POR QUÉ TENEMOS QUE ENVEJECER?.

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¿POR QUÉ TENEMOS QUE ENVEJECER?
ENFERMEDADES ASOCIADAS A LA EDAD
Consuelo Boticario Boticario
María Cascales Angosto
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Consuelo Boticario Boticario
María Cascales Angosto
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Agradecimientos
Agradecimientos:
Nuestro profundo agradecimiento a las profesoras doctoras Evangelina
Palacios Aláiz, y Pilar González González por prestarnos su inestimable
ayuda en la revisión y corrección de los manuscritos. También agradecemos
de manera muy especial la colaboración prestada por doña Adoración Urrea
Salazar, en la preparación de los manuscritos, en la búsqueda de la
bibliografía y en la realización del ajuste electrónico de las figuras, etc.
5
Prólogo
PRÓLOGO
Una vez más, haciéndose eco de los problemas de nuestra sociedad el
Centro Asociado de la UNED en Plasencia, publica hoy este libro, sobre un
tema de un gran interés científico y de enorme repercusión clínica y social:
¿POR QUÉ TENEMOS QUE ENVEJECER? ENFERMEDADES
ASOCIADAS A LA EDAD. En este volumen se recogen una serie de
capítulos realizados tomando como base las publicaciones más recientes,
donde se muestra la estrecha relación que existe, a nivel molecular y celular,
entre dos fenómenos, de tanta trascendencia en la vida humana, como son el
envejecer y el cáncer. En la actualidad son muchos los grupos de
investigadores que estudian estas interrelaciones y los avances que se están
consiguiendo, son de tal magnitud, que hoy casi ningún científico duda que,
en un día no muy lejano, se podrán curar muchas de las enfermedades
asociadas al envejecimiento, que a su vez, son la mayor causa de la
morbilidad y mortalidad en nuestra sociedad. Solo entendiendo las bases
moleculares del envejecimiento, se podrán desarrollar medios para retrasar la
aparición de enfermedades asociadas al envejecimiento, la mayoría de las
cuales están íntimamente conectadas con el cáncer.
Los organismos multicelulares exhiben un declinar progresivo e
irreversible de las funciones fisiológicas, que es característico de la senectud.
Aunque las bases moleculares de este declinar no se conocen aún en su
totalidad, los mecanismos hasta ahora propuestos incluyen un incremento en
la generación de especies reactivas de oxígeno y una progresiva
acumulación de lesiones oxidativas en el DNA, que van a dar lugar a
inestabilidad genética y a alteraciones epigenéticas. Todo ello lleva consigo
el deterioro oxidativo de macromoléculas críticas, la glicación de proteínas
constitutivas y el acortamiento de los telómeros en células replicativas
Es evidente que una serie de factores genéticos y ambientales determinan
el envejecimiento y la longevidad. La manipulación de estos factores puede
alterar la expectativa de vida y el fenotipo senescente. Existe amplia
evidencia experimental que demuestra que la mayor resistencia al estrés
oxidativo conduce a mayor longevidad. La modificación de los factores
ambientales adversos, la restricción dietética y la dieta con alto contenido de
antioxidantes, pueden disminuir las situaciones de estrés oxidativo y elevar la
longevidad. Además la modulación de la actividad de genes de longevidad,
puede ayudar a ampliar la expectativa de vida en los humanos. Finalmente, la
7
Prólogo
activación de la capacidad reparadora del DNA ha de proporcionar otra
estrategia, que unida a las otras, proporcione un medio de prevenir los
achaques asociados a la edad avanzada.
Cáncer y envejecimiento son padecimientos que aquejan a organismos
con tejidos renovables, por eso han surgido genes supresores de tumores que
suprimen el desarrollo del cáncer y limitan la longevidad. Una clase de
supresores de tumores actúa previniendo el daño genético, mientras que otra
inhibe la propagación de las células cancerosas potenciales. Mediante la
manipulación de estos genes supresores se trata de conseguir, cómo alargar
la vida sin tener el riesgo de contraer cáncer. Se han descrito dos tipos de
mecanismos que juegan entre cáncer y envejecimiento: aquellos que al
disminuir el daño celular, evitan el cáncer y protegen la longevidad, y
aquellos diseñados para prevenir la excesiva proliferación celular, con lo cual
se previene del cáncer, pero se limita la longevidad. El equilibrio entre
ambos mecanismos ha de asegurar una vida saludable, libre de cáncer y de
los achaques de la vejez.
Es un hecho reconocido que en el siglo XX, la longevidad media de la
población se ha elevado de manera notable, merced a los avances en la salud
pública, que han logrado disminuir las enfermedades infecciosas mediante el
desarrollo de terapias más avanzadas en el tratamiento a las enfermedades
crónicas y las asociadas al envejecimiento. En España el promedio de
esperanza de vida se ha elevado desde los 58 hasta los 80 años. En los
últimos 30 años, estos logros se han conseguido retrasando la mortalidad del
cáncer y de las enfermedades del corazón y cerebro. Aunque se puede argüir
que el incremento en la esperanza de vida y en las enfermedades
dependientes de la edad son asuntos separados, ya que la mayoría de
individuos con 70 y más años disfrutan de una vida sana e independiente, los
países desarrollados soportan todavía un alto costo debido a las elevadas
necesidades de la población que sufre los trastornos del envejecimiento.
Las revistas científicas de más prestigio publican regularmente trabajos
con un mensaje recurrente: el envejecimiento es un proceso modificable, que
se puede retrasar mediante intervenciones genéticas, farmacológicas o
nutricionales. Es, por lo tanto, cuestión de tiempo averiguar la receta perfecta
para conseguir vivir más años en buenas condiciones de salud. El futuro
próximo nos ha de brindar nuevas formas de terapia regenerativa y
preventiva, que proporcionaran mayor calidad de vida a la población de edad
avanzada. El reto para este futuro será manipular estos mecanismos para
8
Prólogo
conseguir una vida larga y saludable, evitando el cáncer y el envejecimiento.
Esto no es especulativo, se ha demostrado que fármacos antidiabéticos tienen
efectos protectores del cáncer en humanos y elevan la longevidad en ratones.
Hay que considerar que la vida es muy difícil modificarla, porque todos
los elementos del organismo han sido ajustados de manera estricta a lo largo
de la evolución. Envejecimiento y cáncer deben ir de la mano si se quiere
“manipular” la longevidad. No tiene sentido alargar la vida si se desarrolla un
cáncer, y viceversa; no interesa estar protegidos del cáncer, si se adelanta el
envejecimiento. Hay que tener presente que el cáncer como enfermedad
degenerativa, en la mayoría de los casos, es una consecuencia del
envejecimiento celular.
Todas estas consideraciones nos han llevado a la realización de este
volumen, en el cual hemos desarrollado una serie de temas que detallamos a
continuación: Bases celulares y moleculares del envejecimiento; Estrés
oxidativo; Antioxidantes y envejecimiento; Telómeros; Supresores
tumorales; Inmunosenescencia; Envejecimiento y cáncer, dos caras de la
misma moneda; Manipulación de la esperanza de vida; Células madre;
Restricción calórica y envejecimiento; Epigenética; Osteoporosis y
Enfermedad de Alzheimer.
Por último, queremos expresar que como participantes comprometidos en
la noble y esforzada tarea de escribir y divulgar el conocimiento,
aguardamos con impaciencia la aceptación por los lectores interesados, y
más aún, si con ello hemos logrado transmitir el mismo entusiasmo que nos
ha llevado a realizarla, nuestro esfuerzo habrá merecido la pena.
Madrid, Enero 2009
Consuelo Boticario Boticario
María Cascales Angosto
9
Índice
ÍNDICE
Pág.
Capítulo 1. Bases celulares y moleculares del envejecimiento ..…….
13
Capítulo 2. Estrés oxidativo ..……………………………….…………
39
Capítulo 3. Antioxidantes y envejecimiento ..………………….……..
77
Capítulo 4. Telómeros y Telomerasa ..……………………….……….
115
Capítulo 5. Supresores de tumores y envejecimiento ……………….
147
Capítulo 6. Inmunosenescencia ………………………………………
173
Capítulo 7. Envejecimiento y cáncer: dos caras de la misma moneda
199
Capítulo 8. Manipulación de la esperanza de vida ………………….
225
Capítulo 9. Células madre …………………………………………….
245
Capítulo 10. Restricción calórica y envejecimiento …………………
277
Capítulo 11. Epigenética en el envejecimiento ………………………
309
Capítulo 12. Osteoporosis. Mecanismos que regulan el recambio
óseo ………...…………………………………………...
341
Capítulo 13. Enfermedad de Alzheimer y estrés oxidativo ………….
385
11
Capítulo 1
Capítulo 1. BASES CELULARES Y MOLECULARES
DEL ENVEJECIMIENTO
1. Introducción
2. ¿Por qué envejecemos?
3. Envejecimiento y oxidación
3.1. Generación de especies reactivas de oxígeno por la mitocondria
3.2. Sistemas de defensa antioxidante
4. Expectativa de vida y longevidad máxima entre las especies
5. Telómeros y telomerasa
6. Envejecimiento, células madre y factores sistémicos ¿medicina regenerativa?
7. Micro RNA (miRNA) transducción de señales y medicina preventiva
8. Conclusiones
9. Abreviaturas
10. Bibliografía
1. Introducción
El envejecimiento es un proceso biológico de una gran complejidad, que
causa alteraciones en la estructura de órganos y tejidos, lo cual va a dar lugar
a un declinar en las funciones y a una capacidad disminuida para atender a
las demandas del organismo. Una característica del envejecimiento es la
menor capacidad de mantener la homeostasis frente a condiciones
ambientales adversas. La senectud representa no sólo un problema a nivel
clínico y social, sino también una paradoja evolutiva porque se opone a la
selección natural. La hipótesis evolutiva propone que el envejecimiento surge
como consecuencia de la selección necesaria para mantener los procesos de
la reproducción temprana, o como consecuencia de una selección más débil
frente aquellos procesos post-reproductores. En la selección frente a la
amenaza de la vida, la expresión genética de los mecanismos de defensa y
reparación son mucho menos eficientes en la edad avanzada. Así, la muerte
es menos adversa para la vida cuando ocurre en la última etapa de la vida del
individuo. A pesar de haber sido comprendida la relativa tolerancia al
envejecimiento, con respecto a la supervivencia de las especies, su necesidad
o incluso conveniencia no ha sido aún demostrada.
13
Capítulo 1
2. ¿Por qué envejecemos?
¿Es porque lo llevamos en nuestros genes o porque sufrimos el desgaste
del tiempo y de las agresiones externas? Hoy en día los investigadores se
decantan por la segunda opción. Un ser vivo es un ente individual y
diferenciado que necesita gran cantidad de energía para sobrevivir en un
medio ambiente adverso. Los mecanismos implicados en el mantenimiento
de la supervivencia se van deteriorando a medida que transcurre la edad. No
parece que exista un programa genético que se ponga en marcha a
determinada edad para conducirnos a la vejez y la muerte, simplemente
nuestros mecanismos genéticos de reparación van perdiendo eficacia con la
edad.
En los últimos años se han identificado muchos factores ambientales y
rutas metabólicas reguladas por genes que contribuyen a retardar o acelerar el
envejecimiento. La capacidad oxidativa de las especies reactivas de oxígeno,
los daños al DNA por estas mismas especies, por radiaciones o por agentes
químicos, la excesiva producción de energía por las mitocondrias, la
hiperactividad de la hormona del crecimiento, un aporte excesivo de grasas y
carbohidratos, etc., son elementos relacionados con el envejecimiento. Los
especialistas en genética están empezando a vislumbrar conexiones entre
diferentes mecanismos y han demostrado que existe una familia de genes
maestros que rige gran parte de estos procesos, cuya modulación podría
conducir a una significativa elevación de la expectativa de vida humana.
Una característica común de la vida en los organismos multicelulares es
el progresivo declinar en la eficiencia de una serie de procesos fisiológicos,
una vez finalizada la fase reproductora de dicho organismo. Para estudiar la
naturaleza de la plétora de mecanismos que intervienen y se asocian en el
envejecimiento, se han utilizado muchos modelos y estrategias, pero quedan
sin respuesta las siguientes preguntas: ¿Por qué los organismos sufren un
deterioro fisiológico irreversible en la última parte de sus vidas? ¿Por qué
esos mismos organismos pierden su capacidad de restauración y reparación
de los tejidos u órganos?
La filosofía helenística estaba convencida que el envejecimiento era un
truco de la vida para tener más vida. Pasó mucho tiempo hasta que el
contenido científico de esta frase antigua llegara a ser descifrable. El
deterioro fisiológico del organismo a medida que transcurre la edad presenta
una paradoja evolutiva. Si los organismos pueden funcionar bien en la
14
Capítulo 1
juventud ¿Por qué no lo hacen igual a la vejez? Se han emitido hipótesis
evolutivas y no adaptativas por separado, para considerar el proceso
aparentemente universal del envejecimiento. La hipótesis evolutiva predice
que la tasa de envejecimiento se eleva y la supervivencia disminuye en
proporción directa a como se eleva la tasa de mortalidad extrínseca.
También, la tasa de envejecimiento es mayor en aquellos organismos cuya
fecundidad no se mantiene elevada después de la madurez reproductora. Las
teorías puramente fisiológicas del envejecimiento no predicen ninguna
relación entre la mortalidad extrínseca, la fecundidad dependiente de la edad
y la tasa de envejecimiento. Además se establece una asociación entre la
esperanza de vida y la tasa metabólica, por lo cual los organismos con tasas
metabólicas más bajas han de tener mayor expectativa de vida.
Es importante anotar que las hipótesis evolutivas no contradicen que los
mecanismos próximos, tales como que las lesiones al DNA sean responsables
del envejecimiento. Ellas solo predicen que la selección natural ha de actuar
sobre estos mecanismos próximos. Por ejemplo, ante una tasa menor de
mortalidad extrínseca ha de disminuir la frecuencia de expresión de los genes
tardíos que reducen la eficiencia de la reparación del DNA y por
consiguiente causan mayor lesión al DNA. Es un hecho demostrado que la
evolución de los insectos sociables como las termitas y las abejas, se asocia
con un incremento de 100 veces en la longevidad máxima. Tal incremento se
debe a teorías evolutivas porque estos insectos viven en colonias fuertemente
defendidas de los depredadores y en ellas no existe asociación entre la tasa de
mortalidad extrínseca y la esperanza de vida.
Otra forma de definir el envejecimiento es la de describir sus
consecuencias:
(a) casi todas las funciones fisiológicas pierden progresivamente
eficacia y vigor;
(b) la mayoría de los órganos vitales sufren fenómenos de atrofia o
degeneración, especialmente detectable en aquellos que
contienen células post-mitóticas, neuronas, células musculares,
células hepáticas, etc.;
(c) se registra un progresivo aumento de la sensibilidad a
traumatismos, infecciones y fármacos, unido a un
funcionamiento anormal del sistema inmunitario y
(d) aumenta el riesgo a enfermedades degenerativas y cáncer
15
Capítulo 1
El envejecimiento es un proceso complejo biológico universal que se
detecta a nivel morfológico, bioquímico y funcional, tanto en células aisladas
como en órgano entero, que termina con la muerte. Las teorías postuladas
sobre el envejecimiento son muchas y tienen su origen en el estudio de los
cambios que se suceden o de los cambios que se acumulan a lo largo de la
vida. La teoría que ha alcanzado más adeptos entre la comunidad científica
por la solidez de sus argumentos y por haber sido ampliamente comprobada,
fue propuesta por Harman en 1956, y es la que responsabiliza a los radicales
libres de oxígeno de las alteraciones oxidativas típicas de la edad avanzada y
de la mayor parte de las alteraciones celulares que ocurren en el
envejecimiento. Esta teoría se dirigió, posteriormente, hacia la generación de
especies reactivas de oxígeno por la mitocondria y trata de explicar el
fenómeno de la senectud por medio del estrés oxidativo. Es decir, el
envejecimiento aparece a medida que el organismo acumula lesiones
oxidativas
Aunque se desconocen las bases moleculares del declinar fisiológico
progresivo e irreversible característico de la senectud, se han postulado una
serie de mecanismos para explicarlo. Este estos se incluye:
•
el acumulo de lesiones en la molécula del DNA que conllevan a una
inestabilidad genómica;
•
alteraciones epigenéticas que conducen a modificaciones en la
expresión genética;
•
acortamiento de los telómeros en células replicativas;
•
lesión oxidativa en macromoléculas críticas; y
•
glicación, no enzimática, de proteínas de cadena larga.
En el intento de explicar el declinar fisiológico y progresivo de la
senectud y para buscar respuesta a la pregunta al inicio de este capítulo ¿por
qué envejecemos?, vamos a analizar una rara enfermedad, caracterizada por
un envejecimiento prematuro y una enorme propensión al cáncer, que es la
enfermedad de Werner. Esta enfermedad ha servido de modelo a un grupo de
científicos españoles dirigidos por Manel Esteller, para comprender mejor la
relación entre cáncer, genes y envejecimiento. Este síndrome hereditario,
produce envejecimiento prematuro y se caracteriza por inestabilidad
genómica y una elevada incidencia a padecer tumores. El envejecimiento es
16
Capítulo 1
el principal factor de riesgo para el desarrollo de tumores y como hasta hace
poco no se conocían bien las razones moleculares de esta relación, era lógico
pensar que tenía que existir un gen que previniera el envejecimiento y el
cáncer. Este es el gen WRN, un supresor tumoral, que cuando se inactiva por
metilación, no solo provoca el síndrome de Werner, sino que tiene un papel
destacado en la aparición del cáncer. La pérdida de actividad de este gen por
metilación de su zona reguladora, se ha detectado en diversos tipos de
tumores, incluyendo blandos y sólidos, y siendo el primer gen supresor
tumoral con tan amplia distribución.
La función de este gen es proteger a las células de las lesiones, gracias a
su actividad helicasa y exonucleasa que promueve la reparación del DNA.
Sin embargo, su inactivación provoca el inicio de la fragmentación
cromosómica y el desarrollo de la inestabilidad genómica previa al desarrollo
tumoral. La reintroducción del gen en una célula deficiente tiene propiedades
antitumorales, tanto en cultivos celulares como en modelos murinos, lo que
abre una esperanza a la mejora del tratamiento de ciertos tumores, basándose
en la comprensión de estas interacciones. Estos estudios están poniendo de
manifiesto aspectos epigenéticos del envejecimiento, un campo emergente
que promete revelaciones importantes. El grupo de Esteller está actualmente
estudiando la significación biológica de las alteraciones epigenéticas que se
acumulan en el transcurso de la edad y que tienen importantes repercusiones
en la tumorigénesis.
3. Envejecimiento y oxidación
La utilización del oxígeno por los organismos aerobios, en condiciones
normales, genera metabolitos reactivos de este elemento que pueden
ocasionar un estado de estrés oxidativo, en el caso en el que se altere el
equilibrio prooxidante/antioxidante de la célula. La intensidad del daño
oxidativo se eleva a medida que un organismo envejece y se ha postulado
que en ello radica la causa principal de la senectud. En favor de esta hipótesis
se alegan las observaciones siguientes:
•
•
•
La superexpresión de los enzimas antioxidantes retrasa el daño
oxidativo y amplia el período vital.
La longevidad de las diferentes especies es inversamente
proporcional a la velocidad de generación mitocondrial de especies
reactivas de oxígeno
La restricción calórica de la ingesta aminora las lesiones oxidativas,
17
Capítulo 1
retarda los cambios asociados a la edad y amplia la expectativa de
vida.
La hipótesis que suscribe que la acumulación de daño oxidativo es la
causa principal responsable del envejecimiento, se basa en el hecho de que el
oxígeno es potencialmente tóxico y su uso por los organismos aerobios,
aunque necesario para su supervivencia inmediata, puede llegar a ser
peligroso a lo largo de su existencia. El fenómeno de la toxicidad del
oxígeno, referido como la paradoja de la aerobiosis, es inherente a su
estructura atómica. El oxígeno molecular es un biradical que tras la adición
secuencial de cuatro electrones y cuatro protones en la cadena de transporte
electrónico mitocondrial (Figura 1), genera agua. En este proceso, en el que
se produce gran cantidad de energía (ATP), pueden también generarse, como
subproductos, moléculas parcialmente reducidas con uno, dos y tres
electrones. Estas son, el radical superóxido, el peróxido de hidrógeno y el
radical hidroxilo, respectivamente, que se denominan especies reactivas de
oxígeno (ROS) y causan lesiones oxidativas en las macromoléculas celulares
(lípidos, proteínas y DNA). Las lesiones se manifiestan como peroxidación
de los lípidos insaturados de las membranas, modificaciones en el DNA
(alteración de bases, roturas de las cadenas, intercambios entre las cromatidas
hermanas, etc.), cruzamientos entre las proteínas y el DNA, carbonilación
proteica y pérdida de los grupos SHO de las proteínas, etc.
Figura 1. Generación de especies reactivas de oxígeno por la cadena de transporte
electrónico mitocondrial.
18
Capítulo 1
En condiciones normales se estima que el 2 % del oxígeno consumido
por una célula aerobia se diversifica hacia la generación de especies
reactivas. Una célula típica de rata, como el hepatocito, puede sufrir en su
DNA unas 105 agresiones por día con estas especies. La presencia de los
productos resultantes de las interacciones de las especies reactivas con las
macromoléculas celulares ha llevado al convencimiento de que las defensas
antioxidantes no son totalmente eficientes, que las células se encuentran
sometidas a situaciones crónicas de estrés oxidativo y que el envejecimiento
es una consecuencia de la acumulación del daño oxidativo. De todo lo
anterior se deduce que la hipótesis oxidativa del envejecimiento se basa en el
progresivo e irreversible incremento de la lesión oxidativa molecular.
La velocidad de generación de las ROS in vivo, es hoy fácil evaluar
mediante técnicas de citometría de flujo. Con estos medios experimentales se
ha observado en hígado de ratas, que el estado de los pares redox tienden
hacia valores más oxidados a medida que transcurre la edad, así como los
niveles de peroxidación de lípidos y de oxidación de proteínas. El estrés
oxidativo se detecta por el incremento exponencial de la carbonización de
las proteínas, pérdida de sus grupos SH, pérdida del glutation, elevación de
la concentración de productos que reaccionan con el ácido tiobarbitúrico y
pérdida de la actividad catalítica de determinados enzimas. La concentración
de 8-hidroxiguanosina, un indicador del daño oxidativo al DNA, se
incrementa progresivamente durante el envejecimiento. De tales estudios se
deduce que el daño oxidativo molecular es ubicuo, sustancial y se eleva
exponencialmente con la edad
La situación de estrés oxidativo en el envejecimiento puede estar ligada a
tres factores diferentes: elevación del ritmo de generación de especies
reactivas de oxígeno; disminución de las defensas oxidativas, y menor
eficiencia en la reparación o eliminación de las moléculas lesionadas.
3.1. Generación de especies activas de oxígeno por la mitocondria
A medida que transcurre la edad se eleva el ritmo de generación de
especies reactivas de oxígeno por la mitocondria, la fuente principal de su
producción. La mayor producción de estas especies inflige lesión en la
membrana interna de las mitocondrias, lo cual por un mecanismo de
retroregulación positiva induce un incremento en la generación de especies
reactivas.
19
Capítulo 1
El principal productor de radicales de oxígeno en los organismos
aerobios es la mitocondria, el orgánulo celular que, en condiciones normales,
utiliza aproximadamente el 98% del O2 que ingresa en la célula reduciéndolo
a agua a nivel del citocromo a3 de la cadena de transporte de electrones.
Como se muestra en la Figura 1 una pequeña parte del O2 incorporado por la
mitocondria, sufre una reducción monovalente y genera especies reactivas de
oxígeno, tales como el radical superóxido (O2.-), el peróxido de hidrógeno
(H2O2), y radical hidroxilo (·OH), llegando a una producción diaria de 3 x
107 O2.-/mitocondria/día. Por tanto, al ser las mitocondrias la fuente más
importante de especies reactivas de oxígeno, es obvio que el DNA
mitocondrial se encuentra más expuesto que el DNA nuclear a sufrir lesiones
oxidativas severas que pueden conducir a mutaciones y supresiones en su
propia cadena. (Figura 2).
Las mutaciones y supresiones en el DNA mitocondrial son hoy el punto de
mira de muchos gerontólogos, ya que el hecho de que se acumulen con la edad,
hace pensar que las mitocondrias juegan un importante papel en las alteraciones
propias del envejecimiento. Si las mitocondrias poseen un genoma lesionado
ello puede influir en los propios componentes de la cadena de transporte
electrónico, disminuyendo su eficacia en el proceso de reducción tetravalente
del oxígeno molecular y en la producción del ATP. Por un lado, la menor
producción de energía afectaría la función celular, y por otro, la alteración en la
cadena de transporte electrónico elevaría la velocidad de generación de las
especies reactivas de oxígeno. En este caso, la alteración localizada se agravaría
al ocasionar la posterior lesión del DNA mitocondrial. La susceptibilidad del
DNA mitocondrial a la agresión oxidativa es mayor que la del DNA nuclear,
por encontrarse más cercano a la fuente de especies reactivas de oxígeno y
carecer de histonas protectoras. Esto unido a que es más compacto y codifica
todo, hace que la hipersensibilidad del DNA mitocondrial se asocie con la
inestabilidad genómica que se observa en un número de enfermedades
neurodegenerativas. La velocidad de mutación del DNA mitocondrial se ha
estimado que es 16 veces superior que la del núcleo.
20
Capítulo 1
Figura 2. Expectativa de vida en relación con la generación mitocondrial de ROS (especies
reactivas de oxígeno) y lesión al DNA (Barja y Herrero 2000)
La lesión oxidativa al DNA mitocondrial en animales viejos se acusa más
en cerebro que en otros órganos como el hígado. Esto indica que las
mitocondrias del cerebro se encuentran más expuestas a situaciones de estrés
oxidativo. Una de las razones que explica en parte la mayor susceptibilidad a la
oxidación de las células del cerebro es que los niveles de glutation en este
órgano son mucho más bajos que en hígado, lo que puede contribuir a que las
neuronas se encuentren más desprotegidas frente e la agresión oxidativa
Aunque es la mitocondria la principal responsable de la generación de las
especies reactivas de oxígeno, éstas también se producen en otros orgánulos
celulares, como los peroxisomas, donde la aminoácido oxidasa, la acil-CoA
oxidasa y la urato oxidasa generan H2O2, o el retículo endoplásmico, donde el
citocromo P-450 cataliza reacciones de monooxigenación con producción de
radical superóxido y peróxido de hidrógeno por mecanismos dependientes de
NADPH. Tanto el radical superóxido como el peróxido de hidrógeno no poseen
una elevada reactividad frente a las macromoléculas, sin embargo, en presencia
de ciertos complejos de metales de transición, como el hierro o el cobre pueden
reaccionar entre si (reacción de Fenton o Harber-Weiss) y dar lugar al radical
hidroxilo (.OH) que posee una elevada reactividad. Otras vías de formación del
radical hidroxilo son a través del peroxinitrito, producto de reaccionar el radical
superóxido con el óxido nítrico y mediante la acción de radiaciones ionizantes
sobre el agua (Figura 3).
21
Capítulo 1
La generación de estas sustancias prooxidantes se encuentra controlada
mediante mecanismos celulares de defensa antioxidantes, reductores o
secuestrantes que se ubican de manera estratégica en los diferentes orgánulos
subcelulares. En el caso de que estos mecanismos lleguen a ser insuficientes
para contrarrestar la excesiva producción de especies reactivas, se originan
alteraciones celulares que conducen al estrés oxidativo, que puede llegar a
afectar de manera irreversible la viabilidad celular y la funcionalidad del
órgano. Bien conocida es la lesión oxidativa producida sobre el DNA por el
·OH. Del mismo modo, se originan lesiones oxidativas en los lípidos y en las
proteínas. Además, con la edad se producen cambios en la estructura
molecular de los enzimas debido a errores en la traducción y en la
conformación de su molécula a nivel de racemización de aminoácidos,
desaminación, glicosilación, oxidación, etc.
A medida que transcurre la edad se incrementan las lesiones oxidativas
al DNA (evaluadas por la concentración de 8-hidroxiguanina), disminuyen
los niveles de ácidos grasos poliinsaturados, se producen transcripciones
anómalas, descienden los complejos I y IV de la cadena de transporte
electrónico (complejos codificados por el DNA mitocondrial a diferencia de
los II y III codificados por el DNA nuclear) y se produce una pérdida de la
producción de energía, con el consiguiente incremento en los niveles de
oxidantes al reaccionar los grupos carbonilos de las proteínas oxidadas con
grupos amino libres.
El papel de la lesión oxidativa a nivel de las proteínas en el envejecimiento
celular se hace aparente en las formas inactivas o menos activas de algunos
enzimas. Las modificaciones post-traduccionales son en gran parte las
responsables de la acumulación de estas proteínas inactivas. La lesión oxidativa
se verifica de manera selectiva en ciertas proteínas mitocondriales. Se ha
descrito que la aconitasa mitocondrial, un enzima del ciclo tricarboxílico, es un
objetivo específico de sufrir la oxidación durante el envejecimiento.
Las membranas mitocondriales al ser ricas en ácidos grasos altamente
insaturados son muy susceptibles a sufrir peroxidación lipídica. De hecho, en
especies más longevas se ha demostrado que poseen una proporción menor
de ácidos grasos insaturados de 4 o más dobles enlaces por sustitución del
araquidónico por el linoleico, lo cual influye en la funcionalidad de la cadena
de transporte de electrones y en la disminución de la producción de radicales
libres. Además la velocidad del proceso del envejecimiento puede depender
de la sensibilidad de los lípidos mitocondriales para sufrir la oxidación. El
22
Capítulo 1
análisis de la fracción de lípidos de las mitocondrias hepáticas de varias
especies de mamíferos ha revelado que el número total de dobles enlaces y el
índice de peroxidación de los lípidos de las membranas mitocondriales se
relacionan inversamente con la longevidad. En el envejecimiento tiene lugar
un ciclo vicioso en la mitocondria: el incremento en la lipoperoxidación,
unido a la modificación oxidativa de las proteínas, eleva el daño oxidativo y
las mutaciones en el DNA mitocondrial; a su vez, los enzimas de la cadena
respiratoria que contienen las subunidades proteicas codificadas por el DNA
mitocondrial lesionado, elevan la generación de especies reactivas de
oxígeno, las cuales agravan el daño oxidativo en la propia mitocondria.
3.2. Sistemas de defensa antioxidante
Para mantener la integridad celular, una serie de sistemas de defensa
antioxidante, ubicados de manera estratégica en distintos orgánulos
subcelulares, actúan concertadamente con aquellos mecanismos responsables
de los procesos reparadores de las macromoléculas lesionadas por oxidación
(Figura 3). El anión superóxido y el peróxido de hidrógeno se convierten en
especies inertes por la acción sucesiva de la superóxido dismutasa (SOD), la
catalasa y la glutation peroxidasa (GPX). La superóxido dismutasa cataliza la
dismutación del anión superóxido a peróxido de hidrógeno: la catalasa
reacciona con el peróxido de hidrógeno y genera agua y la glutation
peroxidasa cataliza la oxidación del glutation reducido a glutation oxidado a
expensas del H2O2 o de peróxidos orgánicos. La eficiente funcionalidad de
estos mecanismos defensivos necesita la actividad concertada de los enzimas
individuales. Así, la superoxido dismutasa, la catalasa y la glutation peroxidasa
actúan de manera coordinada en los estados prooxidantes celulares. Para
mantener la integridad celular, estos sistemas han de coordinarse con los
sistemas celulares responsables de la reparación de las moléculas lesionadas
por oxidación.
Entre los antioxidantes no enzimáticos de procedendencia endógena el
más importante es el glutation reducido (GSH), tripéptido compuesto por γglutamilo, cisteína y glicocola. Es el tiol de bajo peso molecular más
abundante en la mayoría de células de mamíferos. La concentración
intracelular de GSH en hígado en condiciones normales fluctua entre 5 y 10
mM y en el estado redox normal de la célula, menos de un 5% del glutation
total existe en su forma oxidada (GSSG). El hígado es el órgano que se
caracteriza por su elevada capacidad de sintetizar glutation a través de la vía
de la cistationina, cuya misión es generar cisteína a partir de metionina la
23
Capítulo 1
dieta. En hígado existen dos reservorios de glutation: el citosólico y el
mitocondrial. El glutation citosólico se encuentra sometido a un intenso
recambio, mientras que el glutation mitocondrial no.
La pérdida de GSH inducida por agentes químicos, favorece la
peroxidación lipídica y la lesión celular. El GSH actúa principalmente sobre
el H2O2 generado en el curso de la biotransformación de xenobióticos y otras
vías y como coenzima de la glutation peroxidasa. También el GSH se utiliza
como sustrato por la glutation-S-transferasa para la conjugación y
eliminación de xenobióticos. El GSH reacciona también con el radical
hidroxilo (·OH), la fuente más importante de lesión debida a radicales libres
de oxígeno. El declinar de la concentración de GSH con la edad se debe a un
incremento en la tasa de oxidación o a una disminución en el recambio del
GSH resultante de mayor utilización/degradación y/o de una menor
biosíntesis del GSH. Es importante mantener elevado el cociente GSH/GSSG
para prevenir la secuela de acontecimientos que lleva consigo la pérdida de
los grupos tiólicos celulares y otras alteraciones como, peroxidación lipídica,
alteraciones en la homeostasis del calcio, etc. A este respecto, la continuada
generación de GSH, a partir del GSSG, por acción de la glutation reductasa
en presencia de equivalentes reductores, en forma de NADPH, es esencial
para preservar la integridad celular.
La vitamina E es el antioxidante exógeno liposoluble más ampliamente
distribuído en la naturaleza, tanto en el reino vegetal como en el animal El αtocoferol es el isómero mejor conocido y el que posee la actividad
antioxidante más potente. Debido a la propiedad lipofílica de la molécula de
α-tocoferol, la vitamina E interrumpe la reacción en cadena de los radicales
en el medio liposoluble, por ejemplo, en las lipoproteínas plasmáticas.
Elevadas concentraciones de α-tocoferol se encuentran en glándulas
adrenales, corazón, testículos e hígado. En el interior de la célula, esta
vitamina se asocia con membranas ricas en lípidos, como la mitocondria y el
retículo endoplásmico, de manera que su acción antioxidante es efectiva ya
que evita la lipoperoxidación de las membranas al reaccionar con los
radicales peroxilo y alcoxilo. (Ver Capítulo 3, Antioxidantes y
envejecimiento)
Otra defensa antioxidante muy efectiva, es la restricción calorica de la
ingesta, ya que el menor consumo de alimentos va a proporcionar un menor
número de electrones, que tienen que ser procesados por la mitocondria a
través de la cadena de transporte electrónico. El descenso programado de la
24
Capítulo 1
dieta al aminorar la generación de especies reactivas de oxígeno por la
mitocondria, se presenta como uno de los medios antioxidantes más efectivos
que aseguran una buena salud e incluso prolongan la vida. Existen evidencias
que demuestran el efecto de esta restricción sobre animales de
experimentación. En todos ellos se ha observado una progresión más lenta
del envejecimiento, un retraso en la aparición de los efectos no deseables y
un aumento de la esperanza de vida.
Es, por tanto, la lesión oxidativa que se acumula en las macromoleculas
a lo largo de la vida, la responsable de una gran parte de los efectos adversos
de la senectud. En hepatocitos de ratas senescentes la tasa de generación de
ROS es más elevada que en los de ratas jóvenes, de tal manera que las
defensas antioxidantes se encuentran en situación de no poder hacer frente a
ellas, lo que conduce al estrés oxidativo. En un estudio previo en nuestro
laboratorio se ha descrito que el retraso en la reparación o una reparación
incompleta de las macromoléculas oxidadas de los hepatocitos de las ratas
viejas, es la causa de la menor respuesta proliferativa post-necrótica en esas
células. Esta menor respuesta retrasa la regeneración hepatocelular y la
restauración de la funcionalidad hepática e incrementa el riesgo de la
toxicidad de los fármacos debido a la incompleta restauración de los sistemas
encargados de su metabolismo.
4. Expectativa de vida y longevidad máxima entre las especies
Hay que distinguir entre longevidad media de la población, expectativa
de vida o supervivencia de cada individuo y la longevidad máxima referida a
la especie. La longevidad media ha aumentado considerablemente a lo largo
de los tiempos (curvas de supervivencia). La longevidad máxima depende de
los genes de cada especie, mientras que la expectativa de vida de cada
individuo depende también de los factores ambientales. La longevidad
máxima no varía y es aquel punto donde caen todas las curvas, y en la
especie humana se cifra en 125 años. No hay pruebas de que haya aumentado
la longevidad máxima en humanos. El avance cultural ha ampliado la
supervivencia, pero no ha desacelerado la intensidad del fenómeno intrínseco
del envejecimiento. Esta intensidad es tanto más lenta cuanto más vive un
animal.
Se define como potencial de energía vital al número de calorías
transformadas por Kg de peso corporal durante la vida. Este parámetro es
muy variable entre las especies; es mayor en animales de pequeño tamaño
25
Capítulo 1
corporal y elevada tasa metabólica. Por otro lado, a igualdad de tamaño
corporal existen diferencias muy notables en el potencial de longevidad
máxima entre los diferentes vertebrados. Así, la esperanza de vida y la
longevidad máxima son mucho mayores en las aves que en los mamíferos.
Por ejemplo, si se comparan las palomas con las ratas, con un peso corporal
similar, las palomas pueden vivir 35 años, mientras que las ratas sólo 4 años.
Diversos estudios del grupo de Barja et al., de la Facultad de Biología de la
Universidad Complutense, han investigado estos problemas y han encontrado
que el consumo de oxígeno por la mitocondria resulta ser similar en palomas
y en ratas, pero la generación de especies reactivas de oxígeno es menor en
las palomas. A igual consumo de oxígeno, la paloma genera menos radicales
de oxígeno, con lo que su DNA mitocondrial resulta menos lesionado y
puede ser reparado más eficazmente (Figura 2).
Los estudios comparativos entre especies de vertebrados con muy
diferente expectativa de vida, han demostrado que los niveles constitutivos
de antioxidantes endógenos se relacionan de manera negativa con dicha
expectativa, lo cual indica que a mayor producción de ROS por la
mitocondria menor expectativa de vida. Además, el ritmo metabólico basal
se relaciona con el envejecimiento y con el período de máxima longevidad.
La explicación de este comportamiento diferente entre paloma y rata tienen
su base en que en las palomas, a igual consumo de oxígeno, la generación de
ROS es menor (Figura 2) y que las membranas mitocondriales de las
palomas son menos sensibles a la lipoperoxidación. Lo primero no está claro
aún, pero se atribuye a un distinto comportamiento en el funcionamiento de
la cadena electrónica mitocondrial. Lo segundo se debe a que los lípidos
integrantes de las membranas son menos insaturados en las palomas y esto
hace que sean menos sensibles a la lipoperoxidación. En las palomas es más
bajo el contenido en ácidos grasos altamente insaturados (docosahexanoico,
22:6n-3 y araquidónico, 20:4n-6). Por tanto, un bajo grado de insaturación
lipídica es una característica general de animales longevos homeotermos.
También se ha observado que las membranas mitocondriales de las palomas
son menos permeables a los protones y que la lesión oxidativa al DNA
mitocondrial se relaciona inversamente con el máximo periodo vital.
También se ha detectado en aves menor glicosilación en las proteínas y en
acumulación de productos terminales de glicosilación avanzada (AGE).
5. Telómeros y telomerasa
En la mayoría de las células somáticas de los tejidos normales, la pérdida
26
Capítulo 1
de la capacidad replicativa, que conlleva a la senescencia celular, se debe al
acortamiento de los telómeros asociado con la ausencia de la actividad
telomerasa. Los telómeros y la telomerasa presentan un gran interés a la hora
de encontrar explicación, no sólo a los cambios relacionados con el
envejecimiento, sino también a los relativos al cáncer. Son numerosas las
alteraciones en la expresión genética que afectan a la diferente capacidad de
las células para dividirse y que se encuentran implicadas en los mecanismos
que conducen, tanto al envejecimiento como al cáncer.
Las células somáticas de los mamíferos poseen una limitada capacidad
de dividirse en cultivo, debido al acortamiento en los telómeros, la porción
terminal de los cromosomas lineales. El acortamiento telomérico origina
cambios transcripcionales que conllevan a la silenciación de genes
subteloméricos y es causa de la inestabilidad cromosómica de la senescencia.
Los telómeros son secuencias de hexanucleótidos (TTAGGG), ubicadas en los
extremos de los cromosomas lineales del núcleo, las cuales son esenciales para
el mantenimiento de la estabilidad cromosómica. La telomerasa es una
ribonucleoproteína denominada transferasa telómero-terminal, requerida para la
síntesis de la repetición telomérica, cuya porción RNA se utiliza como molde
para añadir, mediante retrotranscripción, secuencias teloméricas de novo a los
extremos de los telómeros. La telomerasa se expresa sólo en células germinales
y en células transformadas. La pérdida progresiva de los extremos teloméricos
de los cromosomas durante el envejecimiento, puede inducir señales
antiproliferativas que conduzcan a un estado de senescencia celular o
replicativa. La replicación de los telómeros presenta un dilema especial
denominado “problema de la replicación terminal”, ya que en la división
celular, los telómeros de las células somáticas normales no pueden replicarse
en su totalidad por el complejo DNA polimerasa y esto se debe a la
diferencia en la replicación de las dos cadenas del DNA, la conductora y la
rezagada. Para resolver este problema la mayoría de las células eucariotas
utilizan la telomerasa, enzima que alarga los extremos 3´ de los cromosomas
que se van a replicar. (Ver Capítulo 4, Telomeros y Telomerasa)
Entre las diferentes alteraciónes típicas del envejecimiento, que
conducen a la inestabilidad genética, el acortamiento de los telómeros
representa uno de los cambios estructurales más importantes. Se ha detectado
una disminución en la longitud de los telómeros en células procedentes de
individuos de edad elevada y en cultivos celulares senescentes, lo que indica
que el acortamiento telomérico se considera un marcador del envejecimiento.
27
Capítulo 1
El interés por los telómeros relativo a los procesos de senescencia e
inmortalidad se basa en que el envejecimiento supone la pérdida de la
capacidad replicativa celular, y la inmortalidad la ganancia de un potencial
replicativo ilimitado. La importancia de la relación entre envejecimiento e
inmortalidad se encuentra reforzada por el hecho que una elevada proporción
de células tumorales expresan actividad telomerasa, mientras que la mayor
parte de células somáticas normales muestran una ausencia casi total de esta
actividad.
De acuerdo con la teoría evolutiva del soma desechable, los mecanismos
antienvejecimiento y los anticáncer han adaptado sus respectivas fuerzas a la
expectativa de vida natural de cada especie y de esta manera estos
mecanismos aseguran que la mayoría de los individuos estarán libres de
cáncer y de envejecimiento en tanto en cuanto sean útiles o beneficiosos para
sus especies.
Si comparamos mamíferos de corta expectativa de vida, tal como los
ratones y los de larga vida como los humanos, está claro que los humanos
tienen una protección frente al cáncer y unos mecanismos antienvejecimiento
más rigurosos que los ratones. Por tanto, es importante destacar que unos y
otros mecanismos han evolucionado en paralelo y se acomodan a la
expectativa de vida natural de las especies.
