Sobre el calor y las células y proteínas

La opinión generalizada es que las formas de vida superiores se rigen por la temperatura ambiente, ya que prácticamente todos los procesos bioquímicos dependen de la temperatura. Las temperaturas ambientales extremas en la Tierra oscilan entre -89,2°C (medida el 21 de julio de 1983 en Wostock, Antártida) y +58°C (medida el 13 de septiembre de 1922 en Al Azizyah, Libia). A pesar de estas temperaturas extremas, las especies homeotérmicas, como los humanos, tienen la capacidad de regular su temperatura corporal central dentro de un estrecho rango de 37°C debido a los mecanismos autónomos de regulación de la temperatura. La capacidad de mantener una temperatura interna relativamente constante ha permitido a los animales homeotermos ser independientes de la influencia de las fluctuaciones de la temperatura ambiental. Además, se han descrito notables adaptaciones al calor y al frío en los homeotermos. Mientras que la aclimatación al calor se consigue en semanas, por ejemplo, simplemente aumentando la tasa de sudoración, la aclimatación al frío sólo se consigue tras la exposición a un entorno frío durante años. La población mejor estudiada en cuanto a la aclimatación al frío son los buceadores tradicionales coreanos y japoneses llamados Ama. Durante su trabajo de buceo en agua de mar fría a 10 °C, se han observado temperaturas rectales que oscilan entre los 37 °C y los 34,8 °C (7). Cuando la fisióloga Suki Hong estudió a estas mujeres a principios de la década de 1960, su tasa metabólica basal durante los meses de invierno, cuando buceaban en aguas muy frías, era significativamente superior a los valores observados durante los meses más cálidos. Para compensar este déficit calórico, el consumo de alimentos aumentó en unas 1.000 kcal en comparación con las no buceadoras. Además, la tasa de escalofríos en agua fría disminuyó en comparación con las mujeres de control no buceadoras. Sin embargo, cuando Hong repitió sus estudios en la década de 1990, las Ama ya no mostraban la capacidad metabólica mejorada, puesto que (afortunadamente) ya no buceaban con sus tradicionales trajes de baño de algodón, sino que se les proporcionaban trajes húmedos para combatir el estrés por frío.

La temperatura corporal central de los animales de sangre fría, los llamados animales poiquilotérmicos, depende de la temperatura ambiente. En los animales poiquilotermos, la temperatura es el factor ambiental más importante que rige la distribución de las especies. En los animales acuáticos poikilotérmicos se alcanzan temperaturas extremas. El pez antártico del suborden de los teleósteos Nototheniodei es un estenotermo extremo que vive en las aguas frías y térmicamente estables de la costa antártica, donde las temperaturas oscilan entre +0,3°C y -1,86°C. En 1998, se describió el gusano poliqueto Alvinella pompejana, que habita en aguas profundas a temperaturas hidrotermales superiores a +80°C y tiene un gradiente térmico de 60°C o más en la longitud de su cuerpo.

Aunque los mecanismos sistémicos de adaptación a los cambios de temperatura son bien conocidos, se sabe mucho menos sobre la adaptación a nivel celular o genético. La vida, vista desde la perspectiva celular, muestra altas variaciones de temperatura incluso en los cuerpos de los homeotermos (Fig. 1). Se pueden medir temperaturas de hasta +45°C en la piel durante la exposición al sol, lo que equivale a la temperatura del Sahara. Los miocitos están expuestos a temperaturas de hasta 40°C en el músculo de trabajo. Las temperaturas corporales centrales más bajas y más altas, a las que se sobrevivió en casos de hipotermia o hipertermia accidentales, son de ~30°C y ~43°C, respectivamente. A nivel sistémico, las temperaturas se perciben a través de receptores de frío y calor en neuronas somatosensoriales especializadas de los mamíferos. Estos receptores pertenecen a la familia de canales iónicos del potencial receptor transitorio, que convierten los estímulos de temperatura en potenciales eléctricos. Sin embargo, a nivel celular, cada célula es capaz de reaccionar a un cambio de temperatura con una mayor o menor producción de proteínas. Sonna et al. (15) detectaron 227 genes regulados al alza y 168 regulados a la baja (de un total de 12.600 investigados) mediante un enfoque de matriz de chips tras la exposición de células mononucleares de sangre periférica a 43°C durante 20 minutos. Un subconjunto de esas proteínas, las proteínas de choque térmico (HSP), están especializadas en la protección de las células contra el daño inducido por el calor. De forma similar a la respuesta específica al calor, cada célula es capaz de aumentar la producción de proteínas de choque térmico (HSP) en respuesta a una disminución de la temperatura.

