Cell Death

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Volume 361:1570‐1583
October 15, 2009
Number 16
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Cell Death Richard S. Hotchkiss, M.D., Andreas Strasser, Ph.D., Jonathan E. McDunn, Ph.D., and Paul E. Swanson, M.D. Todos los organismos multicelulares requieren de la apoptosis, la muerte controlada de las células. Sin apoptosis, dos toneladas de médula ósea y de ganglios linfáticos y 16 km de intestino se acumularían probablemente en un humano a la edad de 80 años (1). Las investigaciones sobre apoptosis han revelado interconexiones complejas entre varios programas de muerte celular, y estas redes podrían afectar al tratamiento de una gran variedad de enfermedades.2,3,4,5,6,7,8,9,10 Clasificación de la muerte celular La clasificación más usada de la muerte celular en los mamíferos reconoce dos tipos: la apoptosis y la necrosis. 3,4,11La autofagia, que ha sido propuesta como una tercera forma de muerte celular es un proceso en el cual las células generan energía y metabolitos al digerir sus propios orgánulos y macromoléculas12,13,14,15La autofagia permite sobrevivir a una célula hambrienta, o a una célula que está privada de factores de crecimiento(12‐15). Sin embargo, las células que no reciben nutrientes por períodos largos digiere todos los sustratos asequibles y mueren (muerte celular asociada a autofagia). Las distinciones entre apoptosis, necrosis y autofagia entrañan diferencias en el modo de morir y en los atributos morfológicos, bioquímicos y moleculares (Fig. 1).3,4,11 La muerte celular programa es un concepto importante. La muerte celular es “programada” si está genéticamente controlada. La apoptosis y la muerte celular asociada a la autofagia son los dos tipos fundamentales de muerte celular programada (3, 12). El reconocimiento de que la muerte celular puede ocurrir por procesos genéticamente controlados ha permitido avances para desentrañar los mecanismos de muchas enfermedades, y este nuevo conocimiento ha facilitado el desarrollo de agentes farmacológicos que inician o inhiben la muerte celular programada .6,7,8,16 Además, hay ahora evidencia de que la necrosis, tradicionalmente considerada como una forma accidental de muerte celular, puede en ciertos casos ser iniciada o modulada por mecanismos programados de control.17,18,19,20,21 Fig 1. Tres vías de la muerte celular. Entre las tres vías principales‐apoptosis, autofagia y necrosis‐un modo particular de muerte celular puede predominar, dependiendo del daño y el tipo celular. Existen cruceros entre los diferentes tipos en múltiples niveles y no se muestran en la figura. Apoptosis Definicion La palabra apoptosis deriva del griego antiguo que sugiere “hojas que caen de un árbol” 22,23,24 En contraste con la tumefacción de la célula y sus orgánulos que define la necrosis, la característica principal morfológica de la apoptosis es el arrugamiento de la célula y su núcleo (Fig 2 y Fig 3, y Fig. 1 4 en el Apéndice suplementario, asequible con el texto completo de este artículo en NEJM.org). La distinción entre necrosis y la apoptosis se debe en parte a diferencias en como la membrana plasmática participa en estos procesos. En la necrosis, la pérdida temprana de la integridad de la membrana plasmática permite un influjo de iones extracelular y líquido, con tumefacción resultante de la célula y sus orgánulos. 17,18,19,20,25,26 En la apoptosis, la integridad de la membrana persiste hasta muy tarde en el proceso. Una característica clave de la apoptosis es el clivaje de las proteínas del citoesqueleto por proteasas específicas de aspartato, que llevan al colapso de los componentes subcelulares.2,5,8,23Otras características son la condensación de la cromatina, fragmentación nuclear y la formación de ampollas de la membrana plasmática. Fig 2. Células apoptóticas en el Timo, hígado e intestine.
