Atlas de histología vegetal y animal

Las células pueden morir por muerte accidental o por muerte regulada. La apoptosis es un mecanismo molecular regulado que se produce en el interior de las células eucariotas y cuya finalidad es la muerte de la propia célula. Es un suicidio celular en el que se pone en marcha un programa molecular de autodestrucción desencadenado por señales extracelulares o intracelulares. Muerte celular regulada (o programada) significa que los pasos para la degeneración celular están establecidos, pero eso no quiere decir que la célula esté predeterminada a morir, es decir, no habrá apoptosis si no hay señal que la inicie.

El papel de la apoptosis es importante en muchos procesos fisiológicos y patológicos de los organismos pluricelulares, tales como la morfogénesis de órganos y tejidos durante el desarrollo embrionario, en el mantenimiento y regeneración de los tejidos en el animal adulto, en la respuesta a patógenos, o como respuesta al estrés celular y a patologías como el cáncer. La cantidad de células que mueren por apoptosis es enorme, tanto durante el desarrollo embrionario como en estado adulto.

1. Mecanismos moleculares

El mecanismo molecular de la apoptosis se ha conservado evolutivamente. Es un mecanismo ordenado y dependiente de energía que necesita ser iniciado. Se conocen varias causas que disparan la apoptosis: señales externas mediadas por receptores, señales internas donde las mitocondrias juegan un papel importante y una tercera vía que involucra a las proteínas perforina y granzima. Estas tres vías convergen en un proceso molecular mediado por las enzimas caspasas (Figura 1).

Caspasas

Las caspasas son enzimas proteolíticas que se sintetizan y queda libres en el citosol en forma de procaspasas, que son las formas inactivas. Las caspasas son las principales encargadas de degradar el interior celular que lleva a la muerte celular. Hay varios tipos de caspasas, cada uno de ellos especializado en actuar sobre diferentes tipos de proteínas. Todas las caspasas rompen cadenas de aminoácidos en lugares donde se encuentra el aminoácido aspartato, pero distintas caspasas actúan sobre diferentes proteínas dependiendo de los aminoácidos que haya próximos a dicho aspartato. Las caspasas que se activan inicialmente son la caspasa 2, 8, 9 y 10, mientras que las efectoras o ejecutoras son las caspasas 3, 6 y 7. Hay otras caspasas que realizan papeles más específicos y otras como la caspasa 14 que sólo se expresa durante el desarrollo embrionario. Dentro de las caspasas ejecutoras, la caspasa 3 es considerada muy importante puesto que activa a la endonucleasa CAD, la cual degrada la cromatina. También afecta a la reorganización del citoesqueleto y como consecuencia provoca la rotura de la célula en fragmentos celulares independientes.

Una vez que se produce la activación de las primeras caspasas el proceso de muerte celular parece irreversible, aunque no siempre es así (ver más abajo). Es un mecanismo en cascada en el cual las primeras caspasas activas pueden a su vez activar a otras caspasas, dándose una reacción en cadena y exponencial. Finalmente las caspasas ejecutoras degradarán el interior célular. Curiosamente las caspasas también actúan en procesos no apoptóticos como la separación de las espermátidas, la diferenciación de los macrófagos, la cornificación del epitelio, en la eritropoyesis o la diferenciación de las células de las lentes del ojo.

Vía extrínseca

La vía de iniciación extrínseca de la apoptosis comienza con la activación de receptores localizados en la membrana plasmática. A estos receptores se les denomina receptores de muerte y son miembros de la familia de receptores conocidos como TNF (tumor necrosis factors) y FAS (fas cell surface death receptors). Cada receptor se activa con una señal característica. Por ejemplo, si emparejamos ligando/receptor tenemos a FasL/FasR, TNF-α/TNFR1, Apo3L/DR3, Apo2L/DR4, o Apo2L/DR5. La llegada del ligando o señal provoca la asociación de receptores activados en la superficie de la membrana y esto dispara un reclutamiento de proteínas adaptadoras en el interior celular. Estas proteínas adaptadoras se asocian entonces con procaspasas 8 creando un ambiente molecular que lleva al cambio conformacional en las procaspasas, desencadenando la auto-proteolisis de éstas y la conversión de procaspasas en caspasas. Cuando se produce esta activación el proceso molecular degradativo está activado.

