el citoesqueleto de actina: una …tab.facmed.unam.mx/files/5-marina-mac-as.pdf · beneficios que...

67

EL CITOESQUELETO DE ACTINA: UNA ESTRUCTURA DINÁMICA AL SERVICIO DE LA TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES.

THE ACTIN-CYTOSKELETON: A DYNAMIC STRUCTURE AT THE SERVICE

OF THE SIGNAL TRANSDUCTION

Marina Macías Silva, Genaro Vázquez-Victorio y Diana G. Ríos-López

Instituto de Fisiología Celular. Universidad Nacional Autónoma de México. México D.F., 04510. México.

e-mail: [email protected]

Resumen

La gran mayoría de los procesos fisiológicos son regulados por diversas

vías de señalización, y muchos de esos procesos son ejecutados en células

eucariontes gracias a la reorganización del citoesqueleto. En general, es común

que ocurra una intercomunicación entre las redes de microfilamentos,

microtúbulos y filamentos intermedios, para regular procesos celulares específicos

tales como la forma de la célula, la división celular, la motilidad y la polarización,

entre otras. Esta revisión describe el conocimiento actual acerca de la regulación

de la reorganización del citoesqueleto por diversas vías de señalización, como las

mediadas por receptores del tipo GPCR, RTKs e integrinas, y las ventajas o

beneficios que esto representa para la adecuada transducción de señales en las

células.

Palabras clave: Citoesqueleto de actina, Señalización, receptores acoplados a

proteínas G (GPCR), receptores tirosina cinasa (RTK), Integrinas.

Cárdenas Monroy C, González Andrade M, Guevara Flores A, Lara Lemus R, Matuz Mares D, Molina Jijón E, Torres Durán PV. Mensaje Bioquímico, Vol. XL, 67-86, Depto. de Bioquímica, Facultad de Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México. Cd. Universitaria, CDMX.,MÉXICO.,(2016). (http://bioq9c1.fmedic.unam.mx/TAB)

(ISSN-0188-137X)

mailto:[email protected]

MENSAJE BIOQUÍMICO, VOL. XL (2016)

68

Abstract

A multitude of physiological cell processes regulated by diverse signaling

pathways are accomplished by the participation of active rearrangements of the

eukaryotic cytoskeleton. In general, it is common that a crosstalk occurs among

networks of microfilaments, microtubules and intermediate filaments in order to

regulate specific cell processes such as cellular shape, division, motility, and

polarization, among others. This review describes the current knowledge about the

regulation of actin-cytoskeleton dynamics by diverse signaling pathways

downstream of different types of receptors such as GPCRs, RTKs and integrins,

and the advantages or benefits for cell signal transduction.

Keywords: Actin-cytoskeleton, Signaling, G protein-coupled receptor (GPCR),

receptor tyrosine kinase (RTK), Integrins.

Introducción

Una de las habilidades esenciales de todas las células para poder

sobrevivir, es poder monitorear el ambiente y responder a señales externas. Para

la mayoría de las células eucariontes esto incluye una comunicación apropiada

con las células vecinas. Las células se comunican por medio de moléculas de

señalización que son producidas y liberadas por las mismas células. Estas

moléculas reconocen y unen a receptores sobre la superficie de las células blanco,

en donde provocan una respuesta celular por medio de la activación de una o más

vías de transducción de señales. Una sola célula tiene docenas de diferentes

receptores que envian señales al interior de la célula. Estas señales transmitidas

por diferentes vías de transducción, son integradas y coordinadas en la célula para

emitir una respuesta determinada. Las vías de señalización pueden relacionarse

entre sí de diferentes maneras, es decir se intercomunican (crosstalk), como por

ejemplo cuando convergen o divergen dichas señales [1].

Las señales generadas por los diferentes tipos de receptores controlan

diversos procesos celulares como: el metabolismo, la secreción, el crecimiento, la

diferenciación, la motilidad, y la muerte; por lo tanto, es posible explicar la variedad

de procesos biológicos que dependen de la activación de diversas vías de

señalización, como el desarrollo embrionario, la memoria, el aprendizaje, el dolor,

la cicatrización y la reparación tisular, así como la inflamación y las respuestas del

sistema inmune. Cabe mencionar, que la transduccion de señales de la mayoría

de los receptores transmebranales utiliza diversos elementos celulares para poder

ejecutar sus acciones, para que así cada célula pueda responder adecuadamente.

De entre estos elementos, el citoesqueleto es uno de los más importantes. Las

Macías Silva M, Vázquez-Victorio G y Ríos-López DG

69

señales del citoesqueleto regulan varios procesos celulares importantes tales

como la división celular, la adhesión, la polaridad, la secreción, la migración, y el

movimiento de cilios y flagelos [2].

Las células eucariontes poseen una estructura proteica que comprende al

citoesqueleto (en citoplasma) y al nucleoesqueleto (en núcleo). El citoesqueleto

tiene funciones mecánicas que involucran el mantenimiento de la integridad

estructural de la célula (su forma, polaridad, adhesión y motilidad), y funciones no

mecánicas que pueden incluir la regulación de la arquitectura celular, el

crecimiento y el destino celular, así como la regulación de diversas vías de

señalización. El citoesqueleto está constituido por tres principales estructuras

proteicas poliméricas: los microtúbulos (tubulina), los filamentos intermedios (> de

70 proteínas diferentes), y los microfilamentos (actina). Los microtúbulos son los

más grandes (~ 25 nm de diámetro) y están formados por unidades constituidas

por dímeros de α-tubulina y β-tubulina; los microtúbulos participan en el

establecimiento de la posición de algunos organelos y en el transporte de

vesículas intracelulares. Los filamentos intermedios (~ 12 nm de diámetro) son el

grupo más grande que incluye más de 70 miembros y proveen de la fuerza

mecánica a las células. En tanto que los microfilamentos de actina (~3-7 nm de

diámetro) determinan la forma de las células, y son necesarios para la motilidad y

para cambiar la apariencia de la membrana celular [2].