A es una imagen de microscopia electrónica de una célula fagocítica que ha englobado múltiples timocitos apoptóticos. Los núcleos compactados de los timocitos tienen una apariencia de luna crecience, por el compactamiento de capas de cromatina sobre la membrana nuclear (flechas). Los núcleos normales están presentes en la parte superior e inferior del campo (acetato de uranilo‐citrato de plomo). El tejido tímico se obtuvo de una mujer de 26 años de edad que murió en accidente automovilístico y cuya condición se complicó con un síndrome de distress respiratorio y sepsis. En B se muestra un hepatocito apoptótico (flecha) que contiene múltiples fragmentos nucleares compactados indicadores de la apoptosis (hematoxilina y eosina). La muestra se obtuvo de un hombre de 81 años que había sido dañado en un accidente de motor, y cuya condición se complicó con neumonía asociada a la ventilación. En C se muestra dos criptas adyacentes de la mucosa colónica con tinción inmunohistoquímica para citoqueratina 18 (marrón). La Citoqueratina 16 es escindida
por caspasas activas tanto en las vías intrínsecas como extrínsecas apoptóticas. Las células sueltas en la luz de la cripta y células epiteliales que están en la pared muestran la tinción; estas células también tienen morfología nuclear apoptótica clásica (citoqueratina 18 [clon M30] y diaminobenzidina, contrastada con hematoxilina. La muesta se obtuvo de un hombre de 24 años con disección aórtica e isquemia intestinal después de un accidente de tránsito. En D se muestra células epiteliales colónicas con características de apoptosis, compactación nuclear y fragmentación. Las células epiteliales han sido desprendidas en la luz (hematoxilina‐
eosina). La muestra se obtuvo de un paciente de 23 años de edad con daño isquémico en el intestino después de lesión intestinal. Fig 3. Muerte celular por apoptosis y por necrosis.. En A se muestral la transición de células viables a isquémica en la ncrosis cortical del parénquima renal. Las células necróticas se caracterizan por hipereosinofilia, pérdida de los detalles nucleares y vacuolización citoplasmática. Túbulos (T) intactos se ven cercanos a los tubules necróticos (N). En la interfaz entre los túbulos viables y necróticos (flechas), las células apoptoticas, presumiblemente neutrófilos y mononucleares, son abundantes /H‐E). La muestra renal fue obtenida de un hombre de 42 años que sufrió embolismo de la arteria renal por tratamiento de carcinoma de células renales. En B se muestran las características de la necrosis de los cardiomiocitos. Comparado con los cardiomiocitos viables con citoplasma pálido y características distintivas nucleares (cabeza de flecha), las células necróticas son hipereosinofílicas con vacuolización citoplasmática y pérdida de los detalles nucleares o ausencia de núcleo (flechas). Esta morfología tipifica una manifestación temprana de la llamada necrosis coagulativa /H‐E). En C se muestran hepatocitos con cambios precoces de necrosis, que incluyen vacuolización de citoplasma hipereosinofílico y pérdida de detalle ncuelar (encima y a la izquierda de la línea rayada). Una células sinusoidal inflamatoria (cabeza de flecha) y se observan un hepatocito con núcleos compactados y fragmentados indicativos de apoptosis (flecha) (H/E). La muestra fue obtenida de un hombre de 53 años con neumonía y bacteremia causada por Streptococcus pneumoniane. En D se muestran estructuras hepáticas similares a las de la C, con características típicas de necrosis más avanzada, que incluye remanentes de hepatocitos (cordones eosinofílicos), con pérdida obvia de los bordes celulares o núcleos reconocibles. Las células y los fragmentos celulares que están mezclados con los hepatocitos son productos de la apoptosis. Probablemente representan linfocitos apoptóticos