Cell response to stress

Article published in August 2014.

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2014.08.1

César de Haro 
Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM)
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Stress response in eukaryotes involves adaptive changes in gene expression. One of the earliest events in this process is the activation of protein kinases that phosphorylate the translation initiation factor eIF2, which promotes the whole-cellreprogramming of protein synthesis. Stress-induced eIF2 phosphorylation leads to a general inhibition of protein synthesis, and the translational activation of many mRNA involved in cellular recovery. This regulation culminates with the restoration of cellular homeostasis that is necessary for survival and adaptation.

 

En respuesta a distintas situaciones fisiológicas de estrés que incluyen infección viral, falta de nutrientes, radiación ultravioleta y choque térmico, la fosforilación transitoria de la subunidad α del factor de iniciación de la traducción en las células eucarióticas, eIF2, reduce rápidamente la síntesis global de proteínas, lo cual atenúa el gasto energético, y facilita la reprogramación de la expresión génica para remediar el daño.
Virtualmente, en todas las situaciones de estrés celular se produce la fosforilación de eIF2α, activándose alguna de las eIF2α quinasas de manera específica. Dicha fosforilación produce una profunda inhibición de la síntesis de proteínas en general, y al mismo tiempo, la activación traduccional de un conjunto de genes implicados en la respuesta al estrés celular. En las células de mamífero se han identificado cuatro eIF2α
quinasas que están reguladas por distintas señales: HRI, por deficiencia de hierro; PKR, por ARN de doble cadena producido en células infectadas por virus; PERK, por situaciones de estrés en el retículo endoplásmico; y GCN2, por privación de aminoácidos o suero y por radiación ultravioleta (1). En la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe están presentes GCN2 y dos eIF2α quinasas relacionadas con el HRI de mamíferos (Hri1 y Hri2). En células de mamífero, cuando se activan GCN2 o PERK mediante sus correspondientes estímulos, se inhibe la traducción global pero se estimula la síntesis del factor de transcripción ATF4, que a su vez regula la expresión de genes de respuesta a estrés (CHOP, BiP, otros), favoreciendo el crecimiento y la supervivencia celular (2). Es bien sabido que en una situación de escasez de aminoácidos se activa Gcn2, la única eIF2α quinasa presente en la levadura Saccharomyces cerevisiae, promoviendo un incremento significativo en la traducción del gen Gcn4, un factor de transcripción necesario para la supervivencia celular. En respuesta a distintos tipos de estrés, la levadura Schizosaccharomyces pombe aumenta rápidamente los niveles de eIF2α fosforilado mediante la activación de alguna de sus eIF2α quinasas. Así: i) tras el choque térmico o durante la privación de glucosa, se activa Hri2; ii) tras los estreses oxidativo o genotóxico, se activa Gcn2; iii) tras el agotamiento de los nutrientes al final de la fase exponencial de crecimiento, se activa Hri1; y iv) tras la privación de nitrógeno, se activan Gcn2 y Hri1. Además, la fosforilación de eIF2α por Gcn2 es esencial para la supervivencia de la levadura en medio mínimo, tras el estrés oxidativo o los niveles bajos de glucosa (3).

En respuesta a la infección viral se activa PKR y se promueve la inhibición de la traducción de los ARN mensajeros virales y la consiguiente inhibición de la replicación del virus. También, el GCN2 actúa como un agente antiviral frente a diversos virus ARN con tropismo por el sistema nervioso central. Así: i) el ARN de distintos virus (Sindbis, HIV‐1, Polio, otros) activan al GCN2; ii) células de ratón que carecen de GCN2 son más permisivas a la infección por el virus Sindbis (SV) y un pequeño exceso de GCN2 inhibe la replicación viral; y iii) ratones desprovistos de GCN2 son más susceptibles a la
infección intranasal con SV, detectándose una carga viral en el cerebro de estos ratones GCN2‐/‐ muy superior a la encontrada en los ratones control (4).
Existen cada vez más trabajos que relacionan directamente un aumento en los niveles de eIF2α fosforilado con procesos neurodegenerativos. En efecto, alguna eIF2α quinasa es responsable de mantener elevados los niveles de eIF2α fosforilado durante la muerte neuronal inducida por estrés oxidativo en la enfermedad de Alzheimer. En estudios de plasticidad sináptica se ha observado una relación íntima entre la síntesis de proteínas de novo, el aprendizaje y la memoria. Así, el GCN2 regula la plasticidad sináptica, el aprendizaje y la memoria modulando la ruta de señalización de ATF4/CREB (5). En este sentido, se han observado niveles elevados de eIF2α fosforilado tanto en cerebros de pacientes como en sistemas modelo de ratón con la enfermedad de Alzheimer. Recientemente, se ha demostrado que la deleción genética de las eIF2α quinasas PERK o GCN2 disminuye la fosforilación de eIF2α, aumenta la síntesis de proteínas y además, estimula la plasticidad sináptica y la memoria espacial de ratones modelo con la enfermedad de Alzheimer (6). Estos descubrimientos sugieren que PERK y GCN2 son dianas terapéuticas potenciales para mejorar la disfunción sináptica y la memoria de los individuos con enfermedad de Alzheimer.
Los cambios post‐transcripcionales tempranos de la expresión génica que se producen tras el estrés celular, especialmente la reprogramación de la traducción promovida por el aumento en los niveles de eIF2α fosforilado, generan las señales y los instrumentos (síntesis de proteínas de novo, entre otros) necesarios para organizar una respuesta integrada que propicie la adaptación y la supervivencia de las células y los animales.