Sin embargo, la evolución de la protección al cáncer y al envejecimiento
tiene raíces más profundas que la simple adaptación en paralelo de los dos
procesos independientes. Recientes investigaciones revelan la existencia de
mecanismos que proporcionan simultáneamente resistencia al cáncer y
resistencia al envejecimiento, y de otros mecanismos que proporcionan
protección contra el cáncer, pero favorecen el envejecimiento. Los primeros
actúan en común sobre la generación y acumulación de lesión celular. La
lesión celular es el origen, tanto del envejecimiento como del cáncer. Por lo
tanto, aquellos mecanismos que previenen la lesión celular proporcionan
protección frente al cáncer y frente al envejecimiento. Entre estos
mecanismos están los que mejoran la eficiencia del consumo de energía,
disminuyendo la generación de ROS, consideradas la fuente principal de
daño endógeno, y la proteína p53, el principal sensor del daño al DNA, que
desencadena las respuestas de defensa y reparación. Existen evidencias
experimentales que indican que aquellos mecanismos o intervenciones que
disminuyen la generación de ROS y promueven la actividad de p53
proporcionan protección frente al cáncer y al envejecimiento. Sin embargo,
28
Capítulo 1
se han descubierto mecanismos que ejercen efectos opuestos sobre el
envejecimiento y el cáncer, evitando específicamente el cáncer, pero
promoviendo el envejecimiento. Estos mecanismos incluyen el acortamiento
de los telómeros y la desrrepresión del locus INK4a/ARF, cuyo propósito es
prevenir la proliferación celular excesiva, lo cual supone una protección
frente al cáncer, mientras que limitan la regeneración a largo plazo y la
longevidad.
6. Envejecimiento, células madre y factores sistémicos.
¿Medicina regenerativa?
Los numerosos estudios que se llevan a cabo en la actualidad en células
madre han proporcionado suficientes argumentos que muestran un futuro
prometedor en tratamientos para paliar o evitar los efectos adversos del
envejecimiento. Estos tratamientos pueden ser de gran utilidad y eficacia
para la reparación de tejidos lesionados, el tratamiento de enfermedades
degenerativas y en general para prevenir la disminución de las funciones de
la edad avanzada. Es importante investigar si el envejecimiento es la causa o
la consecuencia de las alteraciones en las células madre.
En mamíferos, las células madre residen en muchos tejidos adultos
donde producen continuamente nuevas células en los que tienen un elevado
recambio (sangre, piel e intestino), o sirven como reservorio para el
reemplazo celular gradual y reparación, en aquellos que poseen células con
recambio más bajo (hígado cerebro y músculo). Es un hecho reconocido que
la funcionalidad de las células madre, como la de otras células, decrece con
la edad, pero hay que conocer hasta que grado los trastornos de la edad
afectan la función reparadora y renovadora de las células madre. (Ver
Capítulo 9, Células madre)
La menor capacidad regeneradora y renovadora de las células madre en
la mayoría de los tejidos, debida al envejecimiento, se debe a una
combinación de cambios, que son los que van a impedir que dichas células
ejerzan su función y participen en el mantenimiento y reparación de los
tejidos. En el músculo esquelético adulto, donde las células madre residentes,
denominadas células satélite, son capaces de regenerar de manera rápida y
efectiva el tejido muscular en respuesta a cualquier lesión, existe una
progresiva y ostensible pérdida del potencial regenerativo en animales a
medida que transcurre la edad. La activación de las células satélite y la
determinación del destino celular se encuentran controlados por una vía
29
Capítulo 1
señalizadora, la vía NOTCH cuya actividad se desencadena mediante la
unión con su ligando Delta, cuya expresión se inicia de manera rápida en
respuesta a cualquier lesión. En músculo de animales viejos la expresión del
factor Delta está notablemente disminuida, lo cual va a afectar en gran
manera al funcionamiento de la vía señalizadora NOTCH y con ello al
potencial regenerativo de las células satélites. Experimentos de Convoy y
Rando han demostrado, que si se induce indirectamente la actividad de la vía
NOTCH se puede restaurar la capacidad regenerativa de las células satélite.
Esta inducción se ha conseguido mediante la exposición de las células
satélite de ratones viejos a suero de ratones jóvenes, bien in vivo por
emparejamiento parabiótico heterocrónico (circulación compartida), de un
ratón viejo con un ratón joven, o in vitro, mediante la adición de suero de
ratones jóvenes al medio de cultivo de células de ratón viejo. De esta manera
se ha observado que algún componente del suero de animales jóvenes activa
la vía señalizadora NOTCH y con ello la respuesta proliferativa de las células
satélite y se consigue un rejuvenecimiento del animal viejo o de las células
en cultivo procedentes de animales viejos, a expensas del plasma de ratones
jóvenes. Estos resultados han llevado a la conclusión que el potencial
regenerativo persiste en las células satélite, las cuales a pesar del
envejecimiento no han perdido su capacidad de participar en el
mantenimiento y reparación del tejido muscular, capacidad que recuperan al
contacto con factores séricos presentes en el animal joven y que se han ido
perdiendo por efecto del envejecimiento. Por tanto, el que las células madre
de animales muy viejos sean capaces ejercer su misión de mantenimiento y
reparación de los tejidos de animales viejos y mantengan su capacidad
regeneradora intrínseca, lo proporciona un medio ambiente óptimo. Así, se
ha demostrado que la capacidad regeneradora intrínseca de las células madre
musculares puede ser restaurada forzando la activación de la vía señalizadora
NOTCH.
Otros experimentos han puesto de manifiesto, que el descenso en la
renovación del tejido muscular con la edad se asocia con un incremento en
fibrosis tisular y esto se debe a que las células madre musculares o células
satélite de animales viejos, tienden a transformarse en linaje fibrogénico.
Basándose en esta observación Brack et al., han observado que este cambio
está mediado por factores en el ambiente sistémico de los propios animales
viejos y se asocia con la activación de la vía señalizadora Wnt, activación
que puede ser suprimida por inhibidores de Wnt. Además, componentes del
suero de los animales viejos, que se unen a los receptores de WNT, la familia
de proteínas Frizzled, pueden ser la causa de la mayor de la señalización de
30
Capítulo 1
la vía activada por Wnt. Estos resultados indican que en la transformación de
las células satélites, dependiente de la edad, juega un papel crítico la vía
señalizadora Wnt.
El declinar del potencial regenerativo en hígado con la edad ha sido
demostrado ampliamente por experimentos del grupo de Cascales, que
fueron motivo de la Tesis Doctoral de Nuria Sanz, quienes observaron, que
después de una dosis subletal necrogénica de un agente hepatotóxico
(tioacetamida) a ratas, el proceso de regeneración hepatocelular postnecrótica
mostró diferentes ritmos según la edad del animal: en animal joven (2 meses)
el hígado mostró una recuperación total a las 96 horas de la intoxicación, el
grupo de animales adultos y maduros (6 y 12 meses) mostró en su
recuperación un retraso de 24 horas, y los animales viejos (24 y 30 meses),
apenas se habían recuperado a las 96 horas de la intoxicación. Esto indica
que el potencial proliferativo declina de manera significativa con el
transcurso de la edad. Sobre la base de este declinar del potencial
regenerativo hepático, el grupo de Conboy ha observado que la menor
proliferación de las células progenitoras hepáticas (el propio hepatocito), se
debe a la formación de un complejo formado entre la proteína de unión a
CCAAT (cEBPα) y el factor remodelador de la cromatina Brm. Para
examinar la influencia de los factores sistémicos sobre el hepatocito, estos
autores realizaron el experimento de la parabiósis heterocrónica, antes citado,
exponiendo ratones viejos a factores presentes en suero de ratones jóvenes.
También en este caso se elevó la proliferación de los hepatocitos y se
restauró el complejo cEBP/Brm a los niveles presentes en ratones jóvenes.
Estos resultados en hígado, y los anteriores en músculo esquelético indican
que el declinar de la actividad proliferativa de las células progenitoras se
modula por factores sistémicos que cambian con la edad.
Los experimentos antes citados demuestran la existencia de factores en
suero capaces de modular las vías señalizadoras críticas para la activación de
las células madre tisulares y que el medio ambiente sistémico de un animal
joven posee esos factores que son los que promueven la activación del
potencial proliferativo de las células madre, mientras que el de los animales
viejos al carecer de ellos fracasa. Es importante identificar los factores que
ejercen tal influencia crítica sobre las células madre adultas específicas de los
tejidos, ya que las células madre de animales viejos retienen su potencial
proliferativo intrínseco. Son los cambios en el medio ambiente sistémico del
nicho en el que las células madre residen, los que evitan o entorpecen la
activación de esas células para la renovación y regeneración tisular.
31
Capítulo 1
En los estudios anteriores se encuentran las bases de la Medicina
Regenerativa frente al envejecimiento. Las células madre (células satélite o
hepatocitos) no han sufrido merma alguna en su capacidad proliferativa
intrínseca, es el ambiente que las rodea el que resulta afectado por el
envejecimiento, ya que se ha demostrado en un caso, que el suero carece de
algún factor necesario para su activación, y en el otro, que se produce algún
factor que las modifica. Encontrar esos factores en el medio ambiente
sistémico es lo que se tiene que conseguir para paliar los efectos adversos de
la edad avanzada. Esta parte de la medicina se refiere a nuevas terapias para
el reemplazo o restauración de las células perdidas, lesionadas o envejecidas
en el organismo, y ha de explorar de qué manera se mantiene latente la
actividad intrínseca de proliferación celular de las células madre adultas
específicas de los tejidos.
7. MicroRNA (miRNA), transducción de señales y Medicina
Preventiva
Hasta la fecha se han investigado muy poco los acontecimientos
celulares de los sistemas biológicos regulados por acción de los miRNA,
relacionados con el envejecimiento. Sin embargo, el estudio del control que
ejercen los miRNA en la senectud parece enormemente prometedor. Boehm
y Slack han encontrado en el gusano C. elegans, que reduciendo la actividad
del miRNA lin-4 disminuye la expectativa de vida y viceversa. Además, ha
demostrado también que lin-4 regula la vía señalizadota IGF (factor de
crecimiento insulínico), vía esencial para determinar la expectativa de vida.
Este estudio proporciona una base para futuros trabajos encaminados al
conocimiento de los cambios en la expresión de otro micro RNA let-7,
también relacionado con la senectud, ya que se ha demostrado que muchos
miRNA pueden ser esenciales para prevenir las enfermedades típicas del
envejecimiento. Un ejemplo de tal propuesta ha sido ya realizado por IbañezVentoso et al., quiénes han identificado 114 miRNA, de los cuales alrededor
de unos 50 muestran cambios de expresión (disminución), que se inician a
partir de la mediana edad. Los objetivos de estos 50 miRNA incluyen la vía
de la insulina, la determinación de la longevidad y la función muscular.
En una sociedad que está experimentando un acelerado incremento de la
población envejecida, es de urgente necesidad dirigirse a los problemas del
envejecimiento con nuevas estrategias que traten de detectarlos y combatirlos
en estado previos e incipientes para evitar los efectos de la vejez que van a
ser causa del desarrollo de enfermedades. Se está intentando llamar la
32
Capítulo 1
atención respecto a que ya en la madurez comienzan a iniciarse síntomas
relativos a la disminución de la salud celular, que puede implicar un cambio
programático universal o específico en el sistema del control de la
señalización. Este declinar, en etapas previas a la senectud, aunque todavía
sub-clínico y asintomático, puede precipitar a un riesgo incrementado de
enfermedades en el último período de la vida. El control en los inicios del
declinar celular, puede estar gobernado por este grupo de especies
moleculares, de reciente descubrimiento, los miRNAs, pequeños RNA de
unos 22 nucleótidos. Los miRNA por ellos mismos no codifican proteínas,
pero regulan negativamente la expresión de determinados genes, bien
degradando su mensaje o inhibiendo su traducción por unión a su región 3´
no traducible (UTR). Así, la posible alteración de estos reguladores negativos
de la expresión genética, en etapas previas a la edad avanzada, puede ser una
llamada de atención a la alteración molecular en la señalización celular
individual, que en un momento ha de conducir a una amplia disfunción
tisular. Un reto para futuras investigaciones es identificar estos miRNA con
el objeto de desarrollar terapias para combatir los primeros signos de los
efectos de la senectud, lo que supone una clase de medicina, la medicina
preventiva, que puede aminorar o retrasar el riesgo de enfermedades de la
vejez. Esta medicina preventiva ha de añadir una mayor calidad de vida a la
senectud lo cual ha de tener gran repercusión a nivel social y económico.
Es un hecho frecuentemente ignorado, que la mayoría de los problemas
dependientes de la edad tienen sus comienzos en la edad madura. Estos
comienzos se pueden detectar en células individuales o en pequeños grupos
de células sin manifestaciones fenotípicas apreciables. Sin embargo, estos
inicios funcionan a modo de semillas implantadas que se desarrollarán
posteriormente en la vejez. La medicina preventiva tiene que estudiar el
envejecimiento desde un nuevo punto de vista tratando de resolver los
problemas al principio y no al final. Los rápidos avances científicos en el
campo del envejecimiento, como también los progresos recientes en la
biología de las células madre, cicatrización de las heridas, regeneración
hepática y muscular, defensa frente a la infección, biología de los miRNA y
los avances tecnológicos en genómica, proteómica nanotecnología etc.,
suponen un gran apoyo y muestran que con este arsenal científico, los
estudios sobre el envejecimiento pueden emplear estrategias de intervención
y tomar medidas predictivas y preventivas, para evitar en lo posible las
terribles enfermedades degenerativas de la senectud.
33
Capítulo 1
8. Conclusiones
En el siglo XX, la longevidad media de la población se elevó de manera
notable, merced a los avances en la salud pública, que lograron disminuir las
enfermedades infecciosas, y proporcionar mejores tratamientos a las
enfermedades crónicas y a las enfermedades asociadas genéticamente. En
España el promedio de esperanza de vida se ha elevado desde los 58 hasta los
80 años. En los últimos 30 años, muchos de estos logros se han conseguido
retrasando la mortalidad del cáncer y de las enfermedades del corazón y
cerebro. Aunque se puede argüir que el incremento en la esperanza de vida y
en las enfermedades dependientes de la edad son asuntos separados, ya que la
mayoría de individuos con 70 y más años disfrutan de una vida sana e
independiente, los países desarrollados soportan todavía un alto costo debido
a las elevadas necesidades de la población que sufre los trastornos del
envejecimiento.
Al fin y al cabo, hay algunas personas que llegan a vivir los 110-120
años, lo que indica que aún no hemos alcanzado el máximo. Incluso
podríamos ir más lejos. ¿Por qué resignarnos al tope genético de nuestra
especie? La naturaleza ha generado especies más longevas que la nuestra,
como algunas tortugas o loros, así que sólo se trataría de averiguar qué
fórmula ha utilizado. O quizás incluso haya varias fórmulas para aumentar la
longevidad. De hecho, hoy podemos potenciar la función de los genes con
fármacos o con distintas estrategias de terapia génica. ¿Por qué no pensar que
algún día podríamos llegar a vivir mucho más de 120 años modificando o
potenciando la función de nuestros genes?
Uno de los temas más candentes de la investigación biomédica actual es,
precisamente, entender ¿por qué envejecemos desde un punto de vista
molecular y genético? La idea detrás de estas investigaciones es que sólo si
entendemos las bases moleculares del envejecimiento podremos diseñar
medios para curar, o al menos retrasar, la aparición de un gran número de
achaques de la vejez. Las revistas científicas de más prestigio publican
regularmente trabajos con un mensaje recurrente: el envejecimiento es un
proceso modificable, que se puede retrasar mediante intervenciones
genéticas, farmacológicas o nutricionales. Es, por lo tanto, cuestión de
tiempo averiguar la receta perfecta para conseguir vivir más años en buenas
condiciones de salud. El futuro próximo nos ha de brindar nuevas formas de
terapia regenerativa y preventiva, que proporcionaran mayor calidad de vida
en la población de edad avanzada.
34
Capítulo 1
9. Abreviaturas
AGE, productos terminales de glicoxildación avanzada; Brm, factor
remodelador de la cromatina; cEBPa, proteína de unión a CCAAT; GPX,
glutatión peroxidada; GSH, glutatión reducido; GSSG, glutatión oxidado;
miRNA, micro RNA; ROS, especies reactivas de oxígeno; Se, selenio;
SOD, superóxido dismutasa.
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37
Capítulo 2
Capítulo 2. ESTRES OXIDATIVO
1. Introducción
2. La naturaleza radical de oxígeno
3. Toxicidad de oxígeno y estrés xidativo
4. Efectos lesivos del estrés oxidativo sobre las células
5. Especies reactivas de oxígeno como segundos mensajeros
6. Especies reactivas de oxígeno y cáncer
7. Estrés oxidativo e iniciación tumoral
7.1. Modificación oxidativa en las bases del DNA
7.2. Alteraciones en la hélice del DNA
8. Promoción tumoral y especies reactivas de oxígeno.
8.1. Promoción tumoral mediada por calcio
8.2. Otros mecanismos de promoción tumoral
9. Progresión tumoral. Influencia de las especies reactivas de oxígeno
10. Mutaciones en el gen p53 e inestabilidad genómica
11. ROS y apoptosis
12. Reparación del DNA
12.1. Mecanismos reparadores generales
12.2. Reparación de lesiones específicas del DNA
12.3. Reparación de errores de apareamiento
13. Conclusiones
14. Abreviaturas
15. Bibliografía
1. Introducción
La paradoja de la aerobiosis o la paradoja del oxígeno proviene del hecho
que los organismos aerobios no pueden existir en ausencia del oxígeno y el
oxígeno es inherentemente tóxico para su existencia. Animales, plantas y
muchos microorganismos cuentan con el oxígeno para una eficiente
producción de equivalentes energéticos en forma de ATP. La atmósfera de
nuestro planeta fue anaerobia hasta el advenimiento del oxígeno, hace 2.500
millones de años, como resultado de la rotura del agua en el proceso
fotosintético de unas algas microscópicas cianofíceas. A partir de aquí y con
el advenimiento de la fotosíntesis oxidativa, la acumulación progresiva del
oxígeno hizo cambiar el ambiente de la atmósfera, desde predominantemente
reductor (rico en hidrógeno) o neutro (CO2 y N2), hasta ocupar un 20% del
aire que respiramos. Como el oxígeno es potencialmente tóxico su
incremento en la atmósfera hizo que los organismos que habían vivido bajo
39
Capítulo 2
condiciones anaerobias se encontraran sometidos a una presión de selección
que incrementó la tasa de mutaciones y aceleró la evolución. El uso del
oxígeno presentaba una serie de ventajas, mayor energía útil derivada de los
alimentos para realizar nuevas transformaciones metabólicas, para
destoxificar numerosos compuestos e incluso para generar luz y calor. Todas
estas ventajas tenían una contrapartida, tener que proporcionarse sistemas de
defensa frente a la considerable toxicidad de este gas paramagnético.
Aquellos organismos que consiguieron desarrollar las requeridas defensas
pudieron sacar provecho de los beneficios y ello dio lugar a una enorme
variedad de formas de vida aerobia tan evidentes hoy sobre la Tierra. Sin
embargo, los que no pudieron acomodarse a la toxicidad del oxígeno
evolucionaron como anaerobios microscópicos y quedaron restringidos a
nichos anaeróbicos.
El lado perjudicial del oxígeno se relaciona directamente con el hecho
de que cada átomo de oxígeno posee un electrón desapareado en su orbital
externo y la molécula de oxígeno posee dos electrones desapareados en
distintos orbitales, de manera que el átomo de oxígeno es un radical libre y la
molécula de oxígeno un biradical libre. La reducción tetravalente concertada
del oxígeno por la cadena de transporte electrónica mitocondrial para
producir agua se considera un proceso relativamente seguro. Sin embargo, la
reducción univalente del oxígeno genera intermediarios reactivos. El
ambiente reducido del medio intracelular proporciona amplias oportunidades
para que el oxígeno sufra la reducción univalente. El anión superóxido, el
peróxido de hidrógeno y el radical hidroxilo son subproductos comunes de la
vida en ambiente aerobio y son los responsables de la toxicidad del oxígeno.
Para superar el ambiente poco favorable, los seres vivos aerobios han
desarrollado una serie de sistemas defensa enzimáticos y una variedad de
compuestos antioxidantes hidro y liposolubles, cuya misión es interceptar e
inactivar las ROS que inevitablemente se generan en la reducción del
oxígeno por la mitocondria. La célula posee, la capacidad de sintetizar una
batería de enzimas reparadores/eliminadores de las lesiones oxidativas en
proteínas, lípidos y DNA. Además, como la intensidad del estrés oxidativo
puede variar de un momento a otro, los organismos han adquirido la
capacidad de adaptarse a tal estrés fluctuante induciendo la síntesis de
enzimas antioxidantes y de enzimas reparadores que eliminan la lesión. En
condiciones perfectas los problemas de la aerobiosis terminarían aquí, pero
desgraciadamente, la biología no es tan precisa. La realidad parece ser que, a
pesar que la célula posee valiosos mecanismos antioxidantes y reparadores
40
Capítulo 2
que suponen una defensa eficiente frente a la agresión oxidativa, en
determinadas ocasiones no son suficientes y el daño oxidativo permanece
como un resultado imposible de evitar de la existencia aerobia. El estrés
oxidativo se encuentra involucrado en una amplia variedad de procesos
degenerativos, enfermedades y síndromes tales como:
•
•
•
•
•
•
•
mutagenesis, transformación celular y cáncer,
aterosclerosis,
infartos
y
lesiones
derivadas
de
la
isquemia/reperfusión,
enfermedades crónicas inflamatorias (artritis reumatoide, lupus
eritematosus, artritis psoriatica),
problemas agudos inflamatorios, cicatrización de heridas,
estrés fotooxidativo ocular (cataratas),
alteraciones del sistema nervioso central (esclerosis lateral
amiotrofica, enfermedad de Parkinson, enfermedad de Alzheimer), y
una amplia variedad de alteraciones relacionadas con la edad,
incluyendo los mismos procesos del envejecimiento.
Alguna de estas enfermedades relacionadas con la oxidación pueden
exacerbarse o incluso iniciarse por efecto de prooxidantes ambientales, entre
los que se incluyen numerosos fármacos y alimentos.
2. La naturaleza radical del oxígeno
El estrés oxidativo es un resultado inevitable de la vida en un medio rico
en oxígeno. Para los organismos aerobios el oxígeno es vital para la
existencia e inherentemente lesivo. La paradoja del oxígeno deriva de su
misma naturaleza química. La naturaleza de radical le permite reacciones
químicas de oxidación/reducción muy interesantes. El oxígeno en su
transformación para generar agua, sufre cuatro sucesivas reducciones
univalentes con un electrón, catalizadas por la citocromo oxidasa de la
cadena de transporte electrónico mitocondrial. En esta vía se generan
intermediarios reactivos. El primero, resultante de la reducción con un
electrón del oxígeno molecular, es el radical anión superóxido (O2.-). La
adición de un segundo electrón y dos protones genera la especie activa
peróxido de hidrógeno (H2O2). Un tercer electrón produce el radical
hidroxilo que posee una elevada reactividad. El cuarto electrón genera una
molécula de agua (Figura 1).
41
Capítulo 2
Es interesante destacar que el O2 y el O2.- son radicales de oxígeno (O2
es un biradical y O2.- es un monoradical), mientras que el H2O2, a pesar de ser
una especie reactiva, no es un radical ya que todos los electrones de su orbital
externo se encuentran apareados. El radical hidroxilo (·OH) es una verdadera
especie radical. La generación del radical superóxido ocurre frecuentemente
por transferencia del hidrógeno de un reductor, vía la formación de una
especie hidroxioxil (HO2.-). El hidroxioxil es una molécula protonada que se
disocia rápidamente a pH fisiológico dando lugar a anión superóxido y un
proton. Como el radical hidroxioxil posee un pKa de 4.8 es posible que se
consigan concentraciones limitadas de este radical en el medio acido local de
la superficie externa de la membrana mitocondrial interna, donde la bomba
de protones genera un pH ácido y dentro de los fagolisosomas de los
neutrófilos, macrófagos y monocitos.
Las especies de oxígeno actúan como oxidantes biológicos, pero el O2.es un reductor suave, aunque la simple adición de un protón lo convierte en
un agente oxidante activo (HO2·). El potencial redox del ·OH a unos 1,77 V,
sin embargo, marca claramente a este radical como una especie muy
oxidante. El oxígeno singlete (1O2) no se genera por reacciones redox, sino
por absorción de energía electromagnética, la cual invierte transitoriamente
el giro de uno de los dos electrones desapareados del oxígeno, de modo que
los giros de los dos electrones desapareados muestran una orientación
antiparalela. El oxígeno molecular (O2), estado basal o triplete, es incapaz de
aceptar dos electrones directamente, reducción bivalente, porque la adición
de un par de electrones antiparalelos se encuentra restringida por los giros
paralelos del estado basal. El oxígeno singlete, sin embargo, con sus giros
electrónicos antiparalelos no tiene tales restricciones en su reactividad y es
muy buen oxidante bivalente frente a muchas biomoléculas. La absorción de
grandes cantidades de energía electromagnética por el oxígeno molecular
para generar oxígeno singlete se encuentra restringida a acontecimientos
fotoquímicos. El interés en el oxígeno singlete se relaciona principalmente
con la biología vegetal y reacciones oxidativas en tejidos expuestos al medio
ambiente, como la piel y el ojo. El oxígeno singlete es muy inestable, con
una vida media de 2 - 7 μsegundos, se convierte en oxígeno molecular basal
en estado triplete, emitiendo luz en su descomposición.
42
Capítulo 2
3. Toxicidad del oxígeno
La mayor parte del oxígeno que respiramos sufre una reducción
tetravalente concertada para producir agua en una reacción catalizada por la
citocromo oxidasa (citocromo c:oxígeno oxidoreductasa) del complejo IV de
la cadena de transporte electrónico mitocondrial. La citocromo oxidasa es el
aceptor de electrones terminal en la cadena y debe ceder sus equivalentes
reductores al oxígeno para poder continuar el transporte electrónico. Si se
detuviese el flujo de electrones a través de la cadena respiratoria, se disiparía
la fuerza motora de protones y la síntesis del ATP no podría continuar. Por
tanto, el papel principal del oxígeno en todos los organismos aerobios es
actuar simplemente como un vertedero para los electrones.
Aunque la cadena de transporte electrónico mitocondrial es un sistema
muy eficiente, la naturaleza de la alternancia de las reacciones de
oxidación/reducción monovalentes que cataliza (generando una constante y
alternativa serie de radicales enjaulados) predispone a cada transportador de
electrones a reacciones laterales con el oxígeno molecular.
El elemento oxígeno, que existe en el aire que respiramos en forma
molecular O2, fue descubierto, aislado y caracterizado independientemente
por Priestley y Scheele en 1774 y poco tiempo después Lavoisier describió
que la inhalación del oxígeno podía presentar efectos tóxicos. Aunque se
conoce desde hace décadas que la terapia del oxígeno puede resultar
beneficiosa en muchas situaciones patológicas, los tratamientos prolongados
pueden suponer un riesgo de toxicidad. Binger et al (1927) reconocieron que
los estudios clásicos de Bert en 1878 fueron el primer documento que
demostró que el oxígeno a elevadas concentración era un veneno potente,
que conducía a convulsiones y a la muerte de gorriones y animales de
laboratorio. En 1899 Lorrain Smith describió que elevadas tensiones de
oxígeno producían congestiones pulmonares severas en ratones, ratas y
cobayas. Toda esta información ha sido ignorada a pesar de los numerosos
estudios sobre la toxicidad del oxígeno que han circulado entre 1899 y 1945.
La aceptación final de la toxicidad del oxígeno no llegó hasta 1967 cuando
Nash et al., relacionaron la concentración y duración del oxígeno inhalado
con la patología del pulmón. Ya en 1954 Gersman et al emitieron la hipótesis
que el envenenamiento por oxígeno y la irradiación X tenían una base de
acción común, que era a través de la formación de radicales libres de
oxígeno.
43
Capítulo 2
El oxígeno molecular apareció en la superficie de la Tierra hace 2,5 x
109 años y según evidencias geológicas parece ser que su aparición fue
debida a la actividad fotosintética de algas microscópicas. La lenta y
progresiva elevación en la concentración del oxígeno atmosférico se
acompañó por la formación de la capa de ozono en la estratosfera. Ambos
oxígeno y ozono actuaron como filtros protectores frente a la intensa luz
ultravioleta que llegaba a la Tierra procedente del Sol. En el Universo son el
hidrógeno y el helio los elementos predominantes, siendo la Tierra un centro
de oxidación en un medio reducido.
El oxígeno forma parte del aire en un 20%, siendo el segundo elemento
más abundante después del nitrógeno (79%). Cuando la atmósfera terrestre
cambió de su estado inicial reducido al estado oxidado de hoy, la forma de
vida anaerobia cesó o quedó confinada a lugares donde no hay oxígeno. La
transición de la vida anaerobia a la aerobia necesitó desarrollar mecanismos
de defensa antioxidantes especializados para protegerse de las propiedades
tóxicas del oxígeno.
La vida aerobia utiliza el oxígeno para oxidar (quemar) sustratos ricos en
carbono e hidrógeno (alimentos), con el objeto de obtener energía química y
calor, esenciales para la vida. El oxígeno es un poderoso agente oxidante por
su elevada capacidad para aceptar electrones (e-). En el interior de los átomos
y moléculas, los electrones ocupan regiones conocidas como orbitales que
son capaces de contener dos electrones, uno que gira en el sentido de las
agujas del reloj y el otro que lo hace en sentido opuesto. Cuando un orbital
contiene sólo un electrón se dice que éste se encuentra desapareado. Una
especie atómica o molecular que posea un electrón desapareado se considera
que es un radical libre. El propio oxígeno molecular (O2) es un biradical
porque posee dos electrones desapareados cada uno en un orbital diferente
que giran en la misma dirección.
Las fuentes más importantes del anión superóxido in vivo son:
1. la cadena de transporte electrónico mitocondrial,
2. las monooxigenasas de función mixta del retículo endoplasmico y
3. los cloroplastos.
En la mitocondria se genera anión superóxido, vía el complejo NADHubiquinona reductasa; en retículo endoplásmico a través de las
monooxigenasas dependientes del citocromo P-450 (esta reacción se basa en
44
Capítulo 2
la rotura de la molécula de oxígeno introduciendo un átomo de este elemento
en el sustrato, en forma de grupo OH y la reducción de la otra mitad a agua).
Los cloroplastos de plantas superiores también producen superóxido. El
aceptor de electrones del fotosistema I puede transferir electrones
directamente al oxígeno, o a través de la ferredoxina, la xantina oxidasa,
NADPH oxidasa, lipooxigenasa, ciclooxigenasa, peroxidasas y hemoglobina.
4. Efectos lesivos del estrés oxidativo sobre las células
Fue en 1954 cuando Rebeca Gersman y sus colaboradores, describieron
por primera vez, que los efectos tóxicos del oxígeno se debían a la formación
de radicales libres de oxígeno. Posteriormente, la propuesta de McCord y
Fridovich en 1969, acerca de que la formación de los radicales de oxígeno
era una parte integral del metabolismo normal de la célula, no fue tomada
muy en serio. Ya no existe duda de la participación de las especies reactivas
del oxígeno (ROS = reactive oxygen species) en numerosos procesos
fisiológicos y patológicos.
La rotación de cargas eléctricas genera campos magnéticos. El
apareamiento de electrones con giros opuestos neutraliza este efecto. La
mayoría de sustancias no se encuentran influenciadas por campos magnéticos
porque los electrones que poseen se encuentran en parejas de giro opuesto.
Tales sustancias son diamagnéticas. Esto no ocurre con el oxígeno, que es
paramagnético, lo que implica que posee giros electrónicos desapareados
que tienen el mismo sentido de rotación. Esta estructura electrónica
constituye una barrera para la inserción de una pareja de electrones
(Fridovich 1998).
Un radical libre es una especie química con un electrón desapareado en
el orbital externo. Como los orbitales se encuentran normalmente con una
pareja de electrones, una definición alternativa y similar es que un radical
libre es una especie química con un número impar de electrones. La especie
química puede ser un átomo, como el hidrógeno o el cloro, un metal de
transición o una molécula, en cuyo caso el electrón desapareado se localiza
en un orbital molecular. El electrón desapareado en el orbital externo
confiere a la molécula una reactividad relativamente elevada, debido a la
fuerte tendencia a adquirir un segundo electrón en el orbital. Sin embargo,
los metales de transición con un número impar de electrones y los radicales
libres de moléculas orgánicas grandes, son relativamente poco reactivos y
estables.
45
Capítulo 2
Las reacciones originadas por los radicales libres en sus reacciones en
cadena, pueden ser de iniciación, propagación o terminación. En las
reacciones de iniciación, un radical se forma a partir de una especie química
estable no radical: AB + C Æ Α· + B + C
En la propagación, un radical libre reacciona con una molécula estable:
A· + CD ==> AC + D·
En la terminación dos radicales libres comparten sus electrones
desapareados y originan un producto estable: A· + B· −−> AB
La reactividad química de los radicales libres se determina por la
molécula que posee el electrón desapareado, por consiguiente, la reactividad
varía enormemente entre los diferentes radicales libres. Una manera de
expresar y comparar la reactividad química es evaluando la vida media (t1/2)
de las especies químicas.
Tabla 1.- Vida media de radicales libres en sistemas biológicos (Boveris,
1998)
Radical libre
t1/2 segundos
10-9
10-6
10-1
1 - 10
10-2
días
días
Radical hidroxilo (·OH)
Radical alcoxilo (RO·)
Radical peroxilo (ROO·)
Óxido nítrico (NO·)
Ubisemiquinona (UQH·)
Melaninas (Complejo)
Semiquinonas (Complejo)
Una vida media corta la poseen los radicales libres de elevada
reactividad, lo que indica que los radicales ·OH son los más reactivos. La
formación de ·OH implica reacción con cualquier molécula orgánica cercana.
Otras especies reactivas producidas en condiciones normales no son radicales
libres, pero poseen elevada reactividad, como es el oxígeno singlete (1O2),
estado de oxígeno excitado electrónicamente, con una vida media de 5 x 10-6
segundos, y el poderoso oxidante peroxinitrito (ONOO-) con vida media de
0,05 - 1 segundos.
46
Capítulo 2
Especies reactivas de oxígeno
El átomo de oxígeno (1s2, 2s2, 2px2, 2py, 2pz), es muy reactivo y
reacciona consigo mismo para formar el oxígeno molecular. Sin embargo, en
vez de formar un par de σ-π ligandos orbitales con los 2py y 2pz formando
uniones y-y y z-z, la configuración de menor energía es una en la cual existe
un ángulo recto de rotación y formación de un z-y σ; dos enlaces de tres
electrones se forman entre un par de electrones de un átomo de oxígeno y un
sólo electrón del otro átomo de oxígeno. Este enlace químico tan particular
fue descrito por Linus Pauling como dos enlaces de tres electrones para
explicar la configuración electrónica de la molécula de oxígeno. O ::: O.
A pesar de su naturaleza biradical, la molécula de oxígeno es, desde el
punto de vista químico, bastante estable y se ha descrito como radical
perezoso. La mayoría de las biomoléculas, proteínas, azúcares, DNA y
algunos lípidos, son estables por largos períodos de tiempo en nuestra
atmósfera. Sin embargo el oxígeno es bastante reactivo para combinarse con
los átomos de hierro de la hemoglobina y la citocromo oxidasa (constantes de
reacción de segundo orden 107-108 M-1 s-1), para proporcionar las bases
químicas para el transporte y respiración del oxígeno.
La molécula de oxígeno con su carácter de biradical puede ser reducido
por transferencias sucesivas de cuatro electrones y este proceso se denomina
la reducción univalente del oxígeno. Dos de los intermediarios O2.- y ·OH son
radicales libres. El O2.- se disocia a pH fisiológico y se carga como un anión.
El radical anión superóxido es bastante poco reactivo y en medios biológicos
se comporta como un reductor débil, reduciendo el hierro de la ferritina, del
citocromo c y de la citocromo oxidasa. Además, como anión, su
permeabilidad para atravesar membranas es muy reducida excepto en los
eritrocitos que poseen un sistema especial de transporte del O2.-. El radical
hidroxilo es una de las especies químicas activas más reactivas y sustrae
hidrógeno de otras moléculas a velocidades cercanas a las controladas por
difusión. El peróxido de hidrógeno no es un radical y es químicamente
estable, pero en sistemas biológicos puede romperse homolíticamente por
acción de metales de transición tales como el Fe+2 y Cu+, para liberar ·OH.
Finalmente el cuarto producto de la reducción del oxígeno es el agua (Figura
1).
47
Capítulo 2
Figura 1. Distribución de electrones en el oxígeno molecular y los productos de su
reducción univalente.
Otros orgánulos subcelulares, además de la mitocondria, son capaces de
reducir parcialmente el O2 a O2.- y H2O2. La producción primaria de O2.- y
H2O2 y la producción secundaria de ·OH constituye el mecanismo molecular
de la toxicidad del oxígeno.
La mitocondria produce en primer lugar O2.- que posteriormente sufre la
dismutación, por acción de la superóxido dismutasa dependiente de
manganeso (Mn-SOD), localizada principalmente en la matriz mitocondrial.
El retículo endoplásmico, por autooxidación de la flavoproteína
NADPH citocromo P450 reductasa y el citocromo P-450, produce O2.- y
H2O2.
Los peroxisomas generan H2O2 por transferencia de dos electrones desde
las flavin oxidasas al oxígeno. Otros enzimas presentes en el citosol como la
xantina oxidasa producen también O2.- y H2O2. Las mitocondrias, presentes
en todas las células aerobias, son la fuente biológica más importante del
anión superóxido. En hepatocitos, por ejemplo, su bien desarrollado retículo
endoplásmico, supone una fuente importante de anión superóxido. Otros
corpúsculos subcelulares son fuentes relevantes de O2.- en algún tipo de
células.
La forma semiquinona de dos componentes de la cadena respiratoria
mitocondrial, la ubisemiquinona y la flavin semiquinona de la NADHdeshidrogenasa, producen O2.- por autooxidación en una reacción vectorial
dirigida a la matriz microsómica. El anión superóxido no puede pasar a
través de la membrana mitocondrial interna y se encuentra confinado en la
matriz donde la Mn-SOD y el NO· son los agentes que reaccionan con este
anión dando lugar a peróxido de hidrógeno y peroxinitrito como productos
finales, respectívamente, en dos reacciones muy rápidas controladas por
48
Capítulo 2
difusión. La producción mitocondrial de O2.- se cifra, en condiciones
normales, en un 2% del oxígeno total incorporado por la mitocondria en
hígado y corazón perfundidos de rata.
El radical libre de nitrógeno
La molécula de nitrógeno se encuentra presenta en la atmósfera que
respiramos en un 79% y está formada por dos átomos de nitrógeno que como
átomo libre posee tres electrones desapareados (1s2, 2s2, 2px, 2py y 2pz), que
forman tres enlaces covalentes completos (σ y 2π), en la estable e inerte
molécula de N2. Cuando un átomo de N con sus tres electrones desapareados,
se combina con un átomo de oxígeno con sus dos electrones desapareados, la
molécula resultante, NO, posee un número impar de electrones. Se forma un
doble enlace completo N=O y el electrón desapareado y deslocalizado es el
que le da el carácter de radical libre al NO·. El NO· es un radical por poseer
un electrón desapareado, pero su carácter de radical libre es restringido,
porque no se le conoce ninguna reacción de propagación en sistemas
condensados. Sin embargo, el NO· reacciona fácilmente con el O2.- para
formar peroxinitrito en una reacción clásica de terminación.
Reacción de Fenton-Haber-Weis
La producción primaria de O2.- y H2O2 es capaz de iniciar y sostener una
reacción en cadena en condiciones fisiológicas que abarca las reacciones de
lipoperoxidación. Las especies O2.- y H2O2 son los reactivos responsables de
los procesos de iniciación de las reacciones siguientes:
O2.- + Fe3+ Æ O2 + Fe2+
H2O2 + Fe2+ Æ ·OH + Fe3+ + HOEstas reacciones generan el radical hidroxilo (·OH), y se denominan de
Fenton-Haber Weiss quienes describieron originalmente la descomposición
del peróxido de hidrógeno por sales de hierro. Además, la acción protectora
de la SOD y la catalasa se comprende que mantenga baja la tasa de
generación del ·OH. El efecto antioxidante de SOD y catalasa se ha
reconocido como el dogma Fridovich. El ·OH es capaz de empezar las
reacciones de propagación con ácidos grasos no saturados (RH) para generar
hidroperóxidos estables, según las reacciones:
·OH + RH Æ R· + H2O
R· + O2 Æ ROO·
ROO· + RHÆ R· + ROOH
49
Capítulo 2
Los radicales peroxilos (ROO·) son capaces de sufrir reacciones de
terminación con la formación de productos excitados electrónicamente, como
el oxígeno singlete (1O2), aldehidos (ROH) y cetonas (RO), con grupos
carbonilo excitados (= C*):
ROO· + ROO· Æ RHO + RO + 1O2
ROO· + ROO· Æ CO* + RO+ O2
Estas reacciones y la siguiente:
1
O2 + 1O2 Æ 2O2 + hν
proporcionan, a través de quimioluminiscencia, las bases químicas y
moleculares de un ensayo para determinar la tasa de reacción de
lipoperoxidación por radicales libres en condiciones fisiológicas.
Reacciones del radical libre de nitrógeno
El reconocimiento de la producción de óxido nítrico, por la óxido nítrico
sintasa (cNOS) del endotelio, como factor relajante del endotelio (ERF) y de
la reacción del anión superóxido con el óxido nítrico, abrió un nuevo campo
en la bioquímica de los radicales libres. El descubrimiento de la producción
de NO· por la NOS mitocondrial (mNOS) localizada en la membrana interna
de la mitocondrial, supuso una revolución en términos, tanto de la regulación
de la incorporación de oxígeno por los tejidos, como de la toxicidad de los
radicales libres. El NO está producido por una serie de NOS, la constitutiva
(cNOS), la inducible (iNOS) y la mitocondrial (mtNOS), que comparten la
propiedad común de utilizar arginina y NADPH como sustratos, según la
reacción: arginina + NADPH Æ citrulina + NADP+ + NO·
La reacción entre el anión superóxido y el óxido nítrico se comprende
fácilmente si se considera que una colisión entre dos moléculas con
electrones desapareados y deslocalizados, que dan lugar a la formación de
enlace, tiene que ser mucho más rápida que una colisión molecular.