Citoesqueleto de actina

En las células, los microfilamentos del citoesqueleto están constituidos por

la actina (43 kDa), una proteína con tres isoformas (α-, β-, y -actina). La actina es

una proteína muy abundante en el citosol, que se presenta en forma

globular/monomérica (G-actina) o filamentosa/polimérica (F-actina). La proporción

entre las formas G y F de la actina se mantiene en un equilibrio dinámico, ya que

existe una gran variedad de estímulos que controlan la reorganización del

citoesqueleto de actina, a través del control de los procesos de polimerización y

despolimerización de los filamentos de actina. Estos procesos son controlados por

una familia de proteínas que se asocian a la actina (ABPs, Actin-Binding Proteins),

las cuales participan en las diferentes etapas del proceso de formación de los

filamentos, como son la nucleación y la elongación. La G-actina une al nucleótido

ATP, para poder participar en la formación de dímeros y trímeros de actina

durante la etapa de nucleación, la cual constituye el paso limitante durante el

proceso de polimerización de la actina. El polímero de F-actina despliega un

extremo barbado (barbed-end) o positivo (+) y un extremo raso (pointed-end) o

negativo (-). El polímero de F-actina crece asimétricamente, ya que el extremo


70

barbado crece más rápido que el extremo raso durante la fase de elongación. En

las células existen muchos cofactores que controlan la velocidad de la dinámica de

la actina, para regular diversos procesos celulares, como por ejemplo la forma de

la célula, la división celular, la polaridad y la migración [2-4].

La polimerización de los filamentos de actina y la asociación de la actina

con las proteínas ABPs generan diversas arquitecturas, entre las que se

encuentran: redes entrecruzadas y ramificadas (formando lamelipodios), haces

paralelos (formando filopodios), y estructuras contráctiles antiparalelas (formando

fibras de estrés). Las células utilizan estos diferentes rearreglos de los filamentos

de actina, para formar ya sea protrusiones que lleven a la expansión de la

membrana plasmática, o para realizar contracciones que lleven al encogimiento de

la célula. Además, las células contienen una capa delgada de actina (actina

cortical) que recubre a la membrana plasmática y que es llamada corteza celular,

la cual es importante para mantener la forma de la célula, ya que controla los

cambios en la morfología celular.

Los actores moleculares básicos implicados en la organización de la actina

son múltiples, e incluyen a proteínas secuestradoras (como la profilina) que

mantienen a los monómeros de actina en solución; los factores de nucleación

(como los complejos Arp2/3, las forminas y las proteínas WASP) que controlan la

trimerización; las proteínas coronadoras/capping (como CapZ, y las

tropomodulinas) que se unen a los filamentos para estabilizarlos o para promover

su desensamblado; las proteínas cortadoras/severing (como ADF/Cofilina y

gelsolina) que contribuyen al acortamiento de los filamentos; las proteínas

entrecruzadoras (como alfa-actinina y filamina) que organizan a los filamentos en

haces o redes; y por último las proteínas motoras (pertenecientes a la familia de la

miosina) que proveen de la fuerza conductora durante los procesos activos [3,5].

Hasta ahora, el estudio del citoesqueleto de actina se ha beneficiado del uso de

dos moléculas muy útiles para visualizar las estructuras de F-actina: la faloidina y

LifeAct. La faloidina, una toxina aislada del hongo Amanita phalloides, es acoplada

a moléculas fluorescentes y funciona como una sonda útil para identificar la

formación de fibras de estrés, ya que posee una mayor afinidad por la F-actina [6];

mientras que LifeAct es un péptido de 17 aminoácidos derivado del extremo N-

terminal de una proteína que se asocia a la actina llamada ABP-140, la cual

proviene de la levadura Saccharomyces cerevisiae y no muestra homología con

alguna otra secuencia en eucariontes superiores. Cabe mencionar que LifeAct tiñe

estructuras de F-actina en células eucariontes o en tejidos fijos o vivos; además,

LifeAct representa una alternativa al uso de la faloidina, la cual es tóxica in vivo.


71

Otras ventajas importantes de LifeAct es la ausencia de efectos sobre la

polimerización y despolimerización de la actina, y su incapacidad para competir

con las principales ABPs [7].

Diversos receptores membranales como son los GPCRs (receptores

acoplados a proteinas G), las integrinas, y los RTKs (receptores con actividad de

cinasa de tirosinas), pueden transmitir sus señales vía el citoesqueleto para

provocar diversos efectos sobre la actividad celular, incluyendo cambios en la

forma de la célula, la motilidad, la proliferación, la secreción, y la sobrevivencia.

Estos efectos en las células contribuyen al desarrollo de diversos procesos

fisiológicos que incluyen la morfogénesis, la reparación de heridas, la respuesta

inmune, la angiogénesis, el desarrollo vascular, y el crecimiento axonal. Resulta

interesante que los mecanismos de acción que los diferentes receptores tienen

sobre el citoesqueleto de actina, estan también implicados en procesos anormales

como la metástasis tumoral, la inflamación crónica y la degeneración tisular [8-10].

En esta revisión, describimos algunos de los procesos celulares que dependen de

los rearreglos del citoesqueleto de actina inducidos por la activación de los

receptores tipo GPCRs, RTKs e integrinas, enfatizando los mecanismos de acción

de los receptores.