 

 

  Figura. Regulación de la expresión génica a nivel de traducción por las eIF2α quinasas.

 

REFERENCES

 

1. Dever TE "Gene-specific regulation by general translation factors" Cell 108:545-546 (2002)
2. Han et al. "ER-stress-induced transcripcional regulation increases protein synthesis leading to cell death" Nature Cell Biology 15:481-490 (2013)
3. Martín R, Berlanga JJ & de Haro C "New roles of the fission yeast eIF2α kinases Hri1 and Gcn2 in response to nutritional stress" J. Cell. Sci. 126:3010-3020 (2013)
4. Berlanga et al. "Antiviral effect of the mammalian translation initiation factor eIF2α kinase GCN2 against RNA viruses" EMBO J. 25:1730-1740 (2006)
5. Costa-Mattioli et al. "Translational control of hippocampal synaptic plasticity and memory by the eIF2α kinase GCN2" Nature 436:1166-1173 (2005)
6. Tao et al., "Suppression of eIF2α kinases alleviates Alzheimer's disease-related plasticity and memory deficits" Nature Neuroscience 16:1299-1305 (2013)

 

 

 

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Entrevista

César de Haro
Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM) 
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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? 

R.- No sé con exactitud cuando surgió esa vocación, pero tomé la decisión de intentar seguir una carrera investigadora durante el último año de mis estudios de la licenciatura de Ciencias Químicas, que cursé en la Universidad de Salamanca. En un momento dado, durante ese curso académico, el Profesor Julio R. Villanueva, Catedrático de Microbiología de la Facultad de Biología, me ofreció incorporarme a su Departamento al finalizar mis estudios, para llevar a cabo la Tesis Doctoral. Esa opción representaba para mí el cambio a un área de conocimiento desconocida, pues no la había cursado durante mis estudios de licenciatura; a pesar de ello, no dudé en aceptar dicha oferta, ya que me ofrecía la oportunidad de adquirir una buena formación científica dentro de un ambiente científico estimulante.

 

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Me incorporé al Departamento de Microbiología de la Universidad de Salamanca que dirigía el Prof. Julio R. Villanueva, donde llevé a cabo los trabajos de Licenciatura y de Doctorado, bajo la dirección del Prof. Rafael Sentandreu. A principios del año 1976, dos semanas después de defender mi Tesis Doctoral, crucé el charco para incorporarme al laboratorio que dirigía el Dr. Severo Ochoa, en el Instituto Roche de Biología Molecular, en Nutley, New Jersey, EE.UU. En ese momento, comencé a interesarme en el conocimiento de los mecanismos de control que operan en las células eucarióticas, a nivel del proceso de la traducción de sus ARN mensajeros. Ese interés, que se inició durante mi etapa postdoctoral, se ha mantenido vigente a lo largo de mi carrera investigadora hasta la actualidad. Tras tres años inolvidables al lado del Dr. Severo Ochoa, a comienzos del año 1979 regresé a España para incorporarme al recién estrenado Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, un centro mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Universidad Autónoma de Madrid. Este nuevo modelo de centro de investigación estuvo inspirado y alentado por el Dr. Severo Ochoa y en él se reunieron los grupos de investigación que lideraban los Dres: Eladio Viñuela, Federico Mayor, David Vázquez y Antonio G. Bellido; y un Departamento Técnico dirigido por Javier Corral. Durante estos años he tenido la fortuna de atraer a nuestro laboratorio a algunos estudiantes brillantes que realizaron con nosotros sus estudios predoctorales y que ahora están liderando sus propios grupos de investigación en centros del máximo prestigio.

