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Nobel Prize & Autophagy: Yoshinori Ohsumi

12 miércoles Oct 2016

Posted by José Félix Rodríguez Antón in Célula, CIENCIA

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autophagosomes, Autophagy, lysosome, Nobel Prize, proteasome, Yoshinori Ohsumi

autophagy

Autophagy has been known for over 50 years bus its fundamental importance in physiology and medicine was only recognized after Yoshinori Ohsumi´s paradigm-shifting research in the 1990´s. For his discoveries, he is awarded this year´s Nobel Prize in physiology or medicine.

For pioneering the molecular elucidation of autophagy, an essential intracelular, degradation system and when disordered, is linked to many diseases including neurodegeneration, cancer, and infection.

Dr. Yoshinori Ohsumi was born in Fukuoka in 1945. In 1963, he entered to The Univ. of Tokyo, and then he chose decisively to follow molecular biology as the path of his future. As a graduate student, Dr. Oshumi studied the initiation mechanism of E. coli ribosome and then action of colicin E3, which inhibits the translation of E.coli cells by binding to its receptor. Near the end of 1974, he enrolled in Rockefeller Univ., to study under Dr. G. M. Edelman. First Dr. Oshumi worked on in vitro fertilization in mice, then switched to work on the mechanism of initiation of DNA replication using yeast, which introduced him to yeast research. Dr. Ohsumi returned to Japan at the end of 1977, and worked as an assistant professor under Prof. Y. Anraku, at the Faculty of Science. The Univ. of Tokyo. Dr Ohsumi decided to take up the study of the yeast vacuolar membrane.

Dr. T. Yoshinori and N. Mizushima in his lab started studies on ATG genes in mammals and a student also worked on plant, proving studies on ATG system is well conserved in higher eukaryotes. However up to now, Dr. Ohsumi has focused on dissection of the molecular mechanism of the ATG proteins in yeast.

Autophagy is a process by which cellular components are captured into organelles called autophagosomes and then brought to the lysosome or vacuole to be broken down and recycled for other uses. It frequently comes into play during starvation, allowing cells to survive periods of privation.

He has:

  • Identified most of the proteins and pathways involved in the process
  • Demonstrated how they are regulated by proteins that sense cells metabolic states
  • Started to outline the fine mechanistic details of autophagosome formation in yeast

“The vacuole was thought to be just a garbage can in the cell, and nor very may people were interested in its physiology, so I thought it would be good to study transport in the vacuole because I would not have much competition. Another reason I chose study vacuole physiology is that, while I was in Dr. Edelman’s lab. We had tried to isolate nuclei from yeast cells, and along the way we discovered that it was easy to get pure preparations of vacuoles. Using these preparations, I was able to find many active transport systems in the vacuolar membrane, including the vacuolar-type ATPase that pumps protons into the vacuole”. (1992, The Rockefeller University Press).

“I had a very simple idea: the vacuole can be detected under the light microscope, and it was already considered to be a garbage compartment where protein degradation takes place. So, I thought it would be easy to observe morphological change in the vacuoles of cells that were undergoing lots of degradation. Cell differentiation processes require lots of protein degradation, so I looked at vacuolar proteinase-deficient mutants, which cannot sporulate as normal cells do under nitrogen-starvation conditions, to see if I could observe any changes to vacuolar structure”.

The Nobel Assembly at Karolinska Institute has decided to award the 2016 Nobel Prize in Physiology or Medicine to Yoshinori Oshumi for his discoveries of mechanisms for autophagy (2016-10-03):

This year´s Nobel Laureate discovered and elucidated mechanisms underlying autophagy, a fundamental process for degrading and recycling cellular components.

Summary

The word autophagy originates from the Greek words auto-, meaning “self”, and phagein, meaning “to eat”. Thus, autophagy denotes “self eating”. This concept emerged during the 1960´s, when researches first observed that the cell could destroy its own contents by enclosing it in membranes, forming sack-like vesicles that were transported to a recycling compartment, called the lysosome, for degradation.  Brilliant experiments in the early 1990´s, Yoshinori Ohsumi used baker´s yeast to identify genes essential for autophagy in yeast and showed that similar sophisticated machinery is used in our cells. Importance of autophagy in many physiological processes, such as in the adaptation to starvation or response to infection. Mutations in autophagy genes can cause disease, and the autophagic process is involved in several conditions cancer and neurological disease.