NO· + O2.- Æ ONOOEl ONOO- es además capaz de sustraer átomos de hidrógeno de los
ácidos grasos insaturados y de generar ·OH, e iniciar las reacciones de
propagación de la peroxidación lipídica:
ONOO- + RH + H+ Æ NO2 + H2O + R·
50
Capítulo 2
5. Radicales de oxígeno como segundos mensajeros
Todas las células aerobias producen constitutivemente radicales de
oxígeno y pequeñas cantidades de estos radicales se liberan por varios tipos
celulares cuando son estimuladas por el factor de necrosis tumoral (TNF), la
interleuquina 1 (IL-1) y los ésteres del forbol. Todos ellos activan una forma
citoplasmática del factor de transcripción NFκB que resulta al eliminar una
subunidad proteica inhibidora. Esta activación se inhibe por agentes que
eliminan radicales de oxígeno y puede recuperarse mediante exposición a un
débil estrés oxidativo.
Cada tipo celular genera especies reactivas de oxígeno de forma
constitutiva, que en determinados casos pueden producirse en cantidad
suficiente como para llegar a ser tóxicas. Algunas células sanguíneas, por
ejemplo, son forzadas a sintetizar radicales de oxígeno durante la inflamación
aguda y crónica. Pacientes que sufren artritis reumatoide producen elevadas
cantidades de ROS en sus articulaciones y estos radicales son la causa directa
de los síntomas de esta enfermedad crónica, porque los agentes que inhiben
su producción son fármacos antiinflamatorios potentes.
En estudios sobre los efectos de los radicales de oxígeno en cultivos
celulares, se ha observado que una célula puede sufrir la agresión oxidativa
débil o citotóxica dependiendo de la dosis de ROS que se generan. En el caso
citotóxico se observa alteración de las proteínas, proteolisis, fragmentación
del DNA y lipoperoxidación, que conducen a la lisis celular. Los diversos
tipos de ROS pueden reaccionar entre ellos en presencia de metales, cobre o
hierro y también dar lugar a productos reactivos secundarios como peróxidos
lipídicos e hipoclorito. A lo largo de la evolución han surgido sistemas
enzimáticos ubicuos, especializados en la eliminación de estos intermediarios
entre los cuales se incluyen las superóxido dismutasas, la catalasa y la
glutation peroxidasa.
Las ROS no son sólo producidas como agentes citotóxicos por células
especializadas en condiciones patológicas, sino tambien se generan en cada
tipo celular como subproductos de las reacciones de transferencia
electrónica. La mitocondria es la fuente principal de formación del radical
superóxido, radical poco reactivo que se difunde rápidamente por la célula
hasta que encuentra una reacción apropiada. Este radical se origina por
transferencia de un electrón al oxígeno molecular. Para la eliminación rápida
51
Capítulo 2
del superóxido la mitocondria contiene su propia superóxido dismutasa,
sistema enzimático inducible, dependiente de manganeso.
El H2O2 no es un radical de oxígeno, pero puede servir como precursor
de ellos. Se produce intracelularmente por los peroxisomas y la mitocondria
y puede difundirse en el interior de las células desde el espacio extracelular a
partir de células especializadas que lo producen en grandes cantidades
durante la inflamación. Las ROS intracelulares proceden, por tanto, de una
producción intracelular incrementada del H2O2 extracelular o por inhibición
de los enzimas que los eliminan.
Los granulocitos y los macrófagos poseen un sistema enzimático de
membrana denominado NADPH oxidasa que puede producir el radical
superóxido a partir del NADPH y oxígeno en respuesta a un estímulo
apropiado. La inducción de este enzima se controla por la proteina quinasa
(PKC), enzima que se activa por los ésteres del forbol dando lugar a la
formación de ROS. Existen pruebas evidentes que demuestran que el éster
del forbol PMA (phorbol 12-miristato 13-acetato) requiere la producción de
ROS, ya que el efecto promotor del PMA depende de estado prooxidante de
las células.
La citoquina inmunomoduladora TNF (tumor necrosis factor) puede
inducir la síntesis de otras citoquinas en linfocitos T y en macrófagos
activando los respectivos genes. Sin embargo, es citotóxico sobre otras líneas
celulares no linfoides. Esta citotoxicidad depende, al menos en parte, de las
ROS porque la superexpresión de la SOD (superóxido dismutasa) y la
disminución de la presión parcial de oxígeno protegen a estas células de los
efectos citotóxicos del TNF.
La unión de las citoquinas IL1 y TNF a sus respectivos receptores en la
superficie celular, así como la del éster de forbol PMA y peróxidos
extracelulares, promueve la elevación en la concentración intracelular de
especies reactivas de oxígeno. Las ROS intracelulares actúan como segundos
mensajeros en la cascada iniciada por ligandos extracelulares. Además existe
una reacción intracelular de transducción de señales provocada
específicamente por los radicales de oxígeno. La forma citoplasmática del
factor de transcripción inducible, el NFκB es un objetivo fisiológico
importante para los ROS (Figura 3).
52
Capítulo 2
Figura 3. Especies activas de oxígeno como segundos mensajeros. La unión de las
citoquinas IL1 y TNF a sus respectivos receptores en la superficie celular, así como la del
ester de forbol PMA y peróxidos extracelulares, promueve la elevación en la concentración
intracelular de especies reactivas de oxígeno. Las ROS intracelulares actúan como segundos
mensajeros en la cascada iniciada por ligandos extracelulares. Además existe una reacción
intracelular de transducción de señales provocada específicamente por los radicales de
oxígeno. La forma citoplasmática del factor de transcripción inducible, el NFκB es un
objetivo fisiológico importante para los ROS. La acción de antioxidantes tales como NAC (Nacetil cisteína), impide que se realice la cascada señalizadora que llega al núcleo y promueve
la expresión de genes.
La respuesta intracelular, como consecuencia de la reacción de las ROS
con las macromoléculas celulares, lípidos, proteínas y DNA, induce la
expresión de genes de respuesta al estrés oxidativo (sistemas antioxidantes,
reparadores, proteasas y antiproteasas, proto-oncogenes, etc. Esto conlleva a
la situación de adaptación al estrés oxidativo y al mantenimiento de la
función celular normal. En caso de no adaptación, la célula puede sufrir una
proliferación aberrante, que conduce al cáncer o la muerte por apoptopsis o
necrosis (Figura 4).
53
Capítulo 2
Figura 4. Respuesta celular a las especies reactivas de oxígeno (ROS) y decisiones
biológicas). La respuesta intracelular, como consecuencia de la reacción de las ROS con las
macromoléculas celulares, lípidos, proteínas y DNA, induce la expresión de genes de
respuesta al estrés oxidativo (sistemas antioxidantes, reparadores, proteasas y antiproteasas,
proto-oncogenes, etc.). Esto conlleva a la situación de adaptación al estrés oxidativo y al
mantenimiento de la función celular normal. En caso de no adaptación, la célula puede sufrir
una proliferación aberrante, que conduce al cáncer o la muerte por apoptopsis o necrosi.
6. Especies reactivas de oxígeno y cáncer
Como se ha comentado anteriormente, las ROS de varios tipos se forman
in vivo y muchas de ellas, los agentes oxidantes más potentes, son capaces
de dañar al DNA y otras macromoléculas celulares. La mayor formación de
ROS puede promover el desarrollo de enfermedades malignas y la tasa
“normal” de generación de ROS explica el incremento del riesgo de cáncer
en edades avanzadas. En efecto, en animales knockout en varios enzimas de
la defensa antioxidante, se eleva el daño oxidativo y se promueve el
desarrollo del cáncer. Para explicar esto, la mayor atención se ha dado al
daño oxidativo al DNA por ciertas ROS, tales como el radical hidroxilo
(OH·). No obstante, el incremento en los productos de oxidación de bases del
DNA, tal como la 8-hidroxi-2-desoxiguanosina (8-OHdg), no siempre
conduce a la malignidad, aunque los tumores malignos a menudo muestran
54
Capítulo 2
elevados niveles de oxidación de las bases. Por tanto, acciones adicionales de
las ROS son importantes, posiblemente sus efectos sobre la proteína p53, la
proliferación celular, la invasión y la metástasis. La inflamación crónica
predispone al desarrollo tumoral, pero el papel de las ROS es complejo
porque las ROS actúan a veces como agentes antiinflamatorios.
Aunque son muchas las moléculas afectadas por las ROS, destacan por
su disponibilidad, concentración y localización, los fosfolípidos, las proteínas
y los ácidos nucleicos. Los fosfolípidos de las membranas celulares son
esenciales para el mantenimiento de la viabilidad celular. Las proteínas son
las ejecutoras de un sinfín de funciones celulares, entre ellas, la regulación de
la expresión génica. Los ácidos nucleícos son los portadores de todas estas
funciones. Alteraciones colectivas o individuales en cualquiera de estas
macromoléculas han de inducir trastornos importantes en la función y
supervivencia de las células. A pesar de la presencia de eficaces sistemas
antioxidantes y reparadores, una parte de las agresiones oxidativas consigue
escapar de la acción de estos sistemas y se van acumulando y ocasionando
alteraciones de importancia clínica diversa.
A lo largo de la evolución el DNA se convirtió en la molécula encargada
de almacenar la información genética. El DNA es más estable que el RNA
porque carece del hidroxilo en posición 2´ de la desoxiribosa. Además su
estructura de doble hélice le confiere fiabilidad en la replicación y en la
reparación, ambas aseguradas por la otra cadena que actua como molde. A
estas ventajas hay que añadir una protección adicional que se debe a su
localización nuclear y su empaquetamiento merced a un tipo de proteínas
específicas, las histonas. Sin embargo, la producción excesiva de radicales
libres de oxígeno y de los productos de su oxidación, pueden lesionar de
manera irreversible las moléculas de DNA. Estas lesiones, de no ser
reparadas de inmediato, pueden llegar a dar mutaciones que participan y
desencadenan mecanismos que conducen al fenotipo transformado de las
células. La interacción entre los radicales libres y el genoma representa uno
de los aspectos de mayor importancia fisiopatológica. Estas especies por su
elevada reactividad actúan sobre mecanismos que controlan el ciclo de
división celular a nivel de factores de transcripción y de la expresión genética
interviniendo en la iniciación, la promoción y en la progresión o expansión
de las células tumorales.
Las ROS se encuentran involucradas en la iniciación y promoción de la
carcinogenesis. Estas especies reactivas pueden actuar como iniciadores y
55
Capítulo 2
promotores, causan daño al DNA, activan los procarcinógenos y alteran los
sistemas antioxidantes celulares. A pesar de los multiples mecanismos
antioxidantes, la lesión celular originada por las ROS es ubicua y aquellas
lesiones oxidativas que no causan muerte celular, pueden estimular el
desarrollo del cáncer. Es interesante observar de qué manera influye el estrés
oxidativo en el proceso multiescalonado que conduce a las diferentes fases de
la carcinogénesis. La mutagénesis, ocasionada por la agresión oxidativa al
DNA, se considera un acontecimiento frecuente en la célula humana normal.
Existen numerosas pruebas experimentales que atribuyen papeles
importantes a las ROS en la expansión de clones tumorales y en la
adquisición de propiedades malignas. Por ello actualmente se considera a las
ROS como una clase importante de carcinógenos
Las ROS se generan de manera continuada en la célula normal expuesta
a un medio aerobio. Los sistemas antioxidantes defensivos han evolucionado
a la par que el metabolisno aerobio para contrarrestar la lesión ocasionada
por las ROS. A pesar de la existencia de la defensa antioxidativa, el daño
infligido por las ROS a las proteínas y al DNA se va acumulando
paulatinamente a lo largo de la vida y ello puede conducir a enfermedades
degenerativas dependientes de la edad como son la aterosclerosis, la artritis,
la enfermedad de Alzheimer, el cáncer, etc. Un gran número de factores de
riesgo carcinogénico, endógenos y exógenos, generan ROS in vivo. Por tanto,
existe la esperanza que la mayor incidencia de cáncer en la población
senescente pueda ser revertida si se eliminan esos factores de riesgo
generadores de ROS y si se incrementan las defensas antioxidantes.
El desarrollo del cáncer se reconoce ya como un proceso evolutivo, que
requiere la acción acumulativa de acontecimientos múltiples en un clon
celular y que pueden incluirse en un modelo simple de tres etapas:
1. inducción de una mutación en el DNA en una célula somática
(iniciación),
2. estimulación de la expansión tumorigénica del clon celular
(promoción) y
3. la conversión maligna del tumor en cáncer (progresión).
Los radicales reactivos responsables de causar daño tisular son
generalmente especies de vida muy corta que se generan in situ. Los
radicales libres se producen en el metabolismo celular normal o patológico, a
partir de los xenobióticos o a través de las radiaciones ionizantes. Una
56
Capítulo 2
característica importante de las reacciones con radicales libres es que
originan nuevos radicales, lo cual conlleva a reacciones en cadena. Los
aceptores de electrones, tales como el oxígeno molecular, reaccionan
fácilmente con radicales libres y se convierte ellos mismos en radicales, las
ROS. Esto explica el por qué, en el mundo aerobio, donde el oxígeno
molecular se encuentra en todas partes, las ROS sean los mediadores
primarios de las reacciones celulares con radicales libres.
La incorporación de un electrón al oxígeno molecular produce el anión
superóxido. Este anión superóxido actúa in vivo, tanto como agente reductor
(con el Fe3+) como como oxidante (en la oxidación de grupos tioles). Aunque
el O2.- posee relativamente poca actividad y toxicidad, puede funcionar como
un segundo mensajero en la célula. Sin embargo, una parte de los efectos
biológicos del O2.- se derivan de productos secundarios. La dismutación del
O2.- origina peróxido de hidrógeno, mediante una reacción espontánea o
catalizada por la superóxido dismutasa. La elevada reactividad del peróxido
de hidrógeno in vivo se explica por la reacción de Fenton, donde el H2O2
reacciona con iones metálicos parcialmente reducidos tales como Fe2+ y Cu+,
para formar el radical hidroxilo ·OH. Esta reacción puede mantenerse in vitro
por la presencia de agentes reductores débiles como el O2.- o el ácido
ascórbico, que reciclan los iones metálicos oxidados.
El ·OH tiene capacidad para infligir directamente lesión en el DNA. El
·OH se considera como el radical más importante respecto a su influencia en
ocasionar lesión celular, aunque parece que existen otros intermediarios
implicados en reacciones que se atribuyen al ·OH.
Además de los subproductos de la reducción del oxígeno molecular,
muchos otros radicales juegan un importante papel propagando los efectos de
las ROS in vivo. Las reacciones de las ROS con macromoléculas celulares da
lugar a radicales orgánicos que propagan la lesión oxidativa. Así, la
peroxidación de los lípidos de membrana se verifica mediante una reacción
en cadena que puede explicar muchos de los efectos de las ROS sobre dichas
membranas.
Está también ampliamente demostrado el papel del óxido nítrico, NO·, en
las reacciones redox celulares. El NO· puede reaccionar con el O2.- para
formar el anión peroxinitrito (ONOO-) y el radical hidroxilo (·OH). Sin
embargo, el NO· puede también actuar como un antioxidante rompiendo las
reacciones en cadena de la peroxidación lipídica. Las ROS no radicales
57
Capítulo 2
incluyen el H2O2, el HOCl, el O3 y el oxígeno singlete 1O2. El efecto
carcinogénico de estos oxidantes debe ser atribuído a su elevada reactividad
la cual origina radicales libres in vivo.
Como ya se comentó anteriormente, en la vida aerobia las ROS se
forman en el metabolismo celular normal a partir del oxígeno molecular. A
pesar de la existencia de defensas antioxidantes, estas ROS causan un daño
constante a las moléculas oxidables, las cuales, una vez oxidadas, han de ser
reparadas o reemplazadas en un equilibrio dinámico. El estrés oxidativo
surge, bien de la superproducción de ROS o de la deficiencia de la defensa
antioxidante o de los mecanismos reparadores. Los resultados de una
situación de estrés oxidativo, son una lesión tisular reversible o irreversible.
Ejemplos de estrés oxidativo a corto plazo los tenemos en el síndrome
isquemia/reperfusión, en la inflamación aguda y en la hiperoxia (oxígeno
hiperbárico). Dado el desarrollo a largo plazo del cáncer, estas condiciones,
en contraste con el estrés oxidativo crónico, no se espera que causen cáncer,
a menos que sean la fuente de acontecimientos mutagénicos primarios.
Una causa endógena importante de estrés oxidativo crónico es la
respuesta inflamatoria. Los leucocitos activados generan O2.- y HOCl, lo cual
representa una importante fuente de ROS in situ. Las ROS generadas por los
fagocitos, no sólo median la muerte de las células objetivo, sino que inducen
estrés oxidativo en las células de los tejidos adyacentes. Los neutrófilos
activos estimulan la mutagénesis in vivo y el estrés oxidativo derivado de la
inflamación crónica, favorece el desarrollo del cáncer en muchos órganos. Se
ha especulado que la inflamación crónica es la responsable de la tercera
parte del cáncer que se padece en el mundo. La inducción del cáncer por
inflamación crónica se observa frecuentemente en la colitis ulcerosa. Otros
ejemplos de carcinogénesis relacionada con inflamación son los
mesoteliomas causados por depósitos de asbestos y el cáncer de vejiga
urinaria causado por infecciones con el Schistosoma haematobium. La
inducción del carcinoma hepatocelular por la hepatitis vírica se cita a
menudo como modelo en este aspecto. Además, en hepatitis crónica se ha
encontrado elevada la lesión oxidativa del DNA. Sin embargo, en esta
patología, el estrés oxidativo ha de considerarse como un cofactor de la
carcinogénesis estimulada por la activación de oncogenes mediante la
integración del DNA del virus de la hepatitis y por la necrosis y regeneración
tisular mediada por el virus.
58
Capítulo 2
Ejemplos importantes de causas exógenas de estrés oxidativo en nuestra
sociedad y sus consecuencias carcinogénicas se muestran en la Tabla 1. El
fumar, la causa principal del carcinoma broncogénico, expone el epitelio
bronquial a la acción de las ROS. La situación de estrés oxidativo surge a
partir del tabaco debido a:
1. la potente mezcla de oxidantes reactivos, en particular óxidos de
nitrógeno y radical hidroxilo,
2. la depleción intracelular del glutation y
3. la inducción de inflamación crónica.
La carcinogénesis inducida por las ROS se potencia por la presencia de
varios cocarcinógenos en el humo del tabaco, entre los que se incluyen
nitrosaminas e hidrocarburos aromáticos policíclicos, tales como el
benzopireno. El papel de las ROS en la carcinogénesis inducida por
benzopireno es doble: primero, las ROS estimulan el metabolismo del
benzopireno a diolepóxidos que inician los tumores mediante la formación de
aductos con el DNA, y segundo, el metabolismo del mismo benzopireno
puede generar H2O2 .
Tabla 1.- Principales causas exógenas de estrés oxidativo implicado en la
carcinogénesis
(Dreher y Junod, 1996)
Causa de estrés oxidativo
Radicales de oxígeno
Cáncer asociado con la exposición
Humo del tabaco
Luz ultravioleta
NO·, ·OH
·OH y radicales orgánicos
Carcinoma broncogénico
Melanoma y otros cánceres de piel,
Cáncer colorrectal y mamario
Cáncer colorrectal
Carcinoma hepatocelular y cáncer
mamario
Ácidos grasos en alimentos
Iones hierro y cobre, etanol
Peróxidos lipídicos
·OH
Peróxidos lipídicos
La radiación ultravioleta y las radiaciones ionizantes de elevada energía
(rayos X y radiación γ) estimulan la mutagénesis vía generación de ROS in
situ, tales como radical hidroxilo y radicales libres, que inducen lesión en el
DNA. La implicación de reacciones independientes de las reacciones de
radicales libres puede explicar una serie de lesiones del DNA
59
Capítulo 2
cuantitativamente diferente de la observada en otras formas de estrés
oxidativo. Existen pruebas evidentes que sugieren que las ROS que surgen de
las reacciones de peroxidación lipídica son las responsables de la asociación
entre la ingesta de grasa y el cáncer colorectal. Para los ácidos grasos que se
ingieren con la carne, el hierro (Fe2+) es un cofactor importante que eleva la
producción de ROS en el colon. El cobre (Cu+) es tan efectivo como el hierro
por su efecto catalizador de la reacción de Fenton y su acción como
mutágeno in vitro es más potente que la del hierro. Esto se explica por las
interacciones del cobre con las bases del DNA. La correlación
epidemiológica entre la grasa alimenticia y el cáncer de mama se cree que es
una consecuencia de las productos carcinogénicos derivados de la
peroxidación lipídica. El etanol es otro importante factor de riesgo
carcinogénico a través de los radicales libres generados durante su
metabolismo.
7. Estrés oxidativo e iniciación tumoral
La carcinogénesis es un proceso multiescalonado en el que pueden
distinguirse tres etapas: iniciación, promoción y progresión. La iniciación,
como primer eslabón en la carcinogénesis, requiere una permanente
modificación del material genético de una célula. Se estima que el número
de agresiones oxidativas que recibe el DNA de una célula humana se cifra en
el orden de 10.000/día. La lesión causada al DNA por las ROS está siendo
continuamente eliminada por mecanismos reparadores específicos y no
específicos. A pesar de ello, una pequeña parte de las lesiones oxidativas en
el DNA escapa de la reparación y puede representar un potencial mutagénico
importante que va acumulandose a medida que transcurre la edad. Elevadas
concentraciones de ROS incrementan la posibilidad de que las lesiones al
DNA puedan no ser reparadas con efectividad, por lo que la exposición de
células al estrés oxidativo incrementa la mutagénesis. Sin embargo, cuando
el estrés oxidativo es lo suficientemente intenso como para causar la muerte
celular, será menos efectivo en introducir modificaciones en el DNA en una
población celular. Estos efectos resultarían de una relación dosis-efecto entre
las ROS y la iniciación mediante mutagénesis que es donde los
intermediarios del estrés oxidativo son los más efectivos (Figura 5). Sin
embargo en esta figura hay que anotar que es difícil acotar los límites
respecto a los efectos dependientes de la dosis, ya que una sola especie de
oxígeno puede causar la muerte celular si inactiva una sola copia de un gen
esencial mediante una mutación puntual y que los efectos biológicos de una
determinada intensidad de estrés oxidativo depende de manera crítica de
60
Capítulo 2
otros parámetros como la composición de las ROS implicadas, la presencia
de cocarcinógenos y la posición del ciclo celular en el momento de la
exposición.
Figura 5. Modelo hipotético que establece una relación de dosis-respuesta entre las
ROS, estrés oxidativo y carcinogénesis
.
7.1. Modificación oxidativa en las bases del DNA
La lesión oxidativa del DNA puede ser definida desde el punto de vista
químico o estructural, aunque el daño estructural está siempre causado o
acompañado por lesión química y al contrario, cada modificación química
implica algún cambio estructural en la doble hélice. A pesar de ello hay que
estudiar por separado las modificaciones de las bases y las alteraciones de las
hélices. Las agresiones de las ROS a las bases muestran un tipo de lesiones
características. En varios tejidos cancerosos se ha encontrado un incremento
en las modificaciones específicas debidas a las ROS. La mayoría de estos
cambios pueden reproducirse in vitro con sistemas que generan el radical
hidroxilo ·OH. Por ejemplo, el sistema H2O2-Fe2+ ácido ascórbico o el
sistema hipoxantina-xantina oxidasa, que generan anión superóxido y H2O2,
en presencia de iones hierro, generan el ·OH. Esto no implica que sea el ·OH
el único radical que media los efectos mutagénicos del estrés oxidativo in
vivo.
61
Capítulo 2
El radical ·OH reacciona con los componentes de la molécula del DNA:
el esqueleto de la desoxiribosa y las bases púricas y pirimidínicas. Las
alteraciones químicas del esqueleto de la desoxiribosa pueden originar la
liberación de las bases produciendo sitios abásicos, que son mutagénicos. La
agresión del ·OH sobre la doble cadena del DNA origina la formación de
aductos del radical con las bases púricas o pirimidínicas. Los aductos ·OH de
la adenina o guanina pueden dar lugar a rotura del anillo de las bases, tales
como el 5-formamido-4,6-diamino-pirimidina o a la formación de
hidroxipurinas, como la 8-hidroxiguanina. Ejemplos de productos de la
timina y la citosina son la timina glicol y la 5-hidroxi citosina,
respectívamente (Figura 6).
Figura 6. Modificaciones de las bases del DNA, características de la agresión oxidativa
por las ROS. FDP-Ade = 5-formamido-4,6-diamino-pirimidina; 8-OH-Gua = 8-hidroxiguanina; 5,6-OH-Tim = timina glicol; y 5-OH-cit = 5,6- dihidroxi citosina
Aunque muchas de las modificaciones en las bases del DNA dan como
resultado un bloqueo en la replicación, algunas de estas modificaciones
pueden inducir mutaciones puntuales que se interpretan mal en la
replicación. La más común de las modificaciones oxidativas en el DNA es la
8-OH-guanina, que en una célula normal, aparece en una de cada 100.000
resíduos de guanina. La 8-OH-guanina puede producir trasversiones GC a
TA como resultado de un mal apareamiento entre la 8-OH-guanina y la
adenina. Esta transversión se suele encontrar en el oncogen ras y representa
un posible mecanismo de iniciación tumoral inducida por las ROS. Las
transversiones GC a TA en el gen supresor p53 han sido observadas en
62
Capítulo 2
cáncer de pulmón e hígado, y puede reproducirse vitro con un sistema
generador de ROS. Mediante la activación de oncogenes o la inactivación de
genes supresores de tumores, estas mutaciones puntuales inducidas por ROS
pueden conducir a la iniciación, como primera etapa de la carcinogénesis,
como también participar en la progresión tumoral en una etapa tardía.
7.2. Alteraciones en la hélice del DNA
Las alteraciones en la hélice del DNA incluyen distorsión, rotura de una
cadena, rotura de las dos cadenas, cruzamientos entre cadenas y aberraciones
cromosómicas. La distorsión más importante puede ocurrir cuando aparece
un enlace adicional entre una base y el esqueleto de la desoxiribosa o a partir
de la dimerización de residuos de purina en una misma cadena. Los dimeros
de pirimidina entre bases de una misma cadena es la alteración más común
en el DNA, inducida por luz ultravioleta, mientras que las roturas de la(s)
cadena(s) del DNA es la lesión más común originada por radiaciones de alta
energía. Roturas de la(s) cadena(s) del DNA pueden ser también producidas
directamente por efectos de las ROS o por estimulación directa de la rotura
enzimática del DNA. Las modificaciones de la estructura cromosómica
puede inducir nuevas y diferentes lesiones estructurales del DNA en el
proceso de replicación. La inestabilidad genética resultante en el clon celular
favorece la progresión tumoral y es una de las características de las células
cancerosas.
8. Papel de las ROS en la promoción tumoral
Además de la mutagénesis inducida por las ROS implicadas en la
iniciación y la progresión del cáncer, el estrés oxidativo puede estimular la
expansión de los clones celulares mutados al haber sido alterados los genes
relacionados con la proliferación o muerte celular. Existe amplia evidencia
que las ROS pueden promover la proliferación en células de mamíferos
después de la iniciación por radiación o por agentes químicos mutagénicos.
Aunque elevados niveles de estrés oxidativo inhiben la proliferación por
efectos citotóxicos, niveles moderados pueden estimular la división celular y
promover el crecimiento tumoral. La relación entre los niveles de ROS y la
promoción tumoral puede explicar por qué una tolerancia más elevada al
estrés oxidativo (debida a una elevada actividad de enzimas antioxidantes),
puede conducir a un fenotipo capaz de sufrir promoción. Este ejemplo ilustra
cómo las ROS pueden promover selectivamente el crecimiento de las células
iniciadas, a pesar de que su concentración ejerza un efecto tóxico sobre
63
Capítulo 2
poblaciones de células normales. Sin embargo, se ha sugerido un papel más
general de las ROS en la promoción tumoral con la hipótesis que los
promotores químicos, tales como los ésteres del forbol, actúan vía
estimulación de la producción de ROS.
8.1. Promoción tumoral mediada por calcio
Las ROS pueden inducir grandes elevaciones en el calcio citosólico, a
través de la movilización de los reservorios de calcio intracelular y mediante
el influjo del calcio extracelular. Los cambios en el calcio intracelular
inducidos por las ROS, pueden regular la transcripción de genes implicados
en el crecimiento y proliferación celulares, por un efecto directo o indirecto
del calcio sobre el gen. Se ha encontrado que la inducción de los
protooncogenes c-fos por dosis moderadas de ROS está medida directamente
por el calcio citosólico. Un ejemplo de un efecto indirecto de los cambios
relacionados con las ROS y el calcio es la fosforilación de los factores de
transcripción por las proteínas quinasas dependientes del calcio. Se ha
demostrado que la activación de la proteína quinasa C (PKC) en situación de
estrés oxidativo, se encuentra mediada en parte por el incremento de calcio
intracelular relacionado con las ROS. La activación de la PKC y otras
proteína quinasas fosforila y activa la S6-quinasa implicada en la adquisición
de competencia del crecimiento. Ambas PKC y S6-quinasa regulan la
actividad de factores de transcripción vía cascadas de fosforilación y pueden
así mediar muchos de los efectos de las ROS sobre la proliferación celular.
8.2. Otros mecanismos de promoción tumoral
Además de la regulación mediada por el calcio, las ROS pueden modular
directamente la actividad PKC mediante la oxidación de los residuos de
cisteína en el dominio regulador del enzima. La poli ADP-ribosilación de las
proteínas cromosómicas en respuesta a la lesión del DNA, representa otro
mecanismo que modula la expresión génica en situación de estrés oxidativo
y se piensa que se encuentra implicada en la promoción tumoral. La
expresión de genes relacionados con la proliferación o con la muerte celular
puede también ser modulada directamente por los efectos redox
intracelulares sobre los factores de transcripción. En bacterias, la oxidación
directa del regulón oxy-R es responsable de la activación génica
transcripcional en respuesta al estrés oxidativo. En mamíferos, los efectos
directos de las ROS regulan la actividad del factor de transcripción NFκB,
un miembro de la familia oncogénica rel. Una serie de genes, entre los que
64
Capítulo 2
se incluye factores de crecimiento y diferenciación están bajo control de las
proteínas Rel.
9. Progresión tumoral. Influencia de las ROS.
La etapa final en el desarrollo del cáncer es la adquisición de las
propiedades malignas por el tumor. Estas propiedades incluyen: crecimiento
acelerado, escape de la vigilancia inmune, invasión tisular y formación de
metástasis. La mayoría de estos cambios implican lesiones adicionales al
DNA. Se ha sugerido que la elevada generación de ROS en células
tumorales causa un persistente estado de estrés oxidativo que incrementa la
inestabilidad genómica. Además, la sensibilidad de las células tumorales a
las ROS puede elevarse ante una menor actividad de los enzimas
antioxidantes. Sin embargo, en tanto en cuanto concierne a los efectos
mutagénicos, la relación dosis-respuesta entre el estrés oxidativo y la
progresión tumoral debe ser comparable a la descrita para la iniciación. A
pesar de ello, estos efectos no explican del todo el papel de las ROS en la
progresión hacia el cáncer. El primer lugar, las células tumorales muestran a
menudo cambios genéticos específicos que contrarrestan los mecanismos
inmunes mediados por las ROS, previniendo la apoptosis en respuesta al
estrés oxidativo. En segundo lugar, la progresión hacia el cáncer puede
acelerarse por elevaciones en la inestabilidad genética de las células
tumorales ocasionadas por el estrés oxidativo.
10. Mutaciones en el gen p53 e inestabilidad genómica
inducida por ROS
Las alteraciones en el gen p53 son de las mutaciones más frecuentes
encontradas en cáncer humano. La proteína p53 se encuentra implicada en el
control del ciclo celular. Las células normales responden a las radiaciones
ionizantes y a otras fuentes de ROS, que conllevan una acumulación de
lesiones en el DNA, deteniendo el ciclo celular, para permitir la reparación
del DNA antes de la replicación. Este efecto de frenado del ciclo celular se
corresponde con una elevación en la expresión de la proteína p53. Si una
célula carece del gen p53 funcional, continua replicando el DNA y
dividiéndose, permitiendo así que la lesión del DNA se propague a la
generación siguiente. Por tanto, la división celular incontrolada, en ausencia
de p53, puede causar reordenamientos continuos de los cromosomas a partir
de la lesión inicial del DNA. A la vista de estos mecanismos, no es
sorprendente observar en ratones deficientes en p53 una gran susceptibilidad
65
Capítulo 2
a ser lesionado el DNA por las radiaciones ionizantes. En animales
deficientes en el gen p53 son similares la frecuencia y distribución de los
diferentes tumores inducidos por radiaciones ionizantes. Como dichas
radiaciones ionizantes inducen el daño al DNA a través de las ROS, se
sugiere que una de las principales funciones de la proteína p53 es la de
proteger de las ROS espontáneamente generadas.
Figura 7. Vías utilizadas por las ROS para inducir el desarrollo tumoral: i) lesión del
DNA, ii) activación de quinasas y iii) activación de factores de transcripción.
11. ROS y apoptosis
La mayor parte de los cánceres estimulan una respuesta inmune de
intensidad variable en los organismos donde se hospedan. En términos, tanto
de la intensidad de la respuesta como de la susceptibilidad de las células
tumorales, las ROS generadas por los leucocitos activados pueden causar:
•
•
•
inflamación crónica que no elimina las células tumorales,
la muerte celular por apoptosis a través de la redistribución del
calcio intracelular y otros mecanismos y
la muerte celular por citotoxicidad directa.
Solo los niveles citotóxicos de ROS, que son de importancia para los
tejidos del organismo hospedador, dan como resultado alguna eliminación de
66
Capítulo 2
las células del tumor. Por el contrario, cuando la producción de ROS por las
células inflamatorias es demasiado baja y/o la muerte celular inducida por
ROS está bloqueada, entonces, el estrés oxidativo puede contribuir a la
progresión del cáncer por promocionar posteriores lesiones en el DNA y
estimular el crecimiento.
El proto-oncogen bcl-2 protege las células cancerosas de la muerte por
apoptosis y específicamente inhibe la apoptosis inducida por ROS. Ello ha
hecho que se especule que las células cancerosas que sobre expresan el gen
bcl-2 pueden escapar de su eliminación por el sistema inmune mediante su
resistencia frente a la apoptosis inducida por las ROS. Si esta hipótesis es
cierta, los antioxidantes podrían, al igual que bcl-2, interferir con la
eliminación mediada por las ROS, de los clones tumorales in vivo. Esta idea
es importante porque sugiere que la situación in vivo puede ser
fundamentalmente diferente de la de los experimentos in vitro, donde los
antioxidantes inhiben la progresión tumoral.
Figura 8. Lesión del DNA, reparación, parada del ciclo celular y apoptosis. Ante el
daño al DNA promovido por cualquier agente agresivo (ROS), la respuesta celular inmediata
es reparar dicha lesión, para lo cual la proteína p53 y la p21, detienen el ciclo celular. En
caso de que los enzimas reparadores no actúen adecuadamente en tiempo y espacio, se
activarán sistemas apoptogénicos que llevarán a la célula a la apoptosis. La proteína Bcl-2,
trata de evitar la apoptosis impidiendo la activación de la caspasa 9.
67
Capítulo 2
12. Reparación del DNA
La importancia de los mecanismos reparadores de las lesiones al DNA
causadas por las ROS se demuestran en el síndrome transmitido por herencia
de la Xeroderma pigmentosum, donde los defectos en la reparación del DNA
alteran la eliminación de los dímeros de pirimidina y otras lesiones inducidas
por las ROS. En estos pacientes, las consecuencias de la agresión por
radicales libres al DNA no esta limitada a múltiples cánceres de piel
inducidos por la radiación ultravioleta, sino que además presentan una
notable susceptibilidad a diversos tipos de cáncer.
12.1. Mecanismos reparadores generales
El sistema nucleasa de escisión (exinucleasa) es el único sistema
reparador que elimina aductos voluminosos del DNA. Los genes implicados
en este sistema son uvrA, uvrB y uvrC en E.coli y el grupo ERCC (Excision
Repair Cross Complementing) en humanos. Las lesiones voluminosas del
DNA incluyen los dímeros de pirimidina inducidos por luz UV y otras
condiciones que implican la generación de ROS. Además de estas lesiones
que alteran la estructura de la hélice del DNA, el sistema exinucleasa del
E.coli también posee una débil actividad reparadora sobre la timina glicol,
8-OH-guanina y sitios abásicos. El estudio de enfermedades hereditarias
asociadas a un incremento en la inestabilidad genética ha proporcionado el
medio de conocer algo sobre el sistema reparador de escisión. Los defectos
de reparación en el síndrome Xeroderma pigmentosum, afectan la
eliminación de los dímeros de pirimidina por el sistema exinucleasa y se ha
demostrado que incluye diversos grupos de complementación genéticos. La
actividad reparadora defectiva de la lesión del DNA inducida por ROS en
extractos de células de pacientes con Xeroderma pigmentosum, se ha visto
que se restauraba in vitro por adición de los grupos de complementación A,
B, C, D, y G. Estos datos sugieren: (1) que las lesiones al DNA inducidas
por las ROS se reparan por el mismo mecanismo de reparación por escisión
que los dímeros de pirimidina inducidos por luz UV, y (2) que la lesión al
DNA inducida por las ROS pueden contribuir a la frecuencia incrementada
de cáncer interno en Xeroderma pigmentosum.
Un segundo sistema reparador del DNA no específico se basa en el
reconocimiento de las anomalías entre los pares de bases dentro de la hélice
del DNA. Este sistema de reparación en E.coli, está formado por los
productos de los genes MutH, MutL, MutS, y MutU. Se han identificado en
68
Capítulo 2
humanos los correspondientes a MutL y MutS. Las mutaciones en el HMSH,
el homólogo humano del MutS, se ha demostrado que son las responsables
de la inestabilidad genética observada en el cáncer de colon no poliposico
hereditario. Los entrecruzamientos entre las cadenas y las roturas en las dos
cadenas, no reconocidos por las exinucleasa o por el sistema reparador de las
alteraciones en el emparejamiento de las bases, están entre las alteraciones
más importantes de la hélice del DNA inducidas por estrés oxidativo. Estas,
como también otras alteraciones de la hélice, inducidas por las ROS, con
excepción de las aberraciones cromosómicas, se reparan por sistemas de
reparación recombinacionales en E. coli. Sin embargo, los detalles de este
mecanismo recombinacional se desconocen hasta ahora en células de
mamíferos.
A pesar de que los mecanismos reparadores del DNA de los eucariotas
parece que incluyen los elementos que se encuentran en bacterias, han
emergido nuevos mecanismos a medida que la organización de los
cromosomas se ha hecho más compleja. El DNA de eucariotas se asocia con
proteínas histonas y no histonas, que proporcionan una protección relativa
frente a la nucleasa y frente a la agresión mediada por los radicales libres.
Esta protección se elimina localmente antes de que tenga lugar la reparación
por excisión. Así, la lesión del DNA inducida por las ROS estimula la
poli(ADP ribosa) polimerasa para producir polímeros de ADP-ribosa, que
temporalmente atraen y separan las histonas del DNA. Este mecanismo es
importante para la reparación del DNA eucariota, pero puede presentar
implicaciones adicionales:
•
•
•
primera, los cambios resultantes en la accesibilidad al DNA para los
factores de transcripción puede representar un mecanismo que regula
la expresión genética en respuesta al estrés oxidativo.
segunda, frente a niveles elevados de lesión del DNA, la depleción
del NAD+ por la poli(ADP ribosa) polimerasa, llega a ser lo
suficientemente importante como para interferir con la síntesis del
ATP. Como la depleción del ATP induce la apoptosis, la activación
de la poli(ADP ribosa) polimerasa puede ser una vía alternativa de la
apoptosis inducida por ROS.
tercera, se ha especulado que la rápida depleción del “pool” NAD+
puede considerarse como un mecanismo de defensa para prevenir la
reacción de Fenton dependiente de NADPH en casos de estrés
oxidativo.
69
Capítulo 2
12.2. Reparación de lesiones específicas del DNA.
Las ROS inducen una variedad de modificaciones en las bases del DNA,
las cuales, si no se eliminan, pueden conducir a la mutagénesis. La
inactivación de sistemas específicos de reparación del DNA en Escherichia
coli, incrementa significativamente la tasa de mutaciones espontáneas y las
inducidas por ROS. La importancia de la modificación de la base, 8-OHguanina, inducida por ROS está subrayada por un sistema de reparación del
DNA sinérgico en E coli que incluye tres productos genéticos: MutM, MutY
y MutT. El primero, MutM, es una DNA glicosilasa que inicia la reparación
de los sitios con 8-OH-guanina y una variedad de lesiones similares en el
DNA, hidrolizando la unión base-desoxiribosa correspondiente. La detección
de un enzima reparador en levadura sugiere la existencia de un gen
correspondiente al MutM en eucariotas. La 8-OH-guanina que escapa al
mecanismo de reparación del MutM, tiene un potencial descodificador al
emparejarse con la adenosina, lo que conduce a las transversiones GC-TA.
El gen MutY que codifica una glicosilasa, reconoce y elimina la adenosina
que se inserta en oposición a la 8-OH guanina. Un homólogo de MutY se ha
caracterizado en mamíferos. Finalmente, las hidrolasas codificadas por MutT
hidrolizan el 8-OH-GTP para eliminarlo del reservorio de desoxinucleótidos
trifosfatos (dNTP) que se utilizan para la síntesis del DNA. Este nivel
múltiple de seguridad frente a la lesión del DNA, relativa a la 8-OH-guanina,
puede explicar como el potencial mutagénico intrínseco de esta frecuente
lesión del DNA se mantiene a un aceptable bajo nivel. Se ha demostrado que
otras endonucleasas del E. coli, con o sin actividad glicosilasa, se encuentran
implicadas en la reparación del daño oxidativo infligido al DNA. La DNA
glicosilasa endonucleasa III reconoce al timina glicol y a una amplia
selección de otras modificaciones de las bases, oxidativas y no oxidativas.
Algunas endonucleasas sin actividad glicosilasa reconocen sitios abásicos
que han sido agredidos por radicales libres. Se ha demostrado que todos
estos sistemas reparadores son esenciales para la eliminación del bloqueo de
la replicación inducido por las roturas de una cadena por las ROS.
12.3. Reparación de errores de apareamiento
Los mecanismos de reparación anteriormente citados actúan al poco
tiempo de producirse la lesión, antes de que se perpetue debido a la
replicación. Existen además otros mecanismos de reparación postreplicación, que corrigen errores cometidos en la replicación o errores que la
70
Capítulo 2
impiden. Entre estos se encuentra la reparación por errores de apareamiento
(MMR).
Los apareamientos incorrectos se producen por errores de la replicación
o como consecuencia de recombinación. La mayoría de los errores
cometidos inicialmente por la DNA polimerasa se rectifican gracias a su
propia actividad correctora o exonucleasa 3´, pero unos pocos pueden
permanecer sin corregir. Es entonces cuando entra en juego este mecanismo
de reparación de apareamientos incorrectos, que está formado por proteínas
que reconocen la presencia de un par de bases incorrectamente apareadas y
eliminan la base errónea o bien el tramo de la cadena de DNA que la
contiene. En humanos se han podido identificar una serie de genes que
codifican proteínas de este sistema de reparación. Los productos de estos
genes son: hMSH2, nMSH1 hPMS1, hPMS2 y GTBP/hMSH6.