 

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- La pasión por el avance del conocimiento y la creencia de que puedes aportar algo a dicho avance. Severo Ochoa lo llamaba "la emoción de descubrir" y comparto este pensamiento suyo: "Pocas veces he tenido emoción mas intensa que cuando creí haber hecho descubrimientos de alguna transcendencia". Además, el investigador debe ser curioso, perseverante, riguroso y conocer en profundidad el área de conocimiento de su campo de interés.

 

P.- ¿Qué consejo daría a los que inician hoy sus carreras científicas?

R.- Que busquen un buen maestro y un buen ambiente científico. Es el momento de aprender y formarse bien, durante sus etapas pre- y post-doctoral. La trayectoria científica de Severo Ochoa desde sus comienzos hasta que llegó a ser investigador independiente, recibiendo enseñanzas de nueve científicos, tres de ellos Premios Nobel, en nueve laboratorios distintos, en España, Alemania, Reino Unido y EE.UU., puede servir de modelo. Si en las circunstancias actuales no encuentran acomodo en nuestro país para desarrollar su vocación, deben emigrar a otros países desarrollados que les recibirán con los brazos abiertos.

 

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Nuestro grupo de investigación está interesado en conocer mejor los mecanismos moleculares que emplean las células eucarióticas para regular la expresión de su información genética, en la etapa de la síntesis de las proteínas. Sabemos que, en las células de mamífero sometidas a situaciones fisiológicas de estrés, se activa una familia de proteínas quinasas que fosforilan de forma transitoria a un factor de iniciación de la síntesis de proteínas y ello conduce a la activación traduccional de genes específicos, implicados en la adaptación al estrés y a la supervivencia celular. Nuestro objetivo final es desvelar el significado fisiológico de esta familia de quinasas y de sus moduladores en la respuesta antiviral frente a virus ARN, así como utilizarlas como dianas terapéuticas en enfermedades neurodegenerativas, tipo Alzheimer o Parkinson.

 

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX?

R.- El descubrimiento de la estructura molecular del ácido desoxirribonucleico (ADN) por el físico inglés Francis Crick y el zoólogo estadounidense James Watson. El 25 de abril de 1953 se publicó, en la revista Nature, que el ADN está estructurado en forma de Doble Hélice. Como cualquier descubrimiento de esta magnitud, se apoyó en aportaciones previas de otros grandes científicos. Los hitos que llevaron a Watson y Crick a proponer su modelo de la Doble Hélice se resumen así: i) En 1947, Erwin Chargaff estableció que en el ADN las bases no estaban en igual proporción sino que la cantidad de guanina era igual a la de citosina y la de adenina a la de timina; ii) En 1951, Linus Pauling publicó la estructura en hélice alfa de las proteínas y Maurice Wilkins postuló que la estructura del ADN también podía ser helicoidal; iii) Alexander Stokes, que trabajaba con Wilkins en el King's College de Londres, desarrolló las matemáticas de la difracción de rayos X de una molécula helicoidal y se ajustaban a los datos de Wilkins; y iv) La confirmación vino de la mano de Rosalind Franklin, una excelente cristalógrafa de Rayos X, que en 1952 obtuvo una de las fotografías más importante de la historia de la Biología Molecular: la fotografía 51 de la forma B del ADN. Con todas estas "piezas", Watson y Crick, ambos en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, resolvieron el "puzle". Este descubrimiento revolucionó la investigación genética, permitió el desciframiento de la clave genética, gracias al esfuerzo de los laboratorios de Marshall Nirenberg, Gobind Khorana y Severo Ochoa y habilitó el camino a futuras investigaciones como el Proyecto Genoma Humano.

 

Perfil biográfico

César de Haro
Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM) 
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César de Haro Castella es Investigador Científico del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, CSIC-Universidad Autónoma de Madrid. Es Licenciado y Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad de Salamanca. Durante tres años (1976-78), trabajó en el Roche Institute of Molecular Biology (Nutley, NJ) bajo la dirección del Dr. Severo Ochoa. Sus trabajos siempre han estado centrados en el estudio de los mecanismos de control de la expresión génica de células eucarióticas a nivel del proceso de la traducción de sus ARN mensajeros. Actualmente, es Director del Instituto de Biología Molecular "Eladio Viñuela" (CSIC) y Patrono y Secretario General de la Fundación Carmen y Severo Ochoa.

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