Degradation- a central function in all living cells

In the mid 1950´s scientists observed a new specialized cellular compartment, called an organelle, containing enzymes that digest proteins, carbohydrates and lipids. This specialized compartment is referred to as a “lysosome” and functions as a workstation for degradation of cellular constituents. Further biochemical and microscopic analysis revealed a new type of vesicle transporting cellular cargo to the lysosome for degradation. Christian de Duve, the scientist behind the discovery of the lysosome, coined the term autophagy, “self-eating”, to describe this process. The new vesicles are named autophagosomes.

During the 1970´s and 1980´s researchers focused on elucidating another system used to degrade proteins, namely the “proteasome”. Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose were awarded the 2004 Nobel Prize in Chemistry for “the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation”.

A groundbreaking experiment

Ohsumi reasoned that if he could disrupt the degradation process in the vacuole while the process of autophagy was active, then autophagosomes should accumulate within the vacuole and become visible under the microscope. He therefore cultured mutated yeast lacking vacuolar degradation enzymes and simultaneously stimulated autophagy by starving the cells. The results were striking.

Autophagy genes are discovered

Ohsumi exposed the yeast cells to a chemical that randomly introduced mutations in many genes, and then he induced autophagy. His strategy worked, identified the first genes essential for autophagy. The results showed that autophagy is controlled by a cascade of proteins and protein complexes, each regulating a distinct stage of autophagosome initiation and formation. He studied thousands of yeast mutants and identified 15 genes that are essential for autophagy and the function of the proteins encoded by key autophagy genes. He delineated how stress signals initiate autophagy and the mechanism by which proteins and protein complexes promote distinct stages of autophagosome formation.

Autophagy- an essential mechanism in our cells

Thanks to Ohsumi, autophagy controls important physiological functions where cellular components need to be degraded and recycled. Autophagy can rapidly provide fuel for energy and building blocks for renewal of cellular components, and is therefore essential for the cellular response to starvation and other types of stress.

  • After infection, autophgy can eliminate invading intracellular bacteria and viruses.
  • Autophagy contributes to embryo development and cell differentiation
  • Cells also use autophagy to eliminate damaged proteins and organelles, a quality control mechanism that is critical for counteracting the negative consequences of aging.

Disrupted autophagy has been linked to:

  • Parkinson´s disease
  • Type 2 diabetes

Mutations in autophagy genes can cause genetic disease. Disturbances in the autophagic machinery have also been linked to cancer. Research is now ongoing to develop drugs that can target autophagy in various diseases.

Biography Yoshinori Ohsumi

  • 2016-present  Professor, Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology
  • 2014-present  Honorary Professor, Tokyo Institute of Technology
  • 2010-2016    Professor, Frontier Research Center, Tokyo Institute of Technology
  • 2009-2010    Professor, Advanced Research Organization, Integrated Research Institute, Tokyo Institute of Technology
  • 2004-2009    Professor, The Graduate University for Advanced Studies [SOKENDAI]
  • 1996-2009    Professor, Department of Cell Biology, National Institute for Basic Biology
  • 1988-1996    Associate Professor, Department of Biology, College of Arts and Sciences, The University of Tokyo
  • 1986-1988    Lecturer, Department of Biology, Faculty of Science, The University of Tokyo
  • 1977-1986    Research Associate, Department of Biology, Faculty of Science, The University of Tokyo, with Prof. Yasuhiro Anraku
  • 1974-1977    Postdoctoral Fellow, Rockefeller University with Prof. Gerald M. Edelman
  • 1972-1974    Research Fellow, Department of Agricultural Chemistry, Faculty of Agriculture, The University of Tokyo
  • 1967-1972    Graduate Student, Department of Biochemistry, College of Arts and Sciences, The University of Tokyo, with Prof. Kazutomo Imahori
  • 1963-1967    Undergraduate Student, Department of Basic Science, College of Arts and Sciences, The University of Tokyo Awards

