transducción de señales

La mayoría de las vías de transducción de señales implican la unión de moléculas señalizadoras, conocidas como ligandos, a receptores que desencadenan eventos dentro de la célula. La unión de una molécula señalizadora a un receptor provoca un cambio en la conformación del receptor, conocido como activación del receptor . La mayoría de los ligandos son moléculas solubles del medio extracelular que se unen a receptores de la superficie celular . Estos incluyen factores de crecimiento , citocinas y neurotransmisores . Componentes de la matriz extracelular , como la fibronectina y el hialuronano, también pueden unirse a dichos receptores ( integrinas y CD44 , respectivamente). Además, algunas moléculas, como las hormonas esteroides, son liposolubles y, por lo tanto, atraviesan la membrana plasmática para alcanzar receptores citoplasmáticos o nucleares . ^{[ 9 ]} En el caso de los receptores de hormonas esteroides , su estimulación conduce a la unión a la región promotora de genes sensibles a esteroides. ^{[ 10 ]}

No todas las clasificaciones de moléculas de señalización tienen en cuenta la naturaleza molecular de cada miembro de la clase. Por ejemplo, los odorantes pertenecen a una amplia gama de clases moleculares, ^{[ 11 ]} al igual que los neurotransmisores, cuyo tamaño varía desde moléculas pequeñas como la dopamina ^{[ 12 ]} hasta neuropéptidos como las endorfinas . ^{[ 13 ]} Además, algunas moléculas pueden pertenecer a más de una clase; por ejemplo, la epinefrina es un neurotransmisor cuando la secreta el sistema nervioso central y una hormona cuando la secreta la médula suprarrenal . ^{[ 14 ]}

Algunos receptores, como HER2, son capaces de activarse independientemente del ligando cuando se sobreexpresan o mutan. Esto conduce a la activación constitutiva de la vía, que puede o no ser revertida por mecanismos compensatorios. En el caso de HER2, que actúa como socio de dimerización de otros receptores del factor de crecimiento epidérmico (EGFR), la activación constitutiva conduce a la hiperproliferación y al cáncer . ^{[ 15 ]}

La prevalencia de membranas basales en los tejidos de los eumetazoos implica que la mayoría de los tipos celulares requieren adhesión para sobrevivir. Este requisito ha llevado al desarrollo de complejas vías de mecanotransducción, que permiten a las células percibir la rigidez del sustrato. Dicha señalización se orquesta principalmente en las adhesiones focales , regiones donde el citoesqueleto de actina unido a integrinas detecta cambios y los transmite a través de YAP1 . ^{[ 16 ]} Las moléculas de adhesión celular dependientes de calcio , como las cadherinas y las selectinas, también pueden mediar la mecanotransducción. ^{[ 17 ]} Formas especializadas de mecanotransducción dentro del sistema nervioso son responsables de la mecanosensación : audición , tacto , propiocepción y equilibrio . ^{[ 18 ]}

El control celular y sistémico de la presión osmótica (la diferencia de osmolaridad entre el citosol y el medio extracelular) es fundamental para la homeostasis. Existen tres formas en que las células pueden detectar estímulos osmóticos: como cambios en la concentración macromolecular, la fuerza iónica y cambios en las propiedades de la membrana plasmática o el citoesqueleto (este último es una forma de mecanotransducción). ^{[ 19 ]} Estos cambios son detectados por proteínas conocidas como osmosensores u osmorreceptores. En humanos, los osmosensores mejor caracterizados son los canales de potencial de receptor transitorio presentes en el cilio primario de las células humanas. ^{[ 19 ] [ 20 ]} En levaduras, la vía HOG ha sido ampliamente caracterizada. ^{[ 21 ]}