Las enfermedades inflamatorias crean situaciones significativas de estrés
oxidativo en células y tejidos. Incidencias elevadas de cáncer se han
detectado en pacientes con gastritis crónica, pancreatitis crónica y
enfermedad inflamatoria intestinal. Los tejidos de pacientes con estas
enfermedades muestran inserciones y/o deleciones en regiones microsatélites
del DNA que se han denominado inestabilidad microsatélite (MSI). Los
microsatélites son secuencias simples de 1 a 6 nucleótidos repetitivas en
tandem, que se dispersan ampliamente a lo largo de todo el genoma humano.
Los MSI se asocian con un defecto en el sistema de reparación de errores de
apareamiento. Este sistema mantiene la integridad genómica corrigiendo los
errores replicativos.
En el sistema MMR humano, la proteína hMSH2 forma los complejos
hMutSα y hMutSβ con hMSH6 y hMSH3, respectivamente, mientras que
hMLH1 y hPMS2 forman el heterodímero hMutLα. Estos complejos, junto
con otros componentes del sistema MMR, corrigen errores de apareamiento
de una sola base y bucles pequeños de inserción/deleción, que ocurren
durante la replicación del DNA. La inestabilidad de los microsatélites (MSI)
ocurre cuando los bucles en los microsatélites no se corrigen debido a un
malfuncionamiento del sistema MMR. Inestabilidad de los microsatélites de
baja frecuencia (MSI-L) se han detectado en algunos tejidos inflamados
crónicos en ausencia de inactivación genética del sistema MMR. Chang et
al., han emitido la hipótesis que el estrés oxidativo asociado con la
inflamación crónica lesionan los componentes proteicos del sistema MMR lo
que conduce a su inactivación funcional. Ellos mismos han demostrado que
71
Capítulo 2
concentraciones no tóxicas de peróxido de hidrógeno impiden las actividades
reparadoras de los errores de apareamiento y las de los bucles de
inserción/deleción del sistema MMR de forma dependiente de la dosis.
Ensayos in vitro de complementación usando proteínas de MMR
recombinante, han demostrado que esta inactivación se debe probablemente
a la lesión oxidativa de los complejos proteicos hMutSα y hMutSβ y
hMutLα. Es probable que la inactivación de la función del MMR en
respuesta al estrés oxidativo pueda ser la responsable de la inestabilidad de
los microsatélites que se observan en tejidos cancerosos asociados a la
inflamación crónica.
13. Conclusiones
Las ROS cuando reaccionan con los ácidos nucleicos originan una serie
de alteraciones: modificación de bases, errores de apareamiento y rotura de
cadenas. La lesión al DNA inducida por ROS es un intermediario en
procesos patológicos tales como el cáncer y el envejecimiento. Los productos
de esta lesión pueden ser mutagénicos y citotóxicos. La mutagénesis inducida
por las ROS, que puede dar lugar a la iniciación y progresión al cáncer, es un
acontecimiento frecuente en células humanas normales. La promoción
tumoral mediada por ROS se ha demostrado directamente en humanos, ya
que existe evidencia experimental convincente que el estrés oxidativo puede
diferencialmente inducir la proliferación de las células tumorales. Así, las
ROS han de ser reconocidas como una importante clase de carcinógenos que
estimulan el desarrollo del cáncer en multitud de etapas. Las estrategias para
prevenir los efectos carcinogénicos de las ROS han de tener en cuenta la
complejidad química de los radicales libres in vivo y la complejidad del
proceso multiescalonado del desarrollo del cáncer. Por ello, el efecto del
estrés oxidativo en una etapa dada de la carcinogénesis depende de la
composición y de la intensidad de las ROS implicadas. Por tanto, la
actuación de enzimas antioxidantes que aceleran la conversión de las ROS,
unas en otras, o con antioxidantes no enzimáticos, puede llegar a ser una
espada de doble filo que puede intensificar el efecto del estrés oxidativo.
La gran diversidad de lesiones del DNA inducidas por ROS se refleja por
los correspondientes mecanismos de reparación que se encuentran en todas
las formas de vida aerobia. Sin embargo, se necesita aún más conocimiento
sobre la bioquímica de la mutagénesis y de los mecanismos reparadores del
DNA en eucariotas antes de que se realicen intervenciones para intensificar
el sistema reparador. La reconstitución de los mecanismos que median la
72
Capítulo 2
parada del ciclo celular en respuesta a la lesión del DNA y/o al estrés
oxidativo, puede ser utilizada en el futuro para retrasar la progresión tumoral
inducida por ROS.
14. Abreviaturas
ERF, factor relajante del endotelio; H2O2, peróxido de hidrógeno; HO2.-,
radical hidroxioxil; Hb, hemoglobina; IκB, inhibidor kappa B; IL2,
interleuquina 2, citoquina; IL2R, receptor de la IL-2; MMR, reparación de
errores de apareamiento; MS, microsatélites; MSI, inestabilidad de los
microsatélites; NAC, N-acetilcisteína; NFκB, factor nuclear kappa B; NO·,
oxido nítrico; cNOS, óxido nítrico sintasa constitutiva; iNOS, óxido nítrico
sintasa inducible; mitNOS, óxido nítrico sintasa mitocrondrial; Mb,
mioglobina; O2.-, radical superóxido; 1O2, oxígeno singlete; ONOO-,
peroxinitrito; PKC, proteína quinasa dependiente de calcio; PMA, forbol
miristato acetato; R·, radical alquilo; RO·, radical alcoxilo; ROO·, radical
peroxilo; SOD, superóxido dismutasa; TNF, factor de necrosis tumoral;
TNFR, receptor del factor de necrosis tumoral.
15. Bibliografía
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76
Capítulo 3
Capítulo 3. ANTIOXIDANTES Y ENVEJECIMIENTO
1. Introducción
2. Radicales de oxígeno
3. Respuesta adaptativa al estrés oxidativo. Antioxidantes
3.1. Sistemas anzimáticos
3.2. Antioxidantes no enzimáticos
3.3. Otros antioxidantes
4. Acción sinérgica de antioxidantes: vitaminas E y C
5. Mecanismo de acción de los antioxidantes
6. Causas del envejecimiento
7. Perspectivas y conclusiones
8. Abreviaturas
9. Bibliografía
1. Introducción
La integridad y la supervivencia de un organismo vivo dependen de la
regulación de su propia homeostasis. En condiciones fisiológicas normales la
homeostasis celular se encuentra continuamente agredida por agentes exógenos
y endógenos. Para hacer frente a estos agresores, la célula ha desarrollado su
propia protección o mecanismos de defensa, que implica la movilización de
constituyentes celulares y la integración funcional de componentes específicos,
entre los que se incluyen enzimas, tanto los asociados a membrana como los
solubles citosólicos, que neutralizan la acción de dichos agentes lesivos,
regulando sus efectos perjudiciales, aminorando las alteraciones del medio
celular interno y preservando la actividad celular.
Una de las mayores amenazas internas de la homeostasis celular en los
organismos aerobios surge de los intermediarios reactivos de oxígeno generados
a partir del propio oxígeno. Para evitar este peligro y asegurar su supervivencia,
los organismos aerobios han evolucionado desarrollando una serie de
mecanismos para eliminar los efectos de los subproductos tóxicos derivados del
oxígeno. Estos sistemas protectores se clasifican como sistemas de defensa
antioxidante. El funcionamiento de estos sistemas es más eficiente cuando las
actividades de sus componentes individuales actúan coordinadamente. Para
conseguir el mayor grado de efectividad las defensas antioxidantes coordinadas
actuan, a su vez, de manera concertada con los sistemas de reparación
dedicados a restaurar las moléculas alteradas por oxidación.
77
Capítulo 3
Un ser vivo es un ente individual y diferenciado que necesita gran cantidad
de energía para sobrevivir en un medio adverso. Los mecanismos implicados en
el mantenimiento de la supervivencia se van deteriorando a medida que
transcurre la edad. No parece que exista un programa genético que se ponga en
marcha a determinada edad para conducir a la vejez y la muerte, simplemente
los genes que expresan los mecanismos de reparación van perdiendo eficacia
con la edad.
Se han identificado muchos factores ambientales y rutas metabólicas
reguladas por genes que contribuyen a retardar o acelerar el envejecimiento. La
capacidad oxidativa de las especies reactivas de oxígeno, los daños al DNA por
estas mismas especies, por radiaciones o por agentes químicos, la excesiva
producción de energía por las mitocondrias, la hiperactividad de la hormona del
crecimiento, un aporte excesivo de grasas y carbohidratos, etc., son elementos
relacionados con el envejecimiento. Se está empezando a vislumbrar
conexiones entre diferentes mecanismos y se ha demostrado que existe una
familia de genes maestros que rige gran parte de estos procesos cuya
modulación podría conducir a una significativa elevación de la expectativa de
vida humana.
2. Radicales de oxígeno
Los radicales de oxígeno son un resultado inevitable de la vida en un
medio rico en oxígeno. Para los organismos aerobios el oxígeno es vital para la
existencia e inherentemente lesivo. La paradoja del oxígeno deriva de su misma
naturaleza química, ya que su naturaleza de radical le permite reacciones
químicas de oxidación/reducción muy interesantes. En una reducción univalente
el oxígeno puede sufrir cuatro sucesivas reducciones con un electrón,
catalizadas por la citocromo oxidasa al final de la cadena de transporte
electrónico. En esta vía se generan especies reactivas de oxígeno (ROS): el
primero, resultante de la reducción con un electrón del oxígeno molecular,
genera el radical superóxido (O2.-); la adición de un segundo electrón y dos
protones genera la especie activa peróxido de hidrógeno (H2O2); un tercer
electrón produce el radical hidroxilo (·OH) que posee una elevada reactividad.
El cuarto electrón genera una molécula de agua.
Para sobrevivir en un ambiente poco favorable, los organismos aerobios
han desarrollado una serie de sistemas enzimáticos y una variedad de
compuestos antioxidantes hidro y liposolubles, cuyo papel es interceptar e
inactivar las ROS que se sintetizan inevitablemente. Además, la célula posee la
78
Capítulo 3
capacidad de sintetizar una batería de enzimas reparadores/eliminadores de la
lesión en proteínas, lípidos y DNA. Finalmente, como el ritmo de generación de
estas especies puede variar de un momento a otro, los organismos son capaces
también de adaptarse a tal estrés fluctuante induciendo la síntesis de enzimas
antioxidantes y de enzimas reparadores que eliminan la lesión. Sin embargo, a
pesar que la célula posee estos valiosos mecanismos antioxidantes y
reparadores que suponen una defensa eficiente frente a la agresión oxidativa, en
determinadas
ocasiones
no
son
suficientes
y
el
cociente
prooxidantes/antioxidantes se eleva, como resultado imposible de evitar de la
existencia aerobia y dá lugar a la situación intracelular de estrés oxidativo,
situación involucrada en una amplia variedad de procesos degenerativos,
enfermedades y síndromes que incluye los siguientes: mutagenesis
(transformación celular y cáncer), aterosclerosis, ataques al corazón, infartos y
lesiones derivadas de la isquemia/reperfusión, enfermedades crónicas
inflamatorias (artritis reumatoide, lupus eritematosus, artritis psoriática),
problemas agudos inflamatorios, estrés fotooxidativo ocular (cataratas),
alteraciones del sistema nervioso central (esclerosis lateral amiotrofica,
enfermedad de Parkinson, enfermedad de Alzheimer) y una amplia variedad de
alteraciones relacionadas con la edad, incluyendo los mismos procesos naturales
del envejecimiento. Alguna de estas enfermedades ligadas a la oxidación
pueden exacerbarse o incluso iniciarse por efecto de numerosos prooxidantes
ambientales, entre los que se incluyen numerosos fármacos o alimentos.
3. Respuesta adaptativa al estrés oxidativo. Antioxidantes
La respuesta adaptativa se refiere a la capacidad de un organismo o una
célula de resistir a los efectos perniciosos de un agente tóxico cuando éste se ha
administrado previamente a pequeñas dosis. Es este un fenómeno ampliamente
distribuído entre procariotas, levaduras, plantas y animales. Son muchos los
agentes agresivos que inducen la respuesta adaptativa, entre los cabe destacar:
las ROS, el choque térmico, la radiación, agentes alquilantes, metales pesados,
etc. La adaptación implica la modulación de la expresión de una serie de genes.
A nivel fisiológico, el beneficio principal de la respuesta celular adaptativa
es claro: proteger a la célula y al organismo de la agresión infligida por agentes
extraños. Tal respuesta protectora indica que la célula, una vez expuesta al
agente agresor, está preparada para hacer frente a una dosis subletal de dicho
agresor. Aunque los primeros estudios sobre la respuesta adaptativa, implicaron
a los mecanismos de resistencia adquirida, la relevancia fisiológica de las
79
Capítulo 3
respuestas adaptativas son de naturaleza más sutil. Por ejemplo, el ejercicio
físico, que implica en sí una elevación en la situación de estrés oxidativo,
conlleva una reducción en la tasa de peroxidación lipídica producida durante el
ejercicio. Los linfocitos de las personas expuestas por su trabajo a dosis bajas
de radiaciones ionizantes, muestran una capacidad más elevada de reparación.
Se ha demostrado, tanto en bacterias como en eucariotas, que las células
pueden sufrir una respuesta adaptativa frente la concentraciones subletales de
oxidantes. En esta situación, es importante constatar, que las células presentan
dos líneas defensivas; la primera implica sistemas enzimáticos antioxidantes
involucrados directamente en la prevención de la lesión oxidativa, como la
superóxido dismutasa, la catalasa y la glutation peroxidasa, y moléculas
antioxidantes de bajo peso molecular, como el glutation y el ascorbato. La
segunda línea defensiva consiste en los sistemas reparadores que reparan o
eliminan las moléculas lesionadas por oxidación.
Las sustancias que neutralizan el efecto pernicioso de las ROS se agrupan
en los sistemas de defensa antioxidante. Por definición, antioxidante es aquel
compuesto químico que inhibe o previene la oxidación de un sustrato. Halliwell
y Gutteridge consideran que antioxidante es la sustancia que, cuando se
encuentra en pequeñas concentraciones comparadas con aquellas de un sustrato
oxidable, retrasa o inhibe significatívamente la oxidación de tal sustrato.
Krinsky define como antioxidante aquel compuesto que protege los sistemas
biológicos de los efectos potencialmente perjudiciales de procesos o reacciones
que causan excesivas oxidaciones.
Los sistemas de defensa antioxidante reciben diferentes nombres:
antioxidantes, agentes atrapadores de radicales libres, agentes reductores, etc.
Estos sistemas, responsables de la protección celular se encuentran tan
diversificados como los mismos radicales. Los antioxidantes se encuentran
compartimentados estratégicamente en los diferentes organulos subcelulares.
Por ejemplo, la superóxido dismutasa (SOD) y la glutation peroxidasa (GPX),
se encuentran distribuídas tanto en el citosol como en la mitocondria; mientras
que la catalasa se distribuye entre el citosol y los peroxisomas. Además de la
integración de las defensas intracelulares, la interacción cooperativa entre los
diversos antioxidantes en el plasma es de importancia crucial para la máxima
supresión de las reacciones de los radicales libres en el compartimento
extracelular.
80
Capítulo 3
3.1 Sistemas enzimáticos
Diversos enzimas han emergido a lo largo de la evolución con la misión
primaria de disminuir los niveles intracelulares de ROS y por tanto,
proporcionar protección frente a los oxidantes biológicos. El sistema enzimático
de defensa antioxidante consiste en una serie de enzimas que actúan
coordinadamente: las superóxido dismutasas dependientes de cobre y cinc
(Cu,ZnSOD) y de manganeso (MnSOD), la catalasa (CAT), la glutation
peroxidasa dependiente de selenio (GPX). En el esquema de la Figura 1 se
muestra la actuación y coordinación de estos sistemas y su relación con el ciclo
redox del glutation.
Figura 1. Mecanismos de defensa antioxidante enzimáticos: Superóxido dismutasa (SOD),
catalasa, glutation peroxidasa dependiente de selenio (GPX), y no enzimáticos: Glutation
(GSH/GSSG reducido/oxidado), Selenio (Se) vitamina E, L-cisteína, etc. Destoxificación de ROS
por sistemas enzimaticos de defensa antioxidante. La acción concertada de estos sistemas se
encuentra complementada por una serie de antioxidantes noenzimáticos
Superóxido dismutasa (SOD). La SOD cataliza la dismutación del radical
superóxido a peróxido de hidrógeno según la siguiente reacción:
2O2.- + 2H + Æ O2+ H2O2
81
Capítulo 3
La velocidad de dismutación enzimática es 104 veces mayor que la
dismutación química. La familia SOD consiste en cuatro metaloenzimas: dos
contienen cobre y cinc, una manganeso y otra hierro. La Cu,ZnSOD se
encuentra en el citosol de las células eucariotas, una forma diferente de
Cu,ZnSOD (EC) aparece en los fluidos extracelulares. La MnSOD se localiza
en la matriz mitocondrial de eucariotas y en bacterias, mientras que la forma
FeSOD se encuentra en muchas bacterias aerobias. La Cu,ZnSOD citosólica
tiene un peso molecular de 32 kDa con dos subunidades idénticas. La
Cu,ZnSOD (EC) tiene un peso molecular de 135 kDa compuesta por cuatro
subunidades unidas no covalentemente. La MnSOD de la matriz mitocondrial
posee un peso molecular de 88 kDa con cuatro subunidades iguales. La
Cu,ZnSOD es sensible al cianuro pero resistente al tratamiento con
cloroformo/etanol, por el contrario, la MnSOD es resistente al cianuro, pero se
detruye por tratamiento con cloroformo/etanol. Los genes humanos codifican
las Cu,ZnSOD y la MnSOD que se encuentran en el cromosoma 21q22.1 y en
el 6q21, respectivamente. Un exceso de SOD que no vaya acompañado por la
catalasa, puede resultar perjudicial al acumularse peróxido de hidrógeno. Esta
situación sucede en pacientes con el síndrome de Down, que poseen trisomía
en el cromosoma 21 que es donde se encuentra el gen que codifica la Cu,
ZnSOD.
Catalasa. Cataliza la conversión del peróxido de hidrógeno en agua. Uno
de los productos de la acción de la superóxido dismutasa es el H2O2. Esta
molécula puede ser eliminada por varios enzimas tales como la catalasa y la
glutation peroxidasa, que catalizan la siguiente reacción:
H2O2 Æ 2 H2O + O2
En ausencia de la catalasa se acumula el H2O2, el cual, en presencia de
metales de transición tales como hierro o cobre, genera el radical hidroxilo
(Reacción de Fenton) que posee elevada reactividad para reaccionar con las
macromoléculas:
O2.- + Fe3+ Æ O2 + Fe2+
H2O2 + Fe2+ Æ ·OH + OH- + Fe3+ (Reacción de Fenton)
Muy difundida entre los seres vivos, en animales se encuentra en los
órganos principales del organismo, apareciendo concentrada en hígado, riñón
y eritrocitos. A nivel subcelular la catalasa se encuentra en los peroxisomas
(80%) y en el citosol (20%). Posee un peso molecular de 240 kDa y consiste en
82
Capítulo 3
cuatro subunidades que contiene cada una un grupo hemo (Fe (III)
protoprofirina) unido a su grupo activo. Los inhibidores de la catalasa incluyen
la azida, el cianuro, el 3-amino-1,2,4-triazol, GSH y ditiotreitol. El gen que
codifica la catalasa humana se encuentra en el cromosoma 11p13
Glutation peroxidasa (GPX). Cataliza la oxidación del GSH a GSSG a
expensas del H2O2 o de peróxidos orgánicos:
H2O2 + 2GSHÆ GSSG + H2O
ROOH + 2GSH Æ GSSG + H2O + ROH
Por su dependencia del selenio (Se), la GPX puede dividirse en dos
formas: dependiente e independiente de selenio. La primera es un tetrámero de
peso molecular 84 kDa con gran actividad frente al H2O2 y los hidroperóxidos
(ROOH). Contiene un residuo de selenocisteína en cada uno de los sitios
activos y se encuentra en el citosol (70%) y en la mitocondria (30%). Entre los
inhibidores de esta actividad enzimática cabe citar el iodoacetato, el cianuro y el
radical superóxido. El gen que codifica esta enzima se localiza en el cromosoma
3p13-q12.
La forma no dependiente del Se tiene un peso molecular menor, es
dimérica y solo elimina los ROOH. En rata se ha demostrado que la GPX no
dependiente de Se, se corresponde con isoformas de la glutation transferasa,
enzima implicada en la destoxificación de xenobióticos. Se ha caracterizado,
otra GPX dependiente del Se que actúa sobre los hidroperóxidos de
fosfolípidos, que se encuentra distribuída en numerosos tejidos.
Glutation reductasa (GR). Cataliza la reacción que restaura el glutation en
su forma reducida a expensas de equivalentes reductores en forma de NADPH:
GSSG + NADPH + H+ Æ 2GSH + NADP+
La proteína enzimática, de peso molecular 120 kDa, contiene 2
subunidades, cada una de ellas lleva un grupo FAD en su sitio activo. Se
encuentra en el citosol y en la mitocondria, y se inhibie por la 1,3-bis-2cloroetil-1-nitrosourea. El gen que codifica su expresión se encuentra en el
cromosoma humano 8p21.1.
Glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PDH). La existencia de una vía
83
Capítulo 3
para la oxidación de la glucosa-6-fosfato se demostró por primera vez en
extractos de levadura en 1936. Sin embargo, la purificación no se consiguió
hasta 1961. En el rango de pH 7 a 8 y con baja fuerza iónica, la G6PDH de
eritrocitos humana existe en equilibrio entre el tetrámero de 210 kDa y el
dímero de 105 kDa. La reacción de la G6PDH asociada a los sistemas
enzimáticos de defensa antioxidante tiene como misión regenerar el coenzima
NADPH, que quedó en su forma oxidada NADP+ por acción de la glutation
reductasa. La reacción catalizada por la G6PDH es la siguiente:
Glucosa-6-fosfato + NADP+ Æ 6-fosfogluconolactona + NADPH + H+
El enzima se inhibe en presencia de quelantes de metales, especialmente
por sustancias que bloquean los grupos sulfhidrilos como el pcloromercuribenzoato y las hormonas esteroideas. El gen que codifica este
enzima se encuentra en el cromosoma humano Xq28.
3.2. Antioxidantes no enzimáticos
Glutation. El glutation reducido (GSH) es un tripéptido compuesto por γglutamilo, cisteína y glicocola (Figura 2). Es el tiol de bajo peso molecular más
abundante en la mayoría de células de mamíferos. La concentración intracelular
en hígado puede llegar a alcanzar 10 mM. En el estado redox normal de la
célula, menos de un 5% del glutation total existe en su forma oxidada (GSSG).
El GSH se caracteriza por su grupo tiólico reactivo y su enlace γ-glutamilo al
que se debe su resistencia al ataque de las peptidasas. Por sus propiedades
químicas presenta una gran versatilidad que le permite ser a la vez nucleófilo y
reductor efectivo. Puede reaccionar con muchos compuestos electrofílicos y
oxidantes, tales como H2O2, O2.- y ·OH, y como eficaz reductor el GSH juega un
importante papel en una variedad de procesos de destoxificación. Entre estos se
incluye la anulación del daño peroxidativo, que se evidencia por la simultánea
desaparición del GSH. La menor concentración de GSH eleva la susceptibilidad
del organismo a los agentes citotoxicos y afecta la intervención de fármacos en
enfermedades neoplásicas.
84
Capítulo 3
Figura 2. Estructuras de antioxidantes; liposolubles e hidrosolubles.
El hígado es el órgano que posee mayor capacidad de sintetizar glutation a
través de la vía de la cistationina, cuya misión es generar cisteína a partir de
metionina de la dieta. Esta vía, operativa solo en el hígado, capacita a este
órgano para suministrar GSH o GSSG a diversos tejidos extrahepáticos a los
que les aporta la cisteína precursora de la síntesis del tripéptido. En hígado
existen dos reservorios de glutation: el citosólico y el mitocondrial. El citosólico
se encuentra sometido a un intenso recambio, mientras que el mitocondrial no.
La disminución de GSH inducida por agentes químicos favorece la
peroxidación lipídica y la lesión celular. El GSH actúa principalmente sobre el
H2O2 generado en el curso de la biotransformación de xenobióticos y otras vías
y como coenzima de la glutation peroxidasa. También el GSH se utiliza como
sustrato por la glutation-S-transferasa para la conjugación y eliminación de
xenobióticos (Figura 3).
85
Capítulo 3
Figura 3. Enzimas antioxidantes y ciclo redox del glutation. GPX, glutation peroxidasa;
GRED, glutation reductasa; G6PDH, glucosa-6-fosfato deshidrogenasa; GST, glutation
transferasa; G6P, glucosa-6-fosfato; 6PG, 6-fosfogluconato; GSH y GSSG, glutation reducido y
oxidado, respectivamente.
El GSH reacciona también con los radicales libres, especialmente con el
radical hidroxilo (·OH) y con los radicales centrados en carbono cediéndoles un
átomo de hidrógeno. Tales reacciones neutralizan la reactividad del ·OH el cual
se considera como la fuente más importante de lesión debida a radicales libres
de oxígeno. Tal inhibición se relaciona con la vitamina E, la cual sufre una serie
de reacciones en las que esta implicada la regeneración del GSH a expensas de
la vitamina C (Figura 4).
Figura 4. Posible papel de los radicales de glutation (GS·) en la regeneración de las
vitaminas C y E
86
Capítulo 3
Al igual que otros sistemas antioxidantes, los niveles de GSH fluctúan en
diversas condiciones fisiológicas incluyendo el envejecimiento y algunas
enfermedaαdes neoplásicas. La disminución en la concentración de glutation, o
lo que es mejor, en el cociente GSH/GSSG va acompañada por una elevación
en la peroxidación lipídica. El declinar con la edad de la concentración de GSH
puede ser debido a un incremento en la tasa de oxidación o a una disminución
en el recambio del GSH que resulta de una mayor utilización y degradación y/o
de una menor biosíntesis del GSH total (Figura 5). La biosíntesis del GSH a
partir de los aminoácidos que lo constituyen está catalizada por la γ-glutamil
cisteina sintetasa y por la GSH sintetasa. Como la γ-glutamil transferasa se
localiza en la membrana plasmática, con su sitio activo mirando hacia el espacio
extracelular, el ritmo de salida del GSH celular gobierna su velocidad de
degradación. La mayor demanda de GSH se verifica cuando se elevan los
peróxidos a medida que transcurre la edad. Por tanto, es probable que la
acumulación de sustancias tóxicas durante la senectud eleve la actividad de los
enzimas que consumen GSH, como la glutation peroxidasa y la glutation-Stransferasa, lo que conlleva a una disminución del GSH intracelular. (Figura 5)
Figura 5. Efecto de la edad (meses) sobre la concentración de GSH, malondialdehido
(MDA) y proteínas-SH, en homogenados de hígado de rata de 2, 6, 12, 18 y 30 meses de edad.
Los resultados son media de cuatro determinaciones experimentales (Sanz 1996).
En base al esquema de la Figura 3, en el que se muestra la coordinación de
los sistemas enzimáticos antioxidantes antes mencionados, se han realizado
estudios para observar el efecto del envejecimiento sobre la actividad y la
87
Capítulo 3
expresión génica de las proteínas enzimáticas implicadas en el sistema de
defensa antioxidante. En la Figura 6 se muestran las siguientes actividades: Cu,
Zn SOD, MnSOD, CAT, GPX y GRED, evaluadas en homogenados de hígados
de ratas de 2, 6, 12, 18 y 30 meses de edad. Es interesante observar la influencia
de la edad sobre estos sistemas de defensa antioxidante, y se detectan, en
general, elevaciones notables en las actividades enzimáticas ensayadas. Los
cambios en estas actividades coincidieron con la expresión génica de estos
enzimas determinada ensayando sus mRNA respectivos.
Figura 6. Efecto de la edad sobre las actividades de los sistemas de defensa antioxidante
en fracciones subcelulares de hepatocitos de rata: Los resultados son media de cuatro
determinaciones experimentales. MnSOD, superóxido dismutasa dependiente de manganeso
(mitocondrial; Cu,ZnSOD, superóxido dismutasa dependiente de cobre y cinc (soluble); GPX,
glutation peroxidasa; y GRED, glutation reductasa (Sanz et al., 1997).
Si se comparan estos datos con los que se muestran en la Figura 5, se
puede observar que los incrementos en estas actividades van paralelos a los
niveles de malondialdehido (metabolito marcador de la peroxidación lipídica) y
al grado de disminución de los niveles intracelulares de GSH y de proteínas
SH. Estos datos indican que estos sistemas de defensa celular se inducen ante
una elevación de oxidantes intracelulares dependiente de la edad.
88
Capítulo 3
Aunque se han hecho muchos esfuerzos para encontrar la concentración
precisa de GSH a la cual se inician los procesos lesivos, hasta la fecha no puede
responderse a esta pregunta. Por un lado, el GSH intracelular está
compartimentalizado, y por otro lado, la pérdida de tioles proteicos,
acompañada por la pérdida total del GSH, puede jugar un papel clave en la
viabilidad celular, pero solo la pérdida del GSH no conduce necesariamente a
la lesión y muerte celulares. A favor de este punto de vista se ha observado que
existe una disociación entre la disminución del GSH celular y la pérdida de la
viabilidad. Por ejemplo, los agentes quelantes del hierro o los antioxidantes que
previenen la peroxidación lipídica, son capaces de inhibir el incremento en la
permeabilidad de la membrana y la muerte celular sin afectar la concentración
del GSH. A la misma conclusión se puede llegar a partir del hecho que el estrés
oxidativo, inducido por xenobióticos en presencia de un inhibidor de la
disminución del GSH, conlleva a una pérdida extrema de la viabilidad celular y
sólo a un modesto incremento en la peroxidación lipídica. A pesar de estos
resultados contradictorios, se acepta por la mayoría de los investigadores, que
es importante mantener elevado el cociente GSH/GSSG para prevenir la secuela
de acontecimientos que lleva consigo la disminución de los grupos tiólicos
celulares: peroxidación lipídica, aparición de protuberancias en la superficie
celular, alteraciones en la homeostasis del calcio, etc. A este respecto, la
continuada generación de GSH, a partir del GSSG, por acción de la glutation
reductasa en presencia de equivalentes reductores, en forma de NADPH, es
esencial para preservar la integridad celular.
Un precursor del glutation reducido es la N-acetilcisteina (NAC),
compuesto que no tiene propiedades antioxidantes per se, pero que eleva la
disponibilidad del GSH, ya que actúa como reservorio de cisteína y como
precursor del GSH. La NAC reduce el envenenamiento por plomo en el ratón y
protege las neuronas del hipocampo despues de la isquemia en ratas. La NAC
muestra in vitro una gran capacidad antiapoptogénica, observada en cultivos
de células PC12 donde previene la apoptosis inducida por glutamato.
Vitamina E. Es la vitamina antioxidante liposoluble más ampliamente
distribuída en la naturaleza, tanto en el reino vegetal como en el animal. El
término genérico vitamina E se refiere a los ocho isómeros estructurales del
tocoferol. Entre ellos, el α-tocoferol es el isómero mejor conocido y el que
posee la actividad antioxidante más potente. Debido a la propiedad lipofílica de
la molécula de tocoferol, la vitamina E interrumpe la reacción en cadena de los
radicales en el medio liposoluble, por ejemplo, en las lipoproteínas plasmáticas.
Elevadas concentraciones de α-tocoferol se encuentran en tejidos de mamíferos
89
Capítulo 3
tales como, glándulas adrenales, corazón, testículos e hígado. En el interior de
la célula, la vitamina E se asocia con membranas ricas en lípidos como la
mitocondria y el retículo endoplásmico, de manera que la acción antioxidante
de esta vitamina es efectiva ya que protege la lipoperoxidación de las
membranas al reaccionar con los radicales peroxilo y alcoxilo.
Por su efectividad como inhibidor de la propagación de la peroxidación
lipídica, cada mlolécula de α-tocoferol puede reaccionar con dos radicales
peroxilo (LOO·):
α-tocoferol + LOO· Æ α-tocoferoxlilo· + LOOH
α-tocoferilo· + LOO· Æ LOO-α-tocoferol
El primer producto es el radical α-tocoferoxilo·, un radical centrado en
oxígeno, que puede reaccionar con otro radical peroxilo para formar un aducto
estable. La efectividad relativa del α-tocoferol como antioxidante en liposomas
y preparaciones de membrana es sólo del 1 - 2 % de aquella que tiene lugar en
soluciones homogéneas. Esto se ha atribuído a la menor movilidad del αtocoferol en las membranas y a la mayor probabilidad de propagación en
cadena en el ajustado medio estructurado de las membranas.
La vitamina E toma parte en reacciones de transferencia de hidrógeno
sirviendo a veces como oxidante y otras veces como reductor. El orden de
capacidad de los antioxidantes naturales para actuar como donador de
hidrógeno es: GSH > ascorbato > vitamina E > β-caroteno. Por otra parte la
vitamina E, además del ascorbato, es el donador de electrones más potente
cuando se compara con el GSH o el β-caroteno. La vitamina E está íntimamente
ligada a las reacciones que rompen la cadena peroxidativa que tienen lugar en
los tejidos en condiciones fisiológicas y patológicas. Debido a sus propiedades
redox, la vitamina E se encuentra también involucrada en reacciones de
transferencia de electrones.
Esta vitamina se encuentra en el germen de trigo, aceite de soja, germen de
cereales o cereales de grano entero, aceite de oliva, vegetales de hoja verde y
frutos secos.
Vitamina C. Al contrario que la vitamina E, la vitamina C o ácido
ascórbico, es hidrosoluble y funciona mejor en un ambiente acuoso. Su papel
como agente antioxidante y reductor, se conoce por su capacidad para
reaccionar con los radicales libres. Reacciona directamente con el radical
90
Capítulo 3
superóxido (O2.-), el radical hidroxilo (·OH) y diversos lípido hidroperóxidos.
Se supone que la función más importante de la vitamina C es la de restaurar las
propiedades antioxidantes de la vitamina E al reciclar el radical α-tocoferilo·. La
vitamina C se encuentra ampliamente distribuída en tejidos de mamíferos, pero
su presencia es mayor en las glándulas adrenales y pituitaria.
Cuando se compara con otros antioxidantes hidrosolubles, (bilirubina,
urato, grupos sulfhidrilos, etc.) la vitamina C ofrece la protección más efectiva
frente a la peroxidación de los lípidos plasmáticos. El ácido ascórbico sirve
como antioxidante y prooxidante. Como antioxidante ejerce un efecto
economizante de la vitamina E y el selenio. Cuando se encuentra en altas
concentraciones (1mM), en presencia de metales de transición Fe3+ o Cu2+, la
vitamina C actúa como prooxidante, generando ROS durante la promoción de la
peroxidación lipídica. Se ha demostrado que la acción prooxidante del
ascorbato inductora de la lipoperoxidación, reside en su capacidad para reducir
Fe3+ a Fe2+, ya que el Fe2+ es un potente inductor de la generación de radicales
libres. La complejidad de este doble papel del ascorbato se magnifica en
presencia de otros antioxidantes, como la vitamina E. Por ejemplo, la
peroxidación lipídica se eleva, por efecto del ascorbato en los microsomas de
animales deficitarios en vitamina E, pero disminuye por efecto del ascorbato en
condiciones normales. Parece ser que la concentración y distribución subcelular
de ascorbato son factores importantes que contribuyen a su acción dicótoma.
Debido a que el pKa del ácido ascórbico es 4,25, el anión ascorbato (AH-)
es la forma predominante que existe a pH fisiológico. El anión AH-, por
oxidación reversible, genera el ácido dehidroascórbico (DHA), a través de la
formación de un intermediario, el radical ascorbilo (A·). El DHA posee
propiedades prooxidantes y anti-oxidantes como el mismo ascorbato.
Los sistemas de defensa antioxidante son más efectivos cuando actúan
concertadamente. El conocimiento de las características peculiares de las dos
vitaminas y las diferencias entre ellas, ha potenciado el interés por las
propiedades básicas y el modo de acción de estos antioxidantes. En tejidos, la
concentración de vitamina C es considerablemente más alta que la de vitamina
E. Por ejemplo, en hígado, la concentración de vitamina C y E son 2 y 0.02
mM, respectivamente. Se ha propuesto que el mecanismo responsable de la
acción economizadora de la vitamina C sobre la vitamina E se encuentra unida
a la capacidad del ácido ascórbico de reducir los radicales tocoferilos formados
al reaccionar la vitamina E con el radical libre:
91
Capítulo 3
ROO· + Vitamina E Æ ROOH + Vitamina E·
Vitamina E· + AH- Æ Vitamina E + A·
Carotenoides. La mayoría de los miembros de esta gran familia de
polienos conjugados poseen similar actividad antioxidante. Los carotenoides se
han considerado antioxidantes desde hace tiempo, debido a su capacidad para
reaccionar con los radicales libres. Los carotenoides protegen los lípidos de la
peroxidación, eliminando los radicales libres y las ROS, especialmente el
oxígeno singlete. El β-caroteno muestra una eficiente actividad antioxidante,
atrapadora de radicales libres, mediante la inhibición de la peroxidación lipídica
inducida por la xantina oxidasa. Esta actividad se debe a la disposición
estructural de los β-carotenos con su larga cadena de dobles enlaces conjugados
La efectividad del β-caroteno como antioxidante es mayor a
concentraciones de oxígeno poco elevadas. El β-caroteno reacciona
directamente con el radical peroxilo (LOO·) para formar un radical centrado en
carbono de resonancia estable:
CAR + LOO· Æ LOO-CAR·
Llegado el caso, los carotenoides pueden ser capaces de bloquear dos
radicales peroxilo, como hace también el α-tocoferol:
LOO-CAR· + LOO· Æ LOO-CAR-OOL
Sin embargo, la capacidad bloqueadora de radicales no necesita parar aquí,
ya que puede continuar con la formación de múltiples radicales centrados en
carbono sobre una sola molécula de β-caroteno:
LOO-CAR-OOL + LOO· Æ (LOO)2-CAR-OOL· + LOO· Æ (LOO)2 CAR - (LOO)2
Los productos formados de la reacción de los radicales peroxilo con el βcaroteno son derivados carbonilos y algunos epóxidos.
Ubiquinol. El ubiquinol o coenzima Q (QH2) reducido se considera que
ejerce funciones antioxidantes, a pesar de encontrarse implicado en el
metabolismo energético mitocondrial. Su forma reducida, ubiquinol QH2, actúa
como un antioxidante natural, ya que, al contrario que el α-tocoferol o el β92
Capítulo 3
caroteno, su capacidad no puede agotarse como resultado del estrés oxidativo.
Esta peculiaridad se debe a su intervención en actividades biológicas de
transferencia de equivalentes reductores, las cuales reciclan los productos
antioxidantes derivados del QH2 a la forma antioxidante activa. Además el
coenzima Q existe en la mitocondria 5 a 10 veces en exceso estequeométrico
con respecto a otros compuestos que transfieren electrones en la cadena
electrónica. Por tanto, el coenzima Q se considera como un reservorio de
actividad antioxidante.
Se asume que la función de QH2 como un antioxidante in vivo se debe a su
capacidad de reciclar los radicales del β-tocoferol a su forma original
antioxidativa. Los radicales cromanoxilos se originan en la interacción de los
radicales lipídicos con la vitamina E en las biomembranas sometidas a estrés
oxidativo. La presencia de ubiquinol, además de α-tocoferol, proporciona una
reacción alternativa en la que amdos compiten por el lípido y por el radical
cromanoxilo. En base a la casi idénticas actividades atrapadoras de los radicales
peroxilos de la vitamina E y el ubiquinol, la actividad antioxidante del QH2 no
se espera que esté exclusivamente restringida a una interacción con el producto
derivado del α-tocoferol. Esta consideración está apoyada por el hecho que en
la mitocondria, donde el QH2 es importante como antioxidante, su
concentración molar excede la del α-tocoferol en ocho veces. De todas formas,
se asume que mientras exista QH2 el α-tocoferol no se agota. El coenzima Q
existe en tres formas, ubiquinol (QH2), semiubiquinol (SQH·) y ubiquinona.(Q):
QH2 + LOO· Æ LOOH + SQH·
SQH· Æ SQ.- + H+
SQ.- + O2 Æ Q + O2.2O2.-+ 2H+ + SOD Æ H2O2 + O2
2 H2O2 + catalasa Æ 2 H2O + O2
El esquema de la Figura 7 muestra las posibles reacciones que tienen lugar
por interacción de QH2 con los radicales peroxilo y alcoxilo de lípidos. SQH·, el
producto derivado de la reacción de QH2, parece que juega el papel más crítico
en la determinación de la la eficiencia antioxidante del QH2. La interacción del
antioxidante con los radicales lipídicos puede conducir a una variedad de
radicales secundarios con actividades prooxidantes.
93
Capítulo 3
Figura 7. Actividad prooxidante compulsiva del radical SQH· que emerge de la función
antioxidante del QH2.
Proteínas que se unen a metales.
Algunas proteínas que poseen la capacidad de unirse a metales, reducen la
concentración efectiva de los metales de transición capaces de reaccionar con
los peróxidos y generar radicales libres:
LOOH + Fe2+ Æ LO· + OH- + Fe3+.
La transferrina en condiciones normales lleva sólo 20-30% de su
capacidad total para el hierro. Debido a su elevada afinidad por este metal, la
concentración de hierro libre en el plasma humano permanece a niveles muy
bajos. La lactoferrina, que se sintetiza en los neutrófilos, pero que se libera en
el plasma, posee propiedades muy similares a la transferrina. La ceruloplasmina
parece que posee dos propiedades antioxidantes: la primera, se une a los iones
de cobre y previene que este metal de transición catalice la descomposición de
los hidroperóxidos a radicales; la segunda, la ceruloplasmina oxida eal Fe2+ a
Fe3+ y convierte concomitántemente el oxígeno en agua. A diferencia de los
procesos no enzimáticos descritos antes, en esta reacción no se forman especies
radicales. La albúmina puede tambien unirse a los iones de cobre, previniendo
que inicien reacciones generadoras de radicales.
La acción de dos agentes antioxidantes, vitamina E y desferroxamina se ha
investigado en nuestro laboratorio, sobre el efecto citotóxico de la cocaína en
94
Capítulo 3
cultivo de hepatocitos de rata. La elección de la vitamina E se debe a su acción
bloqueante de la peroxidación lipídica, y la de la deferroxamina por su
capacidad como quelante del hierro. El parámetro evaluado fueron los niveles
intracelulares de glutation, el cual disminuye notáblemente por efecto de dosis
citotóxicas de cocaína. En ambos casos los agentes antioxidantes ensayados
actuaron previniendo la depleción del glutation (Figura 8).
Figura 8. Efecto de los antioxidantes N-acetilcisteína y desferroxamina (DFO) sobre los
niveles intracelulares de GSH en hepatocitos de rata tratada con cocaína. (Zaragoza 2000)
Flavonoides. Los flavonoides son un gran grupo de compuestos fenólicos
que aparecen en la naturaleza, ampliamente distribuídos en el reino vegetal.