Key publications

  • Takeshige, K., Baba, M., Tsuboi, S., Noda, T. and Ohsumi, Y. (1992). “Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deficient mutants and conditions for its induction”. Journal of Cell Biology 119, 301-311
  • Tsukada, M. and Ohsumi, Y. (1993). “Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cervisiae”. FEBS Letters 333, 169-174
  • Mizushima, N., Noda, T., Yoshimori, T., Tanaka, Y., Ishii, T., George, M.D., Klionsky, D.J., Ohsumi, M. and Ohsumi, Y. (1998). “A protein conjugation system essential for autophagy”. Nature 395, 395-398
  • Ichimura, Y., Kirisako T., Takao, T., Satomi, Y., Shimonishi, Y., Ishihara, N., Mizushima, N., Tanida, I., Kominami, E., Ohsumi, M., Noda, T. and Ohsumi, Y. (2000). “A ubiquitin-like system mediates protein lipidation” Nature, 408, 488-492

Related Links

  • Yoshinori Ohsumi wins medicine Nobel Prize

https://www.youtube.com/watch?v=81W5OwTdxjw

  • Autophagy

Control diferenciación celular: ¿terapia o controversia?

18 sábado Ene 2014

Posted by José Félix Rodríguez Antón in Célula, CIENCIA

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blastocisto, célula madre, pluripotenciales, Stephen Minger, transdiferenciarse

blastocisto   En el desarrollo de la vida de los seres humanos hay enfermedades causadas por la degeneración y muerte de los   tejidos del cuerpo. La medicina repara estos tejidos por medio de los trasplantes, mejorando la calidad y esperanza de vida de los pacientes.

Los trasplantes tienen dos problemas: la escasez de donantes y la posibilidad de rechazo.  Los científicos estudian así la posibilidad de cultivar y trasplantar células madre.

La célula madre es una célula que regenera uno o más tipos celulares diferenciados con la capacidad de autorenovarse. Todos los humanos en el desarrollo embrionario a partir del  cigoto o óvulo fecundado en las primeras semanas del embarazo pasan por varias etapas: mórula, blastocisto, gástrula y neúrula. En la etapa de blastocisto todas las células están indiferenciadas, pero estas células dan lugar a células especializadas: neuronas, células musculares, glóbulos rojos,osteocitos etc…  Así todas las células del organismo provienen de las células del blastocisto (totipotenciales) y se las denominan “células madre embrionarias”.

En el 2003 el doctor Stephen Minger en el Reino Unido cultivó colonias de células embrionarias.

Pudiéndose transformar en células para tratar:

  • tumores de cerebro
  • cáncer de ovario
  • cáncer de testículo
  • retinoblastoma
  • neuroblastoma
  • linfoma no de Hodgkins
  • carcinoma de células renales
  • enfermedades autoinmunes: esclerosis múltiple, lupus eritromatoso sistémico, artritis reumatoide juvenil

 

“Las células madre embrionarias” se obtienen de un embrión en un estadio  temprano del desarrollo, estas células se separan y se mantienen en un envase de cultivo celular, deteniendo el desarrollo que llevaría a formar un individuo. Es por esto que se  producen grandes polémicas éticas: ¿es un embrión en la etapa de blastocisto un ser   humano o es una masa de células?, tiene la respuesta grandes implicaciones políticas,           sociales y religiosas.

Pero las células madre también existen en los adultos: “Células madre de adulto”,  cultivadas y sometidas a ambientes humorales distintos , pueden  reprogramarse  (transdiferenciarse) dando lugar a linajes múltiples es decir son pluripotenciales,   sin existir una diferencia entre célula madre embrionaria y las de adulto.

Comparando las células madre embrionarias con las de los adultos:

a) Embrionarias:

  • flexibles: potencial de formar cualquier célula del cuerpo.
  • inmortales: un linaje puede proporcionar una cantidad infinita de células.
  • fácilmente obtenibles: pueden obtenerse de clínicas de fertilidad.
  • pueden entrar en conflicto con el sistema inmune del paciente.
  • difíciles de controlar: el método para inducir un tipo de célula debe ser definido y óptimo.
  • éticamente controversiales.

b)  Adultas:

  • flexibles: pueden ser usadas para formar otro tipo de tejidos.
  • finitas: disponibles en cantidades mínimas.
  • no entran en conflicto con el sistema inmune del paciente: no hay rechazo.
  • ya están especializadas, la inducción es más sencilla.
  • genéticamente inadecuadas: pueden llevar consigo mutaciones que causen enfermedades.