o neutrófilos en los sinusoides. (H/E). La muestral fue obtenida de un hombre de 81 años con neumonía asociada a ventilación. Vía receptor de la muerte. La activación de caspasa compromete a las células en una de las dos vías convergentes: las vías del receptor de la muerte y la mitocondrial (Fig 4). La primera es activada cuando miembro de la superfamilia del factor de necrosis tumoral se une a “receptores de la muerte”, miembros de la familia del receptor de TNF..27,28,29,30,31 La unión de estos receptores inicia la formación de un complejo multiproteico de señales que inducen la 5,32,33
muerte
La agregación de este complejo causa cambios conformacionales en sus componentes que gatilla la actividad catalítica de la caspasa 8, un mediador central de la apoptosis. Fig 4. Vías de la apoptosis celular. Hay dos vías principales de apoptosis: la vía del receptor de la muerte, que es mediada por la activación los receptores de la muerte celular, y la vía mitocondrial regulada por BCL2, mediada por estímulos nocivos que producen daño mitocondrial. La ligación de los receptores de la muerte recluta a la proteína adaptadora del dominio de la muerte asociada a FAS (FADD). La FADD a su vez recluta caspasa 8, que activa a la caspasa 3, la caspasa clave “ejecutora”. :La proteína inhibitoria FLICE celular (c‐FLIP) puede tanto inhibir o potencial la unión de FADD y la caspasa 8, dependiendo de su concentración. En la vía intrínseca, las proteínas proapoptóticas BH3 son activadas por estímulos nocivos, que interactúan con e inhiben a BCL2 o BCL‐XL antiapoptótica. Por tanto, BAX y BAK están libres para inducir la permeabilización mitocondrial con liberación del citocromo c, que resulta en la activación de la caspasa 9 a través del apoptosoma. La caspasa 9 entonces activa la caspasa 3. SMC/DIABLO se libera también después de la permeabilización mitocondrial y actúa para bloquear la acción de los inhibidores de la proteína de la apoptosis (IAPs) que inhiben la activación de la caspasa. Hay una comunicación entre las dos vías, mediada por la forma trunca de BID (tBID) que se produce por la ruptura de BID mediada por la caspasa 8. tBId actúa inhibiendo la vía BCL2‐
BCL‐XL y activa a BAX y BAK. Hay un debate (indicado por un signo de interrogación) de si las moléculas proapoptóticas BH∙ (por ejemplo, BIM y PUMA) actúan directamente sobre BAX y BAK para inducir la permeabilidad mitocondrial o si ellas actúan solamente sobre BCL2‐BCL‐
XL. APAF1 denota al factor 1 activador de la proteasa apoptótica, homólogo al BH3BCL, factor de necrosis tumoral (TNF), y al ligado TRAIL TNF‐relacionado inductor de la apoptosis. Vía mitocondrial. Interpuestos entre los miembros pro y antiapoptóticos de la familia BCL2 hay controles de la vía apoptótica mitocondrial (tabla 1 en el apéndice suplementario). La caspasa 9 regular esa vía, que trabaja después que los sensores intracelulares indican el daño celular.5,23,34 Los iniciadores de la vía incluyen a especies de oxígeno reactive intracelular aumentados, daño del ADN, respuesta de proteína no doblada, y deprivación de factores de crecimiento. Estos iniciadores conllevan a una permeabilidad mitocondrial aumentada, promoviendo la liberación de proteínas proapoptóticas (por ejemplo, el citocromo c), del espacio membranoso intermembranoso, hacia el citosol (Fig 4).35,36,37,38 Otras de estas proteínas, el homólogo de DIABLO (SMAC/DIABLO), antagoniza a los inhibidores citosólicos de las proteínas proapoptóticas, permitiendo la actividad de caspasas y por tanto la progresión hacia la apoptosis. La caspasa 8 activada (vía receptor de la muerte) y la caspasa 9 (vía mitocondrial) a su vez movilizan caspasas 3, 6 y 7, proteasas que dominan 23,38 la demolición de la célula por ruptura de numerosas proteínas y activando las ADNasas.
