APOPTOSIS: Muerte Celular Programada

por el Dr. Ricardo Carlos Gross

(especial para Fundación Albert Einstein)

INFORME:
En los últimos cinco años se ha producido un desarrollo notable en el conocimiento del fenómeno contrario a la proliferación y neoplasia, denominada "muerte celular programada", o con más propiedad: “APOPTOSIS”.
Normalmente existe un equilibrio entre la reproducción celular y la apoptosis a fin de mantener la población adecuada al momento en que los tejidos han llegado al estado adulto de desarrollo.
La división autosómica es permanente con excepción de algunos grupos celulares, como las neuronas y cardiomiocitos. Durante el desarrollo embriológico, la reproducción celular es mayor que la apoptosis; aunque en ciertos momentos, la segunda predomina cuando deben desaparecer tejidos como las membranas interdigitales, branquias, elementos cloacales, etc. cuya persistencia formarían alteraciones congénitas.
La división somática produce en forma constante miles de millones de células nuevas. Para mantener la homeostasis tisular debe desaparecer alrededor de la mitad de ellas. Así mitosis y apoptosis mantienen el equilibrio celular en los tejidos. Un autor ha señalado en forma muy acertada, “...que la muerte del organismo humano es una tragedia; pero la muerte permanente de la mitad de sus células es esencial para su existencia”.
La apoptosis es un fenómeno biológico fundamental, permanente, dinámico e interactivo. Existen mecanismos pro o anti apoptósicos, regulados genéticamente, que actúan en forma activa (pues consumen energía) y equilibrada. Es un proceso ordenado y silencioso que no produce reacción tisular y por ello difícil de captar.
La apoptosis puede estar frenada, en equilibrio o estimulada. Por ejemplo, está frenada durante la lactancia en su período preparatorio, en que el tejido mamario aumenta su masa celular. Lo mismo acontece con el útero en la gestación.
Está en equilibrio respecto de la mitosis en los tejidos adultos sanos. Pero está estimulada cuando existen células envejecidas, mutadas, neoplásicas o no neoplásicas, alteradas por tóxicos y las que están en proceso de metamorfosis o atresia.
Dos formas de muerte celular son habituales en el organismo: necrosis y apoptosis. Las características morfológicas de ambas, permiten, en la mayoría de los tejidos establecer claras diferencias.
En la necrosis se observan numerosas células vecinas sometidas a este proceso, cubriendo una extensión variable con desintegración.
La destrucción de la membrana celular permite el escape al exterior de elementos tóxicos que provocan un proceso inflamatorio que tendrá efecto nocivo en el organismo, según la extensión del proceso. El material cromatínico sufre una dispersión irregular. Las causas son agentes tóxicos, traumáticos e hipóxicos. Siempre patológicos.
En la apoptosis el proceso afecta a determinadas células; no necesariamente contiguas y no a todas en un área tisular. La membrana celular no se destruye, lo que impide el escape al espacio extracelular de su contenido, resultando un proceso "silencioso", sin inflamación.
En el citoplasma se produce la conservación de algunas organelas, en especial las mitocondrias que tienen un rol interactivo importante. A nivel nuclear la cromatina se condensa agrupada en varios sectores formando cuerpos apoptóticos.
Finalmente, fagocitos captan la célula en su totalidad impidiendo, que se produzca alarma en el resto del tejido. Se ha demostrado, al menos en tejidos epiteliales, que si algo de material apoptótico escapa a la acción de los fagocitos, es captado por células vecinas. La participación de células vecinas en este proceso se manifiesta además por la capacidad de éstas de enviar señales moleculares a la célula que debe morir, como mecanismo complementario al que desarrolla la célula misma cuando se determina molecularmente su autodestrucción.
El estudio e identificación específica de cuerpos apoptóticos se ha logrado con tinciones derivadas de la uridina. Sin embargo, en algunas células como las neuronas, la uridina tiñe también tejidos necróticos perdiendo la especificidad.
En tales casos se recurre a anticuerpos monoclonales capaces de reconocer fragmentos de ADN integrados en los cuerpos apoptósicos. La imagen que da la apoptosis al microscopio electrónico se caracteriza por la presencia de fragmentos de cromatina agrupados en conglomerados globuliformes, la granulación fina del contenido citoplasmático, la persistencia de algunos organelos hasta el final del proceso, como las mitocondrias y la integridad de la membrana celular.
Dado que la apoptosis actúa como oponente a la mitosis, es muy importante su relación con el ciclo celular.
La apoptosis puede iniciarse en el tercio final de G1 para impedir que una célula dañada ingrese a la fase S de manera que las mutaciones no se reproduzcan durante la réplica del ADN, ingresando así a la especie, y en la fase G2 para impedir que las células que no hayan llegado a la madurez entren en mitosis.
De esta manera, durante el ciclo celular se determina cuándo la célula debe entrar en el proceso de autodestrucción o continuar el ciclo y dividirse. Se ejerce así, un balance entre mitosis y apoptosis, regulando la población celular de cada tejido.