Hasta el momento se han identificado unas 5.000 clases de flavonoides. Muchos
poseen los colores atractivos que aparecen en flores, frutos. Los flavonoides se
forman en las plantas, a partir de los aminoácidos fenilalanina y tirosina
combinadas con unidades de acetato. Son derivados benzo-γ-pirona consistentes
en un anillo bencénico (A) inserto a un anillo heterocíclico (C) que lleva en C2
un grupo fenilo (B). El anillo (C) puede ser una γ-pirona (flavonas y flavonoles)
o su derivado 2,3, dihidro (flavanonas y flavanoles). En los isoflavonoides, el
grupo fenilo (B) es un sustituyente en posición 3 del anillo pirona. Los
95
Capítulo 3
flavonoides pueden hidrolizarse en las posiciones C3, C5 y C7 (anillos A y C) o
en C3´, C4´, y C5´, (anillo B). Los ésteres metílicos y etílicos de los grupos OH
se encuentran en la naturaleza. En los vegetales, los flavonoides están
generalmente presentes en forma glicosilada. La unión con el carbohidrato
(glucosa, ramnosa, glucoramnosa, galactosa o arabinosa), se localiza en C3 y
C7. Los flavonoides y los tocoferoles comparten como característica común el
grupo cromano (anillos A y C) (Figura 9).
Figura 9. Estructura de los flavonoides y vegetales donde se encuentran.
El promedio diario de la dieta en los paises occidentales fluctua entre 20
mg a 1 g de mezcla de flavonoides. Los flavanoles, particularmente las
96
Capítulo 3
catequinas, son los principales constituyentes del te verde y negro y del vino
tinto. Los flavonoles como la quercetina se encuentra también en el té y el vino,
pero los contienen en mayor proporción la cebolla, brocoli, manzanas, fresas.
Las flavanonas se encuentran principalmente en frutos cítricos. La absorción de
flavonoides en humanos ha sido controvertida, pero se ha demostrado que la
quercetina ingerida con la dieta se absorbe de manera significativa. Después
de la ingestión de derivados glucosídicos equivalentes a 64 mg de quercetina, el
pico de concentración plasmática de este flavonoide se alcanzó a las 2,9 horas
mostrando valores de 196 μg/L .
Se han descrito muchos efectos biológicos de los flavonoides, entre ellos
cabe destacar su actuación como: antiinflamatorios, antialérgicos,
antihemorrágicos, antimutagénicos, antineoplásicos y hepatoprotectores. Por
todo ello, los flavonoides se consideran como componentes esenciales de la
dieta y van ganando considerable interés como agentes terapéuticos frente a
una gran variedad de enfermedades. Incluso se ha visto, que muchos de los
efectos terapéuticos de la medicina tradicional se deben a estos compuestos. Los
efectos farmacológicos de los flavonoides en mamíferos son el resultado de dos
propiedades: (1) inhibición de ciertos enzimas y (2) su actividad antioxidante.
Los flavonoides inhiben la actividad catalítica de una serie de enzimas,
tales como, hexoquinasa, aldosa reductasa, fosfolipasa C, proteina quinasa C,
ciclooxigenasa, lipooxigenasa, mieloperoxidasa, NADPH oxidasa y xantina
oxidasa. Sin embargo, los diferentes flavonoides varían mucho en su eficacia
de inhibición. Un flavonoide puede inhibir un enzima a bajas concentraciones
(por ejemplo a 1 μM), mientras que inhibe otro enzima a concentraciones de
100μM. Por ejemplo, la sibilina, flavonoide utilizado en la terapia hepática,
inhibe fuertemente la 5´-lipooxigenasa, mientras que para inhibir la
ciclooxigenasa de granulocitos y células endoteliales se necesitan
concentraciones de sibilina cuatro veces superiores y en células de Kupffer
humanas no se observó influencia alguna con concentraciones de sibilina de
100μM. Estos descubrimientos son importantes, ya que los leucotrienos se sabe
que contribuyen a la lesión de los tejidos, mientras que las prostaglandinas
poseen propiedades citoprotectoras. La inhibición específica de la 5´lipooxigenasa se ha observado en otros flavonoides, lo cual puede contribuir a
las propiedades antiinflamatorias y antialérgicas de estos compuestos. La
inhibición de las oxidasas que liberan anión superóxido y peróxido de
hidrógeno, justifica la actividad antioxidante de los flavonoides. Las 7-OH
flavonas inhiben competitivamente la xantina oxidasa, mientras las 3´, 4´, -OH
o las 3´,4´,5´-OH flavonas inhiben la actividad de este enzima de manera no
97
Capítulo 3
competitiva. Los flavonoides pueden afectar la actividad de las oxidasas
indirectamente, por ejemplo, en granulocitos previenen la activación de la
NADPH oxidasa al interferir con proteína quinasas implicadas en la cascada de
señalización.
Además de la directa o indirecta inhibición de las oxidasas, las propiedades
antioxidantes de los flavonoides se deben a su capacidad de atrapar los radicales
libres, de reaccionar con las ROS no radicales y de formar complejos con el
hierro. También la regeneración del α-tocoferol mediante reducción del radical
α-tocoferoxilo·, puede contribuir a su actividad antioxidante. Los flavonoides
atrapan radicales libres tales como: ·OH, O2.-, LOO· y NO·, etc. En esta
reacción atrapadora, el flavonoide cede un átomo de hidrógeno al radical
agresor:
Flavonoide-OH + ·R Æ Flavonoide-O· + RH
El radical formado, flavonoide-O· es más estable que el radical ·R que lo
genera. A mayor grado de sustitución del OH, más fuerte es la actividad
atrapadora de radicales de un flavonoide. Características adicionales en la
estructura, tales como un grupo catecol o un pirogalol en el anillo C, parece que
eleva la actividad neutralizadora de los radicales libres. Debido a sus
características estructurales, estos flavonoides poseen un potencial oxidativo
bajo que les permite reducir los iones Fe3+ y Cu2+, de sufrir la autooxidación o
incluso de encontrarse implicados en ciclos redox. Por tanto, los flavonoides
pueden actuar como pro-oxidantes, una característica que contrarresta sus
propiedades antioxidantes, la cual es posiblemente responsable de los efectos
genotóxicos que se han descrito para algunos flavonoides analizados en
sistemas experimentales. Cuanto menor es la reactividad del radical libre,
mayor y más importantes son los requerimientos estructurales descritos con
anterioridad, para que un flavonoide actúe como un agente efectivo atrapador
de radicales. Los flavonoides reaccionan con los radicales hidroxilo sólo con
débiles diferencias respecto a las constantes de velocidad, entre 109 a 1010 M-1
sec-1, mientras las constantes de velocidad para la reacción con anión
superóxido varía entre 102 y 106 M-1 sec-1. Los flavonoides con un doble enlace
C2 - C3 pueden reaccionar con 1O2 para formar el respectivo intermediario
dioxetano, el cual se puede descomponer en dos fragmentos carbonilados.
Existen también evidencias de que los flavonoides pueden atrapar el HOCl. El
flavonoide silibinina no sólo atrapa el HOCl sino que además protege la α1proteinasa uno de los supuestos objetivos de HOCl, frente a la inactivación
oxidativa de HOCl.
98
Capítulo 3
3.3. Otros antioxidantes
Zinc. Es un elemento químico esencial, a veces clasificado como metal de
transición aunque estrictamente no lo sea, que presenta cierto parecido con el
magnesio y el berilio y con los elementos de su grupo. Prácticamente el único
estado de oxidación que presenta es el +2. Reacciona con ácidos no oxidantes
pasando al estado de oxidación +2 y liberando hidrógeno y puede disolverse en
bases y ácido acético.
El zinc se encuentra en diversos alimentos como las ostras, carnes rojas,
aves de corral, algunos pescados y mariscos, habas y nueces. La ingesta diaria
recomendada ronda los 10 mg. La deficiencia de zinc produce retardo en el
crecimiento, pérdida del cabello, diarrea, impotencia, lesiones oculares y de
piel, pérdida de apetito, pérdida de peso, tardanza en la cicatrización de las
heridas y anomalías en el sentido del olfato. Las causas que pueden provocar
una deficiencia de zinc son la deficiente ingesta y la mala absorción del mineral
caso de alcoholismo que favorece su eliminación o dietas vegetarianas en las
que la absorción de zinc es un 50% menor por su excesiva eliminación.
Cobre. Este elemento participa en la formación de enzimas, proteínas y
neurotransmisores cerebrales, y facilita la síntesis del colágeno y la elastina
necesarios para el buen estado de los vasos sanguíneos, los cartílagos, los
pulmones y la piel.
El 90% del cobre en el organismo se encuentra en músculos, huesos e
hígado. Participa en la formación de la hemoglobina, y es fundamental para el
desarrollo y mantenimiento de huesos, tendones, tejido conectivo y el sistema
vascular. El cobre esta presente en el hígado, riñón, mollejas y otras vísceras, en
carnes, cereales integrales, frutas secas y legumbres. Es raro ver excesos de
cobre, pero estos pueden producir hepatitis, mal funcionamiento de riñones y
desórdenes neurológicos. Una dificultad metabólica determinada genéticamente
que se caracteriza por aumentar los depósitos de cobre en hígado y cerebro es la
enfermedad de Wilson.
La carencia de cobre en el organismo es anormal en personas que llevan
una alimentación adecuada. Sin embargo las formas en que se puede manifestar
la ausencia de cobre en el organismo es por anemias moderadas a severas,
edemas, desmineralización ósea, retraso del crecimiento, anorexia y
vulnerabilidad a infecciones. Las necesidades diarias son de aproximadamente
de 2 mg.
99
Capítulo 3
Selenio. Es un oligoelemento cuya actividad antioxidante se relaciona
directamente por su intervención en la actividad de la glutation peroxidasa. El
selenio se encuentra en: coles de Bruselas, brécol, cereales integrales, cítricos,
rábano, alfalfa, levadura de cerveza revivificada, cereales, algas marinas, ajos,
cebollas, puerros, champiñón, germen de trigo, hígado de ternera, marisco.
Existen estudios que indican que en zonas donde hay carencia de este
mineral aparecen anormalidades en la población tales como: envejecimiento
prematuro, encanecimiento del cabello, problemas cardiovasculares,
arteriosclerosis, enfermedades degenerativas, cáncer, artritis reumatoide,
artrosis, gota, osteoporosis, Infertilidad femenina o masculina, cirrosis hepática,
prostatitis crónica, impotencia, frigidez, infecciones graves como el SIDA,
alteraciones inmunológicas, acné, micosis. Los requerimientos son 50-75
μgramos por día. Una dieta equilibrada, satisface las necesidades cotidianas de
selenio.
Magnesio. Es un elemento esencial por intervenir en más de 300
reacciones enzimáticas. Participa en el metabolismo y en la síntesis de
numerosos productos orgánicos. Se establece como aceptable un rango de
ingesta para la población adulta sana de 150 a 500 mg/día. El magnesio se
encuentra principalmente entre los frutos secos: girasol, sésamo, almendras,
pistacho, avellanas y nueces. Entre los cereales: germen de trigo, levadura,
mijo, arroz y trigo, carnes, lácteos y frutas, legumbres.
Este elemento es componente del sistema óseo, participa en la transmisión
de los impulsos nerviosos, en la contracción y relajación muscular, en el
transporte de oxígeno a nivel tisular y en el metabolismo energético. Un déficit
de magnesio origina excitación nerviosa y muscular (calambre muscular),
latidos cardiacos irregulares, reducción de la presión sanguínea, etc. Los
músculos y en particular el corazón, no funcionan correctamente si no
contienen suficiente magnesio. Además, este elemento es necesario para la
transferencia y la liberación de energía. El esfuerzo genera una pérdida de
magnesio, y la falta del mismo conduce a una reducción de la resistencia y de
adaptación al esfuerzo. Por todo ello, es fundamental valorar la disponibilidad
de magnesio en la dieta del deportista.
Una dieta que aporte menos de 2000 calorías provoca insuficiencia de
magnesio en el organismo. La ingesta diaria de magnesio debe estar entre los
300 y 350 mg./día para los hombres, 280 mg/día para las mujeres y entre 320 a
350 mg/día para las embarazadas.
100
Capítulo 3
Proteínas del estrés. El estrés oxidativo tiene lugar como consecuencia de
una generación elevada de ROS. Pueden detectarse elevaciones de estas ROS en
células expuestas a diversos estímulos, como luz UV, presencia de citoquinas
inflamatorias (TNFα, IL1), etc. Las ROS, además de su papel citotóxico cuando
su producción es excesiva, a concentraciones moderadas actúan como segundos
mensajeros en diferentes mecanismos de transducción de señales, como son
aquellos mediados por la activación del NFκB.
Las células que producen elevadas cantidades de ROS se exponen a su
propia toxicidad y deben contar con mecanismos defensivos para hacer frente a
la agresión oxidativa. Puede que las HSP sirvan para tal función y representen
una clase original de proteínas con capacidad antioxidante. La posibilidad de
que las HSP formen parte de los mecanismos de defensa frente al estrés
oxidativo, viene avalada por una serie de observaciones que ha llevado a sugerir
que las ROS actúan como moduladores o segundos mensajeros en la respuesta
al estrés.
Se ha observado que las células o los tejidos sometidos a estrés oxidativo
inducen la síntesis in vivo e in vitro de las HSP. Así, el peróxido de hidrógeno
es capaz de inducir una respuesta al estrés en células humanas in vitro, mientras
que el daño por isquemia-reperfusión induce la síntesis de las HSP in vivo. La
isquemia se asocia con una disminución de los niveles de ATP por
desacoplamiento de la fosforilación oxidativa, que da lugar a la acumulación de
xantina e hipoxantina. Estos sustratos se metabolizan normalmente por acción
de la xantina deshidrogenasa, pero durante la isquemia y en presencia de calcio,
este enzima actúa como xantina oxidasa. En casos de isquemia/reperfusión, la
xantina se metaboliza vía xantina oxidasa, y da lugar a grandes cantidades de
radical superóxido. El exceso de estos radicales de oxígeno son la causa de la
inducción de las HSP en el órgano isquémico. Se ha observado que los
roedores y conejos sometidos a una hipertermia causante de la elevación de
HSP en corazón, sufren menor daño miocárdico cuando se someten a un
episodio de isquemia/reperfusión.
Otros argumentos en favor del papel protector de las HSP frente al daño
oxidativo son:
-
protección parcial por un choque térmico de la muerte celular inducida
por H2O2 en una línea premonocítica humana U937 y de la muerte
celular inducida por oligomicina en células DS7;
101
Capítulo 3
-
protección por un choque térmico de la estimulación con glutamato en
un modelo usado in vitro para conseguir un daño isquémico en células
neuronales;
protección de una hipertermia frente al daño inducido por la exposición
a la luz (mediado por oxidación) en retina de rata; así como también
identificación de una proteína de 32 kDa, la hemooxigenasa, específica
de la oxidación del grupo hemo, como un enzima con propiedades
antioxidantes.
El choque térmico previene las alteraciones en el potencial de membrana,
en la masa y en la ultraestructura inducidas en la mitocondria por el H2O2. Esto
parece indicar que este orgánulo representa una diana selectiva para la
protección, por choque térmico, frente al daño oxidativo. También se ha
demostrado que tras un choque térmico, la HSP70 se traslada al núcleo
acumulándose transitoriamente en el nucleolo. Por el contrario, cuando lo que
se adiciona es H2O2, la traslocación nuclear es diferente y puede relacionarse
con el daño al DNA por radicales de oxígeno.
El papel que las HSP puedan jugar como atrapadores (scavengers) de las
especies reactivas de oxígeno, puede ser importante en aquellas condiciones en
las que los clásicos sistemas antioxidantes, superóxido dismutasa, glutation
peroxidasa, catalasa, vitamina E, etc., sean insuficientes. Por ejemplo, la
disminución de la concentración intracelular de glutation potencia la inducción
de las HSP. La iodoacetamida es un típico agente alquilante citotóxico que
reacciona con los grupos sulfhidrilo de las proteínas para formar aductos Sacetamido tioeter. Aunque la formación de aductos se asocia con la síntesis de
las HSP y la muerte celular, la unión covalente de la iodoacetamida no causa la
muerte celular directamente, sino que ésta va unida a una disminución del
glutation, estrés oxidativo y peroxidación lipídica. Usando este compuesto se ha
observado que la perturbación en el estado redox tiólico puede ser una señal
importante para la activación de la respuesta al estrés común a aquellos tóxicos
que forman intermediarios reactivos. La pérdida de GSH favorece la oxidación
de los grupos tiólicos de las proteínas por formación de puentes disulfuro,
proteina-S-S-proteínas o proteína S-SG. Esta mezcla de proteínas oxidadas
parece que se encuentra involucrada en la activación del HSF1 y en el aumento
de la transcripción de los genes hsp. Por otro lado, la protección que las HSP
ejercen sobre la citotoxicidad inducida por TNFα, parece también estar en
relación con su capacidad de mantener la concentración intracelular del
glutation.
102
Capítulo 3
Por tanto, los mecanismos de protección de las HSP podrían incluir:
-
prevención de la degradación de proteínas y de la peroxidación lipídica
de las membranas,
mantenimiento de los niveles de ATP,
inducción de los enzimas antioxidantes como la superóxido dismutasa
o de moléculas como el glutation, e
inhibición de cualquiera de los múltiples pasos involucrados en la
muerte celular inducida por un daño oxidativo como puede ser el
desacoplamiento de la fosforilación oxidativa, activación de la
fosfolipasa A2 y el mantenimiento de la ultraestructura celular.
A pesar de que las ROS se consideran como segundos mensajeros ubicuos
en la inducción de las HSP, se ha investigado la implicación de estas especies
endógenas sobre la síntesis de las HSP. La fagocitosis a través de la activación
de la NADPH oxidasa que genera cantidades masivas de O2.-, ha servido de
modelo para estudiar en monocitos de sangre periférica la inducción de las
HSP. Los resultados obtenidos sugieren que no es la producción de O2.- la
responsable directa de la inducción de las HSP durante la fagocitosis, sino el
radical hidroxilo resultante de la transformación del radical superóxido en ·OH
en presencia de hierro. Sólo el ·OH tiene capacidad de oxidar las proteínas de
forma similar a la la agresión térmica, siendo la presencia de proteinas alteradas
la señal última para la inducción de las HSP. Existe una diferente inducción de
la expresión según que el estímulo sea la agresión térmica o la activación de la
proteína quinasa C (PKC) por el éster de forbol, PMA. En el primer caso se
inducen todas las HSP clásicas, HSP 110, HSP 90, HSP 70, HSC 70, HSP 65
etc., y en el segundo se induce la HSP 90 y en menor grado la mezcla HSC 70 y
HSP 70. Esto es consecuencia de la implicación de dos segundos mensajeros
distintos y diferentes mecanismos de regulación molecular de la expresión de
las HSP. La regulación de la inducción de las HSP por la agresión térmica
implica principalmente acontecimientos transcripcionales, mientras que la
inducción de las HSP mediada por el PMA (mitógenos) se verifica por un
mecanismo post-transcripcional que estabiliza el mRNA.
Se han detectado pequeñas HSP en mitocondrias de células PC12 de ratas
estresadas por calor, las cuales no aparecen en controles sin el tratamiento
térmico. La inactivación funcional de estas pequeñas HSP con anticuerpo
murino HSP25, ha indicado que estas HSP protegen la NADH: ubiquinona
oxidoreductasa y la NADH deshidrogena (complejo I) en vesículas
submitocondriales durante el estrés oxidativo y choque térmico. Estos datos son
103
Capítulo 3
de gran interés ya que:
-
confirman la existencia de múltiples HSP de pequeño tamaño en
mamíferos e indican que varias de ellas se hallan asociadas a las
mitocondrias,
muestran la existencia de una función conservada entre las HSP
mitocondriales de plantas y mamíferos, que protegen el transporte
electrónico durante el estrés, y
sugieren que estas HSP pueden jugar un papel importante en
enfermedades cuya etiología se basa en el daño oxidativo al complejo I
mitocondrial.
Otra defensa antioxidante muy efectiva, es la restricción calórica de la
ingesta, ya que el menor consumo de alimentos va a proporcionar un menor
número de electrones, que tienen que ser procesados por la mitocondria a través
de la cadena de transporte electrónico. El descenso programado de la dieta al
aminorar la generación de especies reactivas de oxígeno por la mitocondria, se
presenta como uno de los medios antioxidantes más efectivos que aseguran una
buena salud e incluso prolongan la vida. Existen evidencias que demuestran el
efecto de esta restricción sobre animales de experimentación. En todos ellos se
ha observado una progresión más lenta del envejecimiento, un retraso en la
aparición de los efectos no deseables y un aumento de la esperanza de vida.
4. Acción sinérgica de antioxidantes: Vitaminas C y E.
Se ha sospechado desde hace tiempo, y se comentó anteriormente, que los
sistemas de defensa antioxidante son más efectivos cuando varios de ellos
actúan concertadamente. Ya en el año 1940 se vislumbró que el ácido
ascórbico, que por sí sólo es un antioxidante moderadamente efectivo, actuaba
sinérgicamente con la vitamina E para intensificar la actividad antioxidante de
la última. Se observó entonces, que la vitamina C disminuía el consumo de
vitamina E a modo de efecto economizador. El conocimiento de las
características peculiares y las diferencias entre las vitaminas C y E informa
sobre las propiedades básicas y del modo de actuación de estas vitaminas
antioxidantes. Considerando que en tejidos la concentración de vitamina C es
considerablemente más alta que la de vitamina E (unas cien veces en hígado),
se ha propuesto que el mecanismo responsable de la acción economizadora del
ácido ascórbico (A) sobre la vitamina E se encuentra unida a la capacidad del
ácido ascórbico para reducir los radicales tocoferilos formados cuando la
104
Capítulo 3
vitamina E reacciona con un radical libre:
ROO· + Vitamina E Æ ROOH + Vitamina E·
Vitamina E· + AH- Æ Vitamina E + A·
Una serie de estudios se han ocupado de la significación y las ventajas
fisiológicas de este sinergismo. Sin embargo, los resultados no han sido
totalmente consistentes. Experimentos in vitro indican que el anión ascorbato
reduce una serie de radicales fenoxilo en medio acuoso a través de un proceso
de transferencia electrónica. Estudios de resonancia electrónica han establecido
que el ascorbato reduce el radical tocoferoxilo. La confirmación de estos datos
se verificó cuando las dos vitaminas actuaron disminuyendo la formación de
malondialdehido al suprimir la peroxidación lipídica en microsomas hepáticos
en los que se había inducido dicha peroxidación en presencia de Fe 2+. El modo
de interacción entre estas dos vitaminas ha sido dificil de explorar dada la
diferencia en sus propiedades. La vitamina E es lipofílica, mientras que que la
vitamina C es hidrofílica. La separación de fases y las distribuciones de estos
dos antioxidantes juegan probablemente un papel en su acción cooperativa. La
caracterización de estas propiedades físicas parece ser un camino largo para
elucidar, in vivo, el grado de acción cooperativa entre los dos vitaminas.
Utilizando varios sistemas, por ejemplo liposomas y radicales lipofílicos e
hidrofílicos, han podido realizarse estos experimentos. La oxidación de metil
linoleato en un medio orgánico, por generadores de radicales lipofílicos, puede
utilizarse para probar tales interacciones, porque en este sistema se generan
hidroperóxidos sin período de inducción. Ambas vitaminas C y E, por separado,
son capaces de neutralizar radicales libres con este sistema. Sin embargo,
cuando ambas vitaminas estuvieron presentes, la desaparición de la vitamina C
ocurrió primero, y los cambios en la concentración de vitamina E no se
observaron hasta que la mayor parte de la vitamina C había sido consumida.
Este efecto economizador de la vitamina C hacia la E se demostró cuando la
adición posterior de más cantidad de vitamina C inhibió la desaparición de la
vitamina E.
Usando una preparación liposómica de fosfolípidos poliinsaturados, se
demostró también que la cooperación entre ambas vitaminas suprimía la
peroxidación lipídica de las membranas. Como era de esperar de la
liposolubilidad de la vitamina E, se observó que la vitamina E es mejor
antioxidante frente a un sistema de membrana que la vitamina C. El sinergismo
entre las dos vitaminas es también evidente en ciertos estados de toxicidad. Por
105
Capítulo 3
ejemplo, durante la formación de compuestos N-nitrosos carcinogénicos, la
inhibición de la nitrosación a partir del nitrito, por la vitamina C se verificó en
la fase acuosa, pero el nitrito puede fácilmente difundirse en la fase lipídica
donde se convierte en nitrosato, amina o amidas. En esta situación, la vitamina
C podría promover la nitrosación en lugar de inhibirla. Como la vitamina E
puede perfectamente suprimir el proceso de nitrosación en la fase lipídica, la
acción cooperativa entre estas dos vitaminas ofrece la más efectiva inhibición
de la formación de compuestos N-nitrosos en una mezcla heterogénea de fases
acuosa y lipídica. La acción economizadora de la vitamina C frente a la E
ocurre también in vivo. En dos grupos de cobayas alimentados con diferentes
cantidades de vitamina C, se encontró una concentración más elevada de
vitamina E en los animales alimentados con la cantidad más elevada de
vitamina C.
5. Mecanismo de acción de los antioxidantes
Efectos sobre procesos iniciados por un radical
Los procesos biológicos en los cuales se encuentran involucrados los
radicales libres son corrientes y el más fácil de comprender es la iniciación de la
peroxidación lipídica a partir de ácidos grasos poliinsaturados. Casi todos los
fluídos biológicos contienen esta clase de ácidos grasos en los ésteres del
colesterol, triacilgliceroles y fosfolípidos, o incluso como ácidos grasos libres,
por lo tanto, la peroxidación lipídica iniciada por radicales libres supone una
cascada de reacciones muy común entre los seres vivos. En defensa de estas
reacciones ha surgido una amplia variedad de antioxidantes para contrarrestar la
acción de aquellos factores que causan la peroxidación lipídica (Figura 10).
(1) Iniciación: Es la primera etapa en el proceso de peroxidación lipídica a
partir de un ácido graso poliinsaturado (LH) cuando es agredido por una especie
radical (R·) capaz de sustraer uno de los átomos de hidrógeno del átomo de
carbono entre dos dobles enlaces. Una amplia variedad de radicales libres,
como el radical hidroxilo (OH·), el peroxilo (LOO·), el alcoxilo (LO·) o el
alquilo (L·), pueden desencadenar la reacción de iniciación. Cualquier
compuesto que sea capaz de reaccionar con estos radicales iniciadores sin
generar otra especie reactiva puede ser considerado como un antioxidante que
inhibe la iniciación.
(2) Propagación: El producto de la agresión de un radical sobre un ácido
graso poliinsaturado (LH), es un radical alquilo (L·) que puede reaccionar muy
106
Capítulo 3
rápidamente con el oxígeno molecular para formar el radical peroxilo (LOO·).
El radical peroxilo puede entonces sustraer un átomo de hidrógeno de un ácido
graso insaturado, formándose un radical alquilo (L·) y un peróxido (LOOH).
Cualquier agente que disminuya la concentración local de oxígeno y disminuye
la formación de radicales peroxilo en la peroxidación lipídica, actuará como
antioxidante. Por ejemplo, un agente reductor.
(3) Iniciación con oxígeno singlete: El oxígeno singlete (1O2), especie de
oxígeno excitada electrónicamente, puede iniciar la oxidación lipídica de
lípidos poliinsaturdos, y a ello se debe su toxicidad. Aunque los efectos del
oxígeno singlete se limitan generalmente a reacciones fotosensibilizadas, esta
especie de oxígeno puede ser generada por los eosinófilos o a partir de la
reacción del ozono con material biológico. Por ello, que este oxidante pueda
jugar un papel más amplio de lo que originalmente se pensó. Los carotenoides
(CAR) son excelentes eliminadores del oxígeno singlete, en tanto en cuanto
reaccionan a una velocidad controlada de difusión sin ser consumidos en el
proceso:
1
O2 + CAR Æ 3O2 (estado basal del oxígeno) + 3CAR
3
CAR Æ CAR + calor
_____________________________________________
suma: 1O2 Æ 3O2 + calor
Los carotenoides no sólo neutralizan el oxígeno singlete sino que también
pueden, como se comentó anteriormente, reaccionar directamente con radicales
implicados en la peroxidación lipídica.
(4) Reiniciación: Una de las vías más comunes para iniciar la peroxidación
lipídica es por medio de la rotura catalizada por metales de los peróxidos ya
presentes en el sistema. Los metales de transición, tanto los oxidados como los
reducidos, tales como el hierro y el cobre, pueden catalizar la descomposición
de peróxidos para formar radicales alcoxilo (LO·), alquilo (L·) o peroxilo
(LOO·). Todas estas especies pueden iniciar el proceso peroxidativo como se
describió en (1). En estas circunstancias, cualquier compuesto o proceso que
disminuya la concentración de hierro o cobre libres en los sistemas biológicos
actuará inhibiendo la reiniciación. Por ejemplo, proteínas que se unen a
metales, ferredoxina y ceruloplasmina.
(5) Eliminación del producto: Las reacciones de reiniciación pueden
107
Capítulo 3
también prevenirse si se elimina el peróxido (LOOH), el producto de las
primeras tres etapas de la peroxidación lipídica. Como ya se mencionó
anteriormente, este proceso implica el uso de las peroxidasas seleno
dependientes, que catalizan la reducción del peróxido al correspondiente
alcohol (LOH). Aunque la glutation peroxidasa se ha considerado que era el
primer enzima encargado de este proceso, se ha caracterizado una seleno
peroxidasa, glutation peroxidasa fosfolípido hidroperóxido, que puede
reaccionar directamente con los fosfolípidos hidroperóxidos de las membranas.
Figura 10. Etapas de la peroxidación lipídica
(6) Terminación: Los compuestos que reaccionan con la cadena que
propaga los radicales libres, tales como los radicales peroxilos o los alcoxilos, y
dan por resultado la formación de especies que no son capaces de sustraer
hidrógeno de otras moléculas, son considerados antioxidantes que rompen la
cadena. Una variedad de compuestos, como fenoles, aminas aromáticas y
polienos conjugados, pueden funcionar rompiendo la cadena de
lipoperoxidación. El α-tocoferol, se ha propuesto como el más importante
agente liposoluble antioxidante que actúa rompiendo la cadena lipoperoxidativa
en plasma humano. Otros compuestos, como los carotenoides, ubiquinol y
108
Capítulo 3
bilirubina poseen también esta propiedad. Se ha sugerido que el ubiquinol 10
protege las lipoproteínas de baja densidad humanas con más efectividad que el
α-tocoferol.
6. Causas del envejecimiento
Una célula típica de rata, como el hepatocito, puede sufrir en su DNA unas
105 agresiones por día con las especies reactivas de oxígeno. La presencia de los
productos resultantes de las interacciones de estas especies reactivas con las
macromoléculas celulares ha llevado al convencimiento de que las defensas
antioxidantes no son totalmente eficientes, que las células se encuentran
sometidas a situaciones crónicas de estrés oxidativo y que el envejecimiento es
una consecuencia de la acumulación del daño oxidativo. De todo lo anterior se
deduce que la hipótesis oxidativa del envejecimiento se basa en el progresivo e
irreversible incremento de la lesión oxidativa molecular.
La velocidad de generación de especies reactivas de oxígeno in vivo, se
evalúa mediante técnicas de citometría de flujo. Con estos medios
experimentales se ha observado en hígado de ratas, que el estado de los pares
redox tienden hacia valores más oxidados a medida que transcurre la edad, así
como los niveles de peroxidación de lípidos y de oxidación de proteínas. El
estrés oxidativo se detecta por el incremento exponencial de la carbonilación
de las proteínas, pérdida de sus grupos SH, pérdida del glutation, elevación de
la concentración de productos que reaccionan con el ácido tiobarbitúrico y por
la pérdida de la actividad catalítica de determinados enzimas. La concentración
de 8-hidroxiguanosina, un indicador del daño oxidativo al DNA, experimenta
un progresivo incremento durante el envejecimiento. De tales estudios se
deduce que el daño oxidativo molecular es ubicuo, sustancial y se eleva
exponencialmente con la edad.
7. Perspectivas y Conclusiones
Es evidente que una serie de factores genéticos y ambientales determinan
el envejecimiento y la longevidad. La manipulación de estos factores puede
alterar la expectativa de vida y el fenotipo senescente. Existen amplias
evidencias que demuestran que una mayor resistencia al estrés oxidativo
conduce a una mayor longevidad. La modificaciones de los factores
ambientales adversos, tales como evitar la exposición a carcinógenos exógenos
(radiaciones UV o ionizantes, agentes químicos, etc), la restricción dietética
109
Capítulo 3
y/o la ingesta de alimentos con alto contenido de antioxidantes, pueden elevar
la longevidad al disminuir situaciones de estrés oxidativo. Además la
identificación y modulación de la actividad de genes de longevidad y de
aquellos implicados en la reparación del DNA puede ayudar a elevar la
expectativa de vida en los humanos. Es posible que algunas enfermedades
relacionadas con el envejecimiento, debidas a la pérdida de la capacidad
proliferativa celular, pudieran ser prevenidas por restauración de la actividad
telomerasa. Finalmente, la activación de la capacidad reparadora del DNA ha de
proporcionar otra estrategia, que unida a las otras, proporcione un medio de
prevenir las enfermedades degenerativas asociadas a la edad.
8. Abreviaturas
CAT, catalasa; DFO, desferroxamina; G6P, glucosa-6-fosfato; G6PDH,
glucosa-6-fosfato deshidrogenasa; GPX, glutation peroxidasa; GRED, glutation
reductasa; GSH, glutation reducido; GSSG, glutation oxidado; GST, glutation
transferasa; H2O2, peróxido de hidrógeno; L·, radical alquilo LO·, radical
alcoxilo; LOO·, radical peroxilo; NAC, N-acetil cisteína; NADP+, nicotinamida
adenin dinucleótido fosfato (oxidado); NADPH, nicotinamida adenin
dinucleótido fosfato (reducido); O2.-, radical superóxido; ·OH, radical hidroxilo;
6PG, 6-fosfogluconato; Q, ubiquinona; QH2, ubiquinol; ROS, especies reactivas
de oxígeno (Reactive Oxygen Species); SOD, superóxido dismutasa; SQH,
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113
Capítulo 4
Capítulo 4. TELÓMEROS Y TELOMERASA
1. Introducción.
2. Estructura de los telómeros.
3. Mecanismos de alargamiento de los telómeros
4. Senescencia replicativa y acortamiento de telómeros.
5. Telomerasa y cáncer.
6. Senescencia y cáncer
7. Regulación epigenética de telómeros de mamíferos
8. Recientes aportes al rejuvenecimiento.
9. Acortamiento de telómeros y patologías relacionadas
10. Conclusiones.
11. Abreviaturas
12. Bibliografía
1. Introducción
El acortamiento de los telómeros y las alteraciones en el equilibrio redox
se han relacionado con los procesos que conducen al envejecimiento y al
cáncer. El daño oxidativo, como factor medioambiental se eleva
exponencialmente con la edad contribuyendo a la patogénesis de
enfermedades tales como el cáncer, hipertensión, diabetes, aterosclerosis etc.
Por otro lado, el envejecimiento es también un fenómeno programado
genéticamente, ya que la longevidad máxima es una característica de cada
especie. En este aspecto, se posee suficiente evidencia que demuestra que la
pérdida de la integridad de los telómeros es un importante factor en el
declinar de las funciones fisiológicas asociadas al envejecimiento y también
que telómeros y telomerasa se encuentran implicados en los mecanismos que
conducen al cáncer.
Los telómeros son complejos especializados de DNA-proteína que se
encuentran en los extremos de los cromosomas lineales y los protege de la
degradación y pérdida de genes esenciales. Los telómeros consisten en
repeticiones de nucleótidos en número variable, unidas a un complejo
multiproteico denominado shelterina/telosoma. La replicación de los
telómeros presenta un dilema especial denominado “problema de la
replicación terminal”. En el proceso de la división celular, los telómeros de
las células somáticas normales no pueden replicarse en su totalidad por el
complejo convencional DNA polimerasa y esto se debe a la diferencia en la
replicación de las dos cadenas del DNA. Para solucionar este problema la
115
Capítulo 4
mayoría de las células eucariotas utilizan la telomerasa, una
ribonucleoproteína retrotranscriptasa, que actúa alargando los extremos de
los cromosomas con una secuencia telomérica específica, utilizando como
molde una porción de su propio componente integral RNA.
En la mayoría de las células somáticas derivadas de tejidos normales, la
pérdida de la capacidad replicativa, que conlleva a la senescencia celular, se
debe al acortamiento de los telómeros asociado con la ausencia de actividad
telomerasa. Los telómeros y la telomerasa presentan un gran interés a la hora
de encontrar explicación, no sólo a los cambios relacionados con el
envejecimiento, sino también a los relativos a la tumorigénesis. Son
numerosas las alteraciones en la expresión genética que afectan la diferente
capacidad de las células para dividirse y que se encuentran implicadas en los
mecanismos que conducen, tanto al envejecimiento como al cáncer. A nivel
celular, la senescencia se ha utilizado como modelo de envejecimiento, por
tanto, el conocimiento de la senescencia celular tiene importantes
implicaciones en la salud. Observaciones iniciales sugirieron que la
senescencia celular era el resultado del acortamiento de los telómeros, pero
hallazgos más recientes apuntan que la senescencia celular está
desencadenada por lesión al DNA. De hecho, tanto el acortamiento de los
telómeros como la lesión al DNA comparten un mecanismo común y es la
vía de respuesta al daño al DNA.
Las repeticiones teloméricas se generan por una transcriptasa inversa
denominada telomerasa o TERT (telomerase reverse transcriptase). TERT
reconoce el terminal 3′-OH en el extremo de los cromosomas y añade
repeticiones TTAGGG de novo utilizando una molécula de RNA como
molde (template) o TERC (telomerase RNA component). Mientras que los
eucariotas unicelulares tienen cantidades ilimitadas de telomerasa y
mantienen los telómeros en una longitud constante, la mayoría de los
organismos multicelulares poseen cantidades limitadas telomerasa y el
acortamiento de los telómeros se verifica acoplado a la división celular,
debido a la incapacidad de las DNA polimerasas normales a copiar los
extremos terminales de los cromosomas. El acortamiento de los telómeros
puede acelerarse por acción de nucleasas y ciertos agentes que lesionan al
DNA. El acortamiento de los telómeros se observa en todos los tejidos
humanos a medida que transcurre la edad. Esto refleja el acumulo de
divisiones celulares que se asocia a la renovación tisular. El acortamiento de
los telómeros, además, es uno de los mecanismos mejor conocidos, que
impone un límite al crecimiento de células normales en cultivo, fenómeno
116
Capítulo 4
que se denomina senescencia replicativa. Una serie de patologías
relacionadas con el envejecimiento y con síndromes de envejecimiento
prematuro se caracterizan por un acortamiento rápido de los telómeros, lo
que sugiere que dicho acortamiento de los telómeros es la causa del
envejecimiento del organismo. Resultados obtenidos a partir del modelo de
ratón deficiente en Terc, demuestran un acortamiento telomérico acelerado y
una expectativa de vida más corta, que se agrava en sucesivas generaciones
hasta que la infertilidad de los machos no permite más generaciones.
Por una parte, el acortamiento de los telómeros puede promover el
envejecimiento al inducir la apoptosis y la parada del ciclo celular in vivo, lo
que conlleva a la pérdida celular, a la disfunción tisular y a la alteración de
la capacidad regenerativa de las células madre.
El interés por los telómeros, relativo a los procesos de senescencia e
inmortalidad, se basa en que el envejecimiento supone la pérdida de la
capacidad replicativa celular, mientras que la inmortalidad supone la
ganancia de un potencial replicativo ilimitado. La importancia de la relación
entre envejecimiento e inmortalidad se encuentra reforzada por el hecho que
una elevada proporción de células tumorales expresan actividad telomerasa,
mientras que la mayor parte de células somáticas normales muestran una
ausencia casi total de esta actividad. El que la actividad telomerasa se
considere una de las características de las células tumorales, hace de este
enzima un potencial objetivo terapéutico y de diagnóstico.
2. Estructura de los telómeros
Los telómeros de eucariotas son secuencias hexaméricas repetidas de
DNA, potencialmente expansionables y no codificables. Aparecen en el
extremo de los cromosomas lineales y son esenciales para el mantenimiento
de la estabilidad cromosómica, que van unidos a un complejo multiproteico
especializado conocido con el nombre shelterina/telosoma que ejerce un
papel fundamental en la regulación de la longitud telomérica y en su
protección. Consisten los telómeros en secuencias repetitivas ricas en
guanina (G) que se desarrollan en dirección 5´Æ 3´, en el extremo de los
cromosomas, con la cadena complementaria, rica en citidina (C). Las
secuencias teloméricas pueden variar entre las especies, pero cada organismo
posee la misma secuencia repetitiva en todos sus telómeros. En humanos y en
ratón dicha secuencia es TTAGGG. En el momento del nacimiento, los
telómeros de las células somáticas humanas contienen unas 15 kb del
117
Capítulo 4
fragmento TTAGGG y los ratones tienen de 25 a 40 kb. En cada división
celular se pierden de 25 a 200 bases de los extremos teloméricos. Cuando
este acortamiento ocurre entre 80 a 100 veces, la célula deja de dividirse y
envejece.
Los telómeros humanos poseen longitud variable según las diferentes
células. Por ejemplo, la de las células germinales fluctúa entre 10 y 15 kb,
mientras que la de los leucocitos de sangre periférica fluctúa entre 5 y 12 kb.
El mantenimiento de la longitud de los telómeros supone un problema en el
mecanismo de replicación celular, porque la síntesis de la cadena conductora
de la célula hija llega hasta el final del extremo 5´ de la cadena del DNA de
la célula madre, mientras que la síntesis de la cadena rezagada, al ser
discontinua, no puede replicarse hasta el final. El problema de la replicación
terminal, descubierto por Watson en 1972, se debe a que el mecanismo de
replicación del DNA en los cromosomas lineales es diferente para cada una
de las dos cadenas y es esto lo que ocasiona el acortamiento telomérico.
Los telómeros de los vertebrados terminan en una cadena 3′ que
sobresale, rica en guanina que se genera por el proceso post replicativo de la
cadena rica en citosina y que es el sustrato para la elongación telomérica
mediada por la telomerasa (Figura 1). La cadena G sobresaliente puede
doblarse e invadir la región de doble cadena del telómero y generar una
estructura de bucle conocida como bucle-T (T-loop), que esconde el extremo
3′ de la telomerasa y de las actividades de reparación y degradación del
DNA. Los bucles T representan un mecanismo primitivo para protección del
telómero. Además, el hecho de que parezcan intermediarios de
recombinación homóloga sugiere que pueden ser regulados por actividades
implicadas en esta vía de reparación del DNA.
118
Capítulo 4
Figura 1. Estructura de los telómeros. Los telómeros de mamíferos consisten en
repeticiones de la secuencia de nucleótidos TTAGGG que está unida al complejo proteíco
shelterina/telosoma. Adyacentes a los telómeros están las regions subteloméricas, que son
también ricas en DNA repetitivo (Blasco 2007, modificado).