La detección de la temperatura en las células se conoce como termorrecepción y está mediada principalmente por canales de potencial de receptor transitorio . ^{[ 22 ]} Además, las células animales contienen un mecanismo conservado para evitar que las altas temperaturas causen daño celular: la respuesta al choque térmico . Esta respuesta se activa cuando las altas temperaturas provocan la disociación de HSF1 inactivo de los complejos con las proteínas de choque térmico Hsp40 / Hsp70 y Hsp90 . Con la ayuda del ARN no codificante hsr1 , HSF1 se trimeriza, volviéndose activo y regulando positivamente la expresión de sus genes diana. ^{[ 23 ]} Existen muchos otros mecanismos termosensoriales tanto en procariotas como en eucariotas . ^{[ 22 ]}

En los mamíferos, la luz controla el sentido de la vista y el reloj circadiano mediante la activación de proteínas fotosensibles en las células fotorreceptoras de la retina . En el caso de la visión, la luz es detectada por la rodopsina en las células de bastones y conos . ^{[ 24 ]} En el caso del reloj circadiano, un fotopigmento diferente , la melanopsina , es responsable de detectar la luz en las células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles . ^{[ 25 ]}

Los receptores extracelulares son proteínas transmembrana integrales y constituyen la mayoría de los receptores. Atraviesan la membrana plasmática de la célula, con una parte del receptor en el exterior y la otra en el interior. La transducción de señales ocurre como resultado de la unión de un ligando a la región externa del receptor (el ligando no atraviesa la membrana). La unión ligando-receptor induce un cambio en la conformación de la parte interna del receptor, un proceso a veces llamado "activación del receptor". Esto resulta en la activación de un dominio enzimático del receptor o en la exposición de un sitio de unión para otras proteínas de señalización intracelular dentro de la célula, propagando finalmente la señal a través del citoplasma. ^{[ 26 ]} En las células eucariotas , la mayoría de las proteínas intracelulares activadas por una interacción ligando/receptor poseen actividad enzimática; ejemplos incluyen tirosina quinasa y fosfatasas . A menudo, dichas enzimas están unidas covalentemente al receptor. Algunas de ellas generan segundos mensajeros como el AMP cíclico y _el IP3 , este último controlando la liberación de las reservas intracelulares de calcio al citoplasma. Otras proteínas activadas interactúan con proteínas adaptadoras que facilitan las interacciones de las proteínas de señalización y la coordinación de los complejos de señalización necesarios para responder a un estímulo particular. Tanto las enzimas como las proteínas adaptadoras responden a diversas moléculas de segundos mensajeros. ^{[ 27 ]}

Muchas proteínas adaptadoras y enzimas que se activan durante la transducción de señales poseen dominios proteicos especializados que se unen a moléculas mensajeras secundarias específicas. Por ejemplo, los iones de calcio se unen a los dominios EF-hand de la calmodulina , lo que le permite unirse y activar la quinasa dependiente de calmodulina . El PIP3 _y otros fosfoinosítidos hacen lo mismo con los dominios de homología de Pleckstrina de proteínas como la quinasa AKT .

Integrinas

Las integrinas son producidas por una amplia variedad de células; desempeñan un papel en la adhesión celular a otras células y a la matriz extracelular , así como en la transducción de señales de componentes de la matriz extracelular como la fibronectina y el colágeno . La unión del ligando al dominio extracelular de las integrinas cambia la conformación de la proteína, agrupándola en la membrana celular para iniciar la transducción de señales. Las integrinas carecen de actividad quinasa; por lo tanto, la transducción de señales mediada por integrinas se logra a través de una variedad de quinasas de proteínas intracelulares y moléculas adaptadoras, siendo la quinasa ligada a integrinas el principal coordinador . ^{[ 40 ]} Como se muestra en la imagen adyacente, la señalización cooperativa integrina-RTK determina el momento de la supervivencia celular, la apoptosis , la proliferación y la diferenciación .

Existen diferencias importantes entre la señalización de integrinas en las células sanguíneas circulantes y en células no circulantes, como las células epiteliales ; las integrinas de las células circulantes normalmente están inactivas. Por ejemplo, las integrinas de la membrana celular de los leucocitos circulantes se mantienen en un estado inactivo para evitar la adhesión a las células epiteliales; se activan solo en respuesta a estímulos como los que se reciben en el sitio de una respuesta inflamatoria . De manera similar, las integrinas de la membrana celular de las plaquetas circulantes normalmente se mantienen inactivas para evitar la trombosis . Las células epiteliales (que no circulan) normalmente tienen integrinas activas en su membrana celular, lo que ayuda a mantener su adhesión estable a las células estromales subyacentes que proporcionan señales para mantener el funcionamiento normal. ^{[ 41 ]}

En las plantas, hasta la fecha no se han identificado receptores de integrina auténticos; sin embargo, se han propuesto varias proteínas similares a las integrinas basándose en la homología estructural con los receptores de los metazoos. ^{[ 42 ]} Las plantas contienen quinasas ligadas a integrinas que son muy similares en su estructura primaria a las ILK animales. En la planta modelo experimental Arabidopsis thaliana , se ha demostrado que uno de los genes de la quinasa ligada a integrinas, ILK1 , es un elemento crítico en la respuesta inmune de la planta a las moléculas de señalización de patógenos bacterianos y en la sensibilidad de la planta al estrés salino y osmótico. ^{[ 43 ]} La proteína ILK1 interactúa con el transportador de potasio de alta afinidad HAK5 y con el sensor de calcio CML9. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

Los receptores intracelulares, como los receptores nucleares y los receptores citoplasmáticos , son proteínas solubles localizadas en sus respectivas áreas. Los ligandos típicos de los receptores nucleares son hormonas no polares, como las hormonas esteroides testosterona y progesterona , y derivados de las vitaminas A y D. Para iniciar la transducción de señales, el ligando debe atravesar la membrana plasmática por difusión pasiva. Al unirse al receptor, los ligandos atraviesan la membrana nuclear y entran en el núcleo , modificando la expresión génica.

Los receptores nucleares activados se unen al ADN en secuencias de elementos de respuesta hormonal (HRE) específicas del receptor, ubicadas en la región promotora de los genes activados por el complejo hormona-receptor. Debido a que habilitan la transcripción génica, también se les denomina inductores de la expresión génica . Todas las hormonas que actúan regulando la expresión génica tienen dos consecuencias en su mecanismo de acción: sus efectos se producen después de un período de tiempo característico y persisten durante otro período prolongado, incluso después de que su concentración se haya reducido a cero, debido a la lenta renovación de la mayoría de las enzimas y proteínas que desactivarían o terminarían la unión del ligando al receptor.

Los receptores nucleicos poseen dominios de unión al ADN que contienen dedos de zinc y un dominio de unión al ligando. Los dedos de zinc estabilizan la unión al ADN al sujetar su esqueleto de fosfato. Las secuencias de ADN que coinciden con el receptor suelen ser repeticiones hexaméricas de cualquier tipo; las secuencias son similares, pero su orientación y distancia las diferencian. El dominio de unión al ligando también es responsable de la dimerización de los receptores nucleicos antes de la unión y proporciona estructuras para la transactivación , la cual se utiliza para la comunicación con el aparato de traducción.

Los receptores de esteroides son una subclase de receptores nucleares ubicados principalmente en el citosol. En ausencia de esteroides, se asocian en un complejo aporeceptor que contiene chaperonas o proteínas de choque térmico (HSP). Las HSP son necesarias para activar el receptor, ya que ayudan a la proteína a plegarse de manera que la secuencia señal que permite su paso al núcleo sea accesible. Por otro lado, los receptores de esteroides pueden reprimir la expresión génica cuando su dominio de transactivación está oculto. La actividad del receptor puede potenciarse mediante la fosforilación de residuos de serina en su extremo N-terminal como resultado de otra vía de transducción de señales, un proceso denominado comunicación cruzada .

