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. The overarching goal of our work is to create a unified model of cell death that integrates seemingly “individual” cell death programs. Our hypothesis is that these cell death programs, which often undergo activation in the same cell, are components of an integrated cell death response that has arisen over evolution. Thus far, we have elucidated basic aspects of cell death biology including mechanisms that mediate apoptosis and regulated forms of necrosis, molecular interconnections among these programs, and connections with other aspects of mitochondrial biology (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)). 

Although our primary focus is basic mechanisms, we are also interested in translational implications.  While some of our work has involved models of cancer (Cell Death Differ, 2005; JBC, 2010; Cancer Res, 2011, PLOS One, 2015) and diabetes (Diabetes, 2013; Sci Rep, 2017; Dev Cell, 2021), our primary translational focus is heart disease, the major cause of mortality worldwide.  A number of years ago, our lab provided the first evidence that regulated forms of cell death play critical roles in the pathogenesis of myocardial infarction (“heart attack”) (Circulation, 2000; JMCC, 2000; AJP, 2003) and heart failure (JCI, 2003). More recently, the lab has contributed to the development of small molecule and peptide drug prototypes that modulate cell death and may provide the basis for new therapies for heart diseases and other conditions (Nat Chem Biol, 2019; Nat Cancer, 2020). We continue to use cell and in vivo myocardial infarction models in our current work aimed at unifying cell death mechanisms because at least 7 cell death programs are activated in this syndrome. 

Proyectos actuales

1.        A novel platform for caspase-9 activation to bring about necrosis – not apoptosis

We have identified a new molecular platform – distinct from the apoptosome – for caspase-9 activation, which brings about necrosis rather than apoptosis.  This pathway appears to operate generally in a variety of cell types as well as in cardiomyocytes during myocardial infarction in vivo.  We are currently characterizing the activating complex structurally, activating signals, and downstream pathway (manuscript in preparation).

2.        Papel de la necroptosis en el infarto de miocardio

Necroptosis, a regulated form of necrosis defined by RIPK3 → MLKL signaling, is important in cardiac damage during myocardial infarction. In many paradigms, RIPK3 is activated by RIPK1. However, we believe that, during myocardial infarction, RIPK3 activation is triggered by the presence of double stranded nucleic acids in the Z-conformation in the cytoplasm.  We are currently delineating this pathway, which we suspect may be a prototype for roles of Z-nucleic acids in other aspects of cell signaling.  We are also developing a novel small molecule RIPK3 inhibitor as a potential therapeutic in myocardial infarction.

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