Las repeticiones teloméricas están unidas al complejo multiproteico
shelterina/telosoma (Figura 1) que contiene factores que se unen
directamente a la cadena G sencilla que sobresale, como el heterodímero de
protección de los telómeros Pot1/TTP, y a la región telomérica de doble
cadena, como los factores de unión a las repeticiones teloméricas TRF1 y
TRF2 y sus proteínas que interaccionan Rap1 (proteína represora activadora
1) y Tin2 (proteína 2 nuclear que interacciona con TRF1). El TRF1 también
reune en los telómeros las poli(ADP) ribosilasas TANK1 y TANK2 o
tanquirasas. Se ha propuesto que las TRF1 y las proteínas que interaccionan
con TRF1 regulan la longitud telomérica mediante el control del acceso de la
telomerasa al telómero. TRF2 y Pot1 son también importantes para la
regulación de la longitud del telómero y tienen papeles adicionales en la
protección del telómero, por prevenir las fusiones entre los extremos
cromosómicos. El papel del TRF2 en la protección del telómero puede
relacionarse con la señalización del daño al DNA y factores de reparación.
El TRF2 puede interaccionar con componentes del complejo Mre11, que
es importante en la unión de terminaciones no homólogas (NHEJ) y en la
recombinación homóloga. También se ha demostrado que TRF2 interacciona
con la nucleasa XPF-ERCC1 de la reparación por escisión de nucleótidos, la
119
Capítulo 4
nucleasa Apolo y el factor de señalización del DNA. Además el TRF2 se ha
propuesto que se une a ATM y cancela la respuesta desencadenada por ATP
a la lesión al DNA, lo que sugiere que TRF2 tiene un papel que previene una
respuesta al daño al DNA en los telómeros. Un papel similar ha sido
propuesto para Pot1 basado en el hecho de que ratones deficientes en Pot1
muestran una elevada señalización al daño al DNA en los telómeros.
Componentes del NHEJ (Ku80 y DNA-PKC) y de la recombinación
homóloga (vías Rad51D, Rad54, XRCC3) se ha demostrado que también
tienen papeles en la regulación de la longitud telomérica
Figura 2. Además de la shelterina, los telómeros de mamíferos contienen también
nucleosomas que muestran modificaciones en las histonas que son características de los
dominios de heterocromatina. Además el DNA subtelomérico está fuertemente metilado.
Estas modificaciones en la cromatina en los telómeros y subtelómeros regulan negativamente
la longitud telomérica y la recombinación de los telómeros. TriM, trimetil; Dnamt, DNA
metiltransferasas. ( Blasco 2007, modificado)
Además del complejo shelterina, los telómeros y subtelómeros están
unidos a nucleosomas que están enriquecidos en modificaciones de histonas,
características de dominios constitutivos de heterocromatina (Figura 2). Las
modificaciones de las histonas incluyen la trimetilación de H3K9 H4K20
por las histona metiltransferasas supresoras de la variegación de los
homólogos 3-9 (Suv3-9h1 y h2) y supresoras de la variegación de homólogos
4-20 (Suv4-20h1 y h2), respectivamente. Además, las proteínas
heterocromatínicas HP1β, HP1γ y HP1α se unen también a los dominios
teloméricos y subteloméricos mediante su afinidad por residuos trimetilados
H3K9 (Figura 2). Estas marcas epigenéticas son características de dominios
de heterocromatina compacta y transcripcionalmente silente, tales como las
120
Capítulo 4
encontradas en la heterocromatina pericéntrica. Además, las regiones
teloméricas y subteloméricas muestran poca abundancia de H3 y H4
acetiladas (AcH3 y AcH4) y regiones de hipermetilación de DNA
subtelomérico, las cuales demuestran que los telómeros son dominios de
cromatina silenciados. La formación y mantenimiento de estos dominios
silenciados de cromatina en los telómeros se ha propuesto que actúan como
reguladores negativos de la elongación de los telómeros. En particular, la
alteración en la trimetilación de las histonas o la metilación del DNA da
lugar a telómeros anormalmente alargados como también a una elevada
recombinación entre las secuencias teloméricas.
3. Mecanismos de alargamiento de los telómeros
El principal mecanismo encargado de la elongación de los telómeros en
mamíferos es la telomerasa (Figura 3). La telomerasa contiene dos
subunidades, la retrotranscriptasa (TERT) y la molécula de RNA asociada
(TERC), y también una molécula de disquerina, proteína que estabiliza el
complejo telomerasa. La pérdida de DNA telomérico durante el
envejecimiento es probable que sea el resultado de cantidades limitantes de
actividad telomerasa en el organismo adulto, que no pueden compensar el
progresivo acortamiento de los telómeros que ocurre durante la regeneración
tisular. Esta pérdida progresiva de telómeros contribuye al envejecimiento
del organismo. Por otro lado, la gran mayoría de los tumores y líneas
celulares inmortales poseen elevados niveles de telomerasa, la cual sostiene
su crecimiento previniendo el acortamiento de telómeros y evadiendo la
senescencia y la apoptosis.
Figura 3. La telomerasa es el mecanismo principal de elongación de los telómeros. La
telomerasa consiste en dos moléculas de la subunidad Tert y dos moléculas de la subunidad
Terc que contiene el molde AAUCCC y se asocia a una molécula de disquerina (Dkc1),
proteína que estabiliza el complejo. La telomerasa reconoce el terminal 3´ de la cadena
telomérica rica en G y añade repeticiones teloméricas de novo (Blasco 2007, modificado)
121
Capítulo 4
Algunas líneas celulares inmortales y tumores que carecen de actividad
telomerasa son capaces de mantener o alargar sus telómeros mediante
mecanismos que se conocen como alargamiento alternativo de los telómeros
(ALT). En levadura y en mamíferos, se ha demostrado que ALT implica
eventos de recombinación homóloga entre secuencias teloméricas (Figura 4).
Las células ALT-positivas se caracterizan por telómeros heterogéneos, muy
cortos o muy largos al mismo tiempo, y por la co-localización de los
telómeros con un cuerpo del tipo de leucemia promielocítica (PML),
denominados cuerpos PML asociados a ALT (APB).
Figura 4. Las células deficientes en telomerasa pueden también mantener sus telómeros
mediante recombinación homóloga entre los telómeros, un mecanismo conocido como
alargamiento alternativo de los lelómeros (ALT) (Blasco 2007, modificado).
Los mecanismos ALT están también activados en ratones deficientes en
Terc, en fibroblastos embrionarios y en células madre embrionarias, y
durante la formación del centro germinal, lo que indica que los mecanismos
ALT pueden ser seleccionados también en ambientes no tumorales. Sin
embargo, mientras que ALT puede rescatar la viabilidad de cepas de
levadura deficientes en telomerasa, no puede rescatar la viabilidad de ratones
deficientes en Terc, lo cual muestra que los mecanismos ALT no operan para
rescatar la supervivencia de organismos multicelulares. El hecho de que
ALT está en su mayor parte restringido en ratones deficientes en Terc, como
también en líneas celulares inmortales y en tumores, indica la existencia de
mecanismos que reprimen activamente a ALT en células normales. Datos
recientes indican que componentes del complejo shelterina, tales como Pot1
122
Capítulo 4
y TRF2, o proteínas que interaccionan con TRF2, tales como WRN, pueden
influenciar la recombinación telomérica y son reguladores potenciales de
ALT. De igual manera, la metilación del DNA subtelomérico y la metilación
de las histonas de los telómeros, son represores potentes de la recombinación
telomérica y de la activación de ALT. Sin embargo, una relación causal
entre la activación de ALT en tumores y defectos en estos reguladores de la
longitud telomérica está todavía pendiente de aclarar
4. Senescencia replicativa y acortamiento de telómeros
Hayflick y Moorhead, en los años sesenta, observaron en cultivo de
fibroblastos humanos normales una capacidad limitada de dividirse. Las
células después de un número definido de divisiones dejaban de proliferar y
entraban en un estado que él denominó, de senescencia replicativa. Al
momento final de la vida proliferativa lo denominaron "límite Hayflick", y
fijaron entre 50 y 100 la capacidad de duplicacion que una célula somática
podía sufrir. La senescencia replicativa o senescencia celular, en el límite
Hayflick se caracteriza por una inestabilidad cromosómica y salida del ciclo
celular, además de diversos cambios bioquímicos y morfológicos. Las células
senescentes post-mitóticas, una vez que atraviesan el límite Hayflick, pueden
permanecer activas, y mantener su viabilidad por períodos amplios de
tiempo, siempre que se mantengan las condiciones apropiadas de cultivo. La
senescencia replicativa se ha demostrado también in vivo en células de
donantes de diferentes edades, lo que refleja la existencia de un reloj mitótico
que actúa contabilizando el número de divisiones celulares.
El proceso del envejecimiento se relaciona con el acumulo de
alteraciones en el DNA, debido a agentes que lesionan la propia molécula o a
errores en su síntesis. Entre las diferentes alteraciones típicas del
envejecimiento, que conducen a la inestabilidad genética, el acortamiento de
los telómeros representa uno de los cambios estructurales más importantes.
Se ha detectado una disminución en la longitud de los telómeros en células
de donantes de edad elevada y de cultivos celulares senescentes, lo que
indica que el acortamiento telomérico se considera un marcador del
envejecimiento.
La senescencia replicativa puede ser retrasada o eludida, permitiendo así
a la célula entrar en la inmortalidad. Se ha propuesto un modelo de dos fases
para controlar el ciclo celular. Al llegar al límite de Hayflick o límite de
mortalidad 1 (M1), las células salen del estado proliferativo y entran en el
123
Capítulo 4
estado senescente. En presencia de oncogenes víricos las células se
transforman por inhibición de los genes supresores de tumores, p53 y Rb,
escapan de la senescencia y adquieren una ampliación de su periodo
replicativo en el que siguen perdiendo telómeros (Figura 5). Esa ampliación
no es ilimitada y finaliza en el estado de crisis o estado de mortalidad 2
(M2), que se asocia con inestabilidad cromosómica y muerte celular.
Algunas células emergen de la crisis, y al activarse en ellas la telomerasa,
adquieren la inmortalidad. Por tanto, el estado M1 es el primero de los dos
mecanismos independientes, responsable de la senescencia replicativa, estado
en el que aún quedan repeticiones teloméricas suficientes. Si M1 se
sobrepasa, se evade la entrada en senescencia, pero el acortamiento
telomérico prosigue y conduce a las células al estado de mortalidad 2 o
estado de crisis, donde los cromosomas han perdido ya la función protectora
de los telómeros, se vuelven inestables y es cuando la célula ha de morir. La
reactivación de la actividad telomerasa estabiliza el acortamiento de los
telómeros, la célula escapa de M2 y entra en la inmortalidad celular y de
ahí al Cáncer.
Figura 5. Telómeros y telomerasa: senescencia e inmortalidad celular que conduce al
cáncer. La telomerasa es activa en células germinales, pero se encuentra reprimida en la
mayor parte de las células somáticas normales. En ausencia de telomerasa, los telómeros se
acortan en cada división. El estado de mortalidad 1 (M1) o límite Hayflick, se inicia cuando
aún permanecen varias kilobases de repeticiones teloméricas y las células entran en
senescencia replicativa por parada del crecimiento. El estímulo que induce la parada del
crecimiento son las señales de lesión del DNA que se emiten como respuesta a la pérdida
telomérica. En estas condiciones, si se inactivan las proteínas p53 y Rb, las células pueden
continuar dividiéndose y acortando sus telomeros hasta llegar a un estado de crisis o estado
de mortalidad 2 (M2) que conlleva a la muerte celular. Si en este momento se activa la
telomerasa la célula puede evadirse del estado M2, mantener sus telómeros, seguir
proliferando y convertirse en inmortal.
124
Capítulo 4
El progresivo acortamiento de telómeros provoca la pérdida de parte de
los de los 92 telómeros que se encuentran en una célula diploide humana.
Aunque aún permanezca una proporción de varias kilobases en cada uno de
los telómeros, como las repeticiones teloméricas tienen la misión de proteger
los extremos de los cromosomas, la pérdida de esas repeticiones es motivo
suficiente para que la célula se sienta desprotegida y emita señales de lesión
del DNA que actúen previniendo la proliferación. Se ha observado que la
pérdida de un simple telómero en una célula de S. cerevisiae causa la parada
del ciclo celular. Se considera que dos proteínas por lo menos, la p53 y la
p21 se encuentran implicadas en el momento en el que la lesión del DNA
controla la progresión del ciclo celular. La expresión de p53 se induce
inmediatamente cuando se lesiona el DNA, ya que el acortamiento
telomérico puede hacer sentir a la célula la lesión del DNA en su doble
cadena, lo que le hace activar la expresión de la proteína p53. Esta proteína
induce a su vez la expresión de la proteína p21, que posee capacidad para
unirse al antígeno nuclear de proliferación celular (PCNA), e inhibir
directamente al complejo de replicación del DNA y la actividad de las
quinasas dependientes de ciclina. Además, la fosforilación de factores, como
la proteína Rb, por las mencionadas quinasas, es uno de los requerimientos
para la progresión del ciclo celular. Contando con todo ello, se postula una
triple hipótesis para explicar la inducción del fenotipo senescente o estado de
senescencia replicativa M1:
(1) Un cromosoma que ha perdido secuencias teloméricas se asemeja a
un DNA con rotura en sus dos cadenas, y desencadena la emisión de señales
de lesión del DNA; esta señal induce la expresión de las proteínas p53 y p21;
p21 inhibe la actividad de las quinasas dependientes de ciclina; estas
quinasas al estar inhibidas no pueden fosforilar la proteína Rb; y la no
fosforilación de Rb unida a otras acciones de p21 y p53, ocasiona la parada
del ciclo celular.
(2) Los telómeros pueden unirse o secuestrar factores de transcripción
que activan o reprimen una serie de genes. Así como los telómeros se van
acortando, los factores de transcripción quedan en libertad y pueden ser
capaces de unirse a sitios intragenómicos importantes donde pueden actuar
reprimiendo o activando genes implicados en la progresión del ciclo celular o
en la diferenciación. Existe un precedente en levadura que apoya esta idea,
donde la proteína Rap1 asociada a los telómeros, secuestra factores
silenciadores que pueden actuar en sitios no teloméricos cuando quedan
liberados.
125
Capítulo 4
(3) Un tercer modelo indica que la estructura heterocromatínica del DNA
cerca de la región telomérica, puede reprimir genes reguladores (por ejemplo,
factores de transcripción), que frenan el crecimiento y alteran la
diferenciación celular. En tanto en cuanto los telómeros se acortan, la
heterocromatina disminuye, con lo cual desaparece la represión de los
reguladores. También aquí tenemos un precedente en la levadura que silencia
el lugar cerca de los telómeros. Una hipótesis relacionada explica que la
pérdida de genes silenciadores o cambios en la estructura de la cromatina
pueden, independientemente de los telómeros, inducir el fenotipo senescente.
De todo lo anteriormente expuesto se deduce que las células normales
sufren un número finito de divisiones celulares y al final ingresan en un
estado no proliferativo denominado senescencia celular o replicativa y se ha
propuesto que el acortamiento de los telómeros es el reloj biológico que
desencadena la senescencia. Para comprobar esta hipótesis Bodmar et al.
han investigado en líneas celulares humanas telomerasa-negativas
transfectadas con vectores que codifican la subunidad catalítica de la
telomerasa humana y han observado que los clones control telomerasa
negativos exhibían acortamiento de telómeros, mientras que los clones
transfectados, que expresaban la telomerasa, alargaban sus telómeros, se
dividían vigorosamente, mostraban menor actividad β-galactosidada
(biomarcador de la senescencia) y habían sobrepasado su expectativa de vida
en 20 divisiones más. Con estos hallazgos se ha establecido una relación
causal entre el acortamiento de los telómeros y la senescencia celular in vitro.
La capacidad de mantener las células normales humanas en un estado
fenotípico joven puede aportar numerosas aplicaciones a la medicina.
Se ha considerado anteriormente que la replicación incompleta de los
extremos de los cromosomas, podía ser la causa de la pérdida gradual del
potencial proliferativo en la senescencia replicativa. Sin embargo, la primera
evidencia acerca de que la pérdida de los telómeros ocurría durante el
envejecimiento celular fue obtenida por Harley et al., analizando fibroblastos
humanos en cultivo, en los cuales la longitud media de los fragmentos
terminales de restricción decrecía de una manera dependiente de la
replicación. Esta disminución se relacionaba también con la senescencia in
vivo, ya que, tanto en fibroblastos como en linfocitos de sangre periférica, la
longitud de estos fragmentos en donantes viejos era más corta que en los
donantes más jóvenes. Por el contrario, la longitud de los telómeros no
decrecía en células inmortalizadas in vitro, en células tumorales o en células
germinales, que expresaban la telomerasa. Tales resultados han llevado a
126
Capítulo 4
proponer que durante las sucesivas rondas de replicación del DNA, la
progresiva pérdida de las secuencias teloméricas ocurre en células normales
somáticas hasta que un acortamiento crítico en la longitud de los telómeros
llega a percibirse como lesión en el DNA y obliga a las células a salir del
ciclo celular. Las células inmortales necesitan un mecanismo que estabilice
los extremos de los cromosomas y para ello se necesita la expresión de la
telomerasa. Esta hipótesis del envejecimiento relacionada con la longitud de
los telómeros es atractiva porque proporciona el mecanismo molecular que
contabiliza el número de divisiones celulares en las células somáticas
normales. Sin embargo, estudios recientes han revelado una panorámica más
compleja. Se han identificado líneas celulares inmortales telomerasanegativas y también se ha detectado que el tratamiento de líneas humanas de
linfocitos B y T inmortales con inhibidores de la transcriptasa inversa, reduce
la actividad de la telomerasa con ningún efecto sobre el fenotipo inmortal.
Por otro lado, algunas células somáticas normales poseen actividad
telomerasa, aunque sus telómeros continúan acortándose con cada ronda de
replicación. La actividad telomerasa en varias células somáticas híbridas no
se relaciona con su capacidad para sufrir la senescencia o continuar
proliferando, lo que demuestra que algunos híbridos senescentes continúan
expresando telomerasa. Estos datos sugieren que la actividad telomerasa por
sí misma, no mantiene la longitud de los telómeros, e indican la existencia de
mecanismos alternativos que alargan los telómeros (ALT) estabilizadores de
los extremos de los cromosomas, independientes de la telomerasa. Existen
observaciones adicionales no reconciliadas con la hipótesis de los telómeros,
debido a que se ha comprobado que dos células hijas pueden poseer potencial
proliferativo muy diferente, hasta en 30 duplicaciones, y también se ha
detectado, que con una serie de manipulaciones experimentales se puede
incrementar significativamente el período vital de fibroblastos humanos
5. Telomerasa y cáncer
Para que una célula adquiera la malignidad se necesita que ocurran en
ella alteraciones genéticas múltiples y que una vez inmortal prolifere y
origine crecimiento tumoral y metástasis. Como resultado la célula requiere
mecanismos para mantener la funcionalidad de los telómeros. A estas
conclusiones se ha llegado al detectarse actividad telomerasa en muestras
tumorales y no en los tejidos adyacentes y ha hecho suponer que las células
cancerosas deben reactivar la telomerasa antes de que se establezca una
malignidad agresiva. La actividad telomerasa se convierte así en un marcador
excelente de la malignidad y proporciona un medio valioso para el
127
Capítulo 4
diagnóstico de tumores. También se ha sugerido que la telomerasa puede ser
un indicador útil para la progresión de un cáncer, frente a un tratamiento de
quimioterapia en un determinado paciente. Además de todo esto, la
capacidad de la telomerasa para mantener el crecimiento tumoral puede ser
interesante, ya que la inhibición de su actividad o de su expresión génica
puede originar la reversión del tumor. Sin embargo, el que la telomerasa sea
requerida para la inmortalidad celular o para el crecimiento tumoral es un
hecho discutible, pues algunos tumores y líneas celulares inmortales no
contienen telomerasa detectable. Por tanto, es probable que la telomerasa no
siempre sea necesaria para la inmortalidad celular o para el crecimiento
tumoral, a pesar de que más de un 85% de los cánceres humanos estudiados
expresen este enzima.
La telomerasa, al igual que otras polimerasas, depende de las
interacciones entre sus componentes proteicos y el DNA. Estas interacciones
estabilizan el complejo antes de la iniciación de la polimerización y ayudan a
traslocar el telómero recién ampliado para que comience otra ronda de
síntesis. Se ha descubierto la existencia de una desviación clave en el control
del envejecimiento celular. En la mayor parte de los tejidos los telómeros se
acortan cada vez que la célula se divide hasta que los cromosomas se
encuentran tan desprotegidos (deshilachados), que la célula se torna
senescente. Pero en las células embrionarias, en aquellas que generan los
óvulos y espermatozoides (germinales), y en las cancerosas, la telomerasa
reconstruye los telómeros después de cada división manteniendo intacta la
longitud telomérica. Investigadores de la Universidad Rockefeller en Nueva
York (De Lange et al.), han descubierto en células humanas, la primera
proteína enzimática de enlace al DNA específica de los telómeros, que
controla la actividad de la telomerasa. Este enzima, que ellos han
denominado tanquirasa, facilita la acción de la telomerasa porque elimina la
proteína que bloquea el acceso de la telomerasa a los extremos de los
cromosomas. Si este enzima juega realmente este papel, se ha abierto un
interesante camino para desarrollar compuestos que aprovechen la actividad
de la tanquirasa para controlar el período vital proliferativo. Los compuestos
que la activen podrán poner en marcha la actividad telomerasa en células
utilizadas en terapias génicas con el objeto de retrasar la entrada en
senescencia. Por el contrario, agentes anticáncer podrán trabajar inhibiendo
la tanquirasa y con ello impidiendo el acceso de la telomerasa al telómero y
así devolver la senescencia y la mortalidad a células cancerosas
inmortalizadas.
128
Capítulo 4
La estructura de la tanquirasa proporciona algunos indicios clave de
como debe actuar. Posee 24 repeticiones anquirina, que en otras proteínas se
encuentran implicadas en las interacciones proteína-proteína. Otra sección de
la tanquirasa se parece catalíticamente a la región activa de otro enzima
denominado poli (ADP) polimerasa, (PADPP). La PADPP interviene
activamente en la reparación del DNA, modificando por ADP-ribosilación,
a proteínas del complejo molecular que genera el DNA nuevo y a si misma.
La actividad PADPP se basa en sustraer ADP-ribosa de un nucleótido, el
NAD+, y adicionarlo a proteínas específicas. Para ver si la tanquirasa
muestra un comportamiento catalítico semejante, se puso en contacto en el
tubo de ensayo los tres componentes: NAD+, TRF-1 (factor de enlace a las
repeticiones teloméricas), y la tanquirasa y se encontró que este enzima
añadía residuos de ADP-ribosa a sí misma y al TRF-1. Normalmente el
TRF-1 se encuentra unido al DNA, pero cuando la tanquirasa es activa puede
ADP ribosilar al TRF-1. Es durante, o quizás después, de la replicación del
DNA, cuando la tanquirasa modifica el TRF-1 de tal forma que éste
abandona los telómeros y permite el acceso a la telomerasa, para que ésta
actúe reemplazando los telómeros perdidos durante la replicación.
6. Senescencia y cáncer
La capacidad limitada de las células a dividirse más allá de un número
definido de duplicaciones celulares (potencial de crecimiento definido),
conlleva a la senescencia replicativa o estado de parada irreversible del
crecimiento que depende de la edad o de las duplicaciones de una célula. Por
ello, la senescencia celular supone la pérdida de la capacidad replicativa.
Por inmortalización celular se conoce aquella capacidad celular de
proliferación indefinida. En organismos multicelulares de vida larga, la
inmortalidad celular o potencial de crecimiento ilimitado, puede ser
considerada como una evasión anormal de la senescencia celular. La
inmortalidad celular supone, por tanto, la ganancia de la capacidad
replicativa indefinida.
Hasta hace muy poco se ha considerado que cáncer y envejecimiento
eran dos campos completamente separados, con una sola conexión y es que
la incidencia del cáncer crece a medida que transcurre la edad. Sin embargo,
esta idea está experimentando cambios y hoy se puede decir que
envejecimiento y cáncer son dos caras de una misma moneda. En una
reciente revisión de Serrano y Blasco se discuten los mecanismos
convergentes y divergentes que gobiernan el envejecimiento y el cáncer. El
129
Capítulo 4
envejecimiento es un fenómeno complejo, regulado a nivel genético, en el
que se encuentran implicados un gran número de procesos moleculares y
fisiológicos. El cáncer es también un proceso complejo y, al igual que el
envejecimiento, no es posible encontrar un mecanismo simple que explique
todos los cambios bioquímicos que ocurren durante su desarrollo. El mayor
logro ha sido la hipótesis unificada del origen genético de la mayoría de
cánceres, ya que hoy no se duda que la mayoría de ellos surge por
mutaciones en múltiples genes que afectan al crecimiento normal de una
célula. Envejecimiento y el cáncer están desencadenados por acumulación de
daño celular de manera que aquellos mecanismos que protegen a la célula de
sufrir ese daño, proporcionan protección contra el cáncer y contra el
envejecimiento. A la vez, cáncer y longevidad, requieren un potencial
proliferativo celular. Sin embargo, aquellos mecanismos que limitan la
proliferación proporcionan protección frente al cáncer, pero favorecen el
envejecimiento.
Al enfrentar los conceptos senescencia y cáncer surge la siguiente
pregunta: ¿Puede la senescencia proteger contra el cáncer? El cáncer es una
enfermedad cuya principal característica es la proliferación celular
incontrolada y cualquier mecanismo que pueda frenar este proceso puede,
potencialmente, interrumpir su progresión. La inducción natural de la
senescencia, mediada por el acortamiento de los telómeros, puede ser un
mecanismo ideado a lo largo de la evolución para prevenir el cáncer en
especies de larga vida. Sin embargo, el cáncer surge por evasión de los
controles senescentes mediante la acumulación de mutaciones que afectan a
los genes supresores, que son los controladores clave del crecimiento.
Existe un consenso general que el acumulo de lesión celular es el
acontecimiento inicial de envejecimiento y cáncer. El cáncer se desarrolla
por acumulo de daños genéticos y epigenéticos. De igual manera, el
envejecimiento ocurre debido al acumulo de lesión a las macromoléculas,
que va a conducir a una alteración en la regeneración tisular. Así que,
aquellos mecanismos que protegen las células de sufrir lesión protegen del
cáncer y del envejecimiento. Otros mecanismos tienen efectos opuestos sobre
cáncer y envejecimiento, protegiendo del cáncer, pero promoviendo el
envejecimiento. Entre estos mecanismos están el acortamiento telomérico y
la desrrepresión del locus INK4a/ARF, cuyo propósito es prevenir la
excesiva proliferación celular, lo cual produce efectos contrarios en cáncer y
en envejecimiento. Mientras la protección frente al cáncer produce un efecto
beneficioso para el organismo, la longevidad y la regeneración resultan
130
Capítulo 4
limitadas. Estos mecanismos divergentes están diseñados para prevenir del
cáncer no para promover el envejecimiento.
La formación de un tumor requiere múltiples cambios genéticos
independientes, seguidos de la expansión clonal. Si se considera que la
frecuencia de mutaciones espontáneas es aproximadamente de una entre un
millón, se necesita al menos un millón de células para que ocurra, con
probabilidad razonable, una mutación. Estas mutaciones han de acumularse
en la misma célula y por tanto han de tener lugar una serie de expansiones
clonales. Como se requiere que la célula se duplique 20 veces para generar
un millón de células, cada mutación deberá ir acompañada por 20 divisiones.
Asumiendo que sean necesarias 5 mutaciones en una misma célula para que
surja el cáncer, dicha célula ha de dividirse 100 veces para llegar a la
malignidad. La pérdida de células por apoptosis o la inhibición de la
proliferación por senescencia ponen límite, en gran manera, al número de
células en el tumor. Teniendo en cuenta que la mayoría de las células
humanas solo se divide 50 - 70 veces, la senescencia celular actuará a modo
de freno efectivo sobre la proliferación de células que han acumulado
algunas mutaciones (Figura 6).
Se ha propuesto que la senescencia celular se controla por una familia de
genes que se activan al final de la vida proliferativa y conducen a la célula al
estado senescente. La inmortalidad sólo ocurre cuando los genes senescentes
acumulan defectos y pierden su operatividad, lo cual permitirá a la célula
escapar del programa de la senescencia. La telomerasa se re-expresa en la
mayoría de los tumores y líneas celulares inmortalizadas, mientras que en la
mayoría de células normales somáticas no posee actividad porque existe un
mecanismo genético represor de la actividad telomerasa. Las células
tumorales y las inmortales han perdido o inactivado el gen represor putativo
(Figura 7). En apoyo de estas hipótesis, Oshimura y Barret, han conseguido
experimentalmente la restauración de la senescencia celular en células de
carcinoma renal (RCC23) mediante la introducción de un cromosoma 3
normal.
La repercusión fisiológica de la senescencia celular es muy interesante ya
que supone un mecanismo supresor de tumores al prevenir a la célula de la
adquisición de mutaciones múltiples que la llevarían a la transformación
maligna. Muchos tumores poseen células con un potencial indefinido de
división de modo que el proceso tumorigénico selecciona a aquellas células
que pueden total o parcialmente evadir la senescencia. Ciertos oncogenes
131
Capítulo 4
(celulares o víricos) actúan ampliando el período de vida proliferativo. Por
ello las mutaciones oncogénicas y las estrategias de los virus oncogénicos
acarrean la activación de mecanismos que pueden evadir el estado
senescente. Entre los genes necesarios para establecer y mantener la
senescencia están p53 y Rb, genes supresores de tumores, que son los que se
pierden más fácilmente en la mayoría de tumores humanos. La supresión
tumoral es el valor adaptable de la senescencia ya que, cualquier proceso
limitante del crecimiento puede suprimir la tumorigénesis.
Figura 6. La formación de un tumor requiere muchos cambios genéticos independientes
y expansión clonal.
132
Capítulo 4
La senescencia celular o replicativa es una parada irreversible de la
proliferación celular unida a una alteración en la función celular, que se
encuentra controlada por múltiples genes y no depende del tiempo sino del
número de divisiones celulares. Las células senescentes adquieren tres
características:
(1) frenan su crecimiento cuando se encuentran en la fase G1 del ciclo
celular por perdida de la capacidad de entrar en la fase S (síntesis del DNA)
en respuesta a mitógenos, y poseen un contenido diploide de DNA. Las
células senescentes permanecen activas desde el punto de vista metabólico y
aunque muchos genes se mantienen todavía inducibles, existen represiones
en genes reguladores clave del crecimiento o superexpresiones en genes tales
como los inhibidores de la quinasa dependiente de ciclina (CDI);
(2) las células senescentes por su estado no proliferativo irreversible, se
asemejan a las células diferenciadas terminales y
(3) las células senescentes adquieren resistencia a la apoptosis y son
bastante estables (Figura 7).
La conexión entre la senescencia replicativa, la inmortalización y el
acortamiento de telómeros se encuentra en la actualidad sometida a una
intensa investigación. No está claro el mecanismo que utiliza la célula para
frenar la proliferación, una vez que la longitud de los telómeros ha alcanzado
el estado de mortalidad 1 o límite Hayfick, como tampoco lo está cuando se
activa la telomerasa en el momento crítico del estado de mortalidad 2, para
que las células inmortales mantengan su longitud telomérica. La posibilidad
de que la manipulación de la longitud de los telómeros pudiera alterar la
entrada en el estado senescente y afectar las enfermedades degenerativas del
envejecimiento, presenta un escenario atractivo en el que se necesita
encontrar explicación al papel todavía misterioso de este fascinante elemento
de los cromosomas.
133
Capítulo 4
Figura 7. Vías múltiples hacia la senescencia celular. (A) En las células normales la
actividad telomerasa está reprimida por el gen represor de la telomerasa, aunque otros genes
funcionan normalmente conduciendo a la senescencia. (B) Algunas vías están alteradas
(genes A, B y C), pero las células aún envejecen porque la actividad telomerasa se encuentra
reprimida. (C) La alteración del gen represor de la telomerasa activa la telomerasa, sin
embargo, como el gen B de senescencia funciona normalmente la célula envejece. (D) Si todos
los genes se encuentran alterados y se desreprime el gen de la telomerasa se evade la
senescencia, lo cual conduce a la inmortalidad celular
7. Regulación epigenética de telómeros de mamíferos
Trabajos recientes de Blasco, estudian la regulación epigenética de los
telómeros. Ya se ha comentado con anterioridad que los telómeros están
formados por repeticiones de TTAGGG unidas a un complejo multiproteico
134
Capítulo 4
especializado, conocido como shelterina/telosoma, que actúa sobre la
regulación de la longitud telomérica y en su protección. Las regiones
subteloméricas, localizadas en la región adyacente a la telomérica están
compuestas también por DNA repetitivo y contienen genes de baja densidad.
El funcionamiento de los telómeros requiere una longitud mínima de
repeticiones TTAGGG y la integridad del complejo shelterina/telosoma. La
longitud telomérica se mantiene por la telomerasa, transcriptasa inversa que
añade repeticiones teloméricas de novo, después de cada división, para
contrarrestar el problema de la replicación terminal en aquellos tipos
celulares en los que se expresa la telomerasa. También se ha comentado, que
existen vías alternativas para mantener la longitud telomérica, descrita como
ALT, que depende de la combinación homóloga entre secuencias
teloméricas.
La mayoría de las células adultas, incluyendo las células madre, pierden
los telómeros progresivamente durante la división celular y se ha propuesto
que este acortamiento telomérico es un factor limitante en la vida humana y
contribuye al desarrollo de patologías relacionadas con el envejecimiento. La
evidencia firme que se posee procede de estudios de la deficencia en la
telomerasa en modelos experimentales en ratón y de algún caso de
disqueratosis congénita (fallo en la médula ósea caracterizado por
inestabilidad genética y elevado riesgo de cáncer), y anemia aplásica, que
muestra pérdida prematura de renovación de tejido asociada con menos
actividad telomerasa y telómeros cortos. Por el contrario, la gran mayoría de
cánceres humanos tienen elevada actividad telomerasa aberrante o tienen
activados los mecanismos ALT, lo cual les permite mantener los telómeros y
dividirse indefinidamente.
Un aspecto importante de la regulación y funcionamiento de los
telómeros y de regiones subteloméricas es su estructura cromatínica. Los
telómeros de mamíferos como los de la mosca Drosophila, tienen
características de la heterocromatina, como indica el hecho de que pueden
silenciar genes cercanos. La cromatina telomérica en humanos contiene
nucleosomas que muestran un espacio débilmente alterado comparado con la
cromatina no telomérica. No obstante, los detalles moleculares de la
estructura de la heterocromatina telomérica humana permanece desconocida.
Recientes estudios han demostrado que la cromatina telomérica y
subtelomérica del ratón contiene modificaciones en las histonas que son
comunes en la heterocromatina y que el DNA subtelomérico puede metilarse.
135
Capítulo 4
Además, evidencias cada vez más firmes indican la existencia de conexiones
funcionales entre estas marcas epigenéticas y la homeostasis de la longitud
de los telómeros. Alteraciones en las modificaciones de las histonas en la
cromatina telomérica o en la metilación del DNA en regiones subteloméricas,
se relacionan con la alteración en la longitud de los telómeros, lo que apunta
a una estructura de mayor órden en los telómeros, que está regulada
epigenéticamente y que es importante para el control de la longitud
telomérica.
La cromatina de los telómeros tiene varias características similares a la
de la heterocromatina de las regiones pericentroméricas, tal como la
capacidad de silenciar genes cercanos. Este fenómeno se conoce como efecto
de posición telomérica (TPE). El TPE en células humanas está influenciado
por la longitud telomérica e implica la hipoacetilación de las histonas y
puede alterarse por tratamiento con inhibidores de la desacetilasa SIRT. Los
telómeros y subtelómeros de mamíferos también tienen similitudes con
regiones pericentroméricas en términos de composición de la secuencia y
contenido en genes; ambos están caracterizados por un elevado contenido en
repeticiones de DNA y aunque los telómeros no contienen genes, los
subtelómeros como las regiones pericentroméricas son pobres en genes, al
igual que el TPE en células humanas. Sin embargo, al contrario que en
levadura, donde sólo las repeticiones subteloméricas contienen nucleosomas,
en humanos, los telómeros y subtelómeros contienen nucleosomas.
Como consecuencia de las observaciones del TPE en humanos, muchas
marcas que generalmente se encuentran en la heterocromatina, pueden
encontrarse en telómeros de mamíferos. En particular, al igual que en las
regiones pericentroméricas de mamíferos, la trimetilación de H3K9
(trimetilación en la lisina 9 de la histona 3) y de H4K20 (trimetilación en la
lisina 20 de la histona 4) se han identificado en los dominios teloméricos y
subteloméricos de mamíferos. Estas modificaciones se llevan a cabo por las
histonas metiltransferasas. En el caso de H3K9 los enzimas responsables de
la trimetilación son los SUV3-9H1 y SUV3-9H2, mientras que la
trimetilación de la H4K20 se realiza por los SUV4-20H1 y SUV4-20H2.
Proteínas de la familia del retinoblastoma supresora de tumores Rb 107 y
130 interaccionan con SUV4-20H1 y SUV4-20H2 para mantener la
trimetilación de H4K20 en la cromatina telomérica y pericéntromérica. Los
telómeros humanos y murinos se encuentran también enriquecidos en HP1
(isoformas de proteínas de la heterocromatina). Además, las repeticiones
teloméricas y subteloméricas de mamíferos se caracterizan por bajos niveles
136
Capítulo 4
de H3 y H4 acetiladas. Las observaciones que la TPE humana se revierte
cuando TRF1 se sobreexpresa y aumenta cuando los telómeros se alargan,
sugieren que los componentes de la shelterina/telosoma pueden afectar el
status epigenético de los telómeros por su capacidad de regular su longitud.
Las alteraciones en la metilación del DNA y en la modificación de las
histonas son comunes en cáncer humano. Dado que la estructura de la
cromatina afecta la regulación de los telómeros, estos cambios epigenéticos
pueden ser una importante conexión entre la alteración de los telómeros y el
desarrollo del cáncer. En particular, tumores que muestran hipometilación en
el DNA o menor trimetilación en has histonas H3K9 y H4K20, en regiones
teloméricas puede pronosticarse que favorecen la activación de los
mecanismos de elongación de telómeros (telomerasa o ALT), lo cual, a su
vez, puede sostener el crecimiento tumoral en ausencia de telomerasa.
Defectos en la metilación del DNA se han asociado a otras enfermedades.
El hallazgo de que los cambios epigenéticos en la cromatina telomérica y
subtelomérica se asocian con telómeros muy cortos, sugiere que el
acortamiento telomérico en las patologías relacionadas con la edad, puede ser
el resultado de defectos epigenéticos en los telómeros. Esto puede favorecer
el desarrollo del cáncer por activación del mantenimiento de los telómeros
por mecanismos tales como telomerasa o ALT. Finalmente, un número de
factores ambientales (tabaco, obesidad, estrés), acelera la tasa de
acortamiento de los telómeros y puede ejercer impactos en la modificación
de la cromatina en los telómeros y en la expresión de genes subteloméricos.
8. Recientes aportes al rejuvenecimiento.
La relación entre telómeros y envejecimiento se conoce desde 1990 a
raíz de las investigaciones de Harley y Carol Greiden. Esta última junto con
Elizabeth Blackburn, fueron en 1984, las descubridoras de la telomerasa,
enzima que alarga los telómeros, cuya ausencia es causa de una parte
importante de los efectos adversos del envejecimiento. Estudios previos
también habían observado que elevando la cantidad de esta enzima se corría
mayor riesgo de cáncer
El aumento combinado de la telomerasa y de ciertos supresores
tumorales ha dado como resultado un ratón transgénico que es más resistente
al cáncer y envejece mucho más tarde. María Blasco y sus colaboradores han
desarrollado un superratón en el que se han conseguido dos cualidades:
137
Capítulo 4
aumentar la longevidad y potenciar la resistencia al cáncer. La fórmula de
este complejo hallazgo se ha basado en elevar la telomerasa en ratones
resistentes al cáncer. Estos científicos han creado, por un lado, un ratón
resistente al cáncer y, por otro, un ratón con mayor cantidad de Tert, gen que
codifica la proteína responsable de la regeneración de los telómeros. Se ha
creado un ratón en el que conjugan el aumento de la longevidad y la
resistencia al cáncer, en base al incremento de la expresión de Tert, que es
uno de los dos genes que forman la telomerasa, en combinación con un
aumento en la expresión de los supresores tumorales p53, p16INK y
p19ARF.
El resultado del cruce de ratones modificados genéticamente ha dado
lugar a un superratón de laboratorio, que envejece más tarde, vive más y es
resistente al cáncer. Este superratón presenta una buena coordinación
neuromuscular a edades avanzadas, además de una mayor y mejor tolerancia
a la glucosa, lo que supone menor riesgo de diabetes. Además, los tejidos de
la piel y del tracto digestivo se mantienen como en ratones jóvenes durante
más tiempo. Es la primera vez que se desvela que la telomerasa puede frenar
el envejecimiento. Estos autores han encontrado que el envejecimiento es un
proceso muy robusto, ajustado de manera estricta a lo largo de la evolución,
que para modularlo de manera efectiva en un mamífero no basta con
manipular solo gen, sino que hay que hacer combinaciones de genes. El
nuevo paso dado por el equipo de los investigadores antes citados, ayuda a
desvelar los genes que son importantes para determinar y/o ajustar la
esperanza de vida de las especies sin aumentar con ello el riesgo de cáncer.
Según palabras de María Blasco: “aumentar a la vez la resistencia al cáncer y
los genes de longevidad es una manera efectiva de alargar la vida de manera
significativa”.
Sobre las futuras implicaciones clínicas, Blasco matiza que, aunque no
podemos conseguir humanos transgénicos, la función de los genes se puede
mimetizar con fármacos. Ya hay algunos que aumentan la cantidad de p53 y
también de telomerasa. Actualmente están en fase clínica para el cáncer
(p53) y para enfermedades de envejecimiento precoz debido a acortamiento
prematuro de los telómeros (Tert).
Los ratones diseñados con más cantidad de TERT/p53 y
p16INK/p19ARF, son los que han dado lugar al superratón antes
mencionado, cuyo organismo envejece más tarde y vive más. De hecho, se
comportan como ratones jóvenes a edades avanzadas y tienden a vivir un
138
Capítulo 4
promedio de un 40% más que los normales, lo que trasladado a los humanos
equivaldría a alcanzar los 120 años. María Blasco también aclara la duda
razonable de si existe algún riesgo real del incremento de los telómeros en el
ser humano y se muestra contundente al opinar que el aumento de los
telómeros en humanos no sería un riesgo, sino un beneficio, siempre que
fuera acompañado de un aumento de los genes supresores, para evitar el
riesgo del cáncer
9. Acortamiento de telómeros y patologías relacionadas
Uno de los eventos celulares intrínsecos mejor conocidos asociados con
el envejecimiento es el acortamiento progresivo de los telómeros. La
velocidad a la que se acortan los telómeros varía entre hombre y mujer y
puede ser influenciada por factores que aceleran el envejecimiento y que son
un riesgo de muerte prematura, tales como estrés, tabaco y obesidad. El
acortamiento de los telómeros se acelera también en varias enfermedades
asociadas con el envejecimiento: enfermedad cardiovascular e infecciones
entre otras. También, la longitud de los telómeros parece ser predictiva de
demencia y de alteraciones cognitivas.