En 1962, Ritossa descubrió las HSP en su trabajo pionero. Tras aumentar la temperatura en una incubadora que contenía cultivos de Drosophila, observó cambios notables en los patrones de hinchamiento cromosómico, es decir, los patrones de actividad génica de los cromosomas politénicos en las glándulas salivales de las larvas. Hoy en día, se sabe que en respuesta a muchas tensiones, como el calor, las condiciones oxidantes y la exposición a compuestos tóxicos, todas las células producen un conjunto común de HSP. Sin embargo, el nombre de estas proteínas se deriva del primer desencadenante (es decir, el calor) que se identificó como el que aumenta su síntesis. El aumento de la expresión de las HSP está mediado por múltiples niveles: la síntesis del ARNm, la estabilidad del ARNm y la eficiencia de la traducción. Los experimentos con varias especies han demostrado que el aumento de la expresión de estas proteínas puede proteger al organismo contra el daño inducido por el estrés. Además, las células a las que se les administra un preimpacto no letal de HSP sobreviven posteriormente a una exposición a temperaturas elevadas que, de otro modo, sería letal. Sorprendentemente, los patrones de expresión de las HSP muestran altos niveles de conservación entre las diferentes especies. Así, se cree que la respuesta al choque térmico es prácticamente universal entre los organismos. Sin embargo, en dos casos de peces expuestos a ambientes fríos y térmicamente estables (Hydra oligatis y Trematomus bernacchii), no se ha detectado ninguna respuesta de choque térmico.

Hay numerosos ejemplos que muestran que la expresión de las HSP puede variar con la temperatura ambiental en los seres humanos a pesar de su capacidad para mantener una temperatura corporal central constante. Se ha observado un aumento de la síntesis de HSP in vivo durante el ejercicio en el músculo cardíaco en función de la temperatura ambiental que afecta a las adaptaciones miocárdicas (6). Los cambios en la expresión de las HSP72 en los leucocitos se asocian a la adaptación al ejercicio en condiciones de alta temperatura ambiental. La importancia de las HSP para la adaptación sistémica ambiental está bien demostrada sobre todo en animales poiquilotérmicos. Estos estudios también muestran que la temperatura a la que se activan los genes HSP está sometida a una aclimatación térmica en función de la estación del año o de otros cambios en la temperatura ambiental media. En conjunto, las HSP evolucionaron como proteínas generales inducibles por el estrés para mantener la integridad celular (11). Sin embargo, este mecanismo de resistencia no sólo tiene lugar en situaciones fisiopatológicas, sino que también está adaptado en la fisiología de los mamíferos, por ejemplo en la resistencia osmótica de los queratinocitos o de las células renales, donde las condiciones osmóticas fisiológicas (a través del cambio de humedad o de la acumulación de cloruro de sodio/urea, respectivamente) dan lugar a una mayor expresión de las HSP (2).

Las HSPs y las chaperonas moleculares

En condiciones normales (no estresantes), las chaperonas moleculares ayudan en el plegado rutinario y la compartimentación de las proteínas recién sintetizadas, y también participan en una variedad de otras funciones celulares. Durante el estrés térmico u otras formas de estrés, las HSP inducidas por el calor se unen a las proteínas desnaturalizadas, impidiendo así su agregación y ayudando a que se vuelvan a plegar en estados nativos y funcionales tras el restablecimiento de la temperatura ambiente. Las HSP se han clasificado en las células eucariotas por su peso molecular. Hasta la fecha, se han identificado seis familias de HSP (HSP100, HSP90, HSP70, HSP60, HSP40 y las HSP pequeñas). Dado que la expresión de algunos miembros de las familias HSP aumenta en caso de inanición de glucosa, estas proteínas se denominan proteínas reguladas por la glucosa. Algunas HSP, descubiertas por primera vez independientemente de su papel como proteínas de estrés (como la ubiquitina o la αB-cristalina) llevan sus nombres particulares. En la Tabla 1 se ofrece una visión general de las familias de proteínas chaperonas y de su estructura y función. Las HSP90 y HSP70, en particular, desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la función celular en condiciones de estrés y no estrés.