Por otra parte están los receptores dependientes, los cuales son capaces de inicial la apotosis mediante la activación de la caspasa 9 o mediante la fosforilación de DAPK, cosas que ocurren cuando su ligando no está presente. Estos receptores son los DCC y UNC5H2.

Vía intrínseca

La vía intrínseca supone la participación de la mitocondria y se inicia por numerosas causas, fundamentalmente estrés celular, como la desaparición de los factores de supervivencia, un aumento de la radiación, temperatura, sustancias tóxicas, etcétera. Todos estos cambios terminan por alterar la membrana externa mitocondrial que provoca la apertura de poros en su membrana, alterándose el potencial eléctrico y se produce la liberación de diversas moléculas proapoptóticas. Entre éstas está las proteínas citocromo C, Smac y otras. El citocromo C se unirá a las moléculas apaf-1 y a la procaspasa 9, formando lo que se denomina un apoptosoma. Este complejo provoca la activación de la procaspasa 9 y el inicio del proceso degradativo. Desde la mitocondria se liberan también enzimas en etapas más tardías del proceso apoptótico que se dirigen al núcleo y provocan una primera digestión del ADN. En la membrana de las mitocondrias hay una familia de proteínas denominadas BCL que pueden modular, disparar o inhibir, este mecanismo de inicio de la apoptosis y son potenciales diana para eliminar selectivamente células tumorales.

Patógenos

Los linfocitos T citotóxicos son capaces de matar a células que contienen patógenos mediante la activación de los receptores de muerte y disparar el proceso apoptótico. Sin embargo, existe otra vía mediante la cual crean inicialmente un poro en la membrana e introducen una molécula que activarán la vía apoptótica en el propio citosol. Los linfocitos T citotóxicos poseen unos gránulos que contienen dos tipos tipos de proteínas: las perforinas y las granzimas. El contenido de estos gránulos es exocitado cuando el linfocito detecta la presencia de una célula infectada o cuando la reconoce como tumoral. La perforina se insertará en la membrana de la célula diana y creará un poro por el cual entrarán en el citoplasma las granzimas. La granzima (hay dos tipos, A y B) activará a las caspasas-10 y 3 y también estimulará a la mitocondria para que se inicie el proceso apoptótico como si de una señal interna se tratara.

2. Efectos celulares

Los cambios celulares que se producen durante la apoptosis son diversos: una retracción o encogimiento de la célula, el citoplasma se vuelve más denso y los orgánulos más empaquetados, se observa condensación de la cromatina, lo cual es un indicio visible en preparaciones histológicas convencionales. Posteriormente hay expansiones y plegamientos de la membrana de modo que la célula se divide en porciones independientes denominados cuerpos apoptóticos, pero siempre rodeadas por membrana plasmática. Estas porciones celulares son posteriormente fagocitadas por macrófagos. Puesto que no hay liberación de sustancias intracelulares al medio extracelular por roturas de la membrana no se dan procesos inflamatorios. Además, los macrófagos que eliminan a los cuerpos apoptóticos no liberan citocinas al medio. La apoptosis es un proceso de muerte celular sin molestar a las células vecinas. Si embargo, se sabe que en algunos casos son capaces de liberar moléculas que favorecen la proliferación celular, la reorganización del la matriz extracelular o del citoesqueleto en células vecinas.

La carencia de efecto inflamatorio de los cuerpos apoptóticos es debida a que son rápidamente eliminados por los macrófagos. Si la actividad macrofágica es inhibida los cuerpos apoptóticos terminan por romperse y desencadenan respuestas inflamatorias. El reconocimiento de las porciones de citoplasmas apoptóticos por parte de los macrofagos se debe a que durante la apoptosis la célula expresa en su superficie marcadores que serán reconocidos específicamente. Esto se consigue, entre otras cosas, por el movimiento de la fosfatidilserina, que normalmente se encuentra en la monocapa interna de la membrana plasmática, hacia la monocapa externa. Este lípido es una señal para los macrofágos. También cooperan en el reconocimiento la incorporación a la membrana de la anexina I y de la calreticulina.

Se ha considerado que la apoptosis es un proceso irreversible una vez que se han activado las primeras caspasas. Sin embargo, se ha encontrado que al inactivar los macrófagos, algunas células destinadas a morir por apoptosis pueden recuperarse. De manera que la acción de los macrófagos es asegurarse de que una vez que se inicia la apoptosis las célula va realmente a morir.

3. Desarrollo

Durante el desarrollo de C. elegans se generan 1090 células somáticas, de las cuales morirán 131 en lugares y en momentos concretos. Este patrón de producción de un exceso de células que luego serán eliminadas se observa en todas las especies. Aparentemente es un derroche de energía, pero las apariencias engañan.

Morfogenesis

Quizá el ejemplo clásico de la participación de la apoptosis en la morfogénesis de un órgano durante el desarrollo embrionario es la eliminación de las membranas interdigitales en muchos vertebrados. Los dedos de las extremidades están inicialmente conectados por masas celulares que luego serán eliminadas, resultando en la forma final de los dedos. Sin embargo, los patos y otras aves acuáticas poseen membranas entre sus dedos que les permiten impulsarse en el agua. En estas especies la apoptosis es muy escasa entre los dedos. La muerte celular en las especies con dedos separados tiene un efecto como esculpir una estructura para darle una forma final. Otro ejemplo claro ocurre durante la metamorfosis de muchas especies, particularmente en anfibios, en los cuales la apotosis participa en la reorganización del cerebro y del digestivo, así como en la eliminación de la cola.

A veces la muerte celular de ciertas poblaciones celulares durante el desarrollo favorece la liberación de tensiones mecánicas que permiten el plegamiento o cambio de forma de estructuras embrionarias. Parece ser que esto ocurre durante el cierre del tubo neuronal de mamíferos donde gracias a la apoptosis se acelera su cierre. La formación de la cavidad proamniótica en los embriones de mamíferos es resultado de procesos apoptóticos en el centro de la masa de células internas tras el implante del embrión. A este proceso se le denomina cavitación.

El tamaño de los órganos es un balance entre proliferación y muerte celular producida durante el desarrollo o en el estado adulto. Existen genes relacionados con la proliferación, particularmente los de la vía Hippo que inhiben los procesos apoptóticos. Normalmente estos genes están implicados en cascadas de señalización que cuando no se activan se favorecen los procesos apoptóticos y por lo tanto la eliminación de células del órgano.

Ajuste fino de la función

Está demostrado matemáticamente que es menos costoso en términos de información sobreproducir inicialmente elementos de una estructura tosca y luego eliminar los excesos para obtener una forma final funcionalmente más precisa. Esto es claro en el sistema nervioso donde establecer las conexiones iniciales de forma precisa requeriría una cantidad de información impresionante, pero mucho menos si primero se establecen las conexiones entre neuronas de una manera poco fina y luego se eliminan las células que establecieron conexiones incorrectas. Mueren aquellas neuronas que no hayan sido capaces de establecer conexiones funcionales. De la misma forma, hacer reordenaciones aleatorias para producir muchos linfocitos y luego eliminar a aquellos que produzcan reacciones autoinmunes es más barato, unos 60 genes, que los 100000 genes que serían necesarios para producir cada uno de las líneas de linfocitos. Este proceso de economía se puede aplicar también a procesos de morfogénesis y regionalización.

4. Homeostasis

La renovación de los tejidos en individuos adultos es un proceso de generación de nuevas células que reemplazan a las que se van eliminando, fundamentalmente tras morir por apoptosis. . Es un proceso continuo de muerte celular y reemplazo por células nuevas. En los tejidos internos, la eliminación de las células apoptóticas la hacen los macrófagos. Este equilibrio entre proliferación y eliminación celular es evidente en los epitelios, donde hay una renovación constante de las células y un balance entre nacimiento y muerte celular. Por ejemplo, la queratinización de la epidermis es un proceso apoptótico especializado. El ciclo de vida de los enterocitos del epitelio intestinal comienza con la proliferación celular en el fondo de las criptas de la mucosa intestinal, el desplazamiento de los enterocitos hacia las zonas más superficiales y su muerte por apoptosis en las vellosidades o superficies intestinales. Un proceso similar ocurre también en los epitelios de las vías respiratorias. La renovación celular constante es interesante en células que están expuestas a agentes potencialmente patógenos o tóxicos, y es más rentable su renovación que favorecer su resistencia y reparación a tales agentes. El balance entre proliferación celular y apoptosis es importante también en la sangre, donde las células nuevas las generan las células madre hematopoyéticas de la médula ósea. El tamaño de esta población celular hematopoyética es regulada por apoptosis, y por tanto se controla la cantidad de células sanguíneas producidas. Incluso las plaquetas pueden ser reguladas por apoptosis. Las plaquetas son un ejemplo de apoptosis en estructuras no nucleadas.

La apoptosis es un proceso normal durante la respuesta inmune. Los linfocitos T citolíticos emplean perforina y granzima B para eliminar a las células infectadas. La granzima B activa directamente las caspasas, pero también en otras vías como la activación de una molécula denominada Bid que actúa sobre la mitocondria favoreciendo la salida de citocromo C y activando la vía interna de la apoptosis. Pero además, la apoptosis juega un papel importante mediante la eliminación de los linfocitos B y T una vez que la respuesta inmune ha terminado. Esta acción está mediada por la proteína Bcl-2 y por la actividad antigénica. Se ha propuesto que las células altamente estimuladas por los antígenos, es decir, que han desarrollado anticuerpos contra ellos, disminuyen la influencia de Bcl-2 y aumentan la de los receptores de muerte de manera que son células más sensibles a sufrir apoptosis.

Hay numerosas causas que hacen estresarse a una célula, lo que puede provocar un descontrol y mal funcionamiento de esta. Entre estas causas están daños en el ADN, fallos en la división celular, producción y acumulación de proteínas aberrantes, aumento de especies moleculares reactivas o infección por patógenos. En todos los tipos de estrés la respuesta inicial de la célula es intentar revertir dicho estrés mediante mecanismos diversos que además de tratar de reparar la célula inhiben la apoptosis. Pero si el estrés es muy intenso o duradero en el tiempo y la célula no puede recuperar la homeostasis, se activa la apoptosis.

El cáncer es otro claro ejemplo donde la apoptosis juega un papel importante. Más concretamente, la inhibición de ésta favorece la proliferación y progresión del cáncer. La resistencia de las células tumorales a la apoptosis se da por mutaciones que afectan a genes proapoptóticos. Por ejemplo, alteraciones en los receptores FAS, disminución de su producción o síntesis de receptores defectuosos, de manera que no pueden ser reconocidos por los linfocitos citotóxicos, o disminución de la expresión de los genes bcl-2 proapoptóticos.

Durante el envejecimiento hay una alteración de la apoptosis en diferentes tejidos. Mientras en unos hay un aumento en otros hay una disminución. Por ejemplo, hay un aumento de la apoptosis en el sistema inmune, en el músculo esquelético, en el músculo cardiaco y en enfermedades neurodegenerativas, mientras que por otra parte las células cancerosas y las senescentes son resistentes a morir por apoptosis, favoreciendo su aumento durante el envejecimiento.

5. Otras muertes reguladas

Aunque la apoptosis es la muerte regulada más conocida, hay otros mecanismos regulados de muerte celular. Así, está la muerte celular dependiente de autofagia, necroptosis, piropotosis, ferroptosis, muerte celular entótica, muerte celular netótica, parthanatos, muerte celular mediada por lisosomas, alcaliptosis y oxeiptosis.

Por otra parte, cuando los daños son tan intensos que la célula no puede activar ningún mecanismo celular se dice que se produce un muerte celular sin control o accidental. La necrosis es una muerte celular debida normalmente a daños celulares producidos por agentes externos tales como temperatura, presión, tóxicos, etcétera. La diferencia con la muerte celular regulada es que la necrosis es un proceso descontrolado y pasivo que conlleva la rotura de la membrana plasmática y liberación del contenido celular desencadenando procesos inflamatorios.

Bibliografía

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