Algunos síndromes humanos se caracterizan por mutaciones en los genes
de la telomerasa, los cuales dan lugar a ritmos acelerados de acortamiento
telomérico con la edad. Estos incluyen algunos casos de disqueratosis
congénita, anemia aplásica y fibrosis idiopática pulmonar. Los pacientes con
disqueratosis congénita acarrean mutaciones en componentes del complejo
telomerasa que dan lugar a una disminución de la estabilidad de la
telomerasa y a telómeros más cortos. Estas mutaciones afectan a uno u otro
de los genes Tert y Terc (pacientes con la variante de disqueratosis congénita
dominante autosómica) o la disqueratosis congénita de un gen DKC1
(pacientes con la forma de enfermedad asociada a X), que codifica una
proteína que interacciona con la telomerasa implicada en la estabilidad de
Terc y en el procesamiento de RNA pequeño nucleolar. Ambas mutaciones
originan menor actividad telomerasa y telómeros cortos. Los pacientes con
disqueratosis congénita desarrollan muchas de las patologías demostradas en
el modelo experimental de ratón con deficiencia en Tert, tales como corta
estatura, hipogonadismo e infertilidad, defectos en la piel y del sistema
hematopoyético, fallos en la médula ósea y muerte prematura. Además, al
igual que los ratones deficientes en Tert, los pacientes con disqueratosis
congenita muestran también una elevada inestabilidad cromosómica a
medida que envejecen, lo cual está de acuerdo con una pérdida telomérica
139
Capítulo 4
más rápida. Finalmente, estos enfermos y los ratones deficientes en Tert
muestran afectada la progenia lo que hace pensar que los telómeros cortos
contribuyen a la presentación de la enfermedad. Una diferencia importante
existe entre los pacientes de esta enfermedad y los ratones deficientes en Tert
y es que los enfermos muestran elevada incidencia en cáncer espontáneo,
mientras que a los ratones deficientes en Tert les ocurre lo contrario, excepto
aquellos con deficiencia en p53 y sobreexpresión de TRF2. Por tanto, los
ratones deficientes en Tert muestran un parecido muy cercano, pero no total,
con la patología de disqueratosis congenita humana. Una razón que puede
explicar esta diferencia es que, en contraste con los ratones deficientes en
Tert, los pacientes con esta patología, retienen todavía genes de la
telomerasa, que pueden ser activados durante la tumorigénesis.
Un número de pacientes diagnosticados con anemia aplásica muestran
también mutaciones en los genes de la telomerasa Tert y Terc, lo que
ocasiona un acortamiento acelerado de los telómeros y muerte prematura.
Más recientemente se han encontrado mutaciones en los componentes de la
telomerasa en algunos casos de fibrosis idiopática pulmonar, que es una
enfermedad letal de aparición en adultos caracterizada por fibrosis pulmonar
y fallo respiratorio, cuya patología se debe a deficiencias en la regeneración
celular asociada al acortamiento de los telómeros.
Además de las enfermedades citadas en el párrafo anterior, que coinciden
en actividad telomarasa defectuosa y telómeros cortos, se han caracterizado
otras enfermedades de síndromes asociados al envejecimiento, producidas
por mutaciones en las proteínas de reparación del DNA, tales como, el
síndrome de rotura Nijmegen (Nbs1), la enfermedad similar a la ataxia
telangiectasia (Mre11), el síndrome de Werner (WRN), el síndrome de
Bloom (BLM), la ataxia telangiectasia (ATM) y la anemia de Fanconi
(proteínas codificadas por genes FANC), muchas de las cuales interaccionan
con la proteína de unión a los telómeros TRF2. Los síndromes de Werner,
Bloom y ATM asociados al envejecimiento humano, han sido reproducidos
en ratón solo en combinación con deficiencia en telomerasa y cortos
telómeros, en el contexto de modelo de ratón deficiente en Tert.
De manera análoga, la deficiencia de telomerasa en ratón origina
disminuciones en la expectativa de vida y en la longevidad máxima en la
primera generación de ratones, lo que indica que la telomerasa es un factor
limitante para el envejecimiento en ratón y sugiere que los telómeros cortos
140
Capítulo 4
contribuyen a la patología de estas enfermedades del envejecimiento
prematuro en humanos.
En los últimos años, el papel específico de la telomerasa en diferentes
compartimentos de células madre ha empezado a ser estudiado, en particular
en subtipos bien caracterizados de células madre, tales como las células
madre hematopoyéticas (HSC), las células madre epidérmicas (ESC) y
células madre neurales (NSC). Las HSC derivadas de humanos y de ratón
pierden el DNA telomérico con la edad, a pesar de poseer actividad
telomerasa detectable. Este progresivo acortamiento telomérico actúa como
una barrera del desarrollo para las HSC, las cuales pueden limitar la
regeneración hematopoyética. En apoyo de esta idea, las HSC obtenidas a
partir de ratones deficientes en Terc con telómeros cortos, muestran una
capacidad reducida para repoblar ratones irradiados.
10. Conclusiones
El acortamiento de los telómeros es un hecho que ocurre en tanto en
cuanto el organismo envejece y se acelera en enfermedades humanas
asociadas con mutaciones en la telomerasa (disqueratosis congenita, fibrosis
idiopática pulmonar y anemia aplásica). Los individuos con estas
enfermedades y los ratones deficientes en Terc, muestran una menor
expectativa de vida que coincide con una pérdida prematura de renovación
de tejidos, lo que sugiere que la telomerasa es un factor limitante de la
homeostasis tisular y la supervivencia del organismo. Estos hallazgos han
ganado especial relevancia ya que sugieren que la actividad telomerasa y la
longitud de los telómeros pueden afectar directamente la capacidad de las
células madre para regenerar tejidos. De ser esto cierto, la disfunción de las
células madre provocada por el acortamiento de telómeros puede ser uno de
los mecanismos responsables del envejecimiento del organismo tanto en
ratones como en humanos.
El hecho de que sea necesario un largo período de espera antes de que
pueda observarse un freno en la proliferación celular, hace pensar que los
inhibidores de la telomerasa no han de ser convenientes como primer
tratamiento para el cáncer. Parece razonable pensar que los inhibidores de la
telomerasa habrán de ser administrados, bien como agentes
quimiopreventivos o bien después de la eliminación de la masa tumoral por
cirugía o por una ronda de quimioterapia. Existe también el peligro que los
inhibidores de la telomerasa, originen efectos colaterales no deseables frente
141
Capítulo 4
a células normales proliferativas, como las células germinales y algunas
células somáticas progenitoras.
La discusión de las aplicaciones de los inhibidores de la telomerasa como
terapia del cáncer, ha sido casi completamente confinada a su uso en la
quimioprevención y quimioterapia. En teoría, los inhibidores de la
telomerasa presentan la posibilidad de un uso amplio. Las repeticiones
teloméricas se han caracterizado en diversos organismos parásitos y la
actividad telomerasa se ha detectado en el Plamodium falciparum. Estas
observaciones sugieren que puede ser posible obtener ventajas de las
diferencias entre parásito y hospedador o enzimas fúngicos para diseñar
selectivamente fármacos tóxicos. A pesar de las posibles aplicaciones de los
inhibidores de la telomerasa a la terapia del cáncer, estos inhibidores en otros
organismos no afectarían la telomerasa en células progenitoras del hopedador
reduciéndose así el riesgo de efectos colaterales indeseables. Nuestro
conocimiento de la biología básica del mantenimiento de la longitud
telomérica sugiere que el descubrimiento de nuevos fármacos anti-telomerasa
representaría una nueva clase de agentes terapéuticos actuando sobre un
mecanismo diferente.
11. Abreviaturas
ALT, alargamiento alternativo de los telómeros; CDI, inhibidor de las
CDK; CDK, quinasas dependientes de ciclina; DNMT, DNA metil
transferasa; DMSO, dimetil sulfóxido; H3 y H4, histonas; H3K9, histona 3
trimetilada en la lisina 9; H4K20, histona 4 trimetilada en la lisina 20;
Histonas, proteínas fuertemente básicas que forman parte de los
nucleosomas; HP1, proteína de la heterocromatina; Ku80, proteína
componente de NHEJ; MRE11, recombinación meiótica; TPE, efecto de la
posición del telómero; NAD, nicotinamido adenin dinucleótido; NHEJ, unión
de terminaciones no homólogas; NMR, resonancia magnética nuclear;
Nucleosoma, unidad fundamental de la cromatina; p53, proteína supresora de
tumores; PADPP, poli (ADP) polimerasa; PCNA, antígeno nuclear de
proliferación celular; Pot/TTP heterodímero protector de los telómeros; Rb,
proteína del retinoblastona supresora de tumores; RCC23, células de
carcinoma renal; SUV3-9H1 y SUV3-9H2, enzimas que trimetilan a H3 en
la lisina 9; SUV4-20H1 y SUV4-20H2, enzimas que trimetilan la H4 en la
lisina 20; TEBP, proteína de enlace al extremo sobresaliente 3´del DNA
telomérico; TEP, proteína asociada al telómero; TRF1y TRF2, factores de
enlace a las repeticiones teloméricas; Terc, segmento RNA componente de la
142
Capítulo 4
telomerasa humana; Tert, subunidad catalítica de la telomerasa humana;
TTAGGG, repetición seis de nucleótidos (rica en guanina), que forman los
telómeros; TRAP, protocolo de amplificación de las repeticiones teloméricas;
TRF, fragmentos de restricción terminal
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145
Capítulo 5
Capítulo 5. SUPRESORES DE TUMORES Y
ENVEJECIMIENTO
1. Introducción
2. Mecanismos supresores de tumores
3. Supresión tumoral y longevidad
4. Mantenimiento del genoma y garantía de longevidad
5. Mecanismos supresores de tumores y envejecimiento
5.1. Apoptosis y supresión tumoral
5.2. Senescencia y supresión tumoral
6. Vías supresoras de tumores, p53 y Rb
7. Conservación evolutiva de estas vías
8. Evolución del fenotipo senescente
8.1. Apoptosis y envejecimiento
8.2. Senescencia celular y envejecimiento
9. Conexiones moleculares
10. Genes supresores y telomerasa. Últimas aportaciones
11. Conclusiones
12. Abreviaturas
13. Bibliografía
1. Introducción
Los genes supresores de tumores, como su nombre indica, son genes que
suprimen la formación de tumores y a su vez aseguran la longevidad. Los
genes se definen como supresores de tumores cuando sus mutaciones
predisponen al cáncer, definición basada en el fenotipo. Las proteínas que
codifican estos genes supresores de tumores inhiben la mitosis, y cuando
sufren mutaciones, el alelo mutante se comporta como recesivo, lo que quiere
decir que, en tanto en que la célula contenga un alelo normal, la supresión
tumoral continúa. Los oncogenes, por el contrario, se comportan como
dominantes, es decir un alelo mutante o demasiado activo predispone a la
formación tumoral. Los genes supresores de tumores se identificaron al
principio consiguiendo híbridos entre células normales y tumorales y
detectando en algunas ocasiones que un cromosoma de las células normales
revertía el fenotipo transformado.
Las mutaciones que conducen a la progresión descontrolada del ciclo
celular se requieren para el desarrollo de un tumor, pero los programas
proliferativos de las células de mamíferos poseen una variedad de
147
Capítulo 5
mecanismos supresores, que desencadenan la apoptosis o la senescencia, con
el objeto de evitar que la proliferación celular se convierta en aberrante.
Estos procesos eventuales dependen de una serie de sensores y transductores
de señales que actúan en redes coordinadas para dirigir la maquinaria
responsable de la apoptosis o de la parada del ciclo celular en diferentes
puntos. Aunque las mutaciones oncogénicas que alteran tales redes pueden
tener efectos profundos y variados sobre la evolución del tumor, pueden
dejar intacto el potencial latente supresor que puede ser aprovechado en
terapéutica.
2. Mecanismos supresores de tumores
El cáncer es un problema que afecta a los organismos con tejidos
renovables; éstos han desarrollado mecanismos supresores de tumores para
suprimir el riesgo del cáncer. Los genes supresores de tumores actúan para
prevenir o reparar el daño genómico o para inhibir la propagación de células
potencialmente cancerosas, mediante una permanente parada de su
crecimiento (senescencia celular) o por inducción de la muerte celular
(apoptosis). Los primeros se denominan genes supresores vigilantes o
policías, y los segundos genes supresores guardianes. El mecanismo de
algunos genes supresores vigilantes parece que retrasa el fenotipo senescente,
asegurando la longevidad, mientras que los mecanismos de los genes
supresores guardianes pueden promover el fenotipo senescente. La apoptosis
y la senescencia celular están controladas por las vías p53 y Rb supresoras de
tumores, cuyos componentes están evolutivamente conservados entre los
organismos multicelulares. La hipótesis evolucionista de la pleiotropía
antagónica predice que algún proceso que beneficia a los organismos jóvenes
(supresión del cáncer) puede tener efector deletéreos en la vejez y contribuir
al envejecimiento. Ambas apoptosis y senescencia celular pueden ser
pleiotrópicas antagonistas, ya que promueven el envejecimiento al impedir la
renovación tisular por agotamiento de las células madre o progenitoras.
Además, las células senescentes secretan factores que pueden alterar la
integridad y función de los tejidos e incluso promover la progresión del
cáncer en la vejez. Estudios recientes con p53 proporcionan las bases
moleculares de cómo la supresión tumoral y el envejecimiento pueden ser
manipulados.
Los organismos con tejidos renovables utilizan una red de vías genéticas
y respuestas celulares para prevenir el cáncer. Las vías principales supresoras
de tumores en mamíferos surgieron de mecanismos ancestrales que actúan
148
Capítulo 5
para regular la embriogénesis o proteger las líneas germinales en organismos
post-mitóticos simples o para el mantenimiento somático en los organismos
complejos. El cambio desde el desarrollo y el mantenimiento de la línea
germinal en organismos simples, al mantenimiento somático en organismos
complejos, ha debido surgir con un elevado coste. Recientes evidencias
indican que algunos mecanismos supresores de tumores en mamíferos
contribuyen al envejecimiento. ¿Cómo puede haber ocurrido esto y cuáles
son sus implicaciones en nuestra capacidad de controlar cáncer y
envejecimiento?
Por organismos complejos se entiende aquellos organismos
multicelulares complejos que están compuestos por células somáticas
mitóticas (renovables) y postmitóticas (no renovables), mientras que los
organismos multicelulares simples son aquellos compuestos totalmente por
células somáticas post-mitóticas. El cáncer aflige casi inevitablemente a los
organismos complejos, tales como ratones y humanos a medida que nos
acercamos a la vejez. Este no es el caso de todos los organismos, por
ejemplo, los organismos invertebrados simples Caenorhabditis elegans y
Drosophila melanogaster, no sufren cáncer. Así que, ¿cuál es la prevalencia
del cáncer entre los animales y qué es lo que distingue un organismo que
sufre cáncer de aquel que no? El que los organismos multicelulares estén
sometidos a padecer cáncer depende en algún grado de su complejidad. Una
importante diferencia entre organismos simples y complejos es que estos
últimos poseen tejidos renovables que son esenciales para la vida y esto
explica su susceptibilidad al cáncer. Los tejidos renovables permiten a los
organismos adultos reemplazar las células que se han perdido por lesión
catastrófica o patológica o a través de la diferenciación. Sin embargo, la
proliferación celular que se verifica en la renovación de los tejidos pone al
genoma en gran riesgo de adquirir y propagar mutaciones que pueden
conferir características malignas a las células.
Así, parece que en tanto en cuanto el organismo complejo es renovable,
en tanto en cuanto está en riesgo de padecer cáncer. Los organismos
complejos han desarrollado estrategias, mecanismos supresores de tumores,
para suprimir el desarrollo del cáncer, al menos durante el período de
madurez sexual y reproducción (adulto joven). Estos mecanismos se han
estudiado extensamente, principalmente en ratones y humanos. Está claro
que han surgido al menos dos estrategias para suprimir el cáncer: una es la
que usa supresores de tumores vigilantes (caretaker) para proteger el genoma
de adquirir mutaciones oncogénicas y la otra usa supresores de tumores
149
Capítulo 5
guardianes (gatekeeper) para eliminar o prevenir el crecimiento de células
cancerosas potenciales (Figura 1). Ambos mecanismos proceden de vías
genéticas ancestrales, muchos de cuyos elementos están todavía presentes en
los organismos simples que no sufren cáncer. Una distinción importante entre
supresores de tumores vigilantes y guardianes es que los primeros operan
generalmente dentro del contexto celular, mientras que los segundos operan
en el contexto tisular. Esto es, los vigilantes o policías actúan para preservar
la integridad de la célula, mientras los guardianes promueven la muerte
celular o pérdida del crecimiento, por el bien del organismo. El origen de
muchos de estos supresores de tumores hay que buscarlo en genes que están
presentes en organismos simples unicelulares. Así que muchos genes
vigilantes codifican proteínas evolutivamente conservadas, que participan en
funciones de mantenimiento genómico, tales como las que intervienen en las
vías de reparación del DNA. Estas incluyen helicasas RECQ, componentes
de la vía de reparación por escisión de nucleótidos y las proteínas del
mantenimiento de los telomeros. Por el contrario, muchos supresores de
tumores guardianes, no existen en organismos unicelulares, pero aparecen
con la evolución, en los multicelulares. Ejemplos de estos genes son los que
codifican las proteínas p53 y Rb, que controlan las respuestas celulares de la
apoptosis y la senescencia celular.
150
Capítulo 5
Figura 1. Mecanismos supresores de tumores. El daño oncogénico es detectado por los
supresores de tumores que evitan el desarrollo del tumor. El daño oncogénico recurre a
cualquier evento intra o extracelular que pueda conducir al fenotipo maligno. Agentes
químicos, radiaciones y otros, pueden originar mutaciones y lesiones que alteran el
comportamiento celular. Los supresores de tumores vigilantes o policias (caretaker), reparan
el daño oncogénico, mientras que los supresores tumorales guardianes (gatekeeper)
promueven respuestas celulares, apoptosis o parada del ciclo celular, que puede ser
transitoria o permanente (senescencia celular). Se supone que los guardianes funcionan
cuando el daño oncogénico no pudo ser reparado. La muerte celular o la parada del
crecimiento previene la supervivencia y propagación de células con comportamiento anormal
(Campisi 2003 modificado)
3. Supresión tumoral y longevidad
Los genes supresores de tumores previenen la muerte prematura por
cáncer, así que esta es la razón por la que se los clasifica como genes que
aseguran la longevidad, genes que retrasan el envejecimiento y promueven la
salud y la supervivencia del organismo adulto. Este es probablemente el caso
de los supresores tumorales vigilantes o policías, pero recientes hallazgos han
propuesto que otros supresores de tumores, los guardianes, puedan contribuir
al desarrollo del fenotipo senescente en organismos complejos.
Es necesario conocer qué relación existe entre los genes supresores de
tumores y los genes que aseguran la longevidad, y cómo pueden los
supresores de tumores tener efectos beneficiosos, que se traducen en la
prevención del cáncer, y perjudiciales, que promueven el envejecimiento.
151
Capítulo 5
Sin tener en cuenta si los supresores tumorales son vigilantes o
guardianes, las mutaciones inactivadoras de unos y otros, incrementan el
riesgo de cáncer. Por tanto, todos los supresores tumorales promueven
directamente la longevidad de los organismos complejos multicelulares al
evitar el desarrollo de tumores malignos, mientras que la pérdida de la
función supresora tumoral acorta el promedio de expectativa de vida al elevar
la incidencia del cáncer. Numerosas líneas de evidencia, obtenidas de
modelos murinos y genética humana, apoyan esta relación directa entre
mecanismos supresores tumorales y longevidad. Sin embargo, recientes
estudios indican que existe una relación más compleja, pues los mecanismos
supresores de tumores pueden influenciar el envejecimiento, limitando la
longevidad. Las conexiones entre supresión tumoral y envejecimiento son
dos:
Primera, algunos mecanismos supresores de tumores no solo evitan el
cáncer, sino que retrasan la aparición del fenotipo senescente. Recientes
experimentos demuestran que los defectos en ciertas vías reparadoras del
DNA, incrementan tanto la incidencia del cáncer como el ritmo al cual se
desarrolla el fenotipo senescente. Estos hallazgos apoyan la idea que la lesión
al DNA y la pérdida de la integridad genómica en células somáticas pueden
contribuir al fenotipo senescente más que al cáncer. Así que, algunos
supresores tumorales del tipo vigilante o policía, pueden actuar como genes
aseguradores de la longevidad independientemente de su papel en la
supresión tumoral.
Segunda, por el contrario, esta segunda conexión se basa en recientes
evidencias que indican que otros mecanismos supresores de tumores,
particularmente los mecanismos del tipo guardián, implicados en la apoptosis
y la senescencia celular, suprimen el desarrollo del cáncer y promueven el
desarrollo del fenotipo senescente. Estos hallazgos hacen posible que algunos
genes supresores de tumores muestren pleiotropía antagonica, y por tanto
contribuyan al envejecimiento. Por pleiotropía antagónica se entiende que los
genes o procesos seleccionados para beneficiar la salud de organismos
jóvenes, pueden tener efectos deletéreos no seleccionados que se manifiestan
en organismos viejos.
Cuando fallan los mecanismos del tipo vigilante, el fenotipo senescente
que se desarrolla puede derivar, no solo de la pérdida de la integridad
genómica, sino también de la apoptosis y senescencia celular que ocurren en
respuesta al daño acumulado. Así que, los mecanismos implicados en los dos
152
Capítulo 5
tipos de supresión tumoral, pueden interaccionar. No es necesario decir que
esta nueva apreciación tiene implicaciones importantes para nuestra
prospectiva de prevenir y tratar el cáncer, como también otras patologías
asociadas con el envejecimiento.
4. Mantenimiento del genoma y garantía de longevidad
Muchos supresores tumorales tipo vigilante frenan la aparición del
cáncer al prevenir o reparar el daño genómico, suprimiendo directamente la
adquisición de mutaciones oncogénicas. En muchos casos estos genes
supresores proceden de vías genéticas que existen en todos los organismos,
desde las bacterias a los humanos, y en principio pueden codificar proteínas
que son importantes en la reparación del DNA dañado o en el mantenimiento
de la integridad genómica.
Un ejemplo interesante de un supresor tumoral vigilante ancestral es la
helicasa RECQ, identificada en Escherichia coli, donde es importante para
resolver ciertos tipos de daño al DNA por recombinación. Los genes tipo
RECQ se han encontrado también en eucariotas. Las levaduras de fusión y
gemación contienen ese gen, y en ambos casos (SGS1 en Saccharomyces
cerevisiae y RQH1 en Schizosaccharomyces pombe), la proteína tipo RECQ
parece especialmente importante para reparar el daño que ocurre durante la
replicación del DNA. Los eucariotas complejos poseen varias helicasas tipo
RECQ, lo que indica que estas proteínas tomaron diferentes funciones así
como iba surgiendo la complejidad del organismo. En todos los organismos
estudiados, se detectaron helicasas tipo RECQ defectuosas, que dieron lugar
a mutaciones genéticas (aberraciones cromosómicas) e inestabilidad.
Los humanos tienen cinco helicasas tipo RECQ: RECQ1, BLM, WRN,
RTS y RECQ5 (Figura 2). Tres de ellas, BLM, WRN y RTS, cuando son
defectuosas dan lugar a los síndromes hereditarios Bloom, Werner y
Rothmund–Thomson, respectivamente. Las helicasas tipo RECQ, BLM,
WRN y RTS participan en las vías de reparación del DNA, particularmente
en las roturas de la doble cadena, y su pérdida resulta en deleciones,
translocaciones y otras aberraciones cromosómicas que son causa y
reconocimiento del cáncer. Además, los síndromes de Bloom, Werner y
Rothmund–Thomson se caracterizan por una elevada incidencia de cáncer, lo
que indica que los respectivos genes son supresores de tumores tipo
vigilante. Sin embargo, cada síndrome se caracteriza por patologías
adicionales, algunas de las cuales son comunes a más de un síndrome (tal
153
Capítulo 5
como diabetes tipo II en los síndromes de Bloom y Werner), mientras que
otras patologías son específicas del síndrome (tal como la enfermedad
cardiovascular en el de Werner y anormalidades del esqueleto en el de
Rothmund–Thomson).
Figura 2. Genes vigilantes del tipo DNA helicasa RECQ frenan la aparición del cáncer
al prevenir o reparar el daño genómico suprimiendo directamente la adquisición de
mutaciones oncogénicas. Se muestran las cinco helicasas humanas RECQ1, BML, WRN, RTS
y RECQ5. Los genes vigilantes suprimen también el desarrollo de los fenotipos del
envejecimiento.
El síndrome de Werner es único, entre las enfermedades de helicasas tipo
RECQ y además entre todas las enfermedades hereditarias humanas es el
ejemplo más claro de un síndrome de envejecimiento prematuro en adultos.
Individuos con síndrome de Werner son asintomáticos en el primer decenio
de sus vidas. Más tarde, desarrollan, a un ritmo acelerado, muchos fenotipos
benignos y patológicos asociados con el envejecimiento. Estos incluyen
delgadez y color gris del pelo, arrugas de la piel, cataratas bilaterales,
diabetes tipo II, osteoporosis, enfermedad cardiovascular y cáncer. Estos
individuos mueren generalmente hacia los cincuenta años, de cáncer o
enfermedad cardiovascular. Sus células muestran inestabilidad genética y
elevada frecuencia de deleciones y translocaciones cromosómicas. Las
154
Capítulo 5
células de pacientes con fenotipo del síndrome de Werner son propensas a
mutaciones y el fenotipo de los individuos con síndrome Werner es propenso
al cáncer. Todas estas características muestran que WRN es un gen supresor
de tumores tipo vigilante, sin embargo, WRN parece suprimir también el
desarrollo del fenotipo senescente que no se relaciona con el cáncer. La
pérdida de la integridad genómica puede, por tanto, conducir a patologías
asociadas con la edad que no sean el cáncer. Además algunos supresores de
tumores vigilantes, tales como WRN, son genes que aseguran la longevidad,
independientemente de sus funciones supresoras de tumores. Las mutaciones
que se acumulan en individuos con síndrome de Werner pueden ser
responsables de los fenotipos senescente y canceroso. Alternativamente, los
fenotipos senescentes en el síndrome de Werner pueden resultar como
consecuencia de las respuestas celulares de apoptosis o senescencia, al daño
no reparado, que puede acumularse en las células.
Muchos otros sistemas reparadores del DNA que mantienen el genoma
corrigiendo el daño al DNA, existen en mamíferos, y entran dentro de los
supresores tumorales vigilantes o policías. Una variedad de vías de
reparación por escisión restringidas a una cadena sencilla de DNA, incluyen
la reparación por escisión de bases (BER), la reparación por escisión de
nucleótidos (NER) y la reparación de errores de apareamiento (MMR). De
éstas, BER es prominente para la reparación de lesiones al DNA inducidas
por especies reactivas de oxígeno (ROS), NER es importante para reparar
lesiones inducidas por luz ultravioleta y MMR es crítica para reparar lesiones
al DNA asociadas a la replicación. Además, existen vías importantes para
reparar la rotura de la doble cadena (DSB), una lesión del DNA
particularmente citotóxica, que incluye la recombinación homóloga (HR) y la
unión de terminales no homólogos (NHEJ). HR es una vía libre de errores
que utiliza la cromátida hermana como molde durante la fase S/G2, mientras
que NHEJ, une los terminales sin un molde. NHEJ es la vía que domina en
G1-G0, pero puede funcionar también durante la fase S. Ambas vías
reparadoras se utilizan con frecuencia en células de mamíferos y la alteración
de cada una de ellas conduce a grandes reordenamientos cromosómicos
(GCR).
Alguno de estos sistemas se ha conservado a lo largo de la evolución. En
organismos complejos, los defectos en los componentes clave de estos
sistemas causan síndromes de propensión al cáncer, lo que indica que son
supresores de tumores. Hay que destacar, que un subgrupo de tales defectos
también acelera el envejecimiento. Por ejemplo, la disrupción dirigida de
155
Capítulo 5
Ku80, un componente clave del sistema NHEJ en ratón, acelera la aparición
de nódulos preneoplásicos y también acelera el desarrollo de osteoporosis,
atrofia de la piel y otros signos de envejecimiento. Otro ejemplo interesante
es un defecto específico en el sistema reparador por escisión de nucleótidos.
Defectos en cualquiera de las siete proteínas (XPA–XPG), que participan en
este sistema reparador del DNA causa Xeroderma pigmentosum en humanos,
sin embargo, una mutación específica en XPD causa un síndrome diferente,
tricotiodistrofia (TTD) o síndrome de pelo quebradizo, que se presenta con
varias características de envejecimiento prematuro. En humanos y en un
ratón genéticamente modificado, TTD no da lugar a predisposición al cáncer,
más bien TTD se presenta con varias características de envejecimiento
prematuro. Los individuos con TTD, no solo tienen defectuosa la reparación
por escisión de nucleótidos, sino que también tienen alterada la transcripción
que puede causar apoptosis. Así que, el prematuro envejecimiento de
individuos con TTD puede deberse a deterioro genómico, excesiva apoptosis
o ambos. Igualmente, ratones que acarrean una truncación en el gen Brca1,
que se cree es importante en la reparación del DNA durante la replicación,
son propensos al cáncer de ovario y mama, pero también mostraron signos de
envejecimiento prematuro. Las células de estos ratones son propensas a sufrir
senescencia celular. Estos ratones probablemente desarrollan cáncer porque
adquieren mutaciones como consecuencia de reparación subóptima durante
la replicación del DNA. Por otra parte, su prematuro envejecimiento puede
ser debido a la pérdida excesiva de integridad genómica, a la senescencia
celular o a ambas. En estos casos, parece que los supresores de tumores tipo
vigilante realizan dos funciones en organismos complejos, ambas promueven
la longevidad: suprimen el desarrollo del cáncer y suprimen el desarrollo de
fenotipos asociados con el envejecimiento.
5. Mecanismos supresores de tumores y envejecimiento.
El DNA está sometido a una variedad de agresiones que causan un
espectro de lesiones de resultado fenotípico. Estas agresiones pueden resultar
de la exposición a agentes exógenos y endógenos. Entre los exógenos, el más
común son las ROS, que son subproductos del metabolismo del oxígeno y
son producidos por la mitocondria y los peroxisomas. Las ROS son
importantes para múltiples procesos biológicos que incluyen la señalización
celular. Sin embargo, son también altamente reactivos y pueden reaccionar
con macromoléculas celulares incluyendo al DNA. Estas reacciones pueden
causar un amplio espectro de daño genético: lesión de las bases y rotura de la
cadena sencilla del DNA (SSB), pero también rotura de la doble cadena
156
Capítulo 5
(DSB). Existen muchos otros agentes exógenos que pueden lesionar al DNA,
que se encuentran en el aire, el agua y el suelo. Entre los agentes endógenos
que lesionan al DNA están los errores de replicación, la desaminación
espontánea de la citosina, la pérdida de telómeros y deficiencias en los
intermediarios de la reparación del DNA. Las vías del mantenimiento de la
homeostasis celular que responden al daño al DNA son cruciales para la
supresión de tumores y como se comentó anteriormente, estos supresores de
tumores se clasifican en vigilantes o policías y guardianes. Todos estos
sistemas reparadores del DNA entran en la categoría de vigilantes.
En contraste a los supresores de tumores vigilantes, los guardianes están
en los puntos de chequeo del daño al DNA y responden a muchas formas de
daño, para facilitar la reparación de la lesión o su eliminación. La
maquinarias de chequeo de puntos de control monitorizan el genoma para
buscar problemas que surgen durante la replicación del DNA o mitosis y
detienen la progresión del ciclo celular cuando se detectan problemas, pera
permitir un lapso de tiempo para que el daño sea reparado. Estos daños al
DNA incluyen daño genómico, cambios epigenéticos que alteran la
expresión génica o disrupciones en el microambiente celular que alteran el
comportamiento celular. Los supresores de tumores guardianes regulan las
respuestas celulares a eventos potencialmente oncogénicos Si el daño al
DNA no ha podido ser reparado por los vigilantes, entonces los guardianes
participan en la apoptosis o en la parada de la proliferación celular. Esta
parada puede ser transitoria (para permitir la reparación) o permanente. La
parada proliferativa permanente se conoce como senescencia celular (Figura
3).
157
Capítulo 5
Figura 3. Características e inductores del fenotipo senescente. El fenotipo senescente se
caracteriza por un detenimiento irreversible de la proliferación celular, resistencia a
estímulos apoptóticos y cambios en las funciones diferenciadas. Un fenotipo senescente puede
ser inducido por una variedad de estímulos, tales como: expresión de oncogenes o señales
mitogénicas, cambios en la estructura de la cromatina, acortamiento de telómeros, ciertos
tipos de daño al DNA y sobreexpresión de ciertos genes supresores de tumores (Itahana et
al., 2001, modificado).
5.1. Apoptosis y supresión tumoral.
La apoptosis conduce a las células a morir de manera rápida y regulada,
haciendo que el contenido celular se entrecruce sistemáticamente y se
elimine por células fagocíticas. La apoptosis asegura que las células mueran
sin liberar al medio enzimas degradativos destructores y compuestos
intracelulares que desencadenan reacciones inflamatorias. En los eucariotas
multicelulares, la apoptosis funciona durante el desarrollo embrionario para
eliminar el exceso de células o células que no han conseguido hacer
conexiones intercelulares apropiadas. También se eliminan células dañadas
de la línea germinal. La apoptosis es esencial para el desarrollo embrionario
y el mantenimiento de la línea germinal en organismos eucariotas simples y
complejos. Además, existe una secuencia y homología funcional entre los
reguladores y los efectores de la apoptosis, desde los simples organismos,
tales como el C. elegans, hasta los más complejos, como los humanos.
Aunque ciertas características de la apoptosis han sido descritas en levadura
envejecida, estas solo se asemejan superficialmente a las de las células
apoptóticas de los organismos multicelulares, ya que no está claro por qué la
muerte celular programada ha evolucionado en un organismo unicelular. En
158
Capítulo 5
organismos complejos, la apoptosis es también esencial para el
mantenimiento homeostático de tejidos renovables en adultos. En tales
tejidos, una de las funciones más importantes de la apoptosis es eliminar
células disfuncionales o dañadas y por tanto, potencialmente oncogénicas.
No existe duda que la apoptosis es una importante defensa frente al cáncer.
Las células cancerosas, casi invariablemente, adquieren mutaciones que les
permite evadir las señales normales y los mecanismos que causan la muerte
celular apoptótica. Además, ratones manipulados genéticamente que acarrean
mutaciones letales no embrionarias, que comprometen la capacidad de las
células para morir por apoptosis, son generalmente propensos al cáncer.
5.2. Senescencia celular y supresión tumoral.
La senescencia celular o la respuesta senescente, elimina de manera
irreversible la capacidad proliferativa de las células en respuesta a estímulos
que les pondría en riesgo de transformación maligna. La senescencia celular
se identificó como senescencia replicativa, el proceso que limita la vida
replicativa de las células, que está causada por el acortamiento y disfunción
de los telómeros en células humanas. Algunos otros estímulos se ha
demostrado que detienen las células en un fenotipo senescente de manera
rápida y sin división celular. Estos estímulos se dice que inducen
“senescencia prematura” e incluyen daño al DNA, la expresión de ciertos
oncogenes y alteraciones en la estructura de la cromatina. En contraste a la
apoptosis, la senescencia celular no elimina las células dañadas
disfuncionales, simplemente establece una parada en su crecimiento (Figura
3).
La senescencia celular va acompañada por muchos cambios en la
expresión genética, alguno de los cuales causan la permanente parada del
crecimiento. Por ejemplo, se inducen los inhibidores del ciclo celular INK4A
y WAF1, y se reprimen los estimuladores del ciclo celular c-FOS, y las
ciclinas A y B, como también varias enzimas necesarias para la replicación
del DNA. Otros cambios en la expresión génica causan las alteraciones
características en la función y morfología celular. Estos cambios tienden a
ser específicos del tipo celular en fibroblastos humanos, se incrementa la
expresión de las metaloproteinasas de la matriz, citoquinas inflamatorias,
tales como interleuquina 1, factores del crecimiento epidérmico, tal como
heregulina, y disminuyen la expresión de las moléculas del estroma de la
matriz (colágeno y elastina).
159
Capítulo 5
Además, algunas células adquieren resistencia a la muerte apoptótica
después de la senescencia. La parada del crecimiento unida a la resistencia a
la apoptosis y cambios en las funciones celulares, definen el fenotipo
senescente. La senescencia celular puede ser también un proceso evolutivo
conservado. Las células de una variedad de mamíferos, pájaros y reptiles se
ha demostrado que detienen su crecimiento en diferentes condiciones con un
fenotipo senescente. Además, células madre del ovario de la D. melanogaster
detienen de manera estable su crecimiento después de varias divisiones y así
pueden sufrir la senescencia celular. Incluso organismos unicelulares, como
la levadura S. cerevisiae, sufre la senescencia replicativa. Como el
acortamiento de telómeros no ocurre en levadura o en células madre del
ovario de la Drosophila, la senescencia en estas células puede ser debida a
estímulos no teloméricos, tales como daño acumulado o cambios en la
organización de la cromatina. Cualquiera que sea el caso, estos ejemplos
indican que la respuesta senescente está conservada entre los vertebrados y
deriva posiblemente de respuestas celulares que ocurren en algunos
invertebrados u organismos unicelulares. Al contrario que la apoptosis, poco
se sabe de hasta qué punto la senescencia celular es importante en
organismos simples. Entre los organismos complejos, sin embargo, existen
numerosas pruebas que demuestran que la respuesta senescente es importante
por suprimir el desarrollo del cáncer. Esta evidencia incluye el hecho que las
células cancerosas casi invariablemente adquieren mutaciones que previenen
la respuesta senescente, y los ratones que acarrean tales mutaciones son
propensos al cáncer. Estas mutaciones tienden a ser aquellas que inactivan
las vías p53 y Rb y así, los efectos in vivo sobre la apoptosis no pueden ser
descartados, pero la actividad de p53, Rb o sus reguladores positivos se
elevan en células senescentes. Además, la inhibición experimental de estas
actividades hace que las células ignoren las señales inductoras de la
senescencia y su estimulación experimental hace que las células detengan su
crecimiento con un fenotipo senescente. Como se conoce menos de las
moléculas que ejecutan el fenotipo senescente, que de aquellas que ejecutan
la apoptosis, no ha sido posible prevenir específicamente la senescencia
celular sin afectar otras funciones de las vías p53 y Rb. No obstante, la
preponderancia de circunstancias evidentes indica que la respuesta
senescente es un mecanismo crucial supresor tumoral.
6. Vías supresoras de tumores p53 y Rb
Las proteínas p53 y Rb son el centro de las dos vías principales
supresoras de tumores que controlan las respuestas celulares a potenciales
160
Capítulo 5
estímulos oncogénicos (Figura 4). Cada una de estas vías consiste en una
serie de reguladores efectores anteriores y posteriores. Para simplificar se
muestran en la figura sólo cuatro componentes en cada una de ellas. También
ambas vías interaccionan en varios puntos.
En la vía p53, se emiten señales, tales como daño al DNA que inducen la
expresión de la proteína ARF (conocida también como p14 en humanos y
p19 en ratón), producto del locus CDKN2A. ARF incrementa los niveles de
p53 al secuestrar la oncoproteína MDM2, la cual facilita la degradación e
inactivación de p53. p53 como factor de transcripción tiene actividad
transactivadora y transrrepresora y de esa forma controla la transcripción de
muchos genes. Entre los genes objetivo de p53 están WAF, un inhibidor de
las quinasas dependientes de ciclina (CDK) que, entre otras actividades causa
la parada del ciclo celular, y BAX, que promueve la muerte celular por
apoptosis.
En la vía Rb, señales oncogénicas inducen p16INK4a, el otro producto
del locus CDKN2A. INK4a inhibe CDK que fosforila e inactiva a Rb durante
la fase G1 del ciclo celular. El también controla la expresión de muchos
genes, aunque lo hace reclutando factores de transcripción y proteínas
remodeladoras de cromatina. Una consecuencia posterior de la actividad Rb
es la inhibición de la actividad de E2F, que es muy importante para la
transcripción de varios genes que se requieren para la progresión a través de
las fases G1 y S del ciclo celular. Rb regula también la actividad de p53
mediante la formación de un complejo trimérico p53–MDM2–Rb.
Aunque el destino de las células es muy diferente dependiendo de si
sufren apoptosis o senescencia celular, sorprendentemente ellas se
comprometen con la misma maquinaria reguladora, en tanto cuanto estas
respuestas celulares sean reguladas, directa o indirectamente, por las vías p53
y Rb. p53 y RB definen los dos supresores de tumores principales que operan
en organismos complejos. Ambas vías comprenden muchos reguladores
anteriores y muchos efectores posteriores, alguno de los cuales son ellos
mismos supresores de tumores (por ejemplo, p16INK4a y p19ARF, que son
los productos del locus CDKN2A) u oncogenes (por ejemplo MDM2). Las
vías p53 y Rb interaccionan en varios puntos y se regulan una a otra (Figura
4). La proteína p53 es un factor de transcripción que regula la apoptosis y la
senescencia celular al inducir la expresión de genes específicos. La vía Rb
regula directamente el ciclo celular y de aquí la senescencia celular, pero es
también importante en la apoptosis, probablemente por interaccionar con
161
Capítulo 5
p53, en respuesta a estímulos específicos. Ambas respuestas son
probablemente influenciadas por muchos factores, incluyendo el tipo y
fuerza del estímulo, el tipo celular y el contexto tisular.
Figura 4. Señales oncogénicas y vías supresoras de tumores (Campisi 2003 modificado)
7. Conservación evolutiva de estas vías
¿Cómo han evolucionado las funciones de estos supresores de tumores
p53 y Rb? Homólogos de p53 y Rb no parece que estén presentes en
organismos unicelulares, tales como la levadura. Esto indica que p53 y Rb
evolucionaron para controlar las respuestas celulares que se requieren
específicamente en organismos o tejidos multicelulares. En el caso de p53,
se ha discutido que su evolución haya proporcionado un nuevo módulo
regulador a la respuesta al daño al DNA, proporcionando a las células la
elección de proliferar, parar el crecimiento o morir, dependiendo del tejido o
tipo celular. p53 y Rb, como también varios componentes de las vías que
controlan en mamíferos, están, sin embargo, presentes en organismos simples
que no desarrollan cáncer. En algunos eucariotas simples, los genes que
codifican p53 y Rb no sólo están estructuralmente relacionados con aquellos
presentes en organismos complejos, sino que interaccionan con las mismas
proteínas y tienen las mismas funciones bioquímicas. Por ejemplo, el
homologo del p53 en C. elegans, CEP-1, y el homólogo de Drosophila,
dp53, pueden transactivar un promotor que contiene sitios de unión del
162
Capítulo 5
consenso p53 humano. En Drosophila, el homólogo Rb, el RBF, interacciona
con homólogos E2F de la mosca. Sin embargo, como ni C. elegans ni
Drosophila padecen cáncer, ¿cuáles son las funciones de p53 y RB en estos
organismos?
