Apoptosis en células hematopoyéticas PDF

La inmunología estudia los mecanismos de defensa del cuerpo contra agentes infecciosos y sustancias extrañas. Incluye barreras físicas, sustancias químicas y respuestas fisiológicas, pero su foco principal son las células especializadas en reconocer y eliminar amenazas. Estas células pueden circular...

La inmunología estudia los mecanismos de defensa del cuerpo contra agentes infecciosos y sustancias extrañas. Incluye barreras físicas, sustancias químicas y respuestas fisiológicas, pero su foco principal son las células especializadas en reconocer y eliminar amenazas. Estas células pueden circular por el cuerpo o permanecer en tejidos específicos como centinelas. Todas las células defensoras provienen de la médula ósea, donde ocurre la hematopoyesis, el proceso de formación de células sanguíneas. De las células madre hematopoyéticas (HSC) surgen tres tipos principales: eritrocitos (transporte de oxígeno), plaquetas (control de hemorragias) y leucocitos (respuesta inmune). Las HSC tienen la capacidad de autorrenovarse y diferenciarse en distintos tipos celulares según las condiciones del organismo.  A medida que las células hematopoyéticas maduran, pierden su capacidad de replicación, por lo que las formas más maduras son más abundantes pero incapaces de dividirse. Las células progenitoras derivadas de las HSC se diferencian en tres líneas principales: eritrocitos, linfocitos y células mieloides. Las células mieloides incluyen neutrófilos, monocitos, eosinófilos, basófilos, células cebadas y megacariocitos, mientras que las células linfoides incluyen linfocitos B, T y células NK. La hematopoyesis es un proceso regulado que responde a las demandas fisiológicas, aumentando la producción de células sanguíneas según sea necesario. La médula ósea almacena leucocitos maduros, como neutrófilos, para una rápida movilización en casos de emergencia. Durante el desarrollo embrionario, las HSC se originan en el saco vitelino, migran al hígado fetal y, posteriormente, colonizan la médula ósea. Al nacer, la hematopoyesis es activa en todos los huesos, pero con la edad se restringe al esqueleto axial. En caso de daño en la médula ósea, la hematopoyesis puede reactivarse en el hígado y el bazo. Las HSC (células madre hematopoyéticas) se identifican por el marcador CD34+ y la ausencia de CD38-. Representan solo el 0.01% de las células de la médula ósea en adultos, aunque son más abundantes en el hígado fetal y la sangre del cordón umbilical. Pueden movilizarse a la circulación con tratamiento hormonal y se usan en trasplantes de médula ósea. Estas células son pequeñas, con núcleos redondos y citoplasma escaso. Su capacidad de proliferación varía: en la médula ósea adulta se dividen lentamente, mientras que en el hígado fetal lo hacen con rapidez. Aproximadamente el 25% de las HSC están activas en mitosis en un momento dado, y su población se renueva en meses. Las HSC mantienen su número constante mediante autorreplicación y diferenciación en células maduras. Su regulación depende de citocinas, como los factores estimulantes de colonias (CSF) y las interleucinas (IL-6, IL-11), que responden a estímulos como la anemia o la infección. La apoptosis es una opción disponible para todas las células hematopoyéticas. Comprender mejor la biología de las HSC tiene gran importancia clínica, ya que muchas enfermedades como leucemia, SIDA y efectos de la quimioterapia afectan la médula ósea y la homeostasis de estas células. Además, la terapia génica con HSC es una posibilidad futura para tratar trastornos hereditarios. Los progenitores derivados de las HSC se clasifican en multipotenciales (que generan dos o más tipos celulares) y completamente asignados (que producen solo un tipo). Un ejemplo es el progenitor de granulocitos y monocitos. Estas células se estudian en cultivos de médula ósea, donde pueden proliferar en presencia de citocinas específicas. Los análisis de formación de colonias (CFU) han demostrado que ciertas citocinas estimulan la diferenciación de células progenitoras: la eritropoyetina (EPO) favorece eritrocitos, la IL-5 a eosinófilos y el GM-CSF a neutrófilos y macrófagos. Las células progenitoras hematopoyéticas representan menos del 1% de las células de la médula ósea, con las progenitoras completamente asignadas siendo más abundantes que las multipotentes. Aunque estas últimas son relativamente escasas, tienen un papel clave en la aparición de leucemias, que son proliferaciones malignas de leucocitos derivados de una única célula fundadora. Estas células malignas invaden la médula ósea y la sangre periférica, interfiriendo con la producción normal de células sanguíneas. A diferencia de las progenitoras, la mayoría de las células maduras de la médula ósea no pueden originar leucemias debido a su incapacidad para proliferar. Contrario a la idea de que la hematopoyesis ocurre en un ambiente líquido similar a la sangre, en realidad se desarrolla en un tejido sólido dentro de la médula ósea, donde distintos tipos de células hematopoyéticas proliferan y maduran en microambientes específicos. Estos microambientes están regulados por las células del estroma medular y la matriz extracelular (MEC), que proporcionan señales esenciales para la diferenciación celular. En cortes histológicos de la médula ósea, estos microambientes aparecen como focos microscópicos dedicados a la producción de un tipo celular particular. Para estudiar estos procesos en el laboratorio, se emplean cultivos a largo plazo de médula ósea (CLPMO), en los que las células progenitoras hematopoyéticas se combinan con células del estroma medular, componentes de la MEC y otros factores reguladores. Estos cultivos han demostrado que la hematopoyesis depende no solo de citocinas específicas sino también de macromoléculas de la superficie celular denominadas moléculas de adhesión. Estas incluyen integrinas, selectinas y CD44, que permiten la interacción estable entre células y la MEC. Además, las citocinas pueden actuar de manera localizada al depositarse en la matriz extracelular, modulando la proliferación y diferenciación de las células hematopoyéticas en su entorno inmediato. Las integrinas no solo fijan células al estroma, sino que también transmiten señales internas que regulan su crecimiento y actividad. Bloquear su enlace con ligandos en experimentos in vitro provoca la disociación y el cese de la proliferación de progenitores hematopoyéticos. Además, las integrinas β1 son clave en la migración de HSC durante el desarrollo embrionario. Las selectinas son proteínas de adhesión que reconocen mucinas, glicoproteínas ricas en carbohidratos que facilitan la interacción célula a célula. Un ejemplo es CD34, un marcador en HSC y otras células, que actúa como ligando de la L-selectina en leucocitos maduros. Estas interacciones son fundamentales en la hematopoyesis, y su alteración con oligosacáridos sintéticos puede inhibir la división y diferenciación celular. La proteína CD44 tiene múltiples variantes debido al splicing alternativo del RNA, lo que le permite interactuar con distintos ligandos y participar en la adhesión y migración celular. Las células progenitoras hematopoyéticas expresan una versión corta de CD44, que se une al ácido hialurónico de la MEC, facilitando la adhesión y proliferación celular. Su interferencia bloquea la hematopoyesis en cultivos. Las interacciones adhesivas entre células y la MEC son fundamentales para la hematopoyesis. En enfermedades como la leucemia mieloide, las células malignas suelen perder adhesión a la MEC y al estroma, mientras que el estroma de los pacientes leucémicos produce citocinas y proteínas anómalas. Las moléculas adhesivas (integrinas, selectinas y CD44) también dirigen la migración de células hematopoyéticas en el cuerpo. Además, el estroma de la médula ósea no solo proporciona un ambiente adecuado para las células progenitoras, sino que también sintetiza citocinas necesarias para su proliferación. Algunas citocinas permanecen unidas a la membrana del estroma, aumentando su eficacia en la hematopoyesis. Las citocinas, como IL-3 y GM-CSF, se