MUERTE CELULAR PROGRAMADA

"for their discoveries concerning genetic regulation of organ development and programmed cell death”

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002

H. Robert Horvitz1/3 of the prize

USAMassachusetts Institute

Of Technology (MIT)Cambridge, MA, USA

Sydney Brenner1/3 of the prizeUnited KingdomThe Molecular

Sciences InstituteBerkeley, CA, USA

John E. Sulston 1/3 of the prize United Kingdom

 The Wellcome TrustSanger InstituteCambridge, UK

PROGRAMMED CELL DEATHSINE QUA NON OF A MULTICELLULAR STATE

Mature form has 959 somatic cells;these arise from 1090 cells,of which 131 undergo PCD (embryogenesis). (Sulston & Horvitz. 1977. Dev. Biol., 56: 110-156)

Caenorhabditis elegans

Picea abies

?

PROGRAMMED CELL DEATHSEVERAL OPTIONS TO DIE UNDER CONTROL

(Schweichel & Merker. 1973. Teratology, 7: 253-266)

Heterophagy (Apoptosis): -  isolated dying cell

-  nucleus destruction

-  phagocytosis

EngulfmentDecisionto die

Executionof death Degradation

Autophagy: -  groups of associated cells or entire tissues

-  cytoplasm destruction

-  autophagic vacuoles

Executionof death Degradation

Decisionto die

Autophagicvacuoles

Apoptosis Autofagia

Núcleo degradación, picnosis, sin cambios hasta fase tardíasegmentación entonces condensación

Cromatina condensación,fragmentación ligera condensación, separación internucleosómica del DNA de la membrana nuclear,

fragmentación tardía del DNA

Membrana nuclear agrupación de poros nucleares intacta

Citoplasma condensación, formación de digestión por “vacuolas autofágicas”“cuerpos apoptóticos”

Orgánulos intactos en su mayoría observaciones ambiguas

Retículo endoplásmico intacto, separación de vesiculaciónribosomas del RER

Mitocondria intacta intacta

Golgi intacto aumento en número (participa enformación de vacuolas autofágicas)

Membrana plasmática lobulación intacta

DISTINTA MORFOLOGÍA CELULAR¿DIFERENTE MECANISMO?

PROGRAMMED CELL DEATHHOW DEATH SHAPES LIFE

(adapted from Baerecke. 2002. Nature Rev. Mol. Cell Biol., 3: 779-787)

•Deletion of structures:-  Frog tail-  Frog intestine-  Frog notochord-  Fly midgut-  Fly salivary gland-  Male mouse mammary tissue

•Elimination of abnormal cells:-  Fly cells harbouring DNA damage-  Mouse cells harbouring DNA damage- Lymphocytes with self-reactive receptor

•Formation of structures:-  Chick heart-  Mouse digits-  Mouse palete-  Mouse retina

•Control of cell numbers: Cell migration?, Morphogenesis?-  Chick motoneurons-  Worm neurons-  Fly eye pigment cells-  Fly glia and neurons-  Rat glia-  Mouse muscles

PATHWAYS LEADING TO PCD

STIMULICore

cell-deathmachinary

Phagocytosis

AutophagyCell linage (neurons C. elegans)

Life TRA-1 EGL-1

Death EGL-1 CED-9 CED-4 CED-3 Phagocytosis

•D

Trophic-factor withdrawal (glia Drosophila)

Life Growth EGF MAPK HID Pro-caspase Apaf-1factor receptor

Death No growth HID IAP Active caspasefactor

•D

Steroid hormones (salivary-gland Drosophila)

Hormone receptorComplex Early Late

genes genes

Competence factor

Autophagy

•D

Membrane-bound death receptors (mammalian immune system)

Life No death ligand

Death Death Death Adaptor Pro-caspase 8 csp 8 csp 3ligand receptor

•D

Represor

Represor

IniciadorIniciador

Ejecutor

Ejecutor

Ejecutor

Iniciador

Membrana

Citoplasma

Retroalimentaciónlazo de amplificación

CitoesqueletoProteínas estructurales

Ciclo celular y replicaciónTranscripción y traducción

Reparación del DNA

[Ca+]

Estímulo IIEstrés RE

Alteración en ψ

Cit c

Estímulo IIIDéficit de factores de crecimientoSustancias tóxicas, radiación γDaño en el DNA

Estímulo ILigandos

AdaptadorCompromiso

Ejecución

APOPTOSIS: “CAÍDA” DE LAS HOJAS DE UN ÁRBOL

AUTOFAGIA(Bozhkov & Suarez. 2005. Current Topics Dev. Biol., 16: 135-179)

Gene family Worm Fly Mouse

Caspases ced-3,csp-1, csp-2 Dredd, Dronc, Caspases 1-14 Dream/Strica, Dcp-1, Drice, Decay, Daydream/Damm

Bcl-2 ced-9, egl-1 Debcl-1/Drob-1/Dborg-1/Dbok, Bcl-2, Bcl-x, Bcl-w, Mcl-1 Buffy/Dborg-2 Al, Diva, Bax, Bak, Bok, Bik,

Bid, Bad, Hrk, Bim, Bnip, Nix

APAF-1 ced-4 ark/dark/hac/dApaf-1 Apaf-1

IAP bir-1, bir-2 diap-1, diap-2, dbruce, deterin Xiap, c-iap-1, C-ap2, hlLP-2, ml-iap, naip, survivin, bruce

RHG domain ? Rpr,hid, grim, sickle Smac/DIABLO Omi/HtrA2

CELL-DEATH GENES ARE CONSERVED IN METAZOOS(Baehrecke. 2002. Nature Rev. Mol. Cell Biol., 3: 779-787))

Cytokine activators

Caspase-1 Caspase-4Caspase-5 Caspase-11

Caspase-13

Other function

Caspase-14

Cleavage specificity

Group I (W/L)EHDGroup II DEXDGroup III (L/V)EDX

Active caspase

ShortLong

Initiator caspases

Caspase-2Caspase-9Caspase-1

Effector caspases

Caspase-3Caspase-6Caspase-7

32-56 kDa

Asp-X QACXGAsp-X

Prodomain(2-25 kDa)

Large subunit(17-21 kDa)

Small subunit(10-13 kDa)

CASPASES: THE CORE OF APOPTOSISTHE STRUCTURAL AND FUNCTIONAL ORGANIZATION

(Köhler et al. 2002. J. Immunol. Methods, 265: 97-110)

• No se han identificado:

proteínas de la familia Bcl-2

“clásicas” caspasas

•  La maquinaria molecular no se conoce

1. Metacaspasas (“cargasa”, embriogénesis) (Suarez et al. 2004. Current Biol., 14: R339-R340)

2. Saspasas (HR frente a patógenos) (Coffeen & Wolpert 2004. Plant Cell., 16: 857-873)

3. VPE (csp1-”like”, HR frente a patógenos) (Hatsugay et al. 2004. Science, 305: 855-858)

(Buckner et al. 1998.Trend Plant Sci., 3: 218-223)

MCP EN PLANTAS: UNA FORMA COMÚN DE MORIR?LAS PLANTAS CARECEN DE MAQUINARIA APOPTÓTICA

• Predicción de proteínas caspasa-”like” (Uren et al. 2002. Mol. Cell, 6: 961-967)

• Detección de actividad caspasa-”like” (rev. Watanabe & Lam. 2004. Mol. Plant Pathol., 5: 65-70)

aaa

Active siteH C

Caspase 1

Caspase 3

Caspase 8

H. sapiens

C. elegans

D. discoideum

S. cerevisiae

P. falciparum

A. thaliana (type I)

A. thaliana (type II)

S. coelicolor

Rhizobium sp.

Gingipain R

CARD

Pr o

Kinase

Ig

DD Ig Ig

IgDD

ZnF Pr o

DED DED

CASPASES

METACASPASES

PARACASPASES

BACTERIALCYSTEINEPROTEASES

CASPASE-LIKE PROTEINSA BIG FAMILY IDENTIFIED BY DATABASE SEARCHES

(Uren et al. 2000. Mol. Cell, 6: 961-967)

ORIGIN AND EVOLUTION OF EUKARYOTIC PCDTHE BACTERIAL CONNECTION

(Koonin & Aravind. 2002. Cell Death Diff., 9: 394-404)

CASPASE-LIKE PROTEIN FAMILY(based on Aravind & Koonin. 2002. Proteins, 46: 355-367)

PCD?

SI

?

NO

SI

?

SI

DEATH SHAPES LIFEPLANTS MAY HAVE ANCESTRAL PCD MACHINERY PRESERVED