Transducción de señales de los receptores tipo GPCR

Las células expresan una gran variedad de receptores; uno de los grupos

más grandes y diversos es el de la familia de los GPCRs, cuyos miembros son

proteínas transmembranales con siete segmentos alfa-helicoidales. De los 800

subtipos de GPCRs codificados en el genoma humano, la mayoría son huérfanos,

ya que aún no se ha identificado a su ligando. En general, los GPCRs de

vertebrados están agrupados en 5 principales familias, con base en la identidad de

su secuencia: receptores tipo rodopsina, tipo secretina, tipo glutamato, receptores

de adhesión y receptores frizzled. Los GPCRs son el grupo de receptores más

abundante y ubicuo, que comparte una arquitectura molecular característica, al

poseer una sola cadena polipeptídica con un extremo amino extracelular y un

extremo carboxilo intracelular, y que además contiene 7 alfa-hélices

transmembranales interconectadas por 3 asas intracelulares y 3 asas

extracelulares. Los miembros de la familia de GPCRs varían ampliamente en

identidad de secuencia, así como también en los mecanismos moleculares por los

cuales son activados por sus ligandos, los cuales incluyen desde fotones, olores, y

moléculas orgánicas pequeñas (aminas, aminoácidos, nucleótidos, nucleósidos y

lípidos), hasta péptidos y proteínas. Cabe mencionar que la relevancia

farmacológica de los GPCRs radica en el conocimiento de que alrededor del 30-


72

40% de los fármacos o drogas conocidas tienen como blanco a los GPCRs,

afectando principalmente su estado de activación, ya que muchos de estos

ligandos/fármacos/drogas pueden actuar como agonistas, antagonistas, agonistas

inversos o agonistas sesgados [1,5,11].

Hay evidencia de que una gran diversidad de proteínas puede interaccionar

con los GPCRs para modular su actividad y transducir sus señales [12-14]. Los

GPCRs están acoplados a diversos efectores tales como: proteínas

heterotriméricas que unen nucleótidos de guanina (proteínas G), reguladores de la

señalización de las proteínas G (RGS), activadores de la señalización de las

proteínas G (AGS), canales iónicos, arrestinas, cinasas de receptores acoplados a

proteínas G (GRK), y muchas otras proteínas. Las GRKs son moduladores

negativos que fosforilan a los GPCRs, creando sitios de acoplamiento para otras

proteínas como las β-arrestinas, las cuales promueven la endocitosis de los

GPCRs, y por lo tanto su desensibilización [15]. Las β-arrestinas pueden además

funcionar como acopladoras para otros efectores como las MAPKs, una familia

conservada de cinasas de proteínas que fosforila residuos de serina y treonina, y

que están implicadas en la proliferación y sobrevivencia celular.

Las proteínas G heterotriméricas parecen ser los transductores más

importantes de las señales de los GPCRs. Hasta ahora, muchas proteínas G han

sido identificadas en eucariontes, las cuales están constituidas por 3 subunidades

(alfa, beta y gama). La subunidad alfa es una GTPasa, con la habilidad de unir

específicamente a nucleótidos de guanina (GDP o GTP) y catalizar la hidrólisis del

GTP a GDP y Pi (fosfato inorgánico). El complejo G funciona como una unidad,

que en un estado basal muestra una alta afinidad por la subunidad G unida a

GDP (estado inactivo). Luego de la unión del ligando al receptor, el GPCR sufre un

cambio conformacional que promueve el intercambio de GDP por GTP en la

subunidad G. La subunidad alfa unida a GTP (estado activo) se disocia del

complejo G, y así ambos complejos G-GTP y G pueden interaccionar

independientemente con diversos efectores, para evocar distintas respuestas

fisiológicas. La terminación de las señales de las proteínas G se da por la hidrólisis

del GTP, y es catalizada por la subunidad G resultando en su re-asociación con

el complejo G, y así se regresa al estado inactivo (G-GDP/G/) [16].

El acoplamiento de los GPCRs a diferentes clases de proteínas G

determina la vía de señalización que será activada. Hay más de 13 diferentes

subunidades G (de G1 a G13), y como cinco isoformas G (de G1 a G5) y


73

dos variantes generadas por splicing, G3s y G5L. Las subunidades G pueden

sufrir diversas modificaciones como metilación, isoprenilación, farnesilación, y

geranilgeranilación, las cuales pueden impactar la estructura y función del

complejo G. El complejo G existe en varias combinaciones específicas, y cada

complejo especifico puede regular a diferentes efectores. Por otro lado, hay más

de 20 diferentes subunidades G, las cuales han sido agrupadas con base en la

identidad de su secuencia y en su acoplamiento a distintos efectores; por lo tanto,

de acuerdo a la subunidad G presente en la proteína G, es que estas se han

clasificado en 4 principales subfamilias de proteínas G: Gs, Gi/o, Gq/11, y G12/13 [16].

La familia de proteínas Gs incluye a Gs, GsXL (extra larga), y Golf. Estas proteínas

interaccionan y estimulan a la adenilato ciclasa (AC), una proteína de membrana

que promueve la conversión del ATP (trifosfato de adenosina) a AMP cíclico

(AMPc). La mayoría de los efectos del AMPc están mediados por la activación de

la PKA (proteína cinasa A) a través de la unión del AMPc a las dos subunidades

regulatorias del tetrámero de la PKA (forma inactiva). La PKA es una cinasa de

proteínas que fosforila a sus sustratos en residuos de serina y treonina, y entre

ellos se encuentran factores de transcripción, enzimas metabólicas y canales

iónicos, entre otros. Además, existe evidencia de que el AMPc también une y

regula la actividad de Epac, un factor intercambiador de nucleótidos de guanina

(GEF) que estimula la actividad de la proteína G pequeña Rap, la cual tiene

diversos efectores. En contraste, la familia Gi/o que incluye a Gi1, Gi2, Gi3, Go, Gz,

Ggust, Gt-r, y Gt-c, funciona principalmente inhibiendo a varios tipos de adenilato

ciclasas (ACs); aunque, algunos de sus miembros son capaces de regular también

la actividad de GEFs para Rac, como P-Rex [1].