Los receptores de ácido retinoico constituyen otro subconjunto de receptores nucleares. Pueden activarse mediante un ligando sintetizado por vía endocrina que ingresa a la célula por difusión, un ligando sintetizado a partir de un precursor como el retinol transportado a la célula a través del torrente sanguíneo, o un ligando sintetizado completamente intracelularmente como la prostaglandina . Estos receptores se localizan en el núcleo y no están acompañados por proteínas de choque térmico (HSP). Reprimen su gen uniéndose a su secuencia de ADN específica cuando no se les une ningún ligando, y viceversa.

Ciertos receptores intracelulares del sistema inmunitario son receptores citoplasmáticos; los receptores tipo NOD (NLR), identificados recientemente, residen en el citoplasma de algunas células eucariotas e interactúan con ligandos mediante un motivo de repetición rica en leucina (LRR) similar al de los TLR. Algunas de estas moléculas, como NOD2, interactúan con la quinasa RIP2 , que activa la señalización de NF-κB , mientras que otras, como NALP3, interactúan con caspasas inflamatorias e inician el procesamiento de citocinas específicas como la interleucina- 1β. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

La liberación de iones de calcio del retículo endoplasmático al citosol da como resultado su unión a proteínas de señalización que luego se activan; luego se secuestra en el retículo endoplasmático liso ^{[ 52 ]} y las mitocondrias . Dos proteínas combinadas receptor/canal iónico controlan el transporte de calcio: el receptor _de InsP3 que transporta calcio al interactuar con el inositol trifosfato en su lado citosólico; y el receptor de rianodina, llamado así por el alcaloide rianodina , similar al receptor de InsP3 pero con un _mecanismo de retroalimentación que libera más calcio al unirse a él. La naturaleza del calcio en el citosol significa que está activo solo por un tiempo muy corto, lo que significa que su concentración en estado libre es muy baja y se une principalmente a moléculas de orgánulos como la calreticulina cuando está inactivo ^{[ 53 ].}

El calcio interviene en numerosos procesos celulares, como la contracción muscular, la liberación de neurotransmisores desde las terminaciones nerviosas y la migración celular . Su activación se produce principalmente a través de tres vías principales: las vías de los receptores acoplados a proteínas G (GPCR), las vías de las tirosina quinasas de receptores (RTK) y los canales iónicos regulados. El calcio regula las proteínas, ya sea directa o indirectamente, mediante la unión a enzimas como las quinasas dependientes de calmodulina. ^{[ 54 ]}

Las moléculas mensajeras lipofílicas secundarias se derivan de los lípidos presentes en las membranas celulares; las enzimas estimuladas por los receptores activados activan estos lípidos modificándolos. Algunos ejemplos son el diacilglicerol y la ceramida , siendo el primero necesario para la activación de la proteína quinasa C.

El óxido nítrico (NO) actúa como segundo mensajero, ya que es un radical libre que puede difundirse a través de la membrana plasmática y afectar a las células cercanas. Se sintetiza a partir de arginina y oxígeno mediante la NO sintasa y actúa activando la guanilil ciclasa soluble , la cual, al activarse, produce otro segundo mensajero, el cGMP. El NO también puede actuar mediante la modificación covalente de proteínas o sus cofactores metálicos; algunos tienen un mecanismo redox y son reversibles. Es tóxico en altas concentraciones y causa daño durante un accidente cerebrovascular , pero es responsable de muchas otras funciones, como la relajación de los vasos sanguíneos, la apoptosis y las erecciones del pene .

Además del óxido nítrico, otras especies activadas electrónicamente también actúan como agentes transductores de señales en un proceso denominado señalización redox . Algunos ejemplos son el superóxido , el peróxido de hidrógeno , el monóxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno . La señalización redox también incluye la modulación activa de los flujos electrónicos en macromoléculas biológicas semiconductoras . ^{[ 55 ]}

El objetivo de esta sección es describir brevemente algunos avances en inmunología de las décadas de 1960 y 1970, relevantes para las etapas iniciales de la transducción de señales transmembrana, y cómo influyeron en nuestra comprensión de la inmunología y, en última instancia, de otras áreas de la biología celular.