En el mecanismo molecular que controla la apoptosis actúan varios agentes, de los cuales uno de los más importantes y mejor estudiados, es el complejo de cisteino-aspártico-proteasas, denominadas “caspasas". Se han descrito 10 tipos de “caspasas” en células humanas que provocan una degradación proteica bien definida hasta llegar a la formación de cuerpos apoptóticos.
Algunas caspasas son "iniciadoras" y otras "efectoras" del proceso catalítico, actuando sobre endonucleasas que son las responsables directas de la fragmentación del ADN. La cadena de degradación proteica tiene sucesivos clivajes dependientes de la ubicación del ácido aspártico que se repite en la estructura de la enzima. La activación de las caspasas, que existen en calidad de “procaspasas inactivas”, se produce por diversas vías en que participan varios complejos moleculares.
La vía de receptores transmembrana establece conexiones con el espacio extracelular, recibiendo señales pro-apoptóticas desde el exterior y de las células vecinas. Dos familias de receptores se han identificado con estas características: la "proteína compleja Fas" y el “factor de necrosis tumoral TNF” (tumor necrosis factor).
La proteína transmembrana Fas en su porción intracelular enlaza con un factor intermedio denominado FADD (factor associated death domain), nombre que sólo señala que está comprometido con la zona de la molécula Fas que participa en la muerte celular, activando las caspasas 8 y 10.
En cambio, si la parte interna de la molécula se asocia a otro factor llamado DaXX, se activan proteinoquinasas que conducen al efecto contrario; es decir, estimulan el ciclo celular y la mitosis. Esta vía Fas permanece inactiva hasta que se produce en su parte externa el enlace con un cofactor llamado Fas ligando, proteína que actúa como detonador que enciende la vía, en que solo las caspasas están inactivas y el resto de la cadena está preparada para recibir el enlace exterior. Esta característica permite actuar con gran rapidez sin necesidad de sintetizar otros factores.
Algo similar sucede con el otro "receptor de membrana" TNF. Su porción intracelular conecta con complejos intermedios como el Tradd (TNF receptor associated death domain) y Raidd (receptor associated interleukine death domain) que activan caspasas "iniciadoras" de la apoptosis. Pero si se asocian a otro complejo llamado Traf (TNF receptor associated factor) activan proteinoquinasas y estimulan la proliferación celular: es decir, el efecto contrario.
Las alternativas de una misma vía de actuar en pro o en contra de la apoptosis se repite en otros mecanismos.
Otra vía importante es la vía "ceramida" que es un glucolípido sintetizado en el retículo plasmático y en las mitocondrias, cuya mayor concentración se ubica junto a la porción interna de la membrana plasmática. En el interior de la membrana misma existe otro fosfolípido, la esfingomielina.
Se ha podido determinar que agentes externos como la radiación UV, agentes oxidantes y el calor, activan la esfingomielinasa ácida, que provoca una reacción aún no bien conocida, sobre la esfingomielina, aumentando la concentración de ceramida. Las vias Fas y TNF también tienen una acción activadora sobre la ceramida. La ceramida actúa sobre las mitocondrias que tienen un doble rol en la apoptosis, como veremos enseguida.
Las mitocondrias, que son el último organelo que desaparece en el proceso de apoptosis, al ser fagocitado con los restos de la célula, ejercen un rol pro y antiapoptósico fundamental.
La ceramida puede ser activada por factores externos a través de receptores de membrana y directamente por glucocorticoides. Además las alteraciones no corregidas del ADN (en especial mutaciones cancerígenas) activan una proteína sintetizada por el gen p53, que provoca apoptosis a través de la activación de la ceramida.
La ceramida provoca cambios iónicos entre la matriz de la mitocondria y el citosol del citoplasma, que producen un descenso del potencial transmembrana con aumento de la permeabilidad de su membrana interna, permitiendo el escape de citocromo C y de un factor inductor de apoptosis AIF (cuya estructura no es bien conocida aún), que estimulan a las caspasas 8 y 10 e indirectamente a la 3 y 9, conduciendo a la apoptosis.
El factor frenador de la apoptosis más importante que se conoce hasta hoy es la familia de proteínas sintetizadas por el gen bcl-2 y similares. Es interesante anotar que la familia de proteínas bcl se sintetiza justamente en la membrana de la mitocondria, apareciendo este organelo jugando un rol pro o anti-apoptósico, ya que tales proteínas disminuyen la permeabilidad de la membrana hasta bloquear el escape de citocromo C y AIF. El bcl-2 es homólogo del proto-oncogen responsable del linfoma folicular humano.
Los factores proteicos del bcl-2 se producen entre ambas membranas de la mitocondria. Los elementos sintetizados por este gen son: el Bcl-2, el Bcl-XL, el Bcl-W y el BRAG. Estos factores son anti-apoptósicos; pero mediante fosforilación originan proteínas con acción pro-apoptósica y son: el Bax, Bak, Bad, y Bcl x 5, ya que producen una caída del potencial transmembrana favoreciendo la liberación de citocromo C y AIF. Además actúan como activadores de las vías pro-apoptóticas Fas y TNF y de algunas caspasas. Es otro ejemplo de reguladores pertenecientes a una misma familia de proteínas que actúan como pro o anti-apoptósicos.