Familia HSP90

Las HSP90 son proteínas altamente conservadas, que representan el 1-2% de todo el contenido proteico celular. La HSP90 comprende tres dominios estructurales identificados por digestión proteolítica. El dominio NH2-terminal de ~25-kDa está conectado a una región COOH-terminal de ~55-kDa altamente conservada por un enlazador cargado, que es variable en longitud y composición entre especies e isoformas. Se han descrito dos bolsas de unión a ATP, una situada en el NH2-terminal y otra en la región COOH-terminal. Al unirse al ATP o al calor, la HSP90 cambia de una forma en la que los dos dominios NH2-terminales están separados en el dímero a otra en la que están asociados, generando una estructura de dímero toroidal. Se cree que este cambio conformacional es responsable de la unión de sustratos. La HSP90 actúa como una chaperona molecular dependiente de ATP que participa en el plegamiento y la activación de un número desconocido de proteínas sustrato, entre las que se encuentran los receptores de hormonas esteroides, las proteínas quinasas y los factores de transcripción (14). La formación de complejos de estas proteínas cliente con la HSP90 es un requisito previo para su estabilidad y funcionalidad. Por lo tanto, las chaperonas pertenecientes a la familia HSP90 son actores clave en eventos celulares, como la replicación del ADN, la transcripción del ARN, el plegamiento de proteínas, la maduración, la translocación a través del retículo endoplásmico y las membranas mitocondriales, la proteólisis y la señalización celular. La HSP90 muestra una fuerte especificidad por sus proteínas cliente. Sin embargo, la HSP90 por sí sola es incapaz de promover el plegamiento y/o la activación de cualquiera de sus proteínas sustrato conocidas. Para una actividad completa, se requiere la interacción de la HSP90 con otras HSPs y co-captadores. En el caso del receptor de progesterona, participan al menos siete proteínas adicionales (HSP70, Hip, Hop, inmunofilinas y p23). Sobre la base del modelo del receptor de progesterona, el sustrato está ciclando entre un complejo temprano (que contiene HSP70 y Hop), un complejo intermedio (que contiene HSP70, Hop, y un dímero de HSP90), y el complejo maduro (que contiene un dímero de HSP90 y p23) con la necesidad de hidrólisis de ATP. La importancia de la HSP90 para las funciones celulares queda demostrada por el uso de antagonistas específicos de la HSP90, como la geldanamicina (GA), que ocupan el bolsillo de unión al ATP de la HSP90, impidiendo así el ciclo del heterocomplejo HSP90. Las células tratadas con GA muestran déficits en el crecimiento celular, así como en la estabilidad y activación de proteínas quinasas y factores de transcripción (9). El significado de la función chaperona de la HSP90 para la fisiología celular se ejemplifica mejor con su interacción con los factores de transcripción. Dado que la HSP90 chaperona el factor de transcripción responsable de la expresión génica dependiente del oxígeno, es decir, el factor inducible por hipoxia-1α, las células tratadas con GA se ven perjudicadas en la respuesta fisiológica de las células a una disminución de la tensión de oxígeno.

