Biología Celular - Tema 12 - PDF

BIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA CELULAR BLOQUE 3: REGULACIÓN CELULAR Unidad Didáctica 12. Muerte y renovación celular. BLOQUE 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 1 Unidad Did...

BIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA CELULAR BLOQUE 3: REGULACIÓN CELULAR Unidad Didáctica 12. Muerte y renovación celular. BLOQUE 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 1 Unidad Didáctica 12 Guion de la Unidad Didáctica 12 12.1 Muerte celular programada. 12.2 Células madre y el mantenimiento de los tejidos adultos. 12.3 Medicina regenerativa: células madre embrionarias y la clonación terapéutica. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 2 Unidad Didáctica 12  La mayoría de las muertes celulares en los organismos multicelulares ocurren como consecuencia de un proceso fisiológico normal de muerte celular programada, que juega un papel clave tanto en el desarrollo embrionario como en el desarrollo de tejidos adultos. La muerte celular debe estar equilibrada con la renovación celular, y la mayoría de los tejidos contienen células madre que son capaces de reemplazar las células que se han perdido. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 3 Unidad Didáctica 12 Muerte y renovación celular Muerte celular programada BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 4 Unidad Didáctica 12  La muerte celular está estrechamente regulada, de modo que el destino de las células individuales cumple con las necesidades del organismo completo Los procesos que se producen durante la apoptosis: El ADN cromosómico generalmente es fragmentado como resultado de la escisión de los nucleosomas. La cromatina se condensa y a continuación el núcleo se disgrega en pequeños fragmentos La célula se encoge y se rompe en fragmentos envueltos de membrana denominados cuerpos apoptóticos. Las células apoptóticas y los fragmentos celulares son reconocidos de forma eficaz y fagocitados mediante macrófagos y células vecinas, de modo que las células que mueren por apoptosis son rápidamente retiradas de los tejidos. Por el contrario, las células que mueren debido a necrosis como resultado de una lesión aguda se hinchan y se lisan, liberando su contenido al espacio extracelular y causando inflamación. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 5 Unidad Didáctica 12  La muerte celular está estrechamente regulada, de modo que el destino de las células individuales cumple con las necesidades del organismo completo En contraste a la necrosis (muerte accidental), la muerte celular programada es un proceso activo, que tiene lugar generalmente mediante una serie concreta de cambios celulares conocidos como apoptosis. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 6 Unidad Didáctica 12  La muerte celular está estrechamente regulada, de modo que el destino de las células individuales cumple con las necesidades del organismo completo Apoptosis Necrosis BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 7 Unidad Didáctica 12 La muerte celular está estrechamente regulada, de modo que el destino de las células individuales cumple con las necesidades del organismo completo BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 8 Unidad Didáctica 12 La eliminación de las células apoptóticas está mediada por la expresión de determinadas ‘señales’ Estas señales incluyen a la fosfatidilserina que normalmente está restringida a la cara interna de la membrana plasmática. Durante la apoptosis la fosfatidilserina se expresa en la superficie celular donde es reconocida por receptores expresados por las células fagocíticas. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 9 Unidad Didáctica 12  Las caspasas son los ejecutores de la apoptosis Las caspasas son los efectores últimos de la muerte celular programada, desencadenando los efectos de la apoptosis mediante la escisión de más de 100 proteínas diana. Niveles de actuación: Ø Inhibidor de las ADNasas Ø Escinden las láminas nucleares dando lugar a la fragmentación del núcleo Ø Proteínas del citoesqueleto, desencadenando la desorganización del citoesqueleto, la vesiculización de la membrana y la fragmentación celular Ø Proteínas de la matriz del Aparato de Golgi, que induce su fragmentación Ø Escinden y activan la escramblasa que transloca la fosfatidilserina desde la cara interna de la membrana plasmática a la cara externa. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 10 Unidad Didáctica 12  Reguladores centrales de la apoptosis: la familia Bcl-2 Bcl-2 es una familia de proteínas formada por alrededor de 25 miembros que regulan procesos de permeabilización mitocondrial y constituyen un punto clave en la vía intrínseca de apoptosis celular. Bcl-2 está implicada en el bloqueo de la muerte celular, más específicamente de los procesos de contracción citoplasmática, condensación nuclear, desorganización de la membrana plasmática y ruptura endonucleolítica del ADN. Tres grupos funcionales: Antiapoptóticos: inhibidores de la apoptosis. Proapoptóticas que inducen la activación de la caspasa y promueven la muerte celular BH: dominios de homología a Bcl-2 BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 11 Unidad Didáctica 12 El destino de la célula (vida o muerte) está determinado por el equilibrio de la actividad proapoptótica y antiapoptótica de los miembros de la familia Bcl-2, que actúan para regularse entre ellos. Las proteínas efectoras de la apoptosis (Bax, Bak) se encuentran inhibidos por interacciones con los miembros de la familia Bcl-2 de proteínas anti- apoptóticas. Las proteínas pro-apoptóticas sólo BH3 se encuentran regulados por señales que inducen la muerte celular (Ej. lesiones del ADN) o supervivencia celular (Ej.: factores de crecimiento). Una vez activados inician la apoptosis mediante dos mecanismos: 1. Antagonizan a los miembros de la familia anti-apoptótica. 