fijan a la MEC, lo que incrementa su disponibilidad para las células hematopoyéticas y ayuda a definir microambientes específicos en la médula ósea. Las citocinas que regulan la hematopoyesis se dividen en tres categorías: 1) las que actúan sobre progenitores multipotenciales, 2) las que actúan sobre progenitores asignados a una línea específica, y 3) las que no afectan directamente, pero modulan las citocinas anteriores. Sin embargo, estas categorías no son absolutas, ya que algunas citocinas tienen efectos sobre varias áreas, como el GM-CSF, que apoya tanto a progenitores multipotenciales como a precursores de monocitos, y la trombopoyetina, que ayuda a las HSC y a la formación de plaquetas. Además, muchas citocinas son redundantes o se superponen en sus efectos. El GM-CSF también regula funciones de células sanguíneas diferenciadas, como los neutrófilos. La acción de las citocinas es mejor vista como una red interactiva, lo que hace difícil asignarles funciones únicas. Los estudios en animales modificados genéticamente muestran que la falta de ciertas citocinas tiene un impacto mínimo sobre el desarrollo de células hematopoyéticas, pero un mayor efecto sobre la función de los leucocitos maduros. La evidencia actual sugiere que las células hematopoyéticas están predispuestas intrínsecamente a diferenciarse hacia una línea específica, pero requieren las citocinas adecuadas para proliferar y sobrevivir. Las citocinas no dirigen a las células hacia una vía específica, sino que actúan como factores de crecimiento y supervivencia para una línea celular determinada. Si las células progenitoras son privadas de una citocina esencial, dejan de crecer y a menudo mueren por apoptosis. Sin embargo, si se manipulan genéticamente para no sufrir apoptosis, continúan creciendo y diferenciándose incluso sin la citocina. Esto indica que el compromiso de la línea celular es un proceso estocástico (azaroso) y que la principal función de las citocinas es promover la supervivencia, más que inducir la diferenciación. Este concepto explica por qué las citocinas utilizan vías de transducción de señales similares. Los receptores de citocinas son complejos multiproteicos formados por varias subunidades. Estas subunidades incluyen un dominio extracelular para la unión con la citocina, una región transmembranal y un dominio intracelular para la transducción de la señal. Los receptores pueden ser homodímeros, heterodímeros o heterotrímeros. Aunque las subunidades están presentes en la superficie celular, no se ensamblan en un complejo receptor completo hasta que se une la citocina. Este ensamblaje desencadena eventos intracelulares que inician la transducción de señales. La mayoría de los receptores de citocinas pertenecen a la familia del receptor de hematopoyetina, que comparte características estructurales comunes en sus dominios extracelulares. Cada receptor de citocina consta de dos cadenas, una alfa (α) que determina la especificidad de unión y una beta (β) que es esencial para la afinidad máxima de enlace. Los receptores triméricos, como el IL-2R, pueden incluir también una subunidad gamma (γ). Muchos receptores comparten subunidades, lo que contribuye a las funciones sobrepuestas de las citocinas, ya que permite que diferentes receptores desencadenen eventos de señalización similares. La cola citoplasmática de la mayoría de las subunidades receptoras de hematopoyetina está asociada con una enzima tirosina cinasa (PTK), que cataliza la fosforilación de proteínas. Cuando una citocina se une a su receptor, las subunidades se acercan, activando la PTK. Este proceso inicia la transducción de la señal en el citoplasma. Algunos receptores, como CSF-1R y SCF-R, tienen actividad PTK intrínseca en sus dominios citoplasmáticos y se activan de manera similar. La activación de la PTK desencadena una serie de eventos que varían según la citocina, el receptor y el tipo celular. Las vías de señalización más caracterizadas son las que afectan la proliferación celular y la transcripción génica, transmitiéndose comúnmente al núcleo