Muerte celular, apoptosis, necrosis y cáncer: mecanismos, vías y regulación molecular

Muerte celular

La muerte celular es el mecanismo desencadenado por señales celulares y por determinantes genéticos. La muerte celular se divide fundamentalmente en dos procesos: necrosis y apoptosis.

Apoptosis

La apoptosis es la muerte de células individuales en un proceso controlado y dependiente de energía en el cual no hay liberación indiscriminada del contenido citoplasmático; los restos son fagocitados. Está regulada por familias proteicas como Bcl-2 y Bax. Es una muerte celular programada inducida por señales celulares, con cambios morfológicos bien definidos.

Necrosis

La necrosis afecta a grupos de células y es un proceso descontrolado en el que las células se dañan y su contenido es liberado, provocando inflamación local. Suele tener carácter patológico y se asocia a variaciones extremas de las condiciones fisiológicas. En la necrosis, las rutas metabólicas se alteran en este paso.

Fagocitosis

La fagocitosis es el proceso por el cual los cuerpos apoptóticos son engullidos por macrófagos; las modificaciones en la membrana de las células apoptóticas facilitan su reconocimiento y posterior degradación.

Oncogenes y protooncogenes

Oncogenes: son genes con actividad constitutiva no regulada o con sobreproducción de producto que codifican proteínas capaces de transformar células o inducir cáncer. Proceden de protooncogenes que han sufrido mutaciones o reordenamientos.

Protooncogenes: son genes cuyos productos promueven el crecimiento y la división celular, codificando factores de transcripción que estimulan la expresión de otros genes o moléculas de transducción de señales. Alteraciones en la membrana plasmática pueden afectar la homeostasis iónica, por ejemplo con entrada de agua e iones de calcio.

Suicidio celular fisiológico y patológico

Las células 'cometen suicidio' por condiciones fisiológicas como el desarrollo embrionario o el control del número celular. En condiciones patológicas, la apoptosis puede ser inducida por:

• Daño en el ADN
• Plegamiento incorrecto de proteínas
• Células no funcionales

La muerte por apoptosis juega un papel esencial en la construcción de un individuo con tipos celulares, números y lugares correctos.

Caspasas

Caspasas: son proteínas dependientes de cisteína, específicas para residuos de aspartato. Se sintetizan como zimógenos inactivos llamados procaspasas, constituidas por una subunidad grande y otra pequeña; al activarse por proteólisis forman un complejo activo (heterodímero/heterocomplejo) que ejecuta la muerte celular.

Fases de la apoptosis

• Iniciación: por señales o por ausencia de señales.
• Ejecutora: activación de proteasas (caspasas efectoras).
• Fagocitosis: reconocimiento y eliminación por macrófagos.

Vías de la iniciación de la apoptosis

En la iniciación ocurren dos vías principales:

Vía extrínseca

Señales externas activan receptores en la superficie celular (receptores de muerte).

Receptores de la superfamilia TNF:

• TNFR1 (Tumor Necrosis Factor Receptor 1)
• Fas/CD95/APO-1 (Apoptosis Antigen 1)
• TRAIL/DR4/APO-2 y TRAIL-R2/DR5 (TNF-Related Apoptosis-Inducing Ligand Receptors)

Vía intrínseca

Son estímulos no mediados por receptores, con blancos dentro de la célula: daño en el ADN, hipoxia o ausencia de factores de crecimiento. Se producen poros en la membrana mitocondrial y se liberan moléculas proapoptóticas:

• Citocromo c (Cit-C)
• Smac/DIABLO (bloquea inhibidores de la apoptosis, IAP)
• AIF (factor inductor de la apoptosis)

Se forma el apoptosoma, se activan caspasas efectoras y se lleva a cabo la ejecución:

• Caspasas efectoras: caspasa-3, caspasa-6, caspasa-7.
• Corte de ADN internucleosómico (fragmentación típica), activación de DNasas que lo median.
• Corte de proteínas del citoesqueleto: lámina nuclear, gelsolina, entre otras.

Fagocitosis en detalle

Los cuerpos apoptóticos son reconocidos y fagocitados por macrófagos; una vez internalizados se fusionan con lisosomas y son degradados. Las modificaciones en la membrana de las células apoptóticas (por ejemplo fosfatidilserina expuesta) provocan su reconocimiento.