2. Activan a las proteínas proapoptóticas Bax y Bak BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 12 Unidad Didáctica 12 Los miembros de la familia Bcl-2 actúan en las mitocondrias que juegan un papel central en la muerte celular programada Bax y Bak se oligomerizan para formar poros en la membrana externa mitocondrial, provocando la salida del citocromo c del espacio intermembrana de la mitocondria. El citocromo c es una proteína pequeña, que funciona como transportador electrónico mitocondrial entre los complejos respiratorios III y IV. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 13 Unidad Didáctica 12 Los miembros de la familia Bcl-2 actúan en las mitocondrias que juegan un papel central en la muerte celular programada La liberación del citocromo c induce la activación de las caspasas. La caspasa iniciadora clave en las células de mamífero (caspasa-9) es activada mediante la formación de un complejo con Apaf-1 (Apoptosis protease-activating factor-1) llamado apoptosoma. La formación de este complejo requiere la participación del citocromo c. En condiciones normales, el citocromo c se encuentra en el espacio intermembrana de la mitocondria, mientras que Apaf-1 y la caspasa-9 se encuentran en el citosol, de modo que la caspasa-9 permanece inactiva. La liberación del citocromo c al citosol, por tanto, desencadena la formación del apoptosoma y la activación de la caspasa-9. Una vez activada, la caspasa-9 escinde y activa las caspasa-3 y caspasa-7 para provocar la muerte celular. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 14 Unidad Didáctica 12  Las caspasas también están reguladas por un grupo de proteínas denominadas IAP, inhibidores de apoptosis Los IAP interaccionan directamente con las caspasas y suprimen la apoptosis inhibiendo la actividad de las caspasas o dirigiendo a las caspasas hacia su ubiquitilación y degradación por el proteosoma. Regulación de las caspasas por los IAP en Drosphila BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 15 Unidad Didáctica 12  Vías de señalización que regulan la apoptosis Las vías que inducen apoptosis en mamíferos se clasifican como intrínsecas o extrínsecas en función de la familia de Bcl-2 y de la identidad de la caspasa que ponga en marcha la muerte celular: ü Vía intrínseca: se activa por las lesiones del ADN y otras formas de estrés celular. ü Vía extrínseca: a través de señales procedentes de otras células. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 16 Unidad Didáctica 12  Señalización intrínseca mediada por p53 Lesiones producidas en la doble hebra de ADN Activación de quinasas sensoras a las lesiones del ADN Activación de p53 por fosforilación (estabilización de la proteína) Activación de la expresión de genes pro-apoptóticos (cuando las lesiones de ADN no se pueden reparar) PUMA y Noxa son proteínas pro-apoptóticas solo-BH3 que activan Bax y Bak y que promueven la liberación del citocromo c y la activación de la caspasa-9 BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 17 Unidad Didáctica 12  Señalización extrínseca mediada por receptores de muerte celular El factor de necrosis tumoral (TNF) y otros ligandos de receptores de muerte celular consisten en tres cadenas polipeptídicas, de forma que su unión induce la trimerización del receptor. La caspasa-8 es reclutada al receptor y activada mediante su interacción con moléculas adaptadoras La caspasa-8 puede escindir y activar a La caspasa-8 escinde la proteína Bid las caspasas efectoras (caspasa-3 y (solo-BH3) que activa la vía mitocondrial caspasa-7) de la apoptosis, dando lugar a la activación de la caspasa-9. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 18 Unidad Didáctica 12 Muerte y renovación celular Células madre y mantenimiento de los tejidos adultos BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 19 Unidad Didáctica 12  La mayoría de las células en los animales adultos se encuentran detenidas en fase G0 del ciclo celular. Las células se pierden a lo largo de la vida debido a lesiones o muerte celular programada. Para mantener un número constante de células en los tejidos y órganos adultos, la muerte celular debe estar equilibrada con la proliferación celular. Para mantener este equilibrio, la mayoría de los tejidos contienen células que son capaces de proliferar a medida que se necesario para reemplazar a las células que mueren. En algunos tejidos una subpoblación celular se divide continuamente a lo largo de la vida para reemplazar a las células que poseen una elevada tasa de renovación en los animales adultos. Así, la muerte celular y la renovación celular están cuidadosamente equilibradas para mantener los tejidos y órganos adultos funcionales y su tamaño apropiado. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 20 Unidad Didáctica 12  Proliferación de células diferenciadas La mayoría de los tipos de células diferenciadas en los animales adultos no son capaces de proliferar. Si estas células se pierden, son reemplazadas por la proliferación de células menos diferenciadas derivadas de células madre autorrenovables. Otros tipos de células diferenciadas mantienen la capacidad de proliferar a medida que es necesario reparar el tejido dañado a lo largo de la vida del organismo. Estas células entran en la fase G0 del ciclo celular pero reanudan la proliferación cuando es necesario para sustituir células dañadas o muertas. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 21 Unidad Didáctica 12  Proliferación de células diferenciadas Fibroblastos que se activan por la liberación del Células endoteliales cercanas a un tejido carente de factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) oxígeno por parte de las plaquetas tras una herida BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 22 Unidad Didáctica 12  Activación de la angiogénesis por parte de los tumores Angiogenic inhibitors may reverse this process Tumor secretion of proangiogenic factors stimulates angiogenesis Somatic mutation Small Rapid tumor growth and avascular metastasis tumor BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR Folkman J. N Engl J Med. 1971;285:1182-1186. 23 Unidad Didáctica 12  Activación de la angiogénesis por parte de los tumores Tumors require the constant formation of new blood vessels in order to: Supply oxygen and nutrients Supply endocrine and paracrine growth-enabling factors Tumor cells form multiple layers around a capillary. Most distant 200-250µm tumor cells are oxygen deprived. HE HE BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 24 Unidad Didáctica 12 Activación de la angiogénesis por parte de los tumores BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 25 Unidad Didáctica 12  Células madre en adulto La mayoría de las células completamente diferenciadas en los animales adultos ya no poseen capacidad de división celular. Sin embargo, éstas pueden ser sustituidas por la proliferación de una subpoblación de células autorrenovables menos diferenciadas denominadas células madre que están presentes en la mayoría de los tejidos en adultos. Estas células madre juegan un papel crítico en el mantenimiento de los tejidos y órganos. La propiedad clave de las células madre es que se divide para formar una célula hija, que sigue siendo una célula madre, y otra que se divide y se diferencia. Las células madre dan lugar típicamente a células de proliferación rápida (células amplificadoras del tránsito) que se dividen varias veces antes de diferenciarse. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 26 Unidad Didáctica 12 Células madre en adulto BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 27 Unidad Didáctica 12  Células madre en adulto Renovación del epitelio intestinal Epitelio superficial Las células epiteliales del colon son renovadas Tinción IHQ con Ki-67 de una mediante la división de una célula madre localizada cripta de colon donde se aprecia en el fondo de la cripta intestinal. que la tinción es más intensa en La célula madre da lugar a una población de células la cripta y laterales, que no en la amplificadoras de tránsito que ocupan 2/3 de la zona apical cripta y que sufren entre 3 y 4 divisiones más antes BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR de diferenciarse. Unidad Didáctica 12 28  Células madre en adulto Células madre de la piel BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 29 Unidad Didáctica 12  Aplicaciones médicas de las células madre de adultos Transplante (autólogo o heterólogo) BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 30 Unidad Didáctica 12 Muerte y renovación celular Células madre pluripotenciales, reprogramación celular y medicina de regeneración BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 31 Unidad Didáctica 12  Las células madre en adultos son difíciles de aislar y cultivar. Resulta más sencillo (técnicamente) aislar y amplificar las células madre procedentes de embriones tempranos (células madre embrionarias). Estas células pueden crecer indefinidamente como poblaciones puras de células madre, mientras mantienen la capacidad de general todos los tipos celulares diferenciados presentes en organismos adultos (pluripotencialidad). BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 32 Unidad Didáctica 12 Tipos de células madre Descripción Totipotentes Pueden crecer y formar un organismo completo. Es decir, pueden formar todos los tipos celulares. La célula madre totipotente por excelencia es el cigoto. Pluripotentes No pueden formar un organismo completo, pero sí cualquier otro tipo de célula. Se encuentran en distintas etapas del desarrollo embrionario. Las células madre pluripotentes más estudiadas son las células madre embrionarias que se pueden aislar de la masa celular interna del blastocisto. Células embrionarias Son células madre embrionarias pluripotentes que se derivan de los esbozos gonadales del multipotentes embrión. Estos esbozos gonadales se encuentran en una zona específica del embrión denominada cresta gonadal, que dará lugar a las gónadas Pluripotentes inducidas A partir de células humanas de adulto. Solo se puede conseguir in vitro. (iPS) Multipotentes Generan células de su misma capa o linaje de origen embrionario. las células madre hematopoyéticas —células madre de la sangre que puede diferenciarse en los múltiples tipos celulares de la sangre Unipotentes Células progenitoras son células madre que tiene la capacidad de diferenciarse en solo un tipo de células. Oligopotentes Solo pueden diferenciarse en pocos tipos de células. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 33 Unidad Didáctica 12  Células madre embrionarias Cultivadas por primera vez a partir de embriones de ratón en 1981. Pueden propagarse de forma indefinida en cultivo, y si se introducen en embriones tempranos, son capaces de dar lugar a células en todos los tejidos del ratón (totipotencia). BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 34 Unidad Didáctica 12  Células madre embrionarias Las células madre embrionarias de ratón se cultivan en presencia de un medio del factor de crecimiento LIF (factor inhibidor de la leucemia) que es necesario para mantener a estas células en estado indiferenciado. Si LIF se retira del medio, las células se agregan en estructuras que parecen embriones (cuerpos embrioides) y a continuación se diferencian en una amplia variedad de tipos celulares: células sanguíneas, células epiteliales, adipocitos, células musculares, células nerviosa y músculo cardiaco. Pueden diferenciarse de forma dirigida mediante la adición de factores de crecimiento apropiado. Estas células así tratadas se han utilizado como modelos de tratamientos en transtornos cardiacos o nerviosos en ratón BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 35 Unidad Didáctica 12  Transferencia nuclear de células somáticas En 1997 Ian Wilmut demostró que el núcleo de una célula adulta puede dar lugar a un animal clonado viable (Oveja Dolly). Dolly surgió del núcleo de una célula epitelial que fue transplantado en un óvulo sin fertilizar en lugar del núcleo normal del óvulo, proceso denominado transferencia nuclear de células somáticas. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 36 Unidad Didáctica 12  Transferencia nuclear de células somáticas Este proceso es extremadamente ineficiente, tan solo el 1%-2% de los embriones da lugar a descendencia viva. El bajo nº de animales que sobreviven al nacimiento a menudo sufren alteraciones, con el resultado de que la duración de su vida es escasa (Dolly vivió 6 años, aproximadamente la mitad de lo que vive una oveja de su especie). La ineficiencia de la clonación de núcleos de células somáticas y las anomalías frecuentes de los animales clonados reflejan las dificultades inherentes a reprogramar por completo el estado epigenético de un núcleo adulto, incluida la inversión de la metilación del ADN. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 37 Unidad Didáctica 12  Clonación terapéutica En la clonación terapéutica, el núcleo de una célula de un paciente sería transferido a un óvulo enucleado que sería cultivado hasta dar un embrión temprano. A continuación las células madre embrionarias se derivarían y se diferenciarían hacia un tipo celular deseado que se trasplantarían de nuevo al paciente. Estas células serían idénticas genéticamente al mismo paciente de forma que se evitarían las formas de rechazo inmune. Aspectos que no se pueden obviar: -Problemas éticos de trabajar con embriones humanos -Problemas técnicos BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 38 Unidad Didáctica 12  Células madre totipotenciales inducidas Se ha trabajado mucho en tratar de convertir células somáticas adultas en células madre totipotentes. Estos procedimientos prescinden del uso de embriones y constituye un medio directo de convertir células somáticas en células madre que puedan dar lugar a todos los tejidos de un adulto. Los experimentos fueron llevados a cabo en 2006 por Kazutoshi Takahasi y Shinya Yamanaka y estas células fueron bautizadas con el nombre de células madre embrionarias inducidas. La inducción de estas células se llevó a cabo por la acción de 4 factores de transcripción: Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc. Posteriormente se identificaron otros factores, como Nanog, que ejercían un papel similar. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 39 Unidad Didáctica 12  Células madre totipotenciales inducidas Estos factores activan el programa de transcripción pluripotencial, en el cual estos factores de transcripción forman bucles autorreguladores positivos, además de activar genes que mantienen la pluripotencialidad y reprimir genes inductores de la diferenciación. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 40 Unidad Didáctica 12  Transdiferenciación de cálulas somáticas Una alternativa a la inducción de células somáticas a células totipotentes, la constituye la transdiferenciación (Harold Weintraub en 1987). Reprogramar a células somáticas a diferentes tipos celulares mediante la incorporación a los medios de cultivo de una combinación de factores de transcripción. Esta alternativa aporta una vía directa para generar los tipos de células diferenciadas deseados, evitando la utilización de células madre pluripotentes y permite la conversión directa de células adultas de un paciente en células diferenciadas que se podrían utilizar en terapias. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 41 Unidad Didáctica 12