Familia HSP70

Las proteínas de 70 kDa relacionadas con el choque térmico comprenden una familia de chaperonas moleculares altamente conservadas que regulan el plegamiento de proteínas durante condiciones normales y de estrés (3). La HSP70, al igual que la HSP90, es una de las más abundantes de estas proteínas, representando hasta un 1-2% del total de las proteínas celulares. Las proteínas HSP70 promueven el plegado de las cadenas nacientes en los ribosomas, la translocación de las proteínas a través de las membranas y la protección a altas temperaturas mediante la interacción con las superficies hidrofóbicas expuestas de las proteínas desplegadas o parcialmente plegadas. Las proteínas HSP70 contienen dos dominios, un dominio ATPasa NH2-terminal y un dominio de unión a péptidos COOH-terminal. El dominio de unión a péptidos de la HSP70 se une a un péptido de siete residuos en una conformación extendida entre un subdominio β-hoja y un subdominio α-helicoidal. Se cree que la unión del ATP al dominio ATPasa desencadena la liberación del sustrato haciendo que el dominio α se doble hacia arriba en una unión flexible cerca del centro de la larga hélice que se extiende sobre el péptido. Se ha demostrado que las co-chaperonas de la HSP70, como Hip, Hop, HSP40 y Bag-1, desempeñan un papel importante en la modulación de la actividad de la HSP70, así como en la especificidad del sustrato de la proteína. Hip es una proteína citosólica de 50 kDa que interactúa con el dominio ATPasa de los miembros de la familia HSP70 y mejora la interacción con el sustrato. El lúpulo es una co-chaperona única que tiene la capacidad de interactuar con la maquinaria de chaperonas HSP70 y HSP90 en varios sistemas. En ausencia de HSP40 y ATP, HSP70 se une preferentemente a péptidos y proteínas desnaturalizadas. Sin embargo, en presencia de HSP40, HSP70 muestra una mayor especificidad de sustrato. Bag-1 se descubrió originalmente como una proteína asociada a Bcl-2. Además de su interacción con miembros antiapoptóticos de la familia de proteínas Bcl-2, Bag-1 también interactúa específicamente con HSP70. En condiciones de estrés, se observa una mayor formación de complejos Bag-1-HSP70. La generación de una disrupción génica dirigida del gen HSP70.1 o HSP70.3 subraya la importancia de HSP70 en el mantenimiento de la termotolerancia adquirida y la disminución de la sensibilidad a la apoptosis inducida por el calor (8).

HSPs: el termómetro celular

La expresión inducible de HSPs está regulada por los factores de transcripción de choque térmico (HSFs) (13). En los vertebrados, se han identificado hasta ahora cuatro HSFs diferentes. La existencia de múltiples HSFs sugiere diferencias funcionales de los HSFs. En contraste con el HSF1 y el HSF3, el HSF2 no se activa en respuesta a los estímulos de estrés clásicos. El HSF1, sin embargo, muestra las características típicas de inducibilidad por estrés, unión al ADN, oligomerización y localización nuclear en respuesta a estresores ambientales como temperaturas elevadas y exposición a sulfato de cadmio y análogos de aminoácidos. Durante la expresión del gen, la transactivación de los genes de choque térmico está mediada por la interacción entre HSF1 y el elemento de choque térmico que se encuentra en el promotor de todos los genes HSP. A temperaturas no estresantes, HSF1 está presente en el citosol como una proteína inactiva y monomérica que está unida a HSP70 y HSP90 (Fig. 2). Tras el choque térmico, HSP70 y HSP90 son reclutadas para unirse a las proteínas desnaturalizadas y, por tanto, se liberan del HSF1. El HSF1 no unido se localiza en el núcleo, se trimeriza y adquiere capacidad de unión al ADN. El HSF1 se fosforila en residuos de serina, seguido de la transactivación de los genes HSP, incluidos el HSP70 y el HSP90. Posteriormente, la actividad del HSF1 se regula negativamente mediante el aumento de la unión de las HSP70 y HSP90 recién sintetizadas al HSF1. Por lo tanto, el proceso central para la detección de la temperatura celular es el equilibrio entre la unión de las HSP libres al HSF1 o a las proteínas desnaturalizadas por el estrés.

Muerte celular: apoptosis y necrosis

La exposición de las células al calor puede provocar apoptosis o necrosis dependiendo de la temperatura aplicada. Lo más interesante es que la temperatura umbral de inducción de apoptosis a nivel celular es equivalente a la temperatura central sistémica umbral superior tolerable con seguridad en los seres humanos. Para la inducción de la necrosis, hay que aplicar in vitro temperaturas más altas que las que inducen la apoptosis (10). Se ha demostrado que la expresión de pequeñas HSP o de la HSP70 inducible aumenta la supervivencia de las células de mamíferos expuestas a numerosos tipos de estímulos, como el calor u otras formas de estímulos de estrés apoptótico (1). Aunque hay que suponer que la función antinecrótica está relacionada con la función de chaperona, especialmente de la HSP70 y la HSP27, el mecanismo exacto de la función antiapoptótica de ambas HSP no está del todo claro. Parece que hay múltiples posibilidades de que la HSP70 interactúe con las vías apoptóticas. Al parecer, la HSP70 interactúa con Apaf-1, impidiendo así su interacción con la procaspasa-9 y, finalmente, la apoptosis dependiente de caspasas. Recientemente, se ha demostrado que la HSP70 también participa en eventos apoptóticos independientes de las caspasas a través de una interacción específica con el factor inductor de la apoptosis, que se libera de las mitocondrias al principio del proceso apoptótico.

La respuesta al choque frío

El estrés por frío cambia la composición lipídica de las membranas celulares y suprime la tasa de síntesis de proteínas y la proliferación celular. Sin embargo, un conjunto de proteínas llamado CSP se expresa en niveles más altos a partir de una temperatura de 32°C. La hipotermia induce la expresión de proteínas de unión a ARN como la proteína de unión a ARN inducible por frío (CIRP), la primera CSP identificada en células de mamíferos, y la proteína de unión a ARN motivo 3 (4, 12). Al igual que la HSP, la CIRP también se expresa a 37°C y está regulada por el desarrollo, y posiblemente funciona como una chaperona del ARN. La biología celular y molecular de las células de mamíferos a 32°C es un área nueva que se espera que tenga implicaciones considerables para la fisiología, por ejemplo en los testículos y la piel, donde las temperaturas celulares son típicamente de 30-34°C y ~33°C, respectivamente.

Las HSP son el vínculo entre la temperatura ambiental y la función celular

Las HSP y las CSP son evolutivamente la respuesta más conservada a los cambios de temperatura. Aunque las proteínas se descubrieron hace mucho tiempo y las funciones moleculares de estas proteínas se conocen cada vez mejor, el vínculo entre los efectos mediados por la temperatura/HSP/CSP y las funciones celulares está menos explorado. La exposición de las células a temperaturas elevadas afecta no sólo a la expresión y actividad de las HSP, sino también a la interacción de éstas con las proteínas asociadas. Por ejemplo, el aumento de la expresión y la actividad de la HSP90 mediante temperaturas elevadas in vitro o in vivo afecta a la estabilidad y la actividad de factores de transcripción como el receptor de glucocorticoides o el factor inducible por hipoxia-1α. De este modo, la temperatura ambiente afecta a la expresión génica inicialmente a través de una activación directa de los genes inducibles por el calor y, posteriormente, de forma indirecta a través de la alteración de la expresión y la actividad de las HSP.

Perspectivas futuras

Se necesitan más estudios para determinar la influencia de los cambios de temperatura en el cuerpo homeotermo sobre la función celular y la expresión génica, ya que en la mayoría de los estudios in vitro se simula simplemente la temperatura corporal central de 37°C. Esta temperatura, sin embargo, representa sólo el núcleo de nuestro cuerpo y descuida los cambios dinámicos de temperatura en otras partes en condiciones fisiológicas y fisiopatológicas. La importancia de la regulación precisa de la temperatura en los homeotermos se ejemplifica mejor en los testículos. Incluso ligeras elevaciones de la temperatura escrotal (que normalmente es de 30-34°C) se asocian a la infertilidad. Esto se atribuye en parte a una mayor expresión de las proteínas HSP90 y a la muerte celular mediada por p53, así como a una menor expresión de CSP. Este es probablemente uno de los ejemplos más dramáticos de la necesidad de adaptación a la temperatura para «fertilizar» nuestro planeta.