En ambos casos, los homólogos de p53 funcionan para inducir la
apoptosis en respuesta al daño al DNA en el embrión o en la línea germinal.
En Drosophila, y probablemente en C. elegans, los homólogos Rb, controlan
negativamente la proliferación celular durante el desarrollo embrionario. Así,
los procesos celulares que son controlados por p53 y Rb son similares en
organismos simples y complejos, la apoptosis y la parada del ciclo celular,
respectivamente. Sin embargo, en organismos simples, estos procesos
celulares no son supresores de tumores, más bien, actúan para eliminar
embriones defectuosos y precursores defectuosos de las células germinales, o
para sostener el desarrollo embrionario. Hay que destacar, que p53 puede
también ayudar a proteger a los adultos de estos organismos simples, de los
efectos deletéreos del estrés, aunque no está claro cómo confiere p53 la
resistencia al estrés, ni lo que hace induciendo la apoptosis en células
somáticas adultas. Cualquiera que sea el caso, parece que en los organismos
simples, p53 y Rb y los procesos celulares que controlan, ejercen funciones
sobre el embrión y la línea germinal, pero han adquirido funciones somáticas
adicionales, tales como la supresión tumoral en los organismos complejos.
Sin embargo, parece que estas funciones somáticas pueden haber
evolucionado a un coste y pueden no ser completamente beneficiosas, en
tanto en cuanto los organismos complejos envejecen. Para explicar como esto
puede ocurrir, es importante revisar algunas ideas sobre ¿por qué envejecen
los organismos?
8. Evolución del fenotipo senescente
La teoría evolutiva propone que los organismos no están programados
para envejecer, que es la evolución la que selecciona por aptitud, la
supervivencia y la reproducción. Entonces ¿por qué los organismos
envejecen (se deterioran) y mueren? Los organismos evolucionan en
ambientes donde, incluso si el envejecimiento no existiera, la muerte
ocurriría debido a peligros extrínsecos, como accidentes, depredadores,
infecciones y hambre (Figura 3). Así como un organismo envejece la
posibilidad de que muera por peligros ambientales se eleva, lo cual hace que
los organismos viejos sean escasos en la población. Por tanto, la fuerza de la
163
Capítulo 5
selección natural decrece progresivamente con la edad. Este declinar puede
tener dos resultados:
(1) que las mutaciones en la línea germinal, que no comprometen la
aptitud en la juventud, pero si la comprometen más tarde en la vejez, no
puedan ser eliminadas porque los organismos viejos en los cuales actúan son
escasos o no existentes. Esta teoría de la acumulación de mutaciones en la
línea germinal es distinta de la hipótesis de la acumulación de lesiones que
indica que el metabolismo oxidativo lesiona las células somáticas, lo que
conduce al fenotipo senescente.
(2) que debido a que la fuerza de la selección natural declina con la edad,
los rasgos que benefician a los organismos en la juventud, son retenidos,
incluso los que tienen efectos perjudiciales, en la vejez. En ambientes
naturales adversos, estos efectos perjudiciales son raros o no existen, debido
a que pocos individuos son lo suficientemente viejos para manifestar que
sobreviven. Así que los efectos perjudiciales no pueden ser eliminados
porque hay muy pocos supervivientes sobre los cuales la selección natural
puede actuar.
Esta es la esencia de la teoría evolutiva de la pleiotropía antagónica: los
procesos biológicos que son cruciales para el desarrollo óptimo y la aptitud
en la juventud pueden, en la vejez, reducir la aptitud por causar fenotipos
deletéreos (senescentes). ¿Qué ocurre cuando los peligros ambientales se
reducen o eliminan súbitamente (en tiempo evolutivo)? Esto es lo que ocurre
exactamente en la humanidad en los últimos siglos (y en los ratones de
laboratorio en las últimas décadas). En el ambiente menos peligroso o más
protegido, muchos organismos sobreviven más allá la supervivencia esperada
en el ambiente en el que ellos evolucionaron. Por consiguiente, ellos
muestran los fenotipos deletéreos que han escapado a la selección natural.
Por tanto, ¿son los mecanismos supresores de tumores, apoptosis o
senescencia celular, que ocurren en células somáticas adultas, antagonistas
pleiotrópicos? Estos mecanismos protegen a los organismos del cáncer en la
juventud, pero contribuyen a los fenotipos senescentes y a las patologías
dependientes de la edad en la vejez.
8.1. Apoptosis y envejecimiento
¿Cómo puede la apoptosis contribuir al envejecimiento? En los tejidos
somáticos de organismos complejos adultos, la apoptosis es importante para
164
Capítulo 5
el mantenimiento de la homeostasis tisular. Defectos en la apoptosis (poca o
mucha) se asocian con una serie de enfermedades. En algunos casos la
apoptosis ocurre como consecuencia de diferenciación normal, mientras que
en otros casos la apoptosis elimina células dañadas de los tejidos. El daño
endógeno, especialmente por reacciones oxidativas endógenas es dominante
en todas las células. El daño puede causar pérdida de función en células postmitóticas y es beneficioso y conveniente eliminar tales células. Por ejemplo,
la eliminación de neuronas disfuncionales, facilita la conexión sináptica a las
neuronas vecinas. La pérdida de neuronas irreemplazables o poco
reemplazables puede tener pocas consecuencias en organismos jóvenes en los
cuales la plasticidad sináptica puede compensar la pérdida ocasional de
células. En organismos viejos, sin embargo, la pérdida de neuronas por
apoptosis puede dejar atrás los mecanismos compensatorios.
Alternativa o adicionalmente, la apoptosis neuronal puede a veces
eliminar las reservas de células madre o progenitoras, que pudieran ser
capaces de reemplazar a las neuronas en algunas regiones del cerebro o del
sistema nervioso periférico. En tejidos compuestos por células mitóticas, la
apoptosis es doblemente importante porque el daño posee el peligro adicional
de la transformación maligna. Los tejidos mitóticos tienen también el riesgo
de agotar su abastecimiento de células madre o progenitoras. De hecho, las
células madre por sí mismas, pueden sufrir la apoptosis como consecuencia
de lesiones. Otra vez, durante la juventud, la eliminación de células dañadas
por apoptosis tiene un efecto positivo neto. Eventualmente, sin embargo, la
depleción de las células madre, puede causar, en tejidos con un elevado
recambio celular, la pérdida de células y función. Esto es, de hecho, lo que se
observa en muchos tejidos de organismos viejos, en los que se ha de
considerar la pérdida de células tolerada antes de que su función decline.
8.2. Senescencia celular y envejecimiento
La senescencia celular, al igual que la apoptosis, contribuye al
envejecimiento, aunque ambas lo hacen por dos mecanismos diferentes. El
primero se debe a que las células senescentes no pueden proliferar y, de la
misma manera que la apoptosis, puede disminuir gradualmente la capacidad
renovadora de los tejidos, al agotar el suministro de células madre o
progenitoras (Figura 5). El segundo, porque el fenotipo senescente da lugar
frecuentemente a la secreción de enzimas degradadores, citoquinas y factores
de crecimiento. Además, las células senescentes pueden acumularse con la
edad y estos acúmulos se han detectado en sitios de patologías relacionadas
165
Capítulo 5
con la edad, lo cual indica que las células senescentes también contribuyen al
envejecimiento al alterar activamente la integridad, la función o la
homeostasis de los tejidos a medida que se acumulan. Se ha descrito que los
fibroblastos senescentes pueden estimular, in vivo e in vitro, el crecimiento y
la transformación tumorigénica de células epiteliales premalignas. Por tanto,
existe la posibilidad que si la senescencia celular protege a los organismos
del cáncer en la juventud, puede promover la progresión al cáncer en la
vejez. Como se discutió anteriormente, ambas mutaciones y microambiente
permisivo, son necesarios para que se desarrolle el cáncer. Así, la elevación
exponencial en cáncer que ocurre con la edad, es el resultado de dos procesos
sinérgicos: la adquisición de mutaciones oncogénicas que inactiva los
mecanismos supresores de tumores y el control relajado por el
microambiente tisular debido a la presencia de células senescentes.
Figura 5. Las células senescentes promueven el cáncer. (A) Tejido epitelial joven
compuesto por células epiteliales en contacto con la membrana basal que se mantiene sobre
el estroma que contiene fibroblastos residentes. Mutaciones oncogénicas en las células
jóvenes dan lugar a células “neoplásicas”, pero el ambiente del tejido joven suprime la
expresión del fenotipo neoplásico. (B) Tejido epitelial viejo. Con el envejecimiento aparecen
células senescentes que secretan factores (enzimas degradativos, citoquinas inflamatorias y
factores de crecimiento), que alteran la estructura tisular, lo cual permite a las células
iniciadas expresar el fenotipo neoplásico (Campisi 2003 modificado).
166
Capítulo 5
9. Conexiones moleculares
¿Cuáles son los genes responsables de la pleiotropía antagónica de la
apoptosis y la senescencia celular? Las respuestas a esta pregunta están
empezando a enfocarse en el p53. Tres grupos de ratones han sido
manipulados genéticamente para que la expresión o actividad de p53 fuera
superior a la normal. Estos ratones no existen en la naturaleza, pero han
proporcionado un valioso medio para investigar los efectos de p53, que en
algunos casos no podrían haber sido estudiados en ratones silvestres o
knockouts p53–/–. Considerando el papel de p53 como supresor tumoral, las
tres líneas de ratones transgénicos mostraron menor incidencia al cáncer. Al
igual que en humanos, el cáncer es una causa significativa de muerte en
ratones, pero sorprendentemente, estos ratones no alargaron su vida. En dos
de las tres líneas, la vida de los ratones resultó más corta. En la línea mejor
caracterizada, un acontecimiento de recombinación espontánea dio lugar a la
pérdida de seis exones en la región anterior de uno de los alelos que
codifican p53. La proteína p53 mutada (p53m) con la región amino terminal
truncada, parece que formó complejo con el tipo silvestre p53 producido por
el otro alelo y así intensificó su actividad. Los ratones p53m/+ sufrían menos
cáncer, sin embargo, acortaron su vida en un 20 – 30%. Además, estos
animales mostraron varios signos de envejecimiento prematuro, incluyendo
atrofia tisular (piel, músculo esquelético, hígado y órganos linfoides),
osteoporosis, poca cicatrización de las heridas y sensibilidad incrementada al
estrés. Una tercera línea de ratón acarreaba un gran inserto genómico que
contenía el gen normal Trp53 y las regiones que controlan su expresión.
Estos ratones con un alelo transgénico p53-tg fueron también resistentes al
cáncer, pero ellos no mostraron signos de envejecimiento prematuro. De
manera alternativa, sin embargo, a pesar de presentar menor incidencia de
cáncer, estos ratones no vivieron más que los silvestres ¿A qué se deben las
diferencias entre los ratones p53m/+ y los p53-tg? Se especula que la
diferencia radica en que el exceso de actividad p53 está de alguna manera
regulada. Los ratones p53m/+ expresan constitutivamente la proteína mutante
p53 y de esta manera la actividad p53 se eleva en estos animales. Por el
contrario, los ratones p53-tg regulan normalmente la copia extra Trp53 y así
la actividad p53 se eleva anormalmente solo cuando es inducida por daño u
otros estímulos. La resistencia al cáncer de los ratones p53-tg puede ser
debida a la mayor respuesta de p53 al daño. Sin embargo, también puede ser
debida al hecho que los ratones p53-tg adquieren un cambio genético
adicional para inactivar la copia extra de Trp53. Ambas, la resistencia al
cáncer y el envejecimiento prematuro mostrados por los ratones p53m/+
167
Capítulo 5
pueden ser debidos a una excesiva apoptosis dependiente de p53 que puede
eliminar células cancerosas potenciales, pero que también priva a los tejidos
renovables de su reserva de células madre. Por otro lado, el fenotipo
senescente p53m/+ puede ser debido a una excesiva senescencia celular, y la
subsiguiente pérdida de la integridad y función del tejido. En este caso, la
senescencia celular puede fracasar al promover cáncer en la vejez porque los
efectos promotores del cáncer están limitados a las células premalignas, las
cuales pueden ser eficientemente eliminadas o detenidas en ratones p53m/+.
El estudio de las relaciones entre supresión tumoral y longevidad
presenta implicaciones interesantes e importantes para establecer límites a las
promesas de intervenciones que intentan prevenir o retrasar el cáncer y el
envejecimiento. Uno de los lados del espectro, los fenotipos de los
organismos que son defectuosos en ciertos genes reparadores del DNA,
indica que algunos mecanismos supresores de tumores, aquellos que están
implicados en el mantenimiento del genoma, también promueven la
longevidad. De esta manera, las estrategias que previenen el daño al DNA
(elevación de las defensas antioxidantes) o mejoran los mecanismos de
reparación del DNA, suprimen tanto el fenotipo canceroso como el
senescente. ¿Será posible mejorar los sistemas de mantenimiento genómico,
dada su complejidad y las numerosas interacciones con la transcripción y
replicación celular y la maquinaria del ciclo celular? Esto, por supuesto
permanece aún sin esclarecer. Por otra parte, la pleiotropía antagonista
predice que es difícil, si no imposible, mejorar los mecanismos supresores de
tumores sin acelerar el envejecimiento y viceversa. Para mitigar este terrible
punto de vista están los ratones p53-tg. Es todavía posible que, en posteriores
caracterizaciones, estos ratones muestren algunos signos de envejecimiento
prematuro, como era de esperar, ya que ellos tienen un mayor promedio de
expectativa de vida, como resultado de su muy disminuida susceptibilidad al
cáncer. No obstante, el fenotipo de estos ratones indica que la actividad
intensificada, pero regulada de p53 puede ofrecer una mejora en la supresión
tumoral sin acelerar el envejecimiento. No es necesario decir, que se necesita
investigar mucho más, antes de que conozcamos si el grado de estas
posibilidades es realmente viable. No obstante, como las investigaciones
modernas de cáncer y envejecimiento convergen, es conveniente tener a la
vez optimismo y precaución.
168
Capítulo 5
10. Genes supresores y telomerasa. Últimas aportaciones.
En referencia a todo lo anteriormente comentado, sobre los mecanismos
implicados en la supresión tumoral en el envejecimiento y en el cáncer, son
muchos los grupos científicos que están tratando de desentrañar las
complejas vías implicadas con el objeto de encontrar medios para intervenir a
nivel farmacológico, nutricional y genético. Experimentos muy recientes del
grupo de Blasco han aportado interesantes hallazgos que han demostrado, en
ratones manipulados genéticamente en genes supresores y en la telomerasa,
que puede conseguirse alargar la vida sin peligro de desarrollar cáncer. Otra
vez envejecimiento y cáncer se enfrentan en un organismo tal como el ratón
y esto presenta un enorme interés por sus grandes repercusiones de
aplicación a la especie humana. Estos autores han conseguido crear ratones
resistentes al cáncer con un 40% de mayor esperanza de vida. En estos
experimentos la telomerasa ha jugado un importante papel, pues está
demostrado que una célula puede llegar a la inmortalidad si se aumenta su
actividad telomerasa (ver capítulo Telómeros, en este volumen). Sin
embargo, estos mismos investigadores nunca lograron aumentar la vida de
un organismo completo (gusanos o moscas), solo mediante la activación de
la telomerasa. Además, la activación de la telomerasa no está exenta de
riesgos: en palabras de María Blasco, "La telomerasa per se no es perjudicial
para la célula, pero las células tumorales también la necesitan, y al
incrementar su expresión y su actividad se eleva el riesgo de desarrollar un
tumor".
Para lograr la ecuación perfecta, el equipo de estos investigadores tuvo la
idea de modificar genéticamente los ratones en una doble dirección:
aumentando la actividad telomerasa para que no envejeciesen e
incrementando a la vez la presencia de varios genes supresores tumorales de
los anteriormente mencionados en este capítulo, p53, p16INK y p19ARF,
para protegerles del cáncer. Sobre este ratón inmune al cáncer se aumentó la
expresión de la proteína TERT, responsable de la regeneración de los
telómeros. Los ratones así modificados presentaron buen estado
neuromuscular a edades avanzadas, mayor tolerancia a la glucosa y tejidos
más sanos capaces de mantenerse jóvenes durante más tiempo.
Sus conclusiones, podrían tener aplicaciones inmediatas en humanos, ya
que existen compuestos que funcionan aumentando el nivel de los supresores
tumorales y también hay moléculas diseñadas para aumentar la telomerasa.
Unos y otras están siendo usadas para el tratamiento de enfermedades
169
Capítulo 5
relacionadas con el envejecimiento precoz y el acortamiento de los
telómeros, como la disqueratosis congénita (un raro síndrome de
envejecimiento prematuro), algunas anemias aplásicas, la fibrosis pulmonar
idiopática e incluso el sida, puesto que los pacientes con VIH también tienen
los telómeros más cortos a causa del estado de su sistema inmune".
11. Conclusiones
Cáncer y envejecimiento son padecimientos que aquejan a organismos
con tejidos renovables, por eso han surgido genes supresores de tumores que
suprimen el desarrollo del cáncer y limitan la longevidad. Los supresores de
tumores que actúan previniendo el daño genético son los genes supresores
“vigilantes o policías”, mientras que los que inhiben la propagación de las
células cancerosas potenciales se denominan genes supresores “guardianes”.
La acción de estos genes supresores está siendo estudiada por diferentes
grupos de investigadores, que tratan de conseguir, mediante la manipulación
genética, cómo alargar la vida sin tener el riesgo de contraer cáncer. Los
avances conseguidos hasta la facha son de tal magnitud, que hoy casi ningún
científico duda que en un día no muy lejano, se podrán curar muchas de las
enfermedades asociadas al envejecimiento, que a su vez, son la mayor causa
de la morbilidad y mortalidad en nuestra sociedad. Es inevitable pensar que
si esto se consigue también llegaremos a vivir muchos años en buenas
condiciones de salud. La naturaleza ha generado especies más longevas que
la nuestra, como algunas tortugas o loros, así que solo se trataría de averiguar
qué fórmula han utilizado. De hecho hoy se puede potenciar la función de los
genes con fármacos, con estrategias nutricionales y con manipulación
genética. Solo entendiendo las bases moleculares del envejecimiento y del
cáncer, se podrán desarrollar herramientas para retrasar la aparición de
enfermedades asociadas al envejecimiento y que además la mayoría de ellas
están íntimamente conectadas con el cáncer.
12. Abreviaturas
BAX, promotor de la muerte celular por apoptosis; CDK, quinasas
dependientes de ciclina; CDKN2A, locus que incluye los genes INK4a y
ARF; E2F, factor de transcripción; Ku80, componente clave del sistema de
reparación de NHEJ; MDM2, oncoproteína que facilita la degradación de
p53; NHEJ, uniones terminales no homólogas; p16INK proteína supresora de
tumores inhibidora de las CDK; p19ARF, proteína supresora de tumores;
p53, proteína supresora de tumores; p53-tg, p53 con alelo transgénico; Rb,
170
Capítulo 5
proteína del retinoblastoma, supresora de tumores; RECQ, helicasas; TERT,
fragmentos terminales de restricción; Trp53, p53, proteína relacionada con la
transformación; TTD, tricotiodistrofia; WAF, proteína supresora de tumores
inhibidora de las CDK; WRN, gen supresor tipo vigilante que codifica una
helicasa.
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172
Capítulo 6
Capítulo 6. INMUNOSENESCENCIA
1. Introducción
2. Generalidades del sistema inmune
3. ¿Qué es inmunosenescencia?
4. Envejecimiento y células madre hematopoyéticas (HSC)
5. El impacto de la edad sobre la inmunidad innata
6. Alteraciones del desarrollo de las células B
7. Timo, desarrollo de las células T y envejecimiento
8. Deficiencias en las células T periféricas
9. ¿Puede ser revertida la inmunosenescencia?
10. Conclusiones
11. Abreviaturas
12. Bibliografía
1. Introducción
Es un hecho reconocido que el sistema inmune sufre alteraciones asociadas
a la edad, que se acumulan y producen un deterioro progresivo en la capacidad
de responder a infecciones y a desarrollar inmunidad después de la vacunación.
Ambos fenómenos están asociados con la mayor mortalidad en los ancianos. La
inmunosenescencia, definida como aquellos cambios que tienen lugar en el
sistema inmune a medida que el organismo envejece, presenta cada vez un
mayor interés a nivel experimental y clínico. Para discutir los mecanismos que
contribuyen a la inmunosenescencia hay que dar énfasis a los factores
extrínsecos, con una atención particular enfocada a la involución del timo. Un
sistema inmune funcional, que día a día se enfrente a los agentes extraños y
patógenos, se considera vital para la supervivencia del organismo. En humanos
y en muchas otras especies, se reconoce que el sistema inmune declina con la
edad, lo cual conduce a una mayor incidencia de infecciones, neoplasia y
enfermedades autoinmunes.
El impacto de los cambios asociados a la edad en el sistema inmune no era
un asunto claro cuando el promedio de la vida humana era de 40 años. Sin
embargo, los avances en las ciencias médicas y nutricionales en los últimos 150
años, han dado como resultado un espectacular incremento en la expectativa de
vida, llegando hoy en día a alcanzar los 80 años. En nuestra sociedad actual el
18% de la población tiene más de 65 años y se espera que este valor suba hasta
un 25% en los próximos 20 años. Así que, en ausencia de cualquier otra presión
173
Capítulo 6
evolutiva, un sistema inmune que fue diseñado para funcionar 40 años, tiene
ahora que continuar por otros 40 años más. Por tanto, no tiene que sorprender
que la mayor susceptibilidad al cáncer y a las infecciones de todo tipo, en
individuos de edad avanzada, sea debida a deficiencias severas en el sistema
inmune.
Una de las características de todas las células somáticas es su expectativa
de vida definida. Las células pueden proliferar hasta alcanzar un punto, a partir
del cual, aunque permanezcan metabólicamente activas, pierden su capacidad
de dividirse y generar células hijas. Esta observación es importante en relación
con la hipótesis del agotamiento clonal, mecanismo citado con frecuencia para
explicar la disfunción inmune asociada al envejecimiento. En esta hipótesis, la
repetida división de los linfocitos, condena irremediablemente a un límite
replicativo, después del cual las células entran en senescencia, pero
permanecen en la reserva de células T.
2. Generalidades del sistema inmune
El sistema defensivo para combatir los agentes infecciosos en mamíferos
se compone de dos sistemas, el sistema inmune innato y el sistema inmune
adquirido o adaptativo. Las células fagocíticas: monocitos y polimorfonucleares
(neutrófilos) circulantes y los macrófagos (células Kupffer en hígado y
microglias en cerebro) en los tejidos, junto con las células naturales asesinas
(NK), son los componentes más importantes del sistema inmune innato. A su
vez, los linfocitos, que se dividen en dos grupos principales, las células T y las
células B, y cada uno de ellos está compuesto por un innumerable número de
clones, son los componentes más importantes del sistema inmune adaptativo.
Cada clon es pequeño en número después del nacimiento, pero se eleva
rápidamente por exposición a microorganismos del ambiente. Esta expansión
clonal de los linfocitos está inducida por estímulos antigénicos del ambiente
externo, lo cual es muy importante para la eficiente ejecución de la función
inmune frente a los agentes infecciosos. El estímulo antigénico del ambiente
externo se verifica a través de los monocitos y macrófagos del sistema inmune
innato, los cuales mediante el estallido respiratorio y las proteasas destruyen y
digieren los agentes patógenos y los presentan a los linfocitos.
De esta manera, los receptores de los linfocitos reconociendo los epítopos
antigénicos juegan el papel más importante en el desarrollo y operación de la
función inmune. A través de los receptores, el estímulo antigénico puede ser
transducido en la señalización intracelular, lo cual conduce a la proliferación
174
Capítulo 6
celular o a la producción de citoquinas. El mecanismo de señalización
intracelular comprende una serie de reacciones encadenadas en la que
intervienen una multitud de moléculas. Cualquier alteración en cualquier
molécula puede dar lugar a un desequilibrio en las funciones de las células T,
tales como la proliferación celular o la producción de citoquinas.
El sistema inmune es una red compleja de células y órganos que trabajan
juntos para defender el cuerpo contra ataques de invasores “foráneos” que no
pertenecen al organismo. Esta red es una de las principales defensas contra las
enfermedades e infecciones. El sistema inmune lucha contra la enfermedad,
incluso el cáncer, en formas diversas. Por ejemplo, el sistema inmune puede
reconocer la diferencia entre las células sanas y las células dañadas o cancerosas
y trabaja para eliminarlas. Pero el sistema inmune no siempre reconoce las
células dañadas o cancerosas como “foráneas”. Además, el cáncer se puede
iniciar cuando el sistema inmune deja de funcionar o cuando no funciona
adecuadamente. Las terapias biológicas están diseñadas para reparar, estimular
o mejorar las respuestas inmunes.
El desencadenamiento de una enfermedad no se debe únicamente a la
invasión de un agente patógeno, sino que el estado inmune del individuo es
decisivo. La inmunidad innata es la primera respuesta frente a un
microorganismo extraño, mediante la cual se intenta eliminar la infección o
contenerla hasta la aparición de una respuesta inmune más específica y eficaz,
la inmunidad adaptativa.
Los principales componentes de la inmunidad innata son las barreras
físicas, químicas y biológicas, las células fagocitarias, las células asesinas
naturales o NK (Natural Killer) y factores solubles, que incluyen los
componentes del complemento y las citoquinas que median la fagocitosis y la
inflamación. La respuesta inmune innata es inespecífica, es decir carece de
memoria inmunológica y se desarrolla por mecanismos incapaces de distinguir
las diferencias antigénicas de los diferentes tipos de microorganismos. Además
de los procesos inflamatorios de forma localizada, existe una respuesta general
para proteger el organismo en su conjunto, la “respuesta de fase aguda”,
coordinada por las citoquinas secretadas por macrófagos, con la que se crean las
condiciones orgánicas más adecuadas para luchar contra los distintos
patógenos. Pero, además de esta respuesta generalizada frente a diferentes
agentes extraños, va a producirse una respuesta innata característica frente a
cada tipo de patógeno (bacterias y sus productos, hongos, virus, y parásitos).
175
Capítulo 6
Al sistema inmune innato pertenecen los fagocitos. Los fagocitos son
leucocitos que pueden fagocitar y digerir partículas y microorganismos en un
proceso conocido como fagocitosis. Hay varios tipos de fagocitos, los
monocitos y los polimorfonucleares (neutrófilos), que circulan por la sangre, y
los macrófagos, que se encuentran en tejidos de todo el organismo. Las células
asesinas naturales (células NK) producen citoquinas poderosas y proteínas que
forman poros que se adhieren a cualquier invasor foráneo, célula infectada o
célula de tumor y lo destruyen. A diferencia de las células T citotóxicas, las
células NK están listas para atacar de manera rápida al encontrarse con sus
objetivos.
Al sistema inmune adquirido pertenecen los linfocitos. Los linfocitos son
un tipo de leucocitos que se encuentran en la sangre y en muchas otras partes
del cuerpo. Las células B, las células T y las células asesinas naturales son tipos
de linfocitos. Las células B (linfocitos B) maduran hasta convertirse en células
plasmáticas que segregan proteínas llamadas anticuerpos (inmunoglobulinas).
Los anticuerpos reconocen y se adhieren a las sustancias foráneas conocidas
como antígenos, encajando perfectamente así como una llave encaja en el ojo
de una cerradura. Cada tipo de célula B produce un anticuerpo específico, el
cual reconoce un antígeno específico. La función primaria de las células T
(linfocitos T) es producir las proteínas llamadas citoquinas (linfoquinas,
interferones, interleuquinas y factores estimuladores de las colonias), para que
las células se comuniquen entre sí. Algunas células T, llamadas células T
citotóxicas, segregan proteínas que forman poros y que atacan directamente las
células infectadas, foráneas o cancerosas. Otras células T, llamadas células T
cooperadoras, regulan la respuesta inmune al segregar citoquinas y enviar
señales a los otros elementos del sistema inmune. Por tanto, las células T
participan en los dos tipos de respuestas inmunológicas: la humoral
(anticuerpos) y la celular. Existen subpoblaciones de células T que tienen las
siguientes funciones: 1. Células T citotóxicas (CD8+), que expresan el
marcador CD8 y pueden destruir células que contienen patógenos en su citosol.
2. Células T cooperadoras (Th), que expresan moléculas CD4 y pertenecen a
dos grupos, células Th1 inflamatorias implicadas en la eliminación de
patógenos que se ubican intracelularmente en compartimentos vesiculares y
células Th2 necesarias para la producción de anticuerpos por parte de las
células B (Figura 1)
176
Capítulo 6
Figura 1. Células sanguíneas que derivan de la médula ósea. Las células madre
hematopoyéticas (HSC) se diferencian en el linaje mieloide y en el linaje linfoide. NK, células
naturales asesinas; Th1 y Th2, linfocitos T auxiliares; CTL, linfocito T citotóxico.
3. Qué es inmunosenescencia?
Por inmunosenescencia se conoce el deterioro del sistema inmune debido
al envejecimiento. Este deterioro contribuye a la morbilidad y mortalidad de la
población anciana, que se deben a la mayor incidencia de infección, de
fenómenos autoinmunes y de cáncer. La alteración de cualquiera de las células
implicadas en la función inmune juega un papel importante en estos procesos.
Este deterioro del sistema inmune es de gran relevancia clínica habiéndose
descrito que la incidencia y severidad de las enfermedades infecciosas se elevan
progresivamente con la edad. Así, es mucho mayor la incidencia de neumonías,
meningitis, sepsis, infecciones del tracto urinario, etc. También, los índices de
mortalidad asociados a enfermedades infecciosas se multiplican por dos en el
paciente de edad cuando se compara con el paciente joven. Se ha demostrado
que la primera causa de muerte por encima de los 80 años son las enfermedades
177
Capítulo 6
infecciosas, por tanto, la inmunosenescencia tiene un papel importante en la
defensa de los agentes patógenos.
Los factores que contribuyen a la inmunosenescencia son, en su mayor
parte, los siguientes:
a) defectos en las células madre hematopoyéticas
b) impacto sobre la inmunidad innata
c) alteraciones en el desarrollo y función de las células B
d) alteraciones en el timo y en el desarrollo de los linfocitos T
e) deficiencias en los linfocitos T periféricos.
Entre los factores anteriormente mencionados y que, hasta la fecha se
conoce que intervienen en la función inmune, se observa que los linfocitos T
son los que se encuentran más afectados ante cualquier alteración en la red
compleja de citoquinas. La respuesta de los linfocitos ante el antígeno es
generar estímulos para desencadenar la proliferación celular y a medida que
avanza la edad es mayor el número de células T que no son capaces de
proliferar frente a aquel estímulo que induce la respuesta proliferativa de las
células T, en indivíduos más jóvenes. Esta hipótesis parece lógica y razonable y
se encuentra apoyada por datos obtenidos de humanos y ratones, con la
demostración que el envejecimiento trae consigo un acumulo de células
senescentes en ambas especies. La inmunosenescencia parece estar más
estrechamente ligada a la expectativa de vida del animal que a del linfocito.
La disminución de la respuesta inmune en el envejecimiento, se considera,
por tanto, causada principalmente por el declinar de la función de las células T,
y este declinar parece que se debe a una combinación de factores que se citan a
continuación:
1. la disminución de la producción de células T vírgenes, por involución
del timo,
2. la activación sucesiva, inducida por los antígenos presentados por las
APC (antigen presenting cells), que conduce irreversiblemente a la
senescencia replicativa y al agotamiento clonal de ciertas células T, y
3. al envejecimiento post-mitótico de las células T en reposo, fenómeno
también observado en otras células no en división, como las neuronas y
células musculares.
La importancia relativa de estos procesos en la respuesta defectuosa de las
178
Capítulo 6
células T observada en animales y humanos envejecidos, permanece aún sin
establecer, aunque es muy probable que todos ellos participen en la
inmunosenescencia. Los cambios en la función de las células T a lo largo de la
edad se perciben como reflejo de un deterioro del sistema inmune. Los cambios
en el sistema inmune relacionados con el envejecimiento se manifiestan
principalmente en la funcionalidad de las células T. El estado
inmunosenescente, se detecta en organismos de vida larga o corta, como
función de su edad respecto a la expectativa de vida. Aunque la
inmunososenescencia se considera como perniciosa para el individuo, en
algunos aspectos puede contribuir a aminorar alguna patología. Esto ocurre en
los casos de rechazo en transplantes de córnea, riñón e hígado en humanos y en
modelos murinos de lupus eritematosus.
4. Envejecimiento y células madre hematopoyéticas (HSC)
Las células madre hematopoyéticas (HSC) poseen la capacidad de
diferenciarse en los diferentes tipos de células sanguíneas (Figura 2), acoplada
con la capacidad de autorrenovación, para prevenir el agotamiento clonal.
Considerando que todas las células hematopoyéticas derivan de las HSC, el
declinar en la inmunidad dependiente de la edad, ha de ser atribuida a la
actividad funcional de las HSC en el organismo anciano. Los primeros estudios
dirigidos al efecto del envejecimiento sobre la función de las HSC no fueron
convincentes, lo que se atribuyó a las diferentes técnicas utilizadas, tales como
trasplante de médula ósea (BMT), trasplante seriado de médula ósea, o
actividad de unidades formadoras de colonias del bazo. Sin embargo, evidencia
reciente sugiere que las HSC muestran una disminución en su función que se
detecta a medida que transcurre la edad.
Ahora se conoce que existen componentes genéticos que regulan el
envejecimiento de las células madre. Por ejemplo, estudios en ratones C57BL/6
han revelado un incremento en el número de HSC en ratones viejos, por el
contrario, el número de HSC en ratones DBA disminuye notablemente con la
edad. En experimentos competitivos de repoblación, comparando el trasplante
de médula ósea de ratones jóvenes y de ratones viejos en el mismo receptor, se
detectó que las HSC de ratones viejos tenían menor capacidad para repoblar y
generar progenitores hematopoyéticos. Esto se debe a la incapacidad de las
HSC viejas de adherirse al ambiente del estroma de la médula ósea, lo que lleva
a proponer que el potencial de estas HSC de animales viejos está reducido.
Resultados más recientes del perfil de expresión génica han demostrado que las
HSC viejas reflejan una capacidad reducida en diferenciarse en linaje linfoide
179
Capítulo 6
mientras que exhiben una capacidad incrementada de diferenciarse en el linaje
mieloide. Además, la expresión del inhibidor del ciclo celular p16INK4a
apareció elevada con la edad en las HSC y la evidencia sugiere que este
incremento contribuye al potencial reducido de repoblación de las viejas HSC.
Todos estos estudios muestran que el efecto del envejecimiento sobre las HSC
es un efecto intrínseco que da lugar a que estas células exhiban una menor
capacidad de repoblación junto con una alteración en la programación de la
diferenciación hematopoyética.
Figura 2. Efecto de la edad sobre los diferentes componentes del sistema inmune innato y
adaptativo. Las células madre hematopoyéticas de la médula ósea (HSC), dan lugar a los
progenitores hematopoyéticos en respuesta a diferentes señales. Los defectos asociados al
envejecimiento se muestran en los diferentes estados del desarrollo hematopoyético. CLP,
precursor linfoide común; CMP, progenitor linfoide común; DN, doble negativo; ETP, precursor
tímico temprano; HSC, célula madre hematopoyética; Ig, inmunoglobulina; IFNγ, interferón
gamma; NK, células naturales asesinas; RAG, gen activador de la recombinación; ROS, especies
reactivas de oxígeno; SP, positivo sencillo, TCR, receptor de células T. (Aw et al, 2008,
modificado)
180
Capítulo 6
5. El impacto de la edad sobre la inmunidad innata
Aunque los cambios durante el envejecimiento en el sistema inmune
adaptativo están bien documentados, el análisis detallado del impacto de la edad
sobre el sistema inmune innato permanece aún sin resolver. Las características
clínicas de la inmunosenescencia indican claramente una disfunción en la
inmunidad innata y en los últimos años varios estudios han intentado ocuparse
de este tema. Estas investigaciones han demostrado que el envejecimiento va
asociado con una elevada producción de citoquinas por los macrófagos (Figura
3). Elevados niveles de estos mediadores parece que son los responsables de la
mayor parte de las enfermedades relacionadas con la edad, tales como diabetes,
osteoporosis y aterosclerosis, porque todas ellas comparten una patogénesis
inflamatoria, que como resultado de la continua producción de mediadores
inflamatorios, puede desencadenar enfermedades inflamatorias asociadas.
Además, datos más recientes sugieren que el balance entre las citoquinas pro- y
anti-inflamatorias puede ser usado para evaluar la fragilidad y mortalidad de
pacientes ancianos.
Figura 3. El proceso de inmunosenescencia se acompaña de cambios en el fenotipo y
función de las células, tanto del sistema inmune innato como del adaptativo, como consecuencia
de un complejo proceso de remodelado. Aunque el deterioro de los componentes de la respuesta
adaptativa es más aparente, también la función de los componentes de la respuesta innata se
encuentra afectada por la edad. La producción incrementada de citoquinas por los macrófagos
es, en gran parte, responsable de muchas enfermedades inflamatorias relacionadas con la edad.
IL, interleuquina; NK, Célula natural asesina; M, macrófagos; Tc, linfocito T citotóxico; Th,
linfocito auxiliar; GM-CSF, factor de crecimiento de colonias de granulocitos y macrófagos;
IFNγ, interferon gamma (Solana-Lara 2004).
181
Capítulo 6
Una serie de estudios han sugerido también que existe menor capacidad
fagocítica y menor producción de anión superóxido por los macrófagos, por
efecto de la edad, y también que otra de las características de estos fagocitos
incluye la expresión de receptores Toll-like. De igual manera, la activación de
los neutrófilos por formil-metionil-leucil-fenilalanina (FMLP) está alterada en
individuos viejos y asociada a una reducción en la movilización intracelular del
Ca2+. Debido a tales deficiencias, se sugiere que es el medio ambiente, con
hormonas y citoquinas, el que juega un papel clave, sobre la actividad funcional
de estas células. Además, Butcher y Lord han propuesto que el elevado ritmo de
infecciones después de la fractura de cadera en individuos de edad avanzada, es
el resultado de la disfunción de los neutrófilos, lo cual se atribuye a los
elevados niveles de cortisol circulante presente en estos individuos. La hormona
adrenal el sulfato de dihidroepiandrosterona (DHEAS), que intensifica la
función inmune, tiene un efecto opuesto al cortisol. Incluso en traumas de
pacientes jóvenes el incremento de cortisol se controla por la producción de
DHEAS. Sin embargo, la producción de DHEAS está notablemente reducida
con la edad y de esta manera, el efecto inmunosupresor del cortisol no puede ser
contrarrestado en ancianos después de la lesión.
Dado el papel esencial que juegan las células naturales asesinas (NK) en la
inmunidad, no es razonable asumir que las manifestaciones clínicas atribuidas a
la inmunosenescencia, puedan también ser el resultado de alteraciones
dependientes de la edad en el número y función de las células NK. Se ha
demostrado que el número de estas células se eleva de manera significativa con
la edad, pero los cambios en su función estan menos claros. En algunos casos
existen descripciones discrepantes y conflictivas, pero recientes y contrastados
estudios indican que en individuos de edad avanzada está deprimida la función
de las células NK. Tales informes han demostrado alterada citotoxicidad y
reducida producción de citoquinas y quimioquinas por las células NK activas.
Esto puede ser atribuido a la expansión de diferentes subgrupos de células NK
porque se ha descrito que en individuos de edad avanzada existe una proporción
incrementada del subgrupo de células NK CD56–, las cuales exhiben actividad
citolítica más baja y tienen una capacidad reducida para secretar citoquinas en
comparación con el subgrupo CD56+, de células NK
6. Alteraciones del desarrollo de las células B
Es esencial que las HSC en la médula ósea generen células B tempranas a
través de precursores linfocíticos comunes. Estos precursores se convierten en
182
Capítulo 6
células Pro-B en la médula ósea por reordenamiento genético de la cadena
pesada de la inmunoglobulina y posteriormente se diferencian en células Pre-B
(Figura 1), las cuales entonces migran a la periferia. La transición a los estados
Pro-B y Pre-B dependen de la actividad de los genes activadores de la
recombinación RAG1 y RAG2. La inmunidad humoral en pacientes ancianos
está severamente comprometida como resultado de dos mecanismos:
1. producción disminuida de linfocitos B productores de
inmunoglubulinas a largo plazo, debido a deficiencias intrínsecas y
medioambientales y
2. pérdida de la diversidad y afinidad de la inmunoglobulina, como
resultado de la alteración en la formación del centro germinal.
La disminución en la producción de las células Pre-B ha sido bien
establecida, aunque durante cierto tiempo se ha presumido que era consecuencia
de la capacidad disminuida que tenían las células B para diferenciarse. Sin
embargo, esto no puede ser la única razón, porque Miller y Allman han descrito
una disminución en la frecuencia y número absoluto de células Pro-B en los
reservorios para el linaje de células B, con reducciones marcadas observadas en
ratones de solo 7 meses de edad. Más recientemente, Min et al. han demostrado
que la producción, tanto de células Pro-B como de Pre-B está severamente
alterada en ratones viejos, que se recuperan del tratamiento inducido con 5fluorouracilo y tales deficiencias asociadas a la edad en las células Pro-B,
pueden ayudar a explicar una reducción en el número de células Pre-B. Algunos
estudios han subrayado también la pérdida del RAG mRNA en preparaciones
totales de médula ósea obtenidas de ratones viejos. Otros estudios utilizando
quimeras recíprocas de médula ósea han llevado a Labrie et al. a emitir la
hipótesis que la expresión de RAG (gen activador de la recombinación) en
células Pro-B está controlada por el mismo microambiente, más bien que ser
una deficiencia intrínseca de los progenitores senescentes de las células B. La
evidencia que apoya esta hipótesis, procede de cultivos de células del estroma,
porque los cultivos de células de animales viejos son menos eficientes en el
mantenimiento de la proliferación celular, que los de células de animales
jóvenes. No obstante, otros estudios han sugerido la existencia de deficiencias
en factores de transcripción en los precursores senescentes de las células B. Los
factores E2A y Pax-5 son cruciales para la linfopoyesis B, porque ellos
acompañan la diferenciación, proliferación y supervivencia de células B
tempranas después de la interacción del receptor de la interleuquina 7 (IL-7). La
expresión reducida de los productos de E2A (E47 y E12) y Pax-5 (proteína
activadora específica de células B; BSAP) se ha demostrado en células B
183
Capítulo 6
periféricas de ratones viejos.
El impacto del envejecimiento sobre las células B periféricas presenta
muchas facetas porque el número de células B exportadas desde la médula ósea
es ya reducido, exacerbándose los defectos a medida que transcurre la edad. A
pesar de la disminución cuatro o cinco veces en la producción de células B en el
ratón viejo, el número de células B periféricas permanece relativamente
constante. Una razón puede ser que el reservorio de células B periféricas esté ya
saturado de manera similar a lo que ocurre en la homeostasis de las células T.
Sin embargo, otra explicación posible es, que a pesar de que se refleje una
disminución en la generación de células B esto vaya acompañado de un
incremento en la longevidad de las células B periféricas. Además, de las
expansiones oligoclonales de las células B asociadas con la expresión de CD5,
la producción de la inmunoglobulