Factores de crecimiento, lesión celular, proteincinasas

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Factores de crecimiento, lesión celular, proteincinasas
dependientes de ciclinas y sus inhibidores: su relevancia
en la patología molecular del cáncer humano
49.215
Pedro A. Martínez-Carpioa,b y Miguel A. Navarro Morenoa
a
Sección de Bioquímica Hormonal y Génica. Servicio de Bioquímica. Ciudad Sanitaria y Universitaria de Bellvitge.
L’Hospitalet de Llobregat. Barcelona.
b
Departamento de Biología Celular y Fisiología. Facultad de Medicina. Universidad Autónoma de Barcelona.
Hospital Universitario Germans Trias i Pujol. Badalona. Barcelona. España.
La división celular (ciclo celular), en el ser humano, es un
proceso cada vez más conocido que se desarrolla a través
de unas fases bien diferenciadas conceptualmente desde
hace tiempo. Se dice que las células se encuentran en fase
de G0 en ausencia de factores de crecimiento celular. Estos
factores son necesarios para el avance del ciclo, que empieza en la fase G1 (o primera fase del crecimiento), se sigue
de la fase S (de replicación del ADN), experimenta una segunda fase de crecimiento (G2) y entra en mitosis (M), proceso por el cual la célula se divide en dos de similares características, separándose posteriormente en un proceso
conocido como citocinesis. Las células de los mamíferos, y
las nuestras, precisan recibir estos estímulos (factores de
crecimiento) para sobrevivir, proliferar y dividirse. Cuando
las células se privan de éstos, se detienen en la mencionada fase G0, la variante quiescente del estado G1, en la que
no se observa crecimiento alguno, debido a que se inactiva
la producción de muchas proteínas necesarias para el avance del ciclo. En un momento determinado de la fase G1 es
preciso, además, que las células dispongan de una cantidad adicional de factores de crecimiento que les permitan
continuar ese avance. Cuando se produce un daño en el
ADN, la proliferación celular se detiene justamente en G1,
al efecto de poder reparar el daño y continuar el ciclo, o
bien programar su propio suicidio apoptótico cuando tal
daño es irreparable. Los factores de crecimiento regulan la
progresión del ciclo, entre otros mecanismos, modificando
la fisiología de diversas proteínas intracelulares que facilitan
el avance o la detención del mismo.
Hoy se considera que el avance del ciclo celular depende
de un fino balance entre unas proteínas estimuladoras denominadas proteincinasas dependientes de ciclina (cdk, de
cyclin-dependent protein kinases) y sus inhibidores (cdki o
cki, de cyclin kinase inhibitors). La imperiosa necesidad de
factores de crecimiento para que las células proliferen y se
mantengan vivas hace suponer que éstos deben desempeñar una función imprescindible en la regulación de estas
proteínas, tal como comentaremos1-3.
Se conoce una amplia variedad de factores de crecimiento
celular, que son proteínas que sintetizan tanto las células
normales como las cancerosas y que regulan su crecimiento y proliferación. Algunos de los más estudiados son el factor de crecimiento epidérmico (EGF), relacionado funcional-
Palabras clave: Factores de crecimiento. TGF-β. Ciclo celular. Cdk. Cdki
(Cki). p21. p53.
Correspondencia: M.A. Navarro.
Moragas, 12-22, 6.o B. 08022 Barcelona. España.
Correo electrónico: [email protected]
Recibido el 26-6-2002; aceptado para su publicación el 7-11-2002.
mente con el factor transformante del crecimiento tipo α
(TGF-α), el factor de crecimiento derivado de las plaquetas
(PDGF), los factores de crecimiento insulinoide I y II (IGF-I e
IGF-2), las interleucinas 2 y 3, el factor de crecimiento nervioso (NGF) y el factor transformante del crecimiento tipo β
(TGF-β), sin duda el más estudiado1-3. La misma célula que
sintetiza estos factores puede regular su propio crecimiento
y proliferación de modo autocrino cuando el factor es secretado al medio extracelular y se une a los receptores de
membrana de la propia célula que los sintetiza. Además,
también puede regular el crecimiento de las células vecinas, de modo paracrino, cuando se une a los receptores de
células de diferente estirpe2,3. Aunque la mayoría de los factores de crecimiento facilitan la proliferación celular, otros,
como el TGF-β, en general la inhiben, y todos ellos pueden
tener diferentes acciones en función del tipo de célula sobre
la que actúan2,3. Todas las células, tanto normales como
cancerosas, sintetizan y secretan al medio extracelular estos
factores, tal como se viene observando de modo inequívoco
en líneas celulares cultivadas, y tanto desde el punto de vista transcripcional3,4 como proteico3,5,6. El hecho de que casi
todas las células tengan receptores para todos, o la gran
mayoría de estos factores, establece, cuando menos, un papel fisiológico entre estos factores y sus receptores de membrana, que se está estudiando a fondo desde principios de
la década de 1980.
Los cultivos celulares permiten el estudio in vitro de la acción activadora o inhibidora del crecimiento o proliferación
celular mediada por estos factores3,7 y en el momento actual
empezamos a conocer cuáles son los mediadores intracelulares que en último término llevan a cabo su acción.
En general los factores de crecimiento actúan inicialmente
en el terreno extracelular, uniéndose a receptores específicos de membrana que desencadenan complejas modificaciones de la maquinaria intracelular que acaban alterando
la transcripción de determinados genes que activan el avance del ciclo. En las células cancerosas se han identificado
genes que codifican ciertas proteínas clave para este avance (protooncogenes). Mutaciones en estos protooncogenes
los convierten en verdaderos oncogenes, que hiperexpresan
determinadas proteínas que pueden ocasionar una proliferación celular descontrolada, como la proteína Myc. En
otros tumores también se han identificado mutaciones que
inactivan genes que codifican para proteínas que tienen un
papel esencial en la inactivación del ciclo (genes supresores
de tumores). El más conocido es el gen del retinoblastoma,
Rb, que codifica una proteína, pRb, que inhibe algunas proteínas reguladoras de genes, bloqueando la proliferación celular. La pRb ha sido motivo de un gran número de estudios
y se sabe que es necesario que se encuentre desfosforilada
para que se manifieste activa1-3.
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MARTÍNEZ-CARPIO PA, ET AL. FACTORES DE CRECIMIENTO, LESIÓN CELULAR, PROTEINCINASAS DEPENDIENTES DE CICLINAS Y SUS INHIBIDORES:
SU RELEVANCIA EN LA PATOLOGÍA MOLECULAR DEL CÁNCER HUMANO
Los mecanismos descritos hasta el momento por los cuales
los factores de crecimiento regulan el crecimiento de la célula son muy diversos. Por ejemplo un factor de crecimiento
puede facilitar la unión de otro factor diferente a su
receptor3,8, puede modificar el número de receptores para sí
mismo o para otros factores3,9, incluso puede modificar la
síntesis y secreción de otro factor de crecimiento diferente3,10. Esto quiere decir que el efecto global de un factor de
crecimiento sobre la proliferación celular no depende únicamente de su acción directa sobre las proteínas intracelulares que regulan el crecimiento y la proliferación de la célula,
sino también de las interacciones que existen entre factores
de crecimiento diferentes. Todavía estamos lejos de entender el mecanismo global a través del cual un factor de crecimiento ejerce su acción, pero conocemos decenas de mecanismos puntuales diferentes que intervienen. Cuesta
diferenciar en muchos casos si se trata de acciones directas
o de epifenómenos, pero no cabe duda de que cuantos más
de ellos conozcamos, más fidedignas serán las interpretaciones globales que podamos hacer. A pesar de todo esto,
en último término la acción de cualquier factor de crecimiento debe culminar, necesariamente, en modificaciones
de un grupo de proteínas que regulan el avance o la detención del ciclo (cdk), sobre las cuales pretendemos centrarnos
aquí, así como relacionar cómo los factores de crecimiento
pueden modificar estas proteínas y otras relacionadas.
Proteincinasas de ciclinas y sus inhibidores
Existen dos grupos principales de proteínas que controlan la
progresión del ciclo celular: las cdk y las ciclinas. Nos queda mucho por saber sobre ellas, a pesar de que el número
de trabajos dedicados a estudiarlas en los últimos 10 años
es desbordante. La teoría actual sobre el mecanismo de las
ciclinas-cdk comenzó a gestarse en 1981, cuando se descubrió que, en un tipo concreto de levadura, una única cdk
era capaz de facilitar tanto el tránsito de la fase G1 a la fase
S como el de la fase G2 a la mitosis11. A esta cdk se le
denominó cdc-2 (de cell division cicle 2). A pesar de este
importante descubrimiento, no fue hasta principios de la
década de 1990 cuando se empezó a estudiar con profundidad los equivalentes de esta enzima en el ser humano. En
mamíferos la cdc-2, acomplejada con la ciclina B, facilita el
avance de G2 a M, pero no el de G1 a S, que es protagonizado por una cdk distinta, denominada p33cdk2 o cdk-212,
que tiene la capacidad de unirse con al menos cuatro ciclinas diferentes (A, D1, D3 y E)13-15. También se han descubierto diversas proteínas que actúan como inhibidoras de la
función de las cdk, conocidas como cdki, que pueden tener
una relevancia trascendental tanto en el proceso oncogénico como apoptótico. La importante conservación filogenética de todas estas proteínas hace pensar en mecanismos reguladores ancestrales que han posibilitado mantener el
fenómeno vital hasta el día de hoy.
Las cdk son enzimas que ejercen su función fosforilando las
serinas y treoninas de determinadas proteínas y actúan unidas a las ciclinas, que son subunidades reguladoras de las
cdk y controlan su capacidad fosforilativa. El ensamblaje ordenado, cíclico y regulado de complejos cdk-ciclina parece
ser, de acuerdo con los conocimientos actuales, el proceso
más importante para el avance del ciclo celular. Se han
descubierto varias moléculas de estas ciclinas y se ha observado que cada una de ellas tiene especial afinidad para
determinadas cdk. Las ciclinas, una vez sintetizadas, tienen
un tiempo de vida media bajo, especialmente las ciclinas D,
en que éste es inferior a 25 min. Se ha comprobado que
durante la fase G2 existe una importante acumulación de
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ciclinas mitóticas que se unen a las cdk. Estas uniones ocasionan los llamados factores pomotores de la fase M o MPF
(mitotic promoting factor). La activación ultrarrápida de
complejos MPF impulsa a la célula a entrar en mitosis. La
rapidez del proceso se cree es debida a que la activación
inicial de los complejos MPF facilita la acción de las enzimas que lo activan, un conjunto de cinasas que los fosforilan. Cuando se degrada la ciclina mitótica, los MPF se inactivan rápidamente y permiten a la célula salir de la mitosis16-18.
Otro control, muy estudiado, se encuentra en el tránsito de
la fase G1 a la S, donde los complejos cdk-ciclina G1 tienen
un papel determinante19. Las proteínas que fosforilan las
cdk en esta fase son diferentes de las que se producen al final de la fase G2, por lo que probablemente la selectividad
para fosforilar una u otra proteína depende del tipo de ciclina que se une a las cdk. En este sentido se ha comprobado, por ejemplo, que las ciclinas A, D1, D2, D3 y E son específicas de la fase G1. Parece, además, que las ciclinas D
y E regulan aspectos diferentes de la fase G1, pues se sabe
que las D aparecen antes que las E (en la mitad de la fase
G1) y activan también diferentes cdk, en concreto la cdk-4
y la cdk-619.
Desde que se conoce la estructura tridimensional de las cdk
se ha dicho que estas proteínas (enzimas) actúan como microchips o elementos integradores. Para que se activen las
cdk es necesario no sólo la unión a la ciclina, sino que además se ha de añadir un fosfato a la cadena lateral de una
determinada treonina y se ha de eliminar un fosfato de la
cadena lateral de una determinada tirosina. Esto significa
que, además de la propia ciclina, deben intervenir una cinasa y una fosfatasa. Se sabe también que la acción de las
cdk puede inhibirse mediante fosforilación de la subunidad
catalítica de estas enzimas, de modo que los procesos fosforilativos pueden activar o inhibir las cdk en función del
punto de la molécula sobre el que se actúa. Se ha observado que, durante el avance del ciclo, algunas ciclinas aumentan su concentración hasta que repentinamente se destruyen (por proteólisis dirigida) en una fase determinada de
éste. La destrucción de una ciclina concreta ocasiona simultáneamente la inactivación de una cdk determinada, estableciéndose de este modo otro sistema de control específico sobre el avance del ciclo celular19,20. A pesar de las
múltiples regulaciones descritas, se puede considerar que,
en esencia, tanto las propias cdk activadas como la acumulación de ciclinas actúan como reguladores positivos sobre
el avance del ciclo, mientras que el descenso en la concentración de ciclinas, la fosforilación de la subunidad catalítica
de las cdk y la presencia de cki actuarían como reguladores
negativos. El balance final de todos estos procesos determinará que la célula permanezca en un estado quiescente,
prolifere normalmente, prolifere de modo incontrolado o inicie un proceso de apoptosis.
Se han identificado varias proteínas inhibidoras de las cdk,
conocidas como cdki o cki, que tienen una función importante en el bloqueo o detención del ciclo y que constituyen una
de las más actuales líneas de investigación. Entre las más
estudiadas destaca la familia de proteínas Ink. La primera
de esta familia en identificarse fue la denominada21 p16 o
p16ink4a, pero en la actualidad conocemos otras varias (p14,
p15, p18, p19). En realidad, todos los miembros de la familia Ink son capaces de formar compuestos binarios preferentemente con la cdk-4 y cdk-6, inhibiendo su actividad
por competición con la ciclina19,22. Otras cdki bien estudiadas son la p27kip1, la p57kip2 y la p21WAF1/CIP1, conocidas también como p27, p57 y p2119. Éstas se unen, al menos, a la
cdk-2, cdk-4, cdk-6 y posiblemente a la cdk-1. El déficit de
alguna de estas cdki puede conducir a un aumento de la
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SU RELEVANCIA EN LA PATOLOGÍA MOLECULAR DEL CÁNCER HUMANO
proliferación celular, mientras que la acumulación de alguna
de ellas puede detenerlo, manteniendo a la célula en estado
quiescente. Los recientes descubrimientos relativos al papel
de la p21 en la fisiología celular, y especialmente su relación
con la proteína p53, pueden proporcionar vías de actuación
que podrían presentar cierta analogía con otras cdki. Nos
centraremos por ello en estas dos últimas proteínas.
La proteína p53 es codificada por un gen supresor de tumores que presenta mutaciones en muchas células cancerosas, por lo que alteraciones en la función de la p53 parecen
ser uno de los fenómenos más importantes en la génesis de
algunos cánceres. Se sabe que esta proteína se une a una
secuencia específica del ADN y actúa como factor de transcripción23. Cuando se produce cualquier daño en el ADN,
ya sea por quimioterápicos o radiaciones, suele observarse
un aumento de la actividad transcripcional de la p53, el ciclo celular queda bloqueado en estadios tardíos de la fase
G1 y las células inician en muchas ocasiones un proceso de
suicidio apoptótico irreversible. Estos dos fenómenos se
asocian, a la vez, a un aumento de la actividad transcripcional de la proteína p21 y otras cdki24,25 y también a otras proteínas inhibidoras del ciclo celular, como la GADD4526 y la
Bax27. La inhibición transcripcional de estas proteínas no
parece ser el único mecanismo por el cual la p53 lleva a
cabo su acción, pues se ha comprobado que la p53 se une
también a otras proteínas clave que regulan la división celular28. Según todo esto parece que, a diferencia de las demás
proteínas mencionadas, la hiperexpresión de la p53 por sí
sola es suficiente para que se culmine el proceso apoptótico. Todos los trabajos futuros dedicados al estudio de la fisiología de esta proteína tienen a priori un gran interés, ya
que, junto a los conocimientos que ya tenemos sobre ella,
podremos comprender mejor uno de los procesos de muerte celular más estudiados.
La proteína p21, codificada por el gen WAF-1/CIP-1, es la
cdki más estudiada. Es capaz de inhibir la actividad de todos los complejos cdk-ciclina y se considera por ello un inhibidor universal de las cdk, impidiendo la proliferación de
las células eucariotas29. La p21, a diferencia de otras cdki,
parece alterar directamente la replicación del ADN30 y tener
una relación fisiológica importante con la p5324-27. El efecto
inhibidor de la p21 se descubrió a partir de determinadas
observaciones en cultivos de fibroblastos. Se comprobó que
en fibroblastos normales aparecían complejos cuaternarios
formados por cdk-4-ciclina D1-antígeno nuclear de poliferación celular (PCNA)-p21; en cambio, en fibroblastos transformados con virus y en muchas células cancerosas estos
complejos cuaternarios son reemplazados por complejos binarios cdk-4-p16, quedando tanto la p21 como el PCNA disociados del complejo31,32. A partir de esto se dedujo que la
p21 debía frenar la actividad de las cdk, pues disminuía la
proliferación de los cultivos. Así resultó, efectivamente,
cuando utilizando técnicas de clonación molecular se comprobó que la p21 inhibía tanto el crecimiento como la proliferación de las células. Hoy sabemos que la p21 presenta
un doble mecanismo de actuación: por una parte, forma
complejos con determinadas cdk para inhibir su actividad35,36 y, por otra, con el PCNA abortando su acción, y por
tanto inhibiendo directamente la síntesis de ADN35.36 puesto
que el PCNA actúa como una molécula accesoria imprescindible para la actividad de la ADN polimerasa-delta35,36.
En la fase S la síntesis de ADN se lleva a cabo paralelamente a la actividad de las cdk, Ink4, p27, p57, p21 y pRb.
Mientras que las cdk facilitan tal síntesis, el resto de las proteínas mencionadas la inhibe. La coordinación e interacción
de todas estas proteínas se encuentra todavía en estudio,
especialmente la interrelación entre la pRb y las proteínas
p27, p57 y p21. A diferencia de otras cdki, la p21 no actúa
sólo regulando el tránsito de G1 a S, sino también de G2 a
la mitosis. Todavía no conocemos bien este último mecanismo, pero estudios recientes parecen indicar que las células
que carecen de la proteína pRb son mucho más sensibles
al bloqueo en G2 inducido por la p2137, por lo que un aspecto interesante todavía no bien investigado es llegar a conocer si las ciclinas G1 pueden llevar a cabo iguales o diferentes acciones sobre el tránsito de G2 hacia la mitosis.
La relación existente entre las proteínas p21 y p53 parece
depender del funcionamiento fisiológico o patológico de la
célula. En tejidos normales la proteína p21 aumenta fisiológicamente en determinados estadios de la diferenciación celular sin que intervenga la proteína p53. En cambio, cuando se
produce daño en el ADN, parece necesaria la intervención
de la p53 para que los valores de p21 aumenten38. Este hallazgo tiene una importancia capital pues indica que la p53
comunica de algún modo a la p21 la necesidad de parar el
crecimiento y proliferación de la célula. Varios experimentos
ofrecen diversas explicaciones a este hecho.
Kagawa et al39 han estudiado el crecimiento de células cancerosas que carecían de p53 introduciéndoles el gen de la
p21 humana. Comprobaron que la hiperexpresión de la p21
se asociaba a una inhibición del crecimiento celular, quedando las células bloqueadas en G1. En otras células, en
las que estudiaron de modo aislado la acción del gen p53,
vieron que las células iniciaban un proceso apoptótico y se
mostraban inviables. Finalmente, cuando a las células bloqueadas en G1 por acción de la p21 se añadía de modo
exógeno p53, iniciaban apoptosis sin que se modificaran los
valores de p21. La principal conclusión de todo esto es que
los mecanismos que inducen una apoptosis a través de la
acción de la p53 parecen dominar sobre los mecanismos
por los cuales la p21 bloquea el crecimiento celular en G1.
En este sentido serán de gran interés las investigaciones encaminadas a determinar no sólo el papel de la p53 en la
apoptosis, sino también el de la p21 en facilitar un «tiempo
de oro» para la célula, en que podría evitar su apoptosis.
Durante la fase S la síntesis de ADN se lleva a cabo paralelamente a la actividad de las cdk, Ink4, p27, p57, p21 y
pRb. Mientras que las cdk facilitan tal síntesis, las demás
proteínas mencionadas actúan como inhibidoras. El modo
en que se coordinan todas estas proteínas en esta fase se
encuentra en estudio, y muy especialmente la relación entre
p27, p57 y p21 con la pRb.
Factores de crecimiento, cdk y cdki (cki)
Si los factores de crecimiento son clave en la regulación del
crecimiento y proliferación de las células, obligatoriamente
todos ellos deben, de algún modo, modificar en último término la actividad de las cdk. En este sentido, a pesar de los
muchos factores de crecimiento conocidos, la cantidad de
trabajos referidos al TGF-β es desproporcionada respecto a
todos los demás. Esto en el fondo supone una cierta ventaja
porque la extensa información acumulada relativa al TGF-β,
y especialmente a su isoforma TGF-β1, constituye uno de
los pilares más importantes en los que se basa la fisiología
celular moderna y facilitará una mejor comprensión de las
modificaciones intracelulares que en un futuro puedan observarse para otros factores de crecimiento.
El factor de crecimiento epidérmico (EGF) es, junto a su homólogo, el factor transformante del crecimiento-α (TGF-α),
el factor mitogénico más estudiado. Facilita el crecimiento y
proliferación de muchas células1-3,40. Su receptor de membrana es una potente proteincinasa que facilita la fosforilación de determinadas proteínas intracelulares. Clásicamente
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SU RELEVANCIA EN LA PATOLOGÍA MOLECULAR DEL CÁNCER HUMANO
se ha considerado que lleva a cabo su acción fundamental
a través de la vía de la MAP cinasa (o proteincinasa activada por mitógenos). Cuando la MAP cinasa se encuentra activada, fosforila algunas proteínas reguladoras de genes, facilitándose la transcripción de los mismos1,3,40. Actualmente
se cree que el EGF y otros factores mitogénicos tienen también acciones directas sobre la actividad de las cdk, al menos con la cdk que depende de la ciclina D1 y que resulta
necesaria para el avance de la fase G1 a la fase S. En este
sentido, parece que el EGF facilita la transcripción de la ciclina D1 y, por tanto, la actividad de la cdk relacionada41.
Veremos que el TGF-β tiene una acción inhibidora del crecimiento celular que se ha estudiado desde muy diversas ópticas. Sin embargo, de modo paradójico, y en contados tipos
de células, el TGF-β actúa como un mitógeno. Es el caso de
la línea celular de ratón AKR-2B, donde parece ser que el
efecto mitogénico del TGF-β1 es indirecto, ya que induce el
oncogén c-sis que codifica para el mitógeno PDGB, el cual
secundariamente estimula la proliferación de los cultivos. El
TGF-β también resulta mitogénico para las células de Schwann, los osteoblastos, los condrocitos y los fibroblastos de
embrión humano tipo W138. En este último caso parece
que se produce una disminución en la síntesis de la proteína p21 que conduce a un aumento de la actividad cinasa
de la cdk-242-44. Estos resultados concuerdan con un trabajo
más reciente donde, utilizando otros tipos de células, parece que la acción mitogénica del TGF-β está en función de la
activación o inhibición de la proteína p2145. Sin embargo,
parece que la regulación de esta proteína por parte del
TGF-β no es la única que puede explicar su acción mitogénica, pues en un estudio muy completo utilizando fibroblastos ésta parece depender de la activación de la proteína
p5346. Otros investigadores han encontrado que factores estimuladores del crecimiento, como el factor de crecimiento
derivado de plaquetas (PDGF) y el factor de crecimiento fibroblástico-2 (FGF-2), parecen actuar, al igual que el TGF-β,
favoreciendo la expresión de la proteína p21, pero con diferente cinética47. Una visión en conjunto de todos estos trabajos
no permite concluir casi nada. Los pocos trabajos que estudian la acción de los factores estimuladores del crecimiento
sobre las cdk, cdki y proteínas relacionadas, que argumentan Saikawa et al41 en un artículo muy reciente, se objetivan
de modo inequívoco al realizar una búsqueda bibliográfica
dirigida. Resultará muy interesante en un futuro comparar
los efectos conocidos del TGF-β sobre las cdk/cdki, con los
que se descubran con factores típicamente estimuladores,
de los que sabemos bastante poco y que suponen una línea
de investigación apenas considerada, de la que podrían obtenerse conclusiones inéditas de primer orden.
Nos centramos a continuación en los factores inhibidores
de la proliferación celular, especialmente en el TGF-β (o
TGF-β1, su isoforma más estudiada) y en sus complejas acciones, aunque más que complejas deberíamos decir numerosas, pues se ha implicado poco menos que en todas
las reacciones bioquímicas conocidas que regulan el ciclo
celular. En su función inhibitoria, el TGF-β bloquea el ciclo
en estadios tardíos de la fase G1, impidiendo el paso a la
fase S43. En este bloqueo G1 se han implicado diferentes
proteínas G (proteínas de unión a nucleótidos de guanina).
Una de ellas es la proteína G trimérica inhibidora (Gi), que
disminuye la concentración de AMPc intracelular, pues
también parece que el TGF-β1 reduce la concentración de
AMPc en algunos tipos celulares48. Otro constituyente crítico
en la transducción de la señal del TGF-β1 es la proteína supresora de tumores pRb. El TGF-β1 mantiene esta proteína
Rb en estado de hipofosforilación, y evitando por tanto la
progresión del ciclo celular más allá de la fase G149. Entre
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las moléculas implicadas en el control de la fosforilación de
la proteína Rb destacan las ciclinas D y E y sus respectivas
cinasas dependientes de ciclinas, cdk-2, cdk-4 y cdk-643,49.
Por inhibición de las actividades cinasa de estos complejos
ciclina E/cdk-2, ciclina D/cdk-4 y ciclina D/cdk-6 se impide
la fosforilación de la proteína Rb, de modo que en estado
desfosforilado esta proteína actúa como un freno del ciclo
celular43,44,49. En esencia lo más consensuado actualmente
es que el TGF-β bloquea el ciclo celular en G1 sobre todo
por estimular la producción de p15 y por inhibir la producción o la función de las cdk-2, cdk-4, ciclina A y ciclina
E19,43,44,49-52. La inhibición de los complejos cdk-ciclina mantienen la pRb desfosforilada, la cual puede unirse al complejo e inhibir algunos miembros de la familia E2F que actúan como factores de transcripción. La inhibición de estos
factores de transcripción impide la expresión de los principales genes que regulan la progresión del ciclo celular,
como el c-myc. Esta simplificación permite comprender algunos trabajos que argumentan que cualquier mutación
que se produzca a cualquier nivel de esta vía de señalización del TGF-β podría conferir a la célula una dificultad de
respuesta al estímulo inhibitorio del factor, lo que permitiría
una proliferación cancerosa19,43,44,49-54.
En este momento las acciones de los factores de crecimiento sobre las cdki resultan un auténtico rompecabezas. La
proteína p21, la cdki más estudiada, parece activarse tanto
por la acción de factores mitogénicos como antimitogénicos.
Kivinen y Laiho47 han encontrado que factores tan diferentes como el factor de crecimiento derivado de plaquetas
(PDGF), el factor de crecimiento fibroblástico-2 (FGF-2) y el
TGF-β1 inhiben la proteína p21; algo de entrada contradictorio, ya que los dos primeros tienen una acción característicamente mitogénica. Estos autores argumentan que la inducción de la proteína p21 por estos factores obedece
a una cinética muy diferente y que además actúan de modo
diferente en relación a las proteínas Ras y MAPKs47. La relación entre las diversas cdki y estas proteínas abre un campo
de investigación que permite la búsqueda de un gran
número de relaciones entre ellas todavía no bien investigadas.
Factores de crecimiento, lesión celular y eje p53-p21-cdk:
un análisis
El efecto que tienen determinados fármacos anticancerosos,
incluso otros tipos de daño celular como pueden ser determinadas radiaciones, parece tener una relación crucial con
las proteínas p21 y p53. Además, en el contexto de los posibles mecanismos de actuación del TGF-β, y de acuerdo con
los conocimientos fisiológicos que tenemos sobre la relación
entre las proteínas p21 y p53, cabría esperar a priori modificaciones de estas proteínas relacionadas con los mecanismos de señalización intracelular del TGF-β. A partir de
1993, cuando Xiong et al34 anunciaban en Nature que la
proteína p21 era un inhibidor universal de las cdk, un sinfín
de trabajos de relativa complejidad metodológica ha intentado buscar posibles interrelaciones entre los componentes
anunciados en el título de este apartado. Los resultados en
ocasiones parecían contradictorios y en las discusiones de
estos trabajos, a fin de explicar las discrepancias, se esgrimían razones tales como diferencias entre el tipo de células
estudiadas, acción mitogénica o antimitogénica del TGF-β
sobre el tipo celular estudiado, posibles interacciones con
determinados constituyentes intracelulares, el nivel de regulación estudiado (transcritos o proteína), así como los procedimientos de medida utilizados para determinar p21 y p53
ARNm o proteína.
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SU RELEVANCIA EN LA PATOLOGÍA MOLECULAR DEL CÁNCER HUMANO
Crecimiento
y proliferación
celular
Ciclina-cdk
62
+
–
TGF-ß
(mitogénico)
–
58
45
46
–
Rayos γ
45 46 47 58 59
62
60 61 63 64 65
61
TGF-ß
(antimitógeno)
p21
+
+
57
38
+
+
Diferenciación
celular
55
56
Tóxicos-lesión
celular
38
+
p53
Fig. 1. Eje p53-p21-ciclina-cdk. En los círculos
se indica la regulación positiva o negativa sobre
los constituyentes del eje en función del aspecto estudiado. En los recuadros se indican las citas de la bibliografía que sustentan tal regulación.
Para clarificar todos estos aspectos nos propusimos revisar
los trabajos de investigación que relacionaban diversos tipos
de daño celular con las cdk, p21, p53 y TGF-β. Sin poder
aplicar la técnica del metaanálisis de resultados, dada la escasez de métodos estadísticos que se utilizan en este tipo
de investigaciones, se deducen conclusiones que, por el
número de trabajos que las sustentan, podemos considerar
ampliamente aceptadas. Los resultados de esta investigación bibliográfica se resumen en la figura 1.
Lo que podríamos denominar como eje p53-p21-cdk establece un modelo que pretende explicar un gran número de fenómenos relacionados con la fisiología de la célula: proliferación
celular inducida por el TGF-β45,46,62, inhibición de la proliferación celular secundaria a la acción del TGF-β45-47,58-61,63-66, modificaciones en la actividad de las cdk inducidas por TGFβ58,62, regulación positiva de la p21 mediada por la
p5334,55,56, regulación positiva de la p53 secundaria a tóxicos celulares38,55,56, regulación positiva de la p21 de modo
independiente a la p5345-47,58-61,63-66, daño celular mediado
por quimioterápicos, tóxicos celulares38,55,56,67, radiaciones61,
apoptosis38,55,68, diferenciación celular38,57 y otros procesos.
Este eje supone una excesiva simplificación de una gran
cantidad de mecanismos intracelulares, la mayoría de los
cuales se desconoce, pero resulta muy útil tanto para diseñar como para discutir muchas investigaciones relacionadas
con los mecanismos íntimos que regulan el ciclo celular, la
fisiología de los factores de crecimiento y los agentes nocivos para la célula. En este sentido podemos, por ejemplo,
formalizar las siguientes hipótesis:
39
55
Apoptosis
1. Todo factor que estimula el crecimiento celular podría
regular negativamente la p21.
2. Todo factor que inhibe el crecimiento celular podría regular positivamente la p21.
3. Todo factor que inhibe el crecimiento celular podría regular positivamente la p53.
4. Todo factor que estimula el crecimiento celular podría
regular negativamente la p53.
5. Todo factor que regula positivamente la p21 puede hacerlo de modo dependiente o independiente de la p53.
6. Todo factor que estimula el crecimiento celular puede
actuar sobre las ciclinas o las cdk favoreciendo la síntesis y
la función de los complejos ciclina-cdk.
7. Todo factor que inhibe el crecimiento celular puede actuar sobre las ciclinas o las cdk inhibiendo la síntesis y la
función de los complejos ciclina-cdk.
8. Todos los hallazgos relativos a la p21 pueden comprobarse para todas las demás cdki, al efecto de demostrar
una acción cooperativa de las cdki.
9. Todo factor que estimula o inhibe el crecimiento celular
podría actuar sobre diversos puntos del eje estableciéndose
una potenciación o inhibición secuencial de efectos que
fueran coherentes con su acción mitogénica o antimitógena.
Las hipótesis relativas a los factores inhibidores del crecimiento, como el TGF-β, pueden también plantearse para investigar la acción de fármacos antimitógenos utilizados con
finalidad oncoterápica, e intervenir farmacológicamente sobre al menos alguno de los puntos del eje parece necesario
Med Clin (Barc) 2003;120(7):265-71
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MARTÍNEZ-CARPIO PA, ET AL. FACTORES DE CRECIMIENTO, LESIÓN CELULAR, PROTEINCINASAS DEPENDIENTES DE CICLINAS Y SUS INHIBIDORES:
SU RELEVANCIA EN LA PATOLOGÍA MOLECULAR DEL CÁNCER HUMANO
para conseguir el efecto de cualquier antimitógeno. De
acuerdo con la bibliografía analizada, muchas de estas hipótesis parecen bien confirmadas, otras seán apoyadas por
pocos trabajos o bien existen contradicciones entre los diversos estudios, y otras no se han demostrado todavía. Citamos a continuación los hallazgos más asentados en este
momento:
1. El principal mecanismo por el cual el TGF-β parece inhibir la proliferación de la mayoría de las células es el incremento observado en la expresión de transcritos como a nivel proteico de la p21, de modo independiente a la p53, así
como de otras cdki.
2. A diferencia del TGF-β, muchos quimioterápicos parecen aumentar secundariamente la p21 a través de los aumentos primarios producidos sobre la p53.
3. El efecto mitogénico o antimitogénico del TGF-β (que depende del tipo celular estudiado) parece correlacionarse
con la regulación negativa o positiva que, respectivamente,
ejerce sobre la p21.
4. El TGF-β parece actuar directamente sobre la síntesis o
función de las ciclinas D1 y E y sus respectivas cdk, pero de
modo mucho menos relevante si lo comparamos a su acción sobre la p21.
5. En el proceso de diferenciación celular la proteína p21
parece incrementarse de modo independiente a la p53.
El estudio del eje p53-p21-cdk fue preponderante entre
1993 y 1997 y pasó a un segundo plano a partir de 1999,
cuando otras proteínas como las Smad69, la decorina70 y
nuevas cdki71 destacan en recientes publicaciones. Estos
tres grupos de proteínas constituyen nuevas líneas de trabajo que seguramente podrán aportar importantes avances
farmacológicos en el tratamiento de los procesos cancerosos. Sin embargo, todavía quedan muchos puntos oscuros
relativos al eje p53-p21-cdk, que parece de entrada una secuencia clave del crecimiento celular, sometida a regulaciones desconocidas. La mayoría de los estudios se han llevado a cabo en el terreno transcripcional, como es habitual en
la investigación básica del cáncer, pues permite afinar en el
estudio de mecanismos precisos de regulación intracelular19,57,61,68,72-76. Menos frecuentes son los estudios a nivel
proteico38,55,59,61,64,73. En este último caso la investigación de
la regulación de estas proteínas se ha llevado a cabo utilizando procedimientos cualitativos o semicuantitativos basados en protocolos estandarizados, como tinciones inmunohistoquímicas o western blot, que permiten correlacionar
la expresión de transcritos con las proteínas p53 y p21, y
por tanto la investigación de las concentraciones postranscripcional y postransduccional38,55,59,61,64,73. En varias líneas
celulares se ha comprobado que tanto el TGF-β como los
rayos gamma aumentan notablemente los valores de p21
ARNm, pero mientras el TGF-β aumenta aún más la expresión proteica de p21, el incremento en la expresión proteica
no se observa al tratar las células con rayos gamma. Varios
trabajos ya han detectado que la regulación postranscripcional de estas proteínas debe tener importantes repercusiones en el conocimiento de su fisiología38,55,61,67. En comparación con las técnicas habituales de biología molecular, son
pocos los investigadores que utilizan inmunoanálisis cuantitativos, especialmente radioinmunoanálisis y enzimoinmunoanálisis, para el estudio del nivel proteico. No obstante,
tanto en el campo de la inmunología77,78 como en el de la
oncología molecular5,79, determinados autores han utilizado
estos métodos, que debido al perfeccionamiento que han
ido adquiriendo con los avances tecnológicos permiten ya
realizar trabajos de gran relevancia para la comprensión fisiológica, incluso clínica, de determinados procesos celula-
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res. En el laboratorio clínico son numerosas las determinaciones inmunoquímicas que se realizan a diario empleando
tecnologías cada vez más mecanizadas y precisas, que todavía se aplican muy minoritariamente en el estudio oncológico molecular. Recientemente hemos comprobado en nuestro laboratorio que las regulaciones intracelulares mediadas
por factores de crecimiento pueden estudiarse aplicando
estos métodos, después de numerosos intentos destinados
a mejorar la detectabilidad de los inmunoanálisis6,10, los
cuales pensamos que en un futuro próximo se incorporarán
en mayor medida a la investigación básica de la génesis tumoral.
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