Publicado el 1 de agosto de 2004 | http://doi.org/10.5867/medwave.2004.07.3491
Destino celular: muerte o inmortalización (parte II)
Cell fate: death or immortalization (Part II)
Resumen
Este texto completo es la transcripción editada y revisada de una conferencia dictada en el Curso Teórico y Seminarios de Oncología Básica, organizado por el Centro de Oncología Preventiva de la U. de Chile entre el 2 de abril y 7 de octubre de 2003. Director: Dr. José Manuel Ojeda.
Mecanismos de muerte celular
La muerte celular puede ocurrir por necrosis o por apoptosis. Estos dos mecanismos son diferentes, tanto desde el punto de vista histológico como del bioquímico; en la necrosis, el estímulo de muerte es, en sí, la causa directa de la muerte de la célula, mientras que en la apoptosis, por el contrario, el estímulo de muerte activa una cascada de eventos que orquestan la destrucción de la célula. A diferencia de la necrosis, que es un proceso patológico, la apoptosis es parte del desarrollo normal (apoptosis fisiológica); sin embargo, también puede ocurrir en una variedad de enfermedades (apoptosis aberrante).
La muerte celular necrótica, que ocurre, por ejemplo, en el sistema nervioso central, es originada por isquemias agudas o injurias traumáticas en el cerebro o médula espinal, en áreas que son las más severamente afectadas por colapsos bioquímicos abruptos, lo cual lleva a la generación de radicales libres y excitotoxinas (glutamato, citoquinas citotóxicas y calcio).
Las formas histológicas de la muerte necrótica son la tumefacción (hinchazón) mitocondrial y nuclear, con disolución de organelas y condensación de la cromatina alrededor del núcleo. Estos eventos son seguidos por la ruptura del núcleo y de la membrana citoplasmática y la degradación del DNA por enzimas, que lo cortan al azar. Finalmente, todo el contenido intracelular es liberado hacia el medio extracelular, con el consiguiente desarrollo de un proceso inflamatorio. Dada la magnitud de estos eventos y la rapidez con que ocurren, la muerte celular necrótica es extremadamente difícil de tratar o prevenir.
La apoptosis, también llamada muerte celular programada, implica un proceso activo, con síntesis proteíca y gasto energético, que ocurre por una cascada de eventos bioquímicos que activan proteasas, las cuales destruyen moléculas que son requeridas para la sobrevivencia celular. Estas proteasas además, median un programa de suicidio celular.
Durante el proceso, el citoplasma y núcleo se condensan, las mitocondrias y los ribosomas forman agregados, se producen alteraciones del citoesqueleto, la membrana plasmática adopta un aspecto de burbuja y, finalmente, ocurre una fragmentación enzimática internucleosomal de DNA, formándose fragmentos nucleares recubiertos de membrana conocidos como “cuerpos apoptóticos”, que posteriormente son fagocitados, sin evidencia de reacción inflamatoria.
Este suicidio programado está extraordinariamente conservado desde los gusanos hasta los humanos, con tres componentes centrales:
- Las caspasas, que pertenecen a una familia de proteínas cisteína que clivan residuos después del ácido aspártico.
- La familia de las proteínas Bcl-2.
- La proteína Apaf-1, que es capaz de retransmitir señales integradas desde las proteínas Bcl-2 hacia las caspasas.
La enzima convertidora interleukina 1B (ICE) fue la primera caspasa descubierta en vertebrados (caspasa 1) gracias a la homología con la proteína codificada por el gen ced-3 de nematode. Hasta ahora, se han identificado 14 miembros de la familia de las caspasas; 11 de ellos están presentes en humanos. Las caspasas 1, 4, 5, 11, 12 y 13 intervienen en el procesamiento de citoquinas, y las caspasas 2, 3, 6, 7, 8, 9 y 10 están involucradas en la regulación y ejecución de la apoptosis. Todas las caspasas existen en la célula como enzimas inactivas y se componen de las subunidades p10 y p20, además de un dominio de reclutamiento amino terminal.
Existen dos vías bien caracterizadas de activación de caspasas que regulan apoptosis: una es iniciada por los receptores de muerte de la superficie celular y la otra es gatillada por cambios en la integridad de la mitocondria.