La familia Gq/11 incluye a Gq, G11, G14, and G15. Estas proteínas G están

acopladas a la activación de la fosfolipasa C (PLC), cuya función es cortar las

cabezas polares de algunos fosfolípidos de inositol. En particular, la PLC-β puede

hidrolizar al fosfolípido PIP2 (fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato) para generar dos

segundos mensajeros intracelulares: IP3 (inositol 1,4,5-trisfosfato) y DAG

(diacilglicerol). El Segundo mensajero IP3 promueve la elevación de los niveles del

calcio intracelular al liberarlo de los almacenes del retículo endoplásmico, mientras

que el DAG y el calcio funcionan como cofactores en la activación de las isoformas

de la PKC clásicas (proteína cinasa C de residuos de serina y treonina). La PKC, a

su vez, puede activar a la cascada de cinasas tipo MAPK (cinasas activadas por

mitógenos). Las señales de la proteína Gq pueden regular a los GEFs de Rho

como p63 o Trio, llevando a la activación de las vías de señalización de Rac o

Rho/ROCK [17]. La familia G12 incluye a las proteínas G12 y G13, las cuales

interaccionan con múltiples proteínas como HSP90 (proteína de choque térmico


74

90), AKAP (proteínas de anclaje de la cinasa-A), ras-GAP (proteína activadora de

GTPasas), radixina, PP5 (proteina fosfatasa tipo 5), cadherina, Rho-GEFs, y con

cinasas de residuos de tirosina que no son receptores.

Las proteínas G heterotriméricas están implicadas en múltiples vías de

señalización; curiosamente, la intercomunicación entre las proteínas G

heterotriméricas (G12/13 y Gq) y las proteínas G pequeñas (Rho, Rac y Cdc42),

explica los diversos cambios en las dinámicas del citoesqueleto que ocurren

posterior a la activación de los GPCRs, los cuales están involucrados en la

regulación de procesos celulares como la morfología, la migración, la secreción, la

polaridad, la sobrevivencia, la adhesión, etc. [18]. Los GPCRs activan vías de

transducción que llevan a cambios rápidos en el rearreglo del citoesqueleto de

actina, vía la activación de proteínas G pequeñas de la familia de GTPasas Rho,

tales como Rho, Cdc42 y Rac, las cuales controlan el remodelamiento de

diferentes estructuras del citoesqueleto de actina, y regulan la maquinaria

contráctil para regular diversos procesos celulares. Los GPCRs acoplados a la

familia de proteínas G12/13, tales como los receptores para LPA (ácido

lisofosfatídico), S1P (esfingosina-1-fosfato) y trombina median la activación de

GTPasas tipo Rho vía una familia de GEFs (factores intercambiadores de

nucleótidos). La conexión entre G12/13 y Rho ocurre a través de una interacción

directa y por la activación de Rho-GEFs específicos, tales como p115-RhoGEF,

PDZ-RhoGEF, y LARG (Rho-GEF asociado a la leucemia). Esta familia de GEFs

comparte un dominio tipo RGS que establece interacciones directas con G12/13, y

por lo tanto puede acelerar la hidrólisis del GTP unido a G12/13 [19]. La

polimerización de actina en respuesta a la activación del eje GPCR/G12/13 puede

implicar el reclutamiento de proteínas capaces de modular la activación de las vías

mediadas por RhoA, las cuales llevan a la formación de fibras de estrés de actina

(Figura 1).


75

Figura 1. Las vías de transducción de señales de los GPCRs modulan al citoesqueleto de actina para realizar diversos efectos biológicos. Las señales de los GPCRs son mediadas por diferentes familias de proteínas G heterotriméricas, las cuales ejercen diferentes efectos sobre los rearreglos del citoesqueleto de actina. El eje GPCR/G12/13 parece ser la señal más fuerte en favorecer la polimerización de la actina, mientras que el eje GPCR/Gs funciona principalmente como un inhibidor de la polimerización de actina. Esta modulación diferencial de las dinámicas de actina impacta en multitud de procesos celulares tales como la motilidad, la sobrevivencia, la adhesión, la polaridad, la morfología y la expresión de genes; permitiendo así que las células puedan responder adecuadamente a cualquier estímulo dado.

Algunas de las proteínas que interaccionan con los GPCR tienen como

blanco a los dominios intracelulares del receptor, y entre ellas se encuentran las

proteínas 14-3-3, ABP-280, y la filamina A. En los procesos de

mecanotransducción celular se ha visto que las proteínas ezrina/radixina/moesina

(ERM), tienen un papel importante, ya que participan como enlace entre los

filamentos de actina y la membrana plasmática, así como también actúan como

reguladores de las señales de las GTPasas tipo Rho, o como andamios de las

proteínas G [20]. Las proteínas ERM regulan muchos procesos que incluyen la


76

interacción de la membrana plasmática con el citoesqueleto, la organización de la

actina y la distribución de las adhesiones focales, estas últimas son estructuras

que enlazan a la matriz extracelular (ECM) con el citoesqueleto de actina a través

de los receptores para integrinas.

Algunos receptores tipo GPCRs modulan los niveles del segundo

mensajero AMP cíclico (AMPc) para controlar múltiples procesos fisiológicos, tales

como la movilización de calcio intracelular, la secreción, la actividad de los canales

iónicos, vías metabólicas, la contracción muscular, el crecimiento y la

diferenciación celular, la apoptosis, la inflamación, el aprendizaje y la memoria.

Dos de los principales efectores de la vía del AMPc como PKA y Epac, ejercen

diversos efectos sobre el remodelado del citoesqueleto. Por ejemplo, las proteínas

Epac funcionan como GEFs para Rap1 y Rap2, las cuales son proteínas G

pequeñas que pertenecen a la familia Ras. La vía de señalización de Rap es

importante para la adhesión celular y la formación de uniones célula-célula.

Además, varios efectores incluyendo proteínas adaptadoras implicadas en la

modulación del citoesqueleto de actina, así como reguladores de las proteínas G

de la familia de Rho y algunas PLCs, se encuentran río abajo de Rap [21].