Regulación de la activación de la vía extrínseca

Existen reguladores que inhiben la activación de procaspasas en el complejo de señalización:

• cFLIP (con dominios de muerte): compite con la unión de procaspasas a FADD.
• Receptores señuelo: DcR1 y DcR2 inhiben la muerte por ligando TRAIL; DcR3 inhibe Fas.
• CrmA inhibe caspasa-8.
• SODD (Silencer Of Death Domains) regula TNFR.

IAP: Inhibidores de la apoptosis

Los IAP regulan la activación de caspasas en la vía intrínseca. Entre ellos están CIAP1, CIAP2, XIAP, NIAP y Survivina. Poseen el dominio BIR (Baculoviral IAP Repeat) que interactúa con caspasas, inhibiendo su actividad (actúan sobre caspasas-3 y -7 activas y sobre procaspasa-9). Smac/DIABLO antagoniza a los IAP, permitiendo que la apoptosis continúe.

Familia BCL-2

La familia BCL-2 está formada por proteínas con dominios BH1, BH2, BH3 y BH4:

• Antiapoptóticas: contienen BH1-BH4 (por ejemplo Bcl-2)
• Proapoptóticas:
  • Subfamilia Bax: BH1-BH3
  • Subfamilia BH3-only: solo BH3

La familia Bcl-2 regula canales preexistentes como el canal de aniones dependiente de voltaje (VDAC). R-Ras antagoniza la capacidad de Bcl-2 de bloquear la apoptosis. Raf-1 puede ser translocada a la mitocondria por Bcl-2.

Bloque duplicado (texto original repetido)

Familia BCL2
Dominios BH1, BH2, BH3 y BH4.
Antiapoptóticas: BH1-BH4. Proapoptóticas: subfamilia Bax (BH1-BH3). Subfamilia BH3-only: BH3.

Regulación del ciclo y relación con la apoptosis

pRB:
pRB hipo-fosforilado (hipo-P) se asocia a E2F; pRB hiper-fosforilado libera E2F. Proteínas virales como E1A, E7 y AgT se unen a pRB hipo-P e inhiben su actividad antiproliferativa. pRB hipo-P protege de la muerte al promover G0, estado en el que las células son menos susceptibles a la apoptosis.

Virus y control de la apoptosis

Muchos virus codifican genes que controlan la apoptosis, por ejemplo:

• Contrapartes de Bcl-2: BHRF-1 de Epstein-Barr (homólogo de Bcl-2).
• E1B de adenovirus inhibe la muerte inducida por TNFα y FasL y también bloquea caspasa-3.
• p35 viral: inhibe caspasas; se digiere en dos partes y una se conserva unida al inhibidor.

Cáncer

Tumores benignos y malignos

Benignos: no son cancerosos; pueden extirparse y, en general, las células de tumores benignos no diseminan a otras partes del cuerpo.

Malignos: son cancerosos. Las células de estos tumores pueden invadir tejidos cercanos y diseminarse a otras partes del cuerpo.

Metástasis

La metástasis implica la migración de células tumorales y el establecimiento de áreas secundarias de crecimiento. Requiere degradación de matriz extracelular y de la lámina basal para permitir la invasión.

Angiogénesis

La formación de nuevos vasos (angiogénesis) es facilitada por factores de crecimiento como bFGF, TGFα y VEGF, y facilita la metástasis al proporcionar suministro sanguíneo al tumor.

Supresores de tumores

Los supresores de tumores son proteínas que controlan el ciclo celular, participan en la reparación del ADN y en la recepción de señales que inhiben la proliferación. Las mutaciones que producen pérdida de función en estos genes generan cáncer: ambas copias (alelos) suelen tener que inactivarse para el desarrollo tumoral, por lo que su efecto es recesivo a nivel celular.

Oncogenes: mecanismos y ejemplos

Los oncogenes pueden originarse por mutaciones puntuales, amplificaciones o translocaciones cromosómicas. Producen proteínas con actividad constitutiva o sobreexpresadas que favorecen la proliferación:

Moléculas de señalización: promotoras de crecimiento. El gen Sis codifica PDGF (factor de crecimiento derivado de plaquetas), provocando autoestimulación en células que expresan su receptor.