 

En un futuro que se diferencien células madre embrionarias en tipos celulares específicos se  podrán tratar más enfermedades mediante el trasplante de células generadas:

  • Parkinson
  • Diabetes
  • lesión traumática de la médula espinal
  • distrofia muscular de Duchenne
  • enfermedad cardíaca
  • enfermedades de la visión y audición

 

 

 

ARQUEOBACTERIAS: un DOMINIO nuevo

28 jueves Mar 2013

Posted by José Félix Rodríguez Antón in Célula, CIENCIA

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arqueobacteria, David Vazquez, endosimbiosis, eucariotas, Oparine, Pasteur, procariotas, Schawnn, Virchow, Woese

archeobacterias filogenetica

La primera vez que escuche esa clasificación fue de mi profesor de bioquímica David Vazquez.

Al hacer la división de seres vivos establecemos con núcleo EUCARIOTAS y sin núcleo PRO-

CARIOTAS.

Los procariotas desde el punto de vista evolutivo tienen un éxito enorme, pueden con su membrana aislarse del medio circundante y adoptan como hábitat cualquier lugar de la Tierra.

Las ARCHEOBACTERIAS pueden incluso estar sin oxígeno.

Oparine aporta la hipótesis que establece la diferenciación entre las macromoléculas y las primeras células:

  • La vida no dispersa en el medio, cada ser vivo es autónomo, separado del medio por la membrana.
  • La vida presenta reacciones sincronizadas y coordinadas, en el espacio y en el tiempo.

Los eucariotas hace 2000 millones de años cuando los primeros eucariotas unicelulares comían bacterias sin digerirlas, seguían viviendo en ellos como órganos internos, ocupándose de las diferentes tareas, esla hipótesis de la ENDOSIMBIOSIS, así las mitocondrias, en realidad inicialmente bacterias establecieron simbiosis en los ancestros, en beneficio de ambos, en contrapestración proporcionan energía.

Así los eucariotas son más polifacéticos que los procariotas:

  • las células son mucho mayores
  • contienen gran número de órganos diferentes llamados ORGÁNULOS

De la época que va desde el principio de la vida (hace 3.900 millones de años) hasta el Cámbrico (hace unos 540 millones de años) no queda casi nada en paleontología. Durante tres mil millones de años la vida solo produce seres unicelulares, que no resultan apropiados para la petrificación, a este periodo se le llama CRIPTOZOICO, “era de la vida oculta”. Los seres fósiles unicelulares más antiguos tienen una edad aproximada de 3.600 millones de años.

Alrededor de 1830 se perfeccionó el microscopio, gracias al ajuste de la distorsión, permitiendo la ciencia de la histología. En 1838 Theodor Schwann establece la “teoría celular”: las células son las unidades fundamentales de la actividad zoológica y botánica”, con un núcleo y una membrana externa. Rudolf Virchow catedrático de Anatomía en 1849 establece que “toda célula procede de otra célula”, explicando fenómenos

a) biológicos: fertilización y el crecimiento

b) patológicos: origen de la pus en las inflamaciones, mitosis sin control que generan el cáncer

arqueobacterias

La ARCHEA o ARQUEOBACTERIAS son procariotas como hemos dicho carecen de núcleo celular o cualquier orgánulo dentro de la célula, se las considera con una historia evolutiva independiente: creándose un DOMINIO nuevo (Carl Woese, 1990): ARCHEAS, BACTERIAS y EUCARIOTAS.

Las arqueas están subdividas en filos:

  • Crenarchaeota
  • Euryarchaeota
  • Korarchaeota
  • Nanoarchaeota
  • Thaumarchaeota
  • Aigarchaeota

Tienen genes y rutas metabólicas que las hacen cercanas a los eucariotas (enzimas implicadas en la transcripción y la traducción). Algunos aspectos son únicos como éteres lipídicos de sus membranas celulares. Explotando recursos más ampliamente que los eucariotas: desde azúcares hasta amoniaco, iones metálicos e hidrógeno. Se encuentran en variedad de habitats a  parte de las arqueobacterias metanógenas (estómago de rumiantes), pantanos de la Antártida, mares (Mar Muerto, Gran Lago Salado, aguas ricas en azufre) con temperaturas de hasta 110º  y profundidad de la Tierra.

Unas usan energía solar como fuente de energía, otras fijan carbono, pero a diferencia de plantas y cianobacterias no hay ninguna especie que haga ambas cosas. Se reproducen axesualmente, por fisión binaria, fragmentación o gemación, pero a diferencia de eucariota y bacterias ninguna especie forma esporas.

En los orígenes de lo eucariótico y las archeobacterias, no podemos dejar de acordarnos de Pasteur, el primero en establecer una conexión entre los microorganismos y la enfermedad, creando la ciencia de la “bacteriología” o “microbiología”, agrupando las bacterias y vibriones en MICROBIOS.

APOPTOSIS: muerte programada y envejecimiento

09 viernes Nov 2012

Posted by José Félix Rodríguez Antón in Célula

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cicatrización, Hayflick, homeostasis, inflamación, necrosis, protreina p16, rapamicina, SASP

Sydney Bruner, H. Robert Horvitz y John E. Sulston reciben en el 2002 el premio Nobel en Fisiología/Medicina por sus descubrimientos en “regulación del desarrollo de órganos y muerte celular programada”: APOPTOSIS.

La cantidad de células de un tejido u órgano permanecen de forma constante, es lo que se conoce como HOMEOSTASIS: el número de células nuevas se tiene que compensar con otras que mueren.

En la EVOLUCIÓN la apoptosis es una parte del desarrollo de los tejidos tanto en plantas (viridipantae) como en animales pluricelulares (metazoae). Procesos de desarrollo embrionarios (desaparición de las membranas interdigitales y separación de los dedos del feto) y procesos de maduración de los tejidos (queratinocitos que mueren según se acercan a la epidermis, tambien en el pelo y células de las mucosas).

Cuando una célula esta dañada y no puede ser reparada, o infectada por un virus, se inicia la apoptosis; la “decisión” viene:

  • propia célula
  • tejido circundante
  • reacción del sistema inmunológico

 

Hay una deshidratación en la célula, una condensación de la cromatina nuclear:

SE ACTIVAN:

  • reacciones enzimáticas en el interior del citoplasma nuclear (capatasas) y de la proteina FAS (CD95), ocasionando reducción del volumen de la célula
  • se forman vesículas en la membrana celular sin ruptura (hay una preservación  estructural y funcional de la membrana)
  • el núcleo presenta condensación de la cromatina (activación de endonucleasas)
  • las mitocondrias se rompen
  • movilización del catión calcio (Ca2+) intracelular
  • activación de transglutamina que une proteinas citoplasmáticas
  • perdida de microtúbulos
  • perdida de asimetría de fosfolípidos de la membrana plasmática

 

La duración de la apoptosis, es corta entre 3 y 6 horas, más breve que la mitosis. Mientras la apoptosis es un proceso “controlado”, la NECROSIS es un proceso pasivo, catabólico y degenerativo, es una respuesta celular a una lesión (citotóxico, pH, hipertermia, hipoxia, trauma, ácidos, etc…) o infecciones patógenas. Se desencadena una acción inflamatoria formándose la cicatriz, la degradación del DNA no es tan excesiva.

En los casos de presentación de enfermedades debidas a un crecimiento sin apoptosis, se produce

un crecimiento anormal y la multiplicación excesiva de células neopláxicas:

  • Cáncer
  • Parkinson
  • Alzheimer

Algunos virus pueden acelerar la apoptosis celular: Marek, Anemia infecciosa, Gumboro, otras veces retardan los procesos para sobrevivir más tiempo en las células.

 

La perdida de la capacidad divisoria tambien lleva a un deterioro gradual del organismo. Nuestras células estan programadas para volverse senescentes con la edad. Hay un reloj: “EL “LIMITE DE HAYFLICK”, relacionado con la longitud de los telómeros. Las células dejan de dividirse cuando sus telómeros ser reducen más alla de cierta longitud.

 

Entre las últimas aportaciones al campo del envejecimiento encontramos:

  • en 1986 Harold Dvorak (Harvard) ve como el cáncer y la cicatrización de las heridas guardan ciertas semejanzas: los tumores utilizan la respuesta de cicatrización del cuerpo, a la que alteran para ayudar a su crecimiento anormal.
  • en 2008 Campisi introduce el “fenotipo secretor asociado a la senescencia” o SASP, moléculas dañinas segregadas por células senescentes.
  • Chapell Hill (Carolina del Norte) ve una correlación dentre la concentración de la proteina p16 y el envejecimiento, demostrando que valores de p16 aumentan con la edad.

 

Lo que si se ve es que esta estrechamente ligado el envejecimiento celular con los “habitos saludables”:

  • no fumar
  • comer de forma moderada y perder peso
  • hacer ejercicio

tambien fármacos como RAPAMICINA, inhiben la senescencia celular sin fomentar el cáncer.

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