Por otro lado, la PKA induce la estabilización del citoesqueleto de

microtúbulos, lo que resulta en la inhibición de la actividad de RhoA, en la

fosforilación de la MLC (cadena ligera de la miosina), y en la contractilidad de la

actomiosina. Además, la PKA fosforila directamente a algunas proteínas que unen

actina tales como filamina, dematina, aducina y VASP (fosfoproteína estimulada

por vasodilatadores). La filamina puede regular la distribución de la F-actina entre

la actina cortical y la actina de las fibras de estrés, y cuando la PKA fosforila

constitutivamente a la filamina, entonces aumenta la capacidad de la filamina para

entrecruzar a los filamentos de actina. Cuando VASP es fosforilada por PKA,

estabiliza los filamentos de actina recién formados, y favorece su localización en

las uniones oclusoras (tight junctions) de células endoteliales y epiteliales, en

donde se asocia a la proteína ZO-1 y co-localiza con ocludina y JAM-A.

La función de los complejos de señalización dependientes de AMPc en

diversos procesos, se estudia usando herramientas farmacológicas para modular

los niveles de AMPc intracelular como: a) la forskolina, un compuesto natural que

se extrae de la planta medicinal Coleus forskohlii que activa directamente a las

adenilato ciclasas, y b) las metilxantinas, una variedad de inhibidores de las

fosfodiesterasas (PDE), por ejemplo, el IBMX (3-isobutil-1-metil-xantina). Además,


77

se han generado varios análogos del AMPc permeables a la membrana y se han

sintetizado inhibidores selectivos para la PKA [21] (Figura 1 y Figura 2).

Figura 2. La activación de los ejes GPCR/G13/Rho y GPCR/Gs/cAMP diferencialmente controlan la polimerización de actina en células epiteliales. La esfingosina-1-fosfato (S1P) fue usada para estimular el eje GPCR/G13/Rho en células hepáticas C9, lo cual resulta en un aumento en la tinción de F-actina y en la formación de fibras de estrés. Por otro lado, el aumento de los niveles de AMP cíclico con el tratamiento con glucagon o con la mezcla Forskolina/IBMX promovió la reorganización de la F-actina en una estructura con un patrón que semeja una red de actina entrecruzada, en las células C9. Se emplearon dos métodos para teñir la F-actina: la faloidina y LifeAct, y la actina se visualizó por

microscopía confocal. Barra de escala = 20 M. El protocolo de tinción se llevó a cabo como se describe previamente [5].

Comunicación cruzada entre las señales de los GPCRs y las vías de

señalización Hippo y TGF-β

Los GPCRs también funcionan como transductores de señales

extracelulares para controlar la expresión de genes; por ejemplo, RhoA coordina la

expresión de genes promotores del crecimiento, como los regulados por el SRF

(factor de respuesta a suero), y así promueven la progresión del ciclo celular y el

crecimiento normal o aberrante [22]. Otro mecanismo implica una

intercomunicación entre los GPCRs y otras vías de señalización. Las vías Hippo y

de TGF-β son relevantes en el control del tamaño de los órganos. Se descubrió

recientemente, un papel clave de los GPCRs en los hepatocitos, al funcionar como

potentes reguladores de las vías Hippo/YAP/TAZ y TGFβ/Smad/Ski/SnoN. La ruta

Hippo es una vía de señalización negativa que controla la actividad de los

cofactores transcripcionales YAP y TAZ. Estos efectos negativos son mediados

por las cinasas LATS, las cuales fosforilan a los cofactores YAP y TAZ, y los


78

mantienen en el citosol. Diversas subunidades Gα como Gαq/11, Gα12/13, y Gαi/o

pueden activar a los cofactores YAP y TAZ a través de la modulación de las

dinámicas del citoesqueleto de actina, mientras que las señales acopladas a Gαs

reprimen su actividad. Así, un GPCR que activa a la GTPasa Rho, induce la

formación de F-actina para inhibir la actividad de la cinasa LATS, independiente de

la cinasa MST. Los cofactores YAP y TAZ desfosforilados son trasladados al

núcleo para regular la expresión de diversos genes relacionados con el

crecimiento celular [23]. Por otro lado, nosotros demostramos que la estabilidad de

las proteínas Ski y SnoN, dos co-represores transcripcionales de la vía TGF-

β/Smad, es regulada diferencialmente por cambios en el re-arreglo del

citoesqueleto de actina, en respuesta a la activación de GPCRs. Los GPCRs

acoplados a Gs (como los de Glucagon) específicamente promueven la

estabilización de la proteína Ski, mientras que los GPCRs acoplados a G13 (como

los de S1P y LPA) causan por un lado la degradación de la proteína Ski y por otro

la estabilización de la proteína SnoN [24,25].

Las vías de señalización de los receptores tipo RTK (Receptor Tyrosine

Kinase)

El grupo más grande de receptores transmembranales con actividad

enzimática son los RTKs. Los RTKs son receptores para una gran variedad de

ligandos extracelulares como algunas hormonas (la insulina y la hormona del

crecimiento), y para factores de crecimiento (como EGF, PDGF, HGF, etc.). Estos

receptores juegan un papel muy importante en la regulación del crecimiento, la

diferenciacion y la sobrevivencia celular. La mayoria de los RTKs son monómeros

que solo dimerizan cuando se unen a su ligando. La dimerización activa su

dominio de cinasa por un proceso de transfosforilación o autofosforilación, creando

sitios de acoplamiento (docking sites) para la interacción con efectores

específicos. Una vez fosforilados en residuos de tirosina, los dominos

citoplasmáticos de los RTKs sirven como plataformas para la asociación de varias

proteínas intracelulares implicadas en la transducción de señales. Estas proteínas

en general tienen un dominio SH2, que utilizan para unir a los residuos de tirosina

fosforilados en los RTKs. La unión de diferentes proteínas permite la activación de

múltiples vías de señalización, al mismo tiempo.

Una de las principales vías intracelulares activada por los receptores tipo

RTK, es la cascada de MAPKs. La vía comienza con la activación de Ras, la cual

es una proteína G pequeña anclada a la membrana que tiene baja actividad

intrínseca de GTPasa. En el estado inactivo, Ras está unida a GDP, sin embargo

su asociación indirecta con los RTKs a través de proteínas adaptadoras (como


79

Grb2), favorece su activación por un GEF (como Sos), el cual cataliza la unión de

Ras a GTP y la disociación de GDP, llevando a Ras al estado activo. En seguida,

Ras-GTP activa a Raf, la primer cinasa de la cascada de MAPKs, lo cual causa

que las tres MAP cinasas (Raf, MEK y ERK), sean activadas entre ellas a través

de una cascada de fosforilaciones. Al final, ERK activa a diferentes factores de

transcripción, llevando a un cambio en la transcripcion génica. Para terminar está

señal, un grupo de proteínas llamadas GAPs (proteínas activadoras de GTPasa)

activan la hidrólisis del GTP unido a Ras. Cabe mencionar que Ras esta mutada

en 30% de los tumores humanos; muchas de las mutaciones bloquean la hidrólisis

del GTP, manteniendo a Ras en el estado activo y a la célula en un estado

proliferativo [1,26].

Los RTKs pueden activar a otras vías de transducción, como la activación

de la enzima PI3K, la cual fosforila fosfolípidos de inositol en la membrana

plasmática, llevando a la activación de cinasas de proteínas como PDK y AKT

(PKB), que también llevarán la señal hasta el núcleo, al regular la actividad de

factores transcripcionales por fosforilación. Esta función es importante para

controlar la diferenciación celular, al poder determinar los patrones de

transcripción de múltiples genes. Por otro lado, algunas proteínas de la ECM y

ciertas proteínas de superficie en las células, pueden también unir y activar a

receptores tipo RTKs. Por ejemplo, la unión a RTKs de proteínas de superficie

como las efrinas, participan como guías de los procesos del desarrollo implicados

en la arquitectura de los tejidos, ayudan en la localización final de las

terminaciones nerviosas, y en la maduración de los vasos sanguíneos. Cuando los

RTKs no funcionan apropiadamente, el crecimiento y la diferenciacion celular se

alteran. Por ejemplo, muchos tipos de cáncer expresan RTKs con mutaciones; por

esta razón, los RTKs son los blancos de varios fármacos usados en las

quimioterapias contra el cáncer [1,26].

Los RTKs pueden controlar la actividad de otras proteínas G pequeñas,

como los miembros de la familia Rho, incluyendo RhoA, Cdc42 y Rac. RhoA está

implicada en la formación de fibras de estrés de actina, adhesiones focales y

ensamblado de actinomiosina. RhoA une y activa a la cinasa ROCK, la cual tiene

varios blancos en el citoesqueleto. ROCK incrementa la fosforilación de MYL/MLC

(la cadena ligera de la miosina) por fosforilación directa de MYL y al inhibir a la

fosfatasa de MYL (MLCP), llevando al ensamblado de la actinomiosina. ROCK

también fosforila a la cinasa LIMK, la cual inhibe por fosforilación a la proteína

despolimerizadora de actina llamada cofilina, lo que lleva a la estabilización de

actina. Además, ROCK aumenta la actividad de la proteína de intercambio Na+/H+


80

llamada NHE1, y a la PI4P5K, potenciando la formación de fibras de estrés y el

ensamblado de adhesiones focales [1,26] (Figura 3).

Figura 3. Las vías de señalización de los receptores tipo RTK controlan la polimerización de la actina. El esquema describe los diferentes mecanismos moleculares implicados para regular la polimerización de actina en respuesta a la activación de los receptores con actividad enzimática como los RTKs (Receptor tyrosine kinase). Las principales vías de señalización implicadas son la cascada de MAPK y la vía PI3K/Akt.

Por otro lado, la activación de Rac y Cdc42 llevan a la activación de PAK, la

cual promueve el desensamblado de las fibras de estrés y de las adhesiones

focales, a través de la inactivación de MLCK y de la estabilización de los

filamentos de actina, a través de la activación de LIMK. IQGAP es una proteína

que funciona como andamio, río debajo de Rac y Cdc42, que promueve la

formación de uniones adherentes. RhoA causa la formación de fibras de estrés,


81

mientras que la estimulación de Rac, a través de la activación de WAVE y del

complejo Arp2/3-actina, induce la formación de lamelipodios, y la activación de

Cdc2 lleva a la formación de filopodios a través de la unión a NWASP. Así, el

citoesqueleto de actina, regulado por las diferentes vías de transducción

controladas por los receptores tipo RTK, juega un papel importante en procesos

dinámicos tales como la motilidad, la guía de los axones, la citoquinesis y la

fagocitosis. Así, los movimientos celulares son el resultado de la adhesión, de la

pérdida del pegado a la ECM, y de la sucesiva re-adhesión de los filopodios y los

lamelipodios. Esta remodelación celular requiere de una regulación precisa de la

organización y del ensamblado/desensamblado de los filamentos de actina [1,26]

(Figura 3).

Las vías de señalización de los receptores tipo integrinas

Las células normales no pueden crecer en suspensión como lo hacen las

células cancerosas, sino que necesitan pegarse a una superficie como la matriz

extracelular (ECM) de un tejido. Las células tienen proteínas transmembranales

llamadas integrinas, las cuales funcionan como receptores que anclan a las

células a proteínas de la ECM, tales como: laminina, fibronectina, vitronectina, y

colágenas (tipo I, II y IV). Las integrinas son receptores de adhesión

heterodiméricos compuestos por subunidades alfa y beta. Se sabe que existen al

menos 18 diferentes subunidades alfa y 8 o más subunidades beta, para generar

un total de 24 receptores heterodiméricos alfa/beta. La interacción de la célula con

la ECM se realiza a través de las adhesiones focales que contienen integrinas

aglutinadas, poteínas citoplasmáticas y fibras de estrés de actina. La cinasa de

tirosinas llamada Src está localizada en las adhesiones focales. Src fosforila a la

cinasa de adhesiones focales (FAK), la cual una vez fosforilada se une a proteínas

con dominios SH2 como el complejo Grb2-SOS, activando a la cascada de MAPK.

La activación de FAK también resulta en la generación de señales que afectan a

componentes ribosomales, resultando en la regulación de la síntesis de proteínas

que es requerida para la transición de la fase G1 a la fase S durante el ciclo

celular. El ensamblado de las adhesiones focales tiene un gran efecto en la

organización del citoesqueleto de actina en la célula, a través de la activación de

la proteína G pequeña Rho. Una vez que una vía activa a Rho, esta activa la vía

de PIP2 que afecta a las proteínas que se asocian a actina (ABPs), controlando

así la polimerización de actina. Por otro lado, Rho también activa ROCK, la cual

inactiva a MLCP, llevando a la activación de la miosina y a la organización de la

actina en fibras de estrés [1,27] (Figura 4).


82

Figura 4. Las vías de señalización activadas por integrinas que controlan la polimerización de la actina. Diferentes vías de senalización activadas por las integrinas controlan los rearreglos del citoesqueleto de actina. Las principales vías de señalización activadas incluyen la activación de las cinasas FAK y Src, así como la activación de proteínas G pequeñas de la familia de Rho.

Una de las funciones principales de las señales de integrinas es enlazar las

proteínas de la ECM a los filamentos de actina intracelulares, vía las interacciones

de las integrinas con las ABPs tales como filamina A, talina, alfa-actinina y los

complejos ILK/pinch/parvina. La filamina A enlaza los filamentos de actina en

redes ortogonales o haces paralelos, y puede inducir la reorganización del

citoesqueleto por diferentes vías. La filamina A recluta al GEF llamado Trio, el cual

cataliza la transición de Rac1 de la forma unida a GDP a la unida a GTP. Rac1-

GTP entonces activa a PAK1 (p21-activated kinase 1). Alternativamente, la

filamina A directamente se asocia con y activa a PAK1, llevando a la fosforilación


83

de filamina A inducida por PAK. PAK1 también promueve la activación de la

polimerización de actina por la fosforilación de Arp2/3 [1,27] (Figura 4).

La cinasa ILK se asocia a las subunidades beta de las integrinas y fosforila

a la cinasa Akt (PKB), llevando a la proliferación y sobrevivencia celular mediada

por integrinas. Otro blanco de ILK es GSK3-beta, cuya fosforilación lleva a la

estabilización y aumento del cofactor transcripcional Beta-catenina en el núcleo,

en donde se asocia con los factores de transcripción Tcf/Lef-1 para activar la

expresión de genes, incluyendo a c-Myc y ciclina D1. Se ha demostrado que ILK

se une al adaptador PINCH, el cual interacciona con NCK2 (Grb4). El adaptador

NCK2 (Grb4) puede reclutar a PAK1 y a la proteína que interacciona con WASP

(proteína del síndrome Wiskott-Aldrich) llamada WIRE, llevando a la activación de

Arp2/3 y a la polimerización de actina. La adhesión de las células a la matriz

extracelular también regula la proliferación celular y la sobrevivencia. La activación

de integrinas por fibronectina induce la fosforilacion de FAK1 y paxilina, y causa la

formación de los complejos FAK1/GRB-2/SOS, llevando a la activación de H-

Ras/c-Raf-1/MEK1, MEK2/ERK (MAPK1/3). Cabe mencionar que un control

aberrante de la señalización del citoesqueleto puede resultar en una desconexión

entre los estímulos extracelulares y las respuestas celulares, lo cual se ha visto en

patologías del sistema inmune, en defectos del desarrollo y en el cáncer [1,27].

Conclusiones

Los microfilamentos son componentes estructurales del citoesqueleto y

consisten de polímeros fibrosos de la proteína actina, llamados F-actina. Los

microfilamentos son importantes para los cambios en la forma de la célula, la

migración, la proliferación, y la sobrevivencia. La regulación del citoesqueleto de

actina se puede controlar por la señalización a través de receptores membranales

tales como los GPCRs, las integrinas, los RTKs, y numerosos receptores

especializados. Estos receptores inician un gran número de cascadas de

señalización que incluyen a la familia Rho de GTPasas pequeñas (Rho, Rac y

Cdc42) y sus activadores los GEFs, a sus cinasas efectoras como ROCK y PAK,

así como la unión directa a varias proteínas reguladoras de la actina; de tal forma

que estas cascadas convergen sobre proteínas que directamente regulan el

comportamiento y la organización del citoesqueleto de actina. A través de una

intercomunicación entre los microfilamentos de actina, los microtúbulos y los

filamentos intermedios, es que se logra coordinar la función de todo el

citoesqueleto en las células eucariontes.


84

En esta revisión, describimos el papel de las dinámicas del citoesqueleto de

actina en la transducción de señales extracelulares, y además ilustramos los

mecanismos moleculares implicados en la transducción de señales que provienen

especificamente de receptores transmembranales del tipo GPCR, RTKs e

integrinas, y cómo se comunican con el citoesqueleto para ejecutar

adecuadamente diversas respuestas celulares.

Agradecimientos

Nuestro trabajo está apoyado por donativos de PAPIIT/DGAPA/UNAM (No.

IN208115), CONACyT-SEP (No. 240224) y CONACyT-ANR (No. 188565).

Referencias

1. Gomperts, B.D., Kramer, I.M., y Tatham, P.E.R. (2009) Signal Transduction, 2nd Ed, Elsevier, Oxford, UK.

2. Lodish, H., Kaiser, C.A., Bretscher, A., y Amon, A. (2013). Molecular Cell Biology, 7nd Ed, W.H. Freeman and Company, NY.

3. Blanchoin, L., Boujemaa-Paterski, R., Sykes, C., y Plastino, J. (2014) Physiol. Rev., 94, 235–263.

4. Schappi, J.M., Krbanjevic, A., y Rasenick, M.M. (2014) Biochim. Biophys. Acta, 1838, 674–681.

5. Vázquez-Victorio, G., González-Espinosa, C., Riquer-Espinosa, Z.P. y Macías-Silva, M. (2016). En: Arun Shukla editor. Methods in Cell Biology, Elsevier Inc. (En prensa).

6. Adams, A.E., y Pringle, J.R. (1991) Methods in Enzymology, 194, 729–731.

7. Riedl, J., Crevenna, A.H., Kessenbrock, K., Yu, J.H., Neukirchen, D., Bista, M. et al. (2008) Nat. Methods, 5, 605–607.

8. Papakonstanti, E.A., y Stournaras, C. (2008) FEBS Lett., 582, 2120–2127. 9. Hopkins, P.N. (2013) Physiol. Rev., 93, 1317–1542. 10. Head, B.P., Patel, H.H., y Insel, P.A. (2014) Biochim. Biophys. Acta, 1838,

532–545. 11. Castillo-Badillo, J.A., Cabrera-Wrooman, A, y García-Sáinz, J.A. (2014)

Arch. Med. Res., 45, 283-293. 12. Wettschureck, N., y Offermanns, S. (2005) Physiol. Rev., 85, 1159–1204. 13. Ritter, S.L., y Hall, R.A. (2009) Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 10, 819–830. 14. Roux, B.T., y Cottrell, G.S. (2014) Int. J Mol. Sci., 15, 1112–1142. 15. Castillo-Badillo, J.A., Sánchez-Reyes, O.B., Alfonzo-Méndez, M.A., Romero-

Avila M.T., Reyes-Cruz, G., y García-Sáinz, J.A. (2015) PLoS One, 10, e0121165.

16. Hwangpo, T.N., y Iyengar, R. (2005). Chapter 5: En Lakshmi A. Davi editor, Contemporary Clinical Neuroscience: The G Protein-Coupled Receptors Handbook. Totowa, NJ: Humana Press Inc; 2005, P. 109-134.


85

17. Kamato, D., Thach, L., Bernard, R., Chan, V., Zheng, W., Kaur, H., et al. (2015) Front. Cardiovasc. Med., 2, 1–14.

18. Bhattacharya, M., Babwah, A.V., y Ferguson, S.S.G. (2004) Biochem. Soc. Trans., 32, 1040–1044.

19. Vázquez-Prado, J., Miyazaki, H., Castellone, M.D., Teramoto, H., y Gutkind, J.S. (2004) J. Biol. Chem., 279, 54283–54290.

20. Andreeva, A.V., Kutuzov, M.A., y Voyno-Yasenetskaya, T.A. (2007) J. Mol. Signal., 2, 13.

21. Schmidt, M., Dekker, F.J., y Maarsingh, H. (2014) Pharmacol. Rev., 65, 670–709.

22. Yu, O.M., y Brown, J.H. (2015) Mol. Pharmacol., 88, 171–180. 23. Yu, F.-X., y Zhao, B., Panupinthu, N., Jewell, J.L., Lian, I., Wang, L.H., et al.

(2012) Cell, 150, 1–12. 24. Vázquez-Victorio, G., Caligaris, C., Del Valle-Espinosa, E., Sosa-Garrocho,

M., González-Arenas, N.R., Reyes-Cruz, G., et al. (2015) J. Biol. Chem., 290, 4487–4499.

25. Caligaris, C., Vázquez-Victorio, G., Sosa-Garrocho, M., Río-López, D.G., Hernández-Marín, A., y Macías-Silva, M. (2015) Biochim. Biophys. Acta, 1850, 1832–1841.

26. Lemmon, M.A., y Schlessinger, J. (2010) Cell, 141, 1117–1134. 27. Geiger, B., Spatz, J.P., y Bershadsky, A.D. (2009) Nat. Rev. Mol. Cell Biol.,

10, 21–33.


86

Semblanza de la Dra. Marina Macías Silva

Es Bióloga, graduada por la

Facultad de Ciencias de la UNAM, con

estudios de maestría y doctorado en

Investigación Biomédica Básica (área

de Bioquímica), por la UACPyP de la

UNAM. Desde julio del 2001 es

investigadora en el Instituto de

Fisiología Celular (IFC), y desde el

2013 es Investigador Titular “C” de T.C.

Es miembro del Sistema Nacional de

Investigadores (SNI) desde 1991, y actualmente es investigadora del SNI nivel 2.

Después de obtener su doctorado fue contratada dos años como investigador

asociado “C” de T.C. en el Departamento de Bioenergética del IFC en el grupo del

Dr. J. A. García Sáinz. Posteriormente realizó dos estancias posdoctorales, una en

The Hospital for Sick Children en Toronto, Canadá, en el grupo del Dr. Jeffrey L.

Wrana, y la segunda en The University of Pennsylvania en Philadelphia, PA.

EE.UU. en el grupo de la Dra. Rebecca Taub. Recibió una beca del Medical

Research Council de Canada para sus estudios de posdoctorado. Además, recibió

el Reconocimiento “Sor Juana Inés de la Cruz 2013”, por su trayectoria académica

en la UNAM. Entre las aportaciones de la Dra. Macías a la ciencia destaca el

haber descrito parte de la vía canónica de la citocina TGF-beta, para traducir sus

señales en las células, identificando a los factores de transcripción Smad como los

sustratos directos de los receptores del TGF-beta. Actualmente su trabajo se ha

enfocado en estudiar los mecanismos moleculares de control de las señales de la

citocina TGF-beta en procesos de reparación tisular y cáncer. La Dra. Macías

tiene más de 54 publicaciones, con más de 2700 citas en revistas internacionales

y libros de texto. En su interés por difundir la transducción de señales en México,

la Dra. Macías es cofundadora de la Rama de Transducción de Señales de la

Sociedad Mexicana de Bioquímica (2006), foro cuyo objetivo es lograr una

interacción entre investigadores nacionales y extranjeros, y con estudiantes de

todos los niveles.

el citoesqueleto de actina: una …tab.facmed.unam.mx/files/5-marina-mac-as.pdf · beneficios que...

Documents