a través de tres vías principales: la vía dependiente de Ras, la vía Jak-Stat y la vía NF-κB. La vía de señalización dependiente de Ras puede ser activada por varios receptores de citocinas, moléculas de adhesión y otros receptores de superficie al unirse con sus ligandos correspondientes. Esta vía comienza con cinasas de la familia Src, que se unen a proteínas con residuos fosforilados de tirosina tras la activación del receptor. Esto forma un complejo de señalización en la membrana celular que activa proteínas de la familia Ras, las cuales tienen actividad GTPasa. La conversión de GTP a GDP en Ras activa la cinasa Raf, que a su vez activa las proteínas Mek y MAPK. La MAPK, una vez activada, se traslada al núcleo y fosforila proteínas reguladoras de la transcripción, promoviendo la proliferación celular, la activación de genes y cambios en la organización del citoesqueleto. La vía Ras es compleja y tiene múltiples formas de MAPK, con su actividad modulada por otros factores de señalización. Además, puede influir en funciones celulares más allá de la vía MAPK. Esta compleja red de interacciones y cómo genera respuestas celulares específicas está siendo objeto de intensiva investigación. La vía de señalización Jak/Stat ha sido un importante avance en el campo de la señalización de citocinas. La familia de las cinasas Janus (Jak) incluye cuatro enzimas (Jak1, Jak2, Jak3 y Tyk2), que se asocian con las colas citoplasmáticas de las subunidades receptoras de citocinas. La unión de la citocina al receptor activa las cinasas Jak, que fosforilan y activan a los factores de transcripción Stat. Las proteínas Stat se reclutan, se fosforilan, se dimerizan y migran al núcleo, donde promueven la expresión de genes específicos. Existen al menos siete proteínas Stat (Stat1 a Stat7), cada una actuando sobre diferentes genes. La vía Jak/Stat también está regulada por proteínas supresoras de la señalización de citocinas (SOCS), que inhiben las cinasas Jak. La falta de proteínas SOCS, como SOCS1, puede llevar a una respuesta excesiva a las citocinas, resultando en enfermedades inflamatorias y muerte temprana. Este mecanismo sugiere que la asignación a una línea celular en los progenitores hematopoyéticos podría estar relacionada con la expresión de subunidades receptoras y proteínas Stat específicas para cada línea. La redundancia de las citocinas se debe a que diferentes citocinas activan vías de señalización similares, lo que implica que la ausencia de una citocina tiene un efecto mínimo sobre la hematopoyesis. Sin embargo, la pérdida de subunidades receptoras o quinasas de señalización puede tener efectos profundos, como se observa en mutaciones en Jak3 o la cadena γ del IL-2R, que resultan en deficiencias hematopoyéticas y de defensa celular. La vía de señalización NF-κB involucra a una familia de factores de transcripción que controlan respuestas celulares a citocinas y otros estímulos. Inicialmente identificado como necesario para la expresión génica en linfocitos B, NF-κB incluye cinco factores de transcripción que operan como dímeros, ya sean heterodímeros o homodímeros, y están normalmente inactivos en el citoplasma, unidos a proteínas inhibidoras de la familia IκB. Diversos estímulos desencadenan la fosforilación de las proteínas IκB, que luego se degradan, liberando los dímeros NF-κB, los cuales se trasladan al núcleo y activan genes específicos. Estos genes pueden inducir proliferación celular, activar funciones celulares particulares o causar apoptosis, dependiendo del tipo celular y otros factores. La vía NF-κB regula importantes mecanismos de defensa del organismo y es un objetivo terapéutico para trastornos inflamatorios e inmunitarios. Los corticosteroides, por ejemplo, aumentan la síntesis de proteínas IκB para suprimir la actividad de NF-κB. El ciclo celular es el proceso en el que una célula se divide, y está compuesto por cuatro fases: G1, S (síntesis de DNA), G2 y M (mitosis). Las células que dejan de dividirse entran en la fase G0, de reposo. El ciclo celular se regula principalmente en los puntos de transición entre las fases, que funcionan como puntos de verificación, asegurando que se cumplan requisitos como la finalización de la síntesis o la reparación del DNA antes de pasar a la siguiente fase. La regulación del ciclo celular se lleva a cabo por proteínas clave, que incluyen: 1. Ciclinas, cuya concentración varía en cada fase. 2. Cinasas dependientes de ciclina (CDK), que regulan la actividad de las ciclinas mediante fosforilación. 3. Inhibidores de CDK (CDKI), que inactivan las CDK. El control del punto de verificación G1/S es particularmente importante para la regulación del ciclo celular en los mamíferos. La muerte celular programada, o apoptosis, es un proceso crucial para mantener el equilibrio entre la proliferación y la muerte celular en organismos multicelulares. Este fenómeno es esencial en diversos contextos biológicos, como en la regulación del sistema hematopoyético, en la embriogénesis (donde es responsable de la eliminación de células no necesarias, como la yema de la cola en los embriones), en la selección de conexiones nerviosas y en la regresión del epitelio mamario después de la lactancia. Además, la apoptosis actúa como un mecanismo de defensa, ya que las células infectadas por virus u otros patógenos intracelulares pueden inducir su propia muerte para evitar la propagación de la infección. Características morfológicas de la apoptosis Durante la apoptosis, las células muestran una serie de cambios morfológicos distintivos que incluyen: 1. Retracción celular: La célula se encoge debido a la condensación del citoplasma y el núcleo. 2. Vesiculación: El citoplasma se fragmenta en pequeñas burbujas, conocidas como vesículas, que son desprendidas de la superficie celular. 3. Condensación de la cromatina: La cromatina del núcleo se compacta y se distribuye de manera irregular. 4. Fragmentación del DNA: Las endonucleasas celulares cortan el DNA en fragmentos pequeños. 5. Formación de cuerpos apoptóticos: La célula se desintegra en fragmentos que son rápidamente fagocitados por células adyacentes, sin desencadenar una respuesta inflamatoria. Diferencia entre apoptosis y necrosis La apoptosis se diferencia de la necrosis, un tipo de muerte celular accidental y descontrolada, en que la apoptosis es un proceso ordenado y no provoca inflamación. En la necrosis, la célula se hincha, estalla y libera su contenido hacia el espacio extracelular, lo que causa daño a las células circundantes. El papel de las caspasas en la apoptosis Las caspasas son las enzimas clave en la ejecución de la apoptosis. Son proteasas citoplasmáticas que contienen una cisteína esencial en sus sitios activos y se caracterizan por cortar proteínas en residuos de aspartato. Las caspasas se encuentran inicialmente en su forma inactiva, llamada procaspasas, y se activan mediante un proceso proteolítico, generalmente realizado por otras caspasas activadas, lo que crea una cascada de activación. Existen más de diez tipos de caspasas humanas, de las cuales al menos cinco están involucradas en la apoptosis. Las caspasas 8 y 9 tienen grandes dominios prodominio que permiten la interacción con proteínas reguladoras específicas y son las primeras caspasas activadas. Otras caspasas, como las 3, 6 y 7, tienen dominios más pequeños y se activan en etapas más avanzadas de la cascada. Funciones de las caspasas durante la apoptosis: Desintegración del núcleo y el citoesqueleto: Las caspasas rompen proteínas estructurales del núcleo y del citoesqueleto, lo que causa el colapso de la célula. Pérdida de adhesión celular: Las caspasas descomponen las proteínas que permiten la adhesión entre las células, facilitando su separación y fagocitosis. Degradación del DNA: Las caspasas activan endonucleasas que fragmentan el DNA cromosómico y destruyen enzimas reparadoras de DNA, evitando que el daño genético se repare y se pase a las células hijas. Reguladores de la apoptosis Existen proteínas que inhiben la apoptosis, llamadas inhibidores de la apoptosis (IAP). Estas proteínas pueden unirse a las caspasas y prevenir su