La apoptósis es una función biológica muy importante en la patogenia de varias enfermedades estudiadas hasta el momento. Podemos destacar el cáncer, malformaciones, trastornos metabólicos, neuropatías, lesiones miocárdicas y trastornos del sistema inmunitario.

Respecto del cáncer, el factor biológico más importante antineoplásico parece ser la proteína 53 sintetizada por el gen humano p53. Es una fosfoproteína proapoptótica que se activa ente la presencia de mutaciones del ADN, actuando en la fase G1 del ciclo celular.
Esta proteína controla la reparación de lesiones del ADN efectuado por polimerasas específicas, (contribuye a frenar el ciclo en tales circunstancias) y es capaz de detectar células neoplásicas agresivas, frenando su capacidad de producir angiogénesis que facilitan las metástasis.
La p53 se agota rápidamente por lo que debe ser sintetizada en forma constante. Su rol es frenar el ciclo destruyendo células mediante la apoptosis antes de llegar a la etapa de síntesis a fin de impedir que se repliquen mutaciones carcinogenéticas, que producirán nuevas cepas tumorales cada vez más agresivas.
Otro aspecto de importancia clínica es la relación entre apoptosis y neuropatías.
En el desarrollo del sistema nervioso, las neuronas se generan a partir de células precursoras que, una vez diferenciadas, no se dividen más. Antes de emitir dendritas y axones, las neuronas inmaduras o las precursoras, emigran desde el lugar de nacimiento en busca de la localización definitiva usando como camino el sistema glial. Esta migración tiene, además, como objetivo lograr las conexiones interneuronales correctas. Si ello no se efectúa la neurona no recibe la acción de factores de crecimiento secretados por la célula receptora a que pertenece el axón conectado y la célula que hizo la conexión equivocada, muere por apoptosis. De esta manera contribuye la apoptosis en el desarrollo correcto del sistema nervioso.
Otro hecho de importancia observado recientemente es el rol que juegan la isquemia y la hipoxia. En zonas periféricas de infartos cerebrales se han observado células en apoptosis con fragmentación de la cromatina y sobre expresión de caspasas.
En enfermedades neurodegenerativas se ha observado apoptosis en biopsias de pacientes con Alzheimer, Huntington y Parkinson, fallecidos por otra causa.
La apoptosis en la Enfermedad de Alzheimer no es sistematizada, sino difusa, que coincide con el polimorfismo de la lesión. El bloqueo de caspasas para frenar la apoptosis abre nuevos campos terapéuticos en enfermedades neurodegenerativas.
En infartos recientes se ha encontrado sobre expresión de Bcl-2. En infartos antiguos, con células en apoptosis, se ha detectado presencia de Bax (que ya vimos, es una proteína pro-apoptósica de la familia del bcl-2 fosforilado).