Los factores que determinan la vía de muerte que será activa incluye el estadio del ciclo celular, el tipo y la magnitud de los estímulos apoptoicos, y, para las células inmunes, el estadio de activación celular 23,31,34 En la sepsis, el bloqueo de cualquier vía causa una disminución moderada de la muerte celular, mientras el bloque de ambas vías protege a gran número de células. Múltiples estímulos gatillan diferentes vías apoptoicas para que ocurran concomitantemente..30 La familia BCL2 El balance entre los miembros de familiar de las proteínas pro y antiapoptoicas BCL2 controla la vía mitocondrial apoptótica. (Tabla 1 en al Apéndice suplementario).2,23,24 BCL2, que fue originalmente identificado como el gen que se desregular por la translocación del cromosoma t(14;18) en los linfomas foliculares de células B, que inhibe la apoptosis.5 Aparece en las poblaciones celulares que se intercambian por medio de la apoptosis, tal como las líneas hematopoyéticas, las células epiteliales intestinales y el epitelio glandular, en los cuales las hormonas regulan la hiperplasia o la involución39 La membresía en la familia BCL2 requiere al menos de un dominio de homología conservado de BCL2 en una proteína. Este dominio permite a la proteína regular la apoptosis al unirse a otras proteínas a través de fuerzas intermoleculares. Los miembros de pro‐supervivencia de la familia ‐ BCL2, BCL‐XL, BCLW, MCL1, A1, y BOO/DIVA — tienen tanto como 4 regiones de homología de BCL2. Estas seis proteínas son esenciales para la supervivencia y la función, específicamente en ciertas células y bajo ciertos estímulos (Tabla 1 en el Apéndice suplementario.40,41,42,43 Las proteínas de la familia proapoptótica BCL2 difieren no solamente en función sino también en el número de dominios de homología de BCL2. BAX y BAK, que tienen tres dominios de homología de BCL2, son críticas para aumentar la permeabilidad de las membranas mitocondriales y la liberación del citocromo c, que activa la caspasa 9. Otras proteínas proapoptóticas tienen solamente homología de BCL2 en el dominio 3 (BH3)44,45 Estas proteínas “solamente BH3” se unen e inhiben a miembros de la familia BCL2 antiapoptótica, así liberan las proteínas proapoptótica BAX y BAK que causan pérdida de la permeabilidad de la membrana mitocondrial y subsiguiente muerte celular.44,45,46 Un balance entre las proteínas proapoptóticas “solo BH3” y los miembros de la familia antiapoptócia BCL2 determina la vida o la muerte de una célula.34,47 Las proteínas “solo BH3 difieren en su capacidad para gatillar la apoptosis.47,48 Tres de ellas (BIM, PUMA y BID) se unen con alta afinidad a todos los miembros de la familia BCL2 de pro‐
supervivencia. Además, diversos estímulos proapoptóticos preferencialmente activan ciertas proteínas solo‐BH3: La BIM es esencial para la apoptosis inducida por deprivación de factores de crecimiento, mientras PUMA es crítica para la apoptosis inducida por daño del ADN.49,50,51 La pérdida concordante de BIM y PUMA es más protectora contra los estímulos apoptóticos que la pérdida de cualquiera de ella sola, un indicación, una indicación de una superposición de esos iniciadores de apoptosis.52 Implicaciones clínicas de la apoptosis. Cáncer Más del 50 % de las neoplasias tienen defectos en la maquinaria apoptótica. Entre las mejores caracterizadas de estas anomalías están la expresión aumentada de la familia de las proteínas BCL2 y las mutaciones en el gen supresor del tumor TP53, que codifica la proteína tumoral p53.53,54,55 Este gen, llamado el “guardián del genoma” inicia la apoptosis en respuesta al daño del ADN por radiación, agentes químicos, stress oxidativo, y otros agentes por inducción transcripcional de muchas proteínas proapoptótica, que incluyen a PUMA, NOXA, y BAX. Los defectos heredados en TP53 (por ejemplo en el síndrome de Li‐Fraumeni) resultan en numerosas neoplasias, que incluyen gliomas y sarcomas.55 La mayoría de los agentes quimioterapéuticos inducen apoptosis en las células tumorales (Tabla 1). El inhibidor de la tirosina‐quinasa, el imatinib (Gllevec) mata las células de la leucemia mieloide crónica al regular los miembros de la familia proapoptótica BCL2, BIM y BAD.56 La ABT‐737, una pequeña molecula que imita a las proteínas solo BH3 que se unen a las antiapoptótica BCL2 y BCL‐XL, mata ciertas células tumorales por si mismas, o aumentan la eficacia de otras drogas anticancerosas.10,57 Un análogo oralmente active de ABT‐737 (ABT‐263) ha entrado en ensayos clínicos en cánceres hematológicos y como terapia adyuvante en tumores de órganos sólidos.57 Otros agentes quimioterapéuticos proapoptóticos están en ensayos clínicos tales como la survivina y el inhibido de la apoptosis ligado a X (XIAP) que son inhibidores endógenos de las caspasas proapotóticas.58