Richard N. Kitsis, MD

Muerte celular y biología mitocondrial:

Mecanismos y funciones fundamentales en las enfermedades humanas

La decisión más básica que toma cualquier célula es crecer (proliferar o hipertrofiarse), diferenciarse o morir. Nuestro laboratorio estudia los mecanismos fundamentales de la muerte celular y el papel de la muerte celular en la biología normal y la enfermedad humana. Hasta la fecha, se han reconocido al menos una docena de programas de muerte celular ( Cell Death Differ, 2018; Physiol Rev, 2019). Se sabe poco sobre cómo se interconectan mecánica o funcionalmente para provocar la muerte celular. El objetivo general de nuestro trabajo es crear un modelo unificado de muerte celular que integre programas de muerte celular aparentemente “individuales”. Nuestra hipótesis es que estos programas de muerte celular, que a menudo se activan en la misma célula, son componentes de una respuesta de muerte celular integrada que ha surgido a lo largo de la evolución. Hasta ahora, hemos dilucidado aspectos básicos de la biología de la muerte celular, incluidos los mecanismos que median la apoptosis y las formas reguladas de necrosis, las interconexiones moleculares entre estos programas y las conexiones con otros aspectos de la biología mitocondrial (Célula Mol, 2004; PNAS, 2007; JBC, 2007; PNAS, 2012; Cell Death Differ, 2014; Nature, 2016; Science, 2018; Nat Commun, 2022; PNAS . 2023; Mol Cell (en prensa)). 

Aunque nuestro enfoque principal son los mecanismos básicos, también nos interesan las implicaciones traslacionales. Si bien parte de nuestro trabajo ha involucrado modelos de cáncer ( Cell Death Differ, 2005; JBC, 2010; Cancer Res, 2011, PLOS One, 2015) y diabetes ( Diabetes, 2013; Sci Rep, 2017; Dev Cell, 2021), nuestro enfoque traslacional principal es la enfermedad cardíaca, la principal causa de mortalidad en todo el mundo. Hace algunos años, nuestro laboratorio proporcionó la primera evidencia de que las formas reguladas de muerte celular desempeñan un papel crítico en la patogénesis del infarto de miocardio ("ataque cardíaco") ( Circulation, 2000; JMCC, 2000; AJP, 2003) y la insuficiencia cardíaca ( JCI, 2003). Más recientemente, el laboratorio ha contribuido al desarrollo de prototipos de fármacos de moléculas pequeñas y péptidos que modulan la muerte celular y pueden proporcionar la base para nuevas terapias para enfermedades cardíacas y otras afecciones ( Nat Chem Biol, 2019; Nat Cancer, 2020). Continuamos utilizando modelos de infarto de miocardio in vivo y celulares en nuestro trabajo actual destinado a unificar los mecanismos de muerte celular porque al menos 7 programas de muerte celular se activan en este síndrome.

Proyectos actuales

1.        Una nueva plataforma para la activación de la caspasa-9 que provoca necrosis, no apoptosis

Hemos identificado una nueva plataforma molecular, distinta del apoptosoma, para la activación de la caspasa-9, que provoca necrosis en lugar de apoptosis. Esta vía parece funcionar de forma general en una variedad de tipos de células, así como en cardiomiocitos durante el infarto de miocardio in vivo . Actualmente estamos caracterizando el complejo activador estructuralmente, las señales activadoras y la vía descendente (manuscrito en preparación).

2.        Papel de la necroptosis en el infarto de miocardio

La necroptosis, una forma regulada de necrosis definida por la señalización RIPK3 → MLKL, es importante en el daño cardíaco durante el infarto de miocardio. En muchos paradigmas, RIPK3 es activada por RIPK1. Sin embargo, creemos que, durante el infarto de miocardio, la activación de RIPK3 se desencadena por la presencia de ácidos nucleicos de doble cadena en la conformación Z en el citoplasma. Actualmente estamos delineando esta vía, que sospechamos que puede ser un prototipo de las funciones de los ácidos nucleicos Z en otros aspectos de la señalización celular. También estamos desarrollando un nuevo inhibidor de RIPK3 de molécula pequeña como posible terapia en el infarto de miocardio.

3.      Función de la ATP sintasa mitocondrial in vivo

La ATP sintasa mitocondrial cataliza la generación de >90% de ATP en células eucariotas, pero su necesidad para mantener la energía celular no se ha definido en un organismo intacto. Ideamos una estrategia in vivo para agotar progresivamente todo el monómero de la ATP sintasa mitocondrial de 28 subunidades, y sus dímeros, en las células del músculo cardíaco, un tipo de célula elegido debido a sus altas demandas energéticas. Inesperadamente, los ratones cuyas células del músculo cardíaco contienen entre un 5 y un 15% del complejo monomérico y <2% de los dímeros permanecen clínicamente indistinguibles de los controles durante semanas, mantienen una función cardíaca normal y presentan solo déficits moderados de ejercicio. Las tasas y concentraciones de síntesis de ATP mitocondrial cardíaca se reducen aproximadamente en un 50%, aproximadamente equivalente a las de la insuficiencia cardíaca humana terminal. Después de este período de compensación, todos los ratones pasan precipitadamente a la insuficiencia cardíaca y mueren, pero sorprendentemente esto ocurre sin mayores disminuciones en las tasas de síntesis de ATP y las concentraciones de ATP. Actualmente se están realizando experimentos para comprender los cambios compensatorios que permiten a los ratones hacer frente a un agotamiento tan marcado de la ATP sintasa mitocondrial en un tipo de célula energéticamente exigente y para delinear los mecanismos que median la transición a la insuficiencia cardíaca.

Una segunda parte de este trabajo ha sido poner a prueba una hipótesis que otros han propuesto de que la ATP sintasa mitocondrial cumple una segunda función como poro de transición de la permeabilidad mitocondrial, un canal en la membrana mitocondrial interna que media la muerte celular necrótica. Nuestros datos en mitocondrias aisladas, células y ratones intactos demuestran que, en lugar de servir como poro de transición de la permeabilidad mitocondrial, la ATP sintasa mitocondrial ensamblada es de hecho un regulador negativo de este poro ( PNAS, 2023).

4.     Interrelaciones entre la senescencia celular y la muerte celular en el envejecimiento

Hemos realizado un análisis CRISPR de todo el genoma para identificar proteínas que dirigen a las células sometidas a estrés hacia un destino de senescencia en lugar de muerte celular. Actualmente estamos estudiando estas moléculas en modelos de senescencia relevantes para el envejecimiento. Los objetivos a largo plazo son comprender los determinantes de la senescencia frente a la muerte celular como reacciones celulares al estrés y diseñar nuevos senoterapéuticos para desviar las células dañadas de un destino senescente a un destino de muerte celular.

5.      Relaciones ER/SR-mitocondriales en la regulación de la muerte celular necrótica y el metabolismo

Anteriormente hemos creado nuevos péptidos y pequeñas moléculas que activan o inhiben conformacionalmente las mitofusinas (MFN) ( Nature, 2016; Science, 2018), que son grandes GTPasas involucradas en la fusión mitocondrial y la unión ER/SR-mitocondrial. Ahora estamos usando estos reactivos para perturbar la distancia física y las interacciones entre ER/SR y mitocondrias. Hemos demostrado que los inhibidores de MFN limitan el tamaño del infarto durante la isquemia/reperfusión miocárdica incluso cuando se dosifican en el momento de la reperfusión (manuscrito en preparación). También estamos intentando hacer lo opuesto: aumentar las interacciones ER-mitocondriales y la transferencia de Ca ²⁺ para impulsar el metabolismo miocárdico durante la insuficiencia cardíaca.

6.      Regulación de la ferroptosis por OPA1

Hemos descubierto que la OPA1 sensibiliza notablemente a las células a la ferroptosis, una forma de muerte celular necrótica dependiente del hierro mediada por la hidroperoxidación de fosfolípidos en las membranas celulares. Inesperadamente, esta sensibilización a la ferroptosis es independiente de la capacidad de la OPA1 para promover la fusión mitocondrial. Más bien, al mantener la homeostasis y la función mitocondriales, la OPA1 estimula la generación de ROS lipídicos mitocondriales y suprime una respuesta de estrés integrada mediada por ATF4 que de otro modo regularía positivamente los mecanismos que inhiben la ferroptosis ( Molecular Cell, aceptado). Este eje tiene implicaciones potenciales para varias enfermedades.

Enlace A publicaciones:

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=kitsis+rn&sort=date

Enlace a la actualidad Financiación del NIH:

https://reporter.nih.gov/search/evTFsgrZrkiK9bKr9tpWVA/projects?projects=Active