activación. Sin embargo, algunos virus como los poxvirus y herpesvirus también codifican proteínas que inhiben las caspasas para evitar que las células infectadas experimenten apoptosis. Señales externas que inducen la apoptosis La apoptosis puede ser inducida por señales externas a través de receptores de muerte en la membrana celular, como el receptor Fas (CD95). Este receptor se encuentra en la superficie de las células susceptibles a la muerte, y su unión con el ligando de Fas (FasL), que puede ser expresado por células vecinas o por la propia célula en estrés, desencadena la activación de caspasas en el interior de la célula. El mecanismo involucra el haciamiento de los receptores Fas, que se agrupan en la membrana celular y activan proteínas adaptadoras en el citoplasma. Estas proteínas adaptadoras luego activan una procaspasa, que inicia la cascada de caspasas, llevando a la célula a la muerte programada. Otras vías de activación La unión de TNF (factor de necrosis tumoral) a su receptor también puede desencadenar la activación de caspasas, junto con la activación de la vía de señalización NF-kB. Además, los linfocitos especializados (como las células T citotóxicas) pueden inducir apoptosis en células infectadas al liberar granzima B, una proteasa que activa directamente las caspasas, promoviendo la apoptosis de la célula objetivo. En resumen, la apoptosis es un proceso crucial y regulado, fundamental para el desarrollo y la homeostasis celular, que implica una serie de señales internas y externas, así como la activación de caspasas que ejecutan la muerte celular mediante la destrucción ordenada de las estructuras celulares. Las mitocondrias juegan un papel crucial en las respuestas apoptóticas, como las inducidas por la falta de citocinas o la radiación. Las anomalías mitocondriales, que ocurren temprano en la apoptosis, incluyen la liberación de proteínas específicas al citoplasma sin la rotura de la membrana mitocondrial. Una de estas proteínas es el citocromo c, que activa la cascada de caspasas al unirse con una proteína citosólica, formando un complejo que activa la caspasa-9. Otra proteína liberada, el factor inductor de apoptosis (AIF), induce el colapso nuclear y la desintegración cromosómica sin necesidad de las caspasas. El AIF también expone el fosfatidilserina, normalmente en la cara interna de la membrana plasmática, lo que facilita la fagocitosis de la célula en apoptosis. En algunos casos, se observa daño por especies reactivas de oxígeno, que son productos tóxicos del metabolismo aeróbico mitocondrial, aunque su rol exacto en la apoptosis no está claro. Las vías mitocondriales de apoptosis están reguladas por la familia de proteínas Bcl-2, que incluyen proteínas con efectos opuestos. Algunas, como Bax, inducen la apoptosis, mientras que otras, como Bcl-2, la inhiben, haciendo que las células sean resistentes a los estímulos apoptóticos. Estas proteínas interactúan entre sí formando heterodímeros, y el equilibrio entre ellas determina la propensidad de la célula a sufrir apoptosis. Bax y Bid se movilizan hacia las mitocondrias tras la estimulación apoptótica, mientras que Bcl-2 inhibe la liberación de citocromo c. Bcl-XL también puede interferir en la activación de la caspasa-9. Además, la expresión de las proteínas Bcl-2 puede ser regulada por citocinas. Por ejemplo, la eliminación de una citocina puede disminuir la expresión de Bcl-2, dejando a las células vulnerables a Bax. Algunos virus, como el de Epstein-Barr, manipulan la expresión de estas proteínas para evitar que las células infectadas experimenten apoptosis. Finalmente, la apoptosis en las células hematopoyéticas está relacionada con el ciclo celular. Muchas de estas células deben pasar por la fase G1 antes de iniciar la apoptosis debido a la supresión de citocinas. En este proceso, proteínas como c-Myc pueden desempeñar un papel en el inicio de la apoptosis. Además, p53, un regulador clave del ciclo celular, inicia la apoptosis si el daño al DNA no puede ser reparado, posiblemente a través de la inducción de Bax.