Receptores oncogénicos: transducen señales que estimulan el crecimiento; muchos poseen actividad tirosina quinasa (RTK). La dimerización y activación de RTK activa vías que promueven la proliferación (por ejemplo HER2 y el receptor de EGF).

Mutaciones que ocasionan sobreproducción o activación constitutiva de RTK provocan proliferación con concentraciones bajas de factores. Un anticuerpo dirigido contra HER2 es un tratamiento para ciertos tipos de cáncer de mama.

Oncogen trk

Ejemplos: proteínas quiméricas producidas por translocaciones cromosómicas que cambian dominios y pueden activar la tirosina quinasa en ausencia de ligando (por ejemplo fusión con dominios de tropomiosina).

Activadores virales

• SFFV (virus productor de focos esplénicos): asociado a eritroleucemia; gp55 se une y activa receptores de Epo.
• E5 del HPV: forma dímeros y activa el receptor de PDGF.

Proteínas transductoras

Ras: puede activarse de forma constitutiva (mutaciones puntuales) o por activación por proteínas virales como Crk. Ras activa cascadas de MAP quinasa que promueven proliferación. Retrovirus pueden codificar Raf constitutivamente activo.

Src

Src: proteínas transductoras intracelulares (v-src). Fue el primer oncogén descubierto. La fosforilación en Tyr 527 inactiva la proteína; la forma viral (v-src) carece de esa Tyr reguladora, lo que genera una oncoproteína constitutivamente activa.

Abl

Abl: es una cinasa que controla la forma celular. En la leucemia mieloide crónica existe una translocación recíproca que crea el cromosoma Filadelfia y la fusión bcr-abl. La quinasa resultante está siempre activa y actúa sobre sustratos no habituales.

Factores nucleares de transcripción

Factores como Jun, Fos y Myc activan la transcripción de genes que codifican proteínas estimulantes del crecimiento y suelen estar sobreexpresados en tumores. Ejemplo: en el linfoma de Burkitt, c-myc se trasloca cerca de los genes de las cadenas pesadas de los anticuerpos, aumentando su expresión.

Anti-oncogenes (supresores de tumores)

Las mutaciones que causan pérdida de inhibición del crecimiento y del control del ciclo celular conducen a un fenotipo tumoral.

TGFβ

TGFβ inhibe la proliferación celular. Activa proteínas Smad (factores de transcripción) que inducen p15 (inhibidor del ciclo celular) y PAI-1 (inhibidor del activador del plasminógeno, que reduce la degradación de matriz por plasmina). Mutaciones en receptores de TGFβ o en Smad favorecen la proliferación celular, la metástasis y la invasividad.

Mutaciones en la regulación G1-S

Alteraciones que favorecen la progresión del ciclo incluyen:

• Sobreproducción de ciclina D (fenocopia la actividad observada en ciertos linfomas).
• Pérdida de p16 (que imita la sobreproducción de ciclina D).
• Inactivación de Rb, que libera E2F y promueve la entrada en mitosis.

Pérdida de p53

Función normal: ATM/ATR fosforilan y estabilizan p53. p53 induce p21 (inhibidor de ciclinas). p53 también reprime la ciclina B y topoisomerasa II (G2-M). La proteína p53 funciona como un tetrámero de cuatro subunidades iguales.

Genes apoptóticos

La sobreexpresión de Bcl-2 evita la apoptosis y está asociada a neoplasias como la leucemia linfoblástica crónica. p53 tiene función proapoptótica e induce genes como Bax, NOXA, entre otros.

Detalles finales y resúmenes

La regulación de la muerte celular es compleja e integrada: involucra señales extrínsecas (receptores de muerte), señales intrínsecas (mitocondria y daño en ADN), familias regulatorias (Bcl-2, IAP, caspasas), moduladores virales y mutaciones que afectan el equilibrio entre proliferación y muerte (oncogenes y supresores de tumores). Estas alteraciones están en el núcleo de la oncogénesis y de la respuesta celular al daño.