Los eventos relevantes comienzan con la secuenciación de las cadenas ligeras de la proteína del mieloma , que se encuentran en abundancia en la orina de individuos con mieloma múltiple . Los experimentos bioquímicos revelaron que estas llamadas proteínas de Bence Jones consistían en dos dominios discretos: uno que variaba de una molécula a otra (el dominio V) y otro que no (el dominio Fc o la región cristalizable del fragmento ). ^{[ 74 ]} Un análisis de múltiples secuencias de la región V realizado por Wu y Kabat ^{[ 75 ]} identificó ubicaciones dentro de la región V que eran hipervariables y que, según su hipótesis, se combinaban en la proteína plegada para formar el sitio de reconocimiento del antígeno. Así, en un tiempo relativamente corto se desarrolló un modelo plausible para la base molecular de la especificidad inmunológica y para la mediación de la función biológica a través del dominio Fc. La cristalización de una molécula de IgG siguió poco después ^{[ 76 ]} , confirmando las inferencias basadas en la secuenciación y proporcionando una comprensión de la especificidad inmunológica al más alto nivel de resolución.

La importancia biológica de estos avances quedó plasmada en la teoría de la selección clonal ^{[ 77 ]} , que postula que una célula B posee en su superficie receptores de inmunoglobulina cuyo sitio de unión al antígeno es idéntico al de los anticuerpos secretados por la célula al entrar en contacto con un antígeno. Más específicamente, un clon particular de células B secreta anticuerpos con secuencias idénticas. El modelo de mosaico fluido de la membrana plasmática, como pieza final del rompecabezas, proporcionó todos los elementos necesarios para un nuevo modelo de iniciación de la transducción de señales: la dimerización de receptores.

Los primeros indicios de esto fueron obtenidos por Becker et al. ^{[ 78 ],} quienes demostraron que el grado de desgranulación de los basófilos humanos —para los cuales la inmunoglobulina E (IgE) bivalente funciona como receptor de superficie— depende de la concentración de anticuerpos anti-IgE a los que están expuestos, y resulta en una redistribución de las moléculas de superficie, que está ausente cuando se utiliza un ligando monovalente. Esta última observación fue consistente con hallazgos previos de Fanger et al. ^{[ 79 ].} Estas observaciones vincularon una respuesta biológica con eventos y detalles estructurales de las moléculas en la superficie celular. Pronto se desarrolló una preponderancia de evidencia de que la dimerización del receptor inicia respuestas (revisado en ^{[ 80 ]} ) en una variedad de tipos celulares, incluidas las células B.

Estas observaciones dieron lugar a varios desarrollos teóricos (matemáticos). El primero fue un modelo simple propuesto por Bell ^{[ 81 ]} que resolvió una aparente paradoja: la agrupación forma redes estables; es decir, la unión es esencialmente irreversible, mientras que las afinidades de los anticuerpos secretados por las células B aumentan a medida que progresa la respuesta inmune. DeLisi y Perelson ^{[ 82 ]} desarrollaron una teoría sobre la dinámica de la agrupación de la superficie celular en las membranas de los linfocitos, quienes hallaron la distribución del tamaño de los cúmulos en función del tiempo y su dependencia de la afinidad y la valencia del ligando. Posteriormente, Goldstein y Sobotka y sus colaboradores desarrollaron teorías para basófilos y mastocitos ^{[ 83 ] [ 84 ]} , todas ellas orientadas al análisis de los patrones de dosis-respuesta de las células inmunes y sus correlatos biológicos ^{[ 85 ] . Para una revisión reciente sobre la agrupación en sistemas inmunológicos, véase [ 86 ]} .

La unión de ligandos a receptores de la superficie celular también es fundamental para la motilidad, un fenómeno que se comprende mejor en organismos unicelulares. Un ejemplo es la detección y respuesta a gradientes de concentración por parte de bacterias ^{[ 87 ]} , cuya teoría matemática clásica aparece en ^{[ 88 ]} . Un análisis reciente se puede encontrar en ^{[ 89 ].}