha demostrado que los niveles elevados de óxido nítrico (NO) causan neurotoxicidad en muestras de neuronas del hipocampo de rata . ^{[ 27 ]} Un análisis más profundo de los efectos del NO en las neuronas mostró que el óxido nítrico daña las cadenas de ADN; este daño, a su vez, desencadena la actividad de la enzima PAR, lo que conduce a una mayor degradación y muerte neuronal. Los bloqueadores de PAR detuvieron los mecanismos de muerte celular en presencia de niveles elevados de NO. ^{[ 27 ]}

La actividad de PARP también se ha relacionado con las propiedades neurodegenerativas del parkinsonismo inducido por toxinas . La 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina ( MPTP ) es una neurotoxina que se ha relacionado con la neurodegeneración y el desarrollo de síntomas similares a la enfermedad de Parkinson en pacientes desde 1983. Los efectos de la toxina MPTP se descubrieron cuando cuatro personas se inyectaron por vía intravenosa la toxina que produjeron inadvertidamente al intentar sintetizar en la calle la droga merpiridina ( MPPP ). ^{[ 28 ]} El vínculo entre MPTP y PARP se encontró más tarde cuando la investigación mostró que los efectos de MPTP en las neuronas se reducían en células mutadas que carecían del gen PARP. ^{[ 29 ]} La misma investigación también mostró una activación de PARP altamente aumentada en las células productoras de dopamina en presencia de MPTP.

La alfa-sinucleína es una proteína que se une al ADN y modula su reparación . ^{[ 30 ]} Una característica clave de la enfermedad de Parkinson es la acumulación y agregación patológica de alfa-sinucleína. En las neuronas de las personas con enfermedad de Parkinson, la alfa-sinucleína se deposita como fibrillas en estructuras intracitoplasmáticas denominadas cuerpos de Lewy . La formación de alfa-sinucleína patológica se asocia con la activación de PARP1 , el aumento de la generación de poli(ADP) ribosa y una mayor aceleración de la formación de alfa-sinucleína patológica. ^{[ 31 ]} Este proceso puede conducir a la muerte celular por parthanatos. ^{[ 31 ]}

La parthanatos, como vía de muerte celular, se está vinculando cada vez más con varios síndromes relacionados con daño tisular específico fuera del sistema nervioso . Esto se destaca en el mecanismo de la diabetes inducida por estreptozotocina (STZ) . La STZ es una sustancia química producida naturalmente por el cuerpo humano. Sin embargo, en dosis altas, se ha demostrado que la STZ produce síntomas diabéticos al dañar las células β pancreáticas , que son productoras de insulina. ^{[ 32 ]} La degradación de las células β por la STZ se vinculó con la PARP en 1980 cuando los estudios mostraron que un inhibidor de la síntesis de PAR reducía los efectos de la STZ sobre la síntesis de insulina. La inhibición de la PARP hace que el tejido pancreático mantenga los niveles de síntesis de insulina y reduzca la degradación de las células β incluso con niveles elevados de toxina STZ. ^{[ 33 ]}

La activación de PARP también se ha relacionado preliminarmente con artritis , ^{[ 34 ]} colitis , ^{[ 35 ]} y toxicidad hepática . ^{[ 36 ]}

La naturaleza multietapa de la vía de Parthanatos permite la manipulación química de su activación e inhibición para su uso terapéutico. Este campo, en rápido desarrollo, parece centrarse actualmente en el uso de bloqueadores de PARP como tratamientos para enfermedades crónicas degenerativas. Esto culminó con el desarrollo de inhibidores de tercera generación, como la midazoquinolinona y la isoquinolindiona, que actualmente se encuentran en ensayos clínicos. ^{[ 8 ]}

Otra vía para los tratamientos es reclutar la vía parthanatos para inducir la apoptosis en las células cancerosas ; sin embargo, ningún tratamiento ha superado la etapa teórica. ^{[ 8 ]}