La vía de los receptores de muerte es activada por ligandos específicos. Los receptores de muerte de superficie celular son proteínas transmembrana que pertenecen a la familia de los receptores del factor de necrosis tumoral, que en mamíferos incluye a Fas, TNFR1 y DR-3, 4 y 5. Todos poseen un dominio citosólico denominado dominio de muerte (DD). La unión con sus respectivos ligandos (Fas, TNF, etc.) activa la vía en tres etapas: trimerización del receptor, reclutamiento de proteínas asociadas intracelularmente con el receptor e iniciación de la activación de caspasas.
Por ejemplo, el receptor Fas, una vez activado por su ligando, recluta a la molécula adaptadora FADD uniéndose por sus respectivos DD. FADD además, posee un dominio efector de muerte (DED) por el que se une al respectivo DED de la procaspasa 8 ó 10. Esta unión al complejo activa a la caspasa, la que se libera y actúa activando a caspasas ejecutoras (3, 6, 7), proceso que culmina con la muerte celular (8, 9, 10).
En la vía mitocondrial, la cascada se inicia con la liberación de Citocromo C desde el interior de la mitocondria, debido a variados estímulos (daño al DNA, inhibidores de kinasas, etc.). El Citocromo C se une luego a una proteína citoplasmática, Apaf-1, y este complejo recluta a la procaspasa 9, formando el apoptosomaL; de esta manera se activa caspasa 9, que actúa activando a caspasa 3, desarrollándose la apoptosis. En este mecanismo juega un rol fundamental la expresión del gen BCL-2.
El gen Bcl-2, denominado así por su relación con el Linfoma de células B y la Leucemia Linfoblástica Aguda, fue el primer miembro descubierto de una familia de genes cuya función es regular y controlar la apoptosis, habiéndose descrito hasta la fecha más de 15 integrantes, con sus correspondientes proteínas. Este es un proto-oncogen humano que codifica para una proteína de 25 a 26 kD; se encuentra ubicado en el cromosoma 18, y en virtud a una translocación cromosómica (14-18), se convierte en un oncogen activado.
Las proteínas productos de estos genes, que se hallan estructuralmente relacionadas, comprenden tanto agonistas, con acción proapoptótica, entre las que se cuentan Bax, Bak, Bad, Bid, Bik, Hrk, Bcl-Xs, como también antagonistas, con acción antiapopótica, tales como Bcl-2, Bcl-Xl, A1, Mcl-1.
La mayoría de estas proteínas possee un dominio transmembrana que les permite el anclaje a membranas de organelas como las mitocondrias o el núcleo, con excepción de Bad y Bid, que al no poseer estos dominios permanecen libres en el citoplasma, trasladándose a la membrana mitocondrial cuando se inicia el estímulo apoptótico.
La función reguladora de esta familia de proteínas depende de la capacidad para formar complejos de dímeros entre los diferentes miembros; éstos pueden ser homodímeros o heterodímeros, siendo la composición y cantidad relativa de los diferentes complejos, la determinante del destino de la célula, en el sentido de muerte o sobrevida, funcionando así como un reóstato del programa de apoptosis.
A modo de ejemplo:
- Bcl-2 --- Bcl-2 (homodímero) = Sobrevida
- Bax --- Bax (homodímero) = Muerte
- Bcl-2 --- Bax (heterodímero con mayor concentración de Bax) = Muerte.
Los mecanismos de acción de Bcl-2 a nivel de la membrana mitocondrial que permiten la liberación de Citocromo C no se conocen con exactitud, pero algunas investigaciones han demostrado la capacidad de miembros proapoptóticos, como Bad o Bid, para actuar como poros de permeabilidad transitoria, o bien como canales iónicos, en la membrana externa de las mitocondrias (8, 9, 10, 11).
Telomerasa
En contraste con las células normales, que sólo se pueden duplicar un número determinado de veces, las células tumorales malignas pueden dividirse indefinidamente; los telómeros, estructuras especializadas ubicadas en el extremo de los cromosomas, parecen ser los determinantes moleculares de este rasgo de inmortalidad. El DNA telomérico es esencial para preservar los extremos del cromosoma y, por consiguiente, la integridad del genoma.
Se ha visto que, en células normales, los telómeros se acortan con cada duplicación generacional, hasta llegar a un desgaste tal que la célula senesce y, posteriormente, muere. Sin embargo, la expresión de la telomerasa, una enzima reprimida en las células humanas post embriónicas, permite a la célula reparar sus telómeros; de esta manera, las células cancerosas pueden alterar su reloj generacional, abolir el envejecimiento o crisis y ejecutar proliferaciones ilimitadas.
Se han publicado trabajos en los que se ha utilizado el gen hTERT, que codifica para la subunidad catalítica de la telomerasa, en los que se ha demostrado que ciertas líneas celulares, como los fibroblastos, logran vencer la senescencia, para multiplicarse indefinidamente cuando a los cultivos se le adiciona la expresión ectópica de hTERT.
Sin embargo, investigaciones posteriores, utilizando otras líneas celulares, han demostrado que para alcanzar la inmortalidad celular se necesitaría, además de la telomerasa, que la vía por la cual la proteína p16 inhibe a la proteína Retinoblastoma (RB) sea inactivada, favoreciendo la proliferación celular (7, 12).
Conclusiones
Del presente trabajo se puede inferir que los mecanismos que regulan la muerte celular son esenciales para el desarrollo y mantención de la homeostasia. Las células crecen controladamente gracias a la expresión de nuevos genes, que inducen señales de muerte en estadios definidos de diferenciación y de proliferación, y en respuesta a estímulos fisiológicos determinados.
El ciclo celular es un proceso extremadamente complejo, debido a la gran cantidad de moléculas proteicas que intervienen e interactúan para hacer que una célula progrese hacia su división, o para determinar que una célula debe abandonarlo, quizás indefinidamente. Además, es un proceso altamente controlado, para lo cual cuenta con puestos de chequeo que permiten evitar que alteraciones celulares, como algún daño genómico, sean transmitidas en las especies. Un rol fundamental en este control lo cumple la proteína p53, por tanto, alteraciones en el gen que expresa esta proteína favorecerían la proliferación de células genéticamente alteradas.
En cuanto al envejecimiento, que involucra directamente a la producción de radicales libres o especies oxígeno reactivas, en virtud de lo expuesta que se encuentra la célula en este estado a sufrir daño genético y a su alta susceptibilidad para sufrir transformaciones malignas, es importante considerar la posibilidad de desarrollar estrategias de prevención relacionadas con elementos dietarios, utilización de compuestos antioxidantes y aprovechamiento de los mecanismos de respuesta intrínsecos del organismo contra el estrés oxidativo.
En este último punto, se ha demostrado que el estrés subletal o condicionado, favorecería la sobrevida celular y reduciría el daño tisular que sobreviene a un estrés más severo. Esto estaría dado, al parecer, por un aumento de las proteínas de shock térmico. En los seres humanos, al igual que en los mamíferos inferiores, el ejercicio actuaría como un factor anti envejecimiento, ya que produce estrés agudo, creando un mecanismo de tolerancia al estrés.
En lo que respecta a los mecanismos de la apoptosis, la regulación de la activación de las caspasas es un evento clave. La identificación de todas las moléculas que son críticas en esta activación va a responder muchas interrogantes, como por ejemplo, sobre el rol de las mitocondrias como sensoras de los estímulos que inducen apoptosis, o el descubrimiento de otras vías que pudieran estar involucradas en la activación de caspasas.
Todos los miembros antiapoptóticos de la familia de genes Bcl-2 se pueden comportar como oncogenes potenciales, y algunas mutaciones pueden incrementar su expresión indirectamente, como las translocaciones observadas en linfomas y leucemias. Por otra parte, los miembros proapoptóticos de esta familia pueden actuar como genes supresores de tumor. Así, el gen Bax se encuentra mutado en algunas formas de cáncer gantrointestinal y en leucemias.
El desafio que está por delante es mapear las funciones, en las vías bioquímicas de apoptosis, de las proteínas apoptóticas encontradas recientemente, lo que permitirá entender mejor cómo la célula toma la decisión entre la vida y la muerte.
Igualmente importante es el estudio de cómo estas vías son modificadas en ciertas enfermedades humanas, como las patologías neurodegenerativas y el cáncer, y cuánto de esta desrregulación contribuye con su patogenia; así, se podrán diseñar nuevas estrategias terapeúticas para estas enfermedades.
Por último, ante la pregunta de cuál va a ser el destino de una célula en un momento determinado, si la muerte o la inmortalización, ello va a estar definido seguramente por los estímulos que en ese instante esté recibiendo, tanto externos, provienentes del medio en que ella está inserta, como internos, que tienen que ver con los genes que en ese momento está expresando, el estado de las proteínas que se están produciendo, las vías por las cuales la información se está canalizando y, sobre todo, el estado de equilibrio, tanto interno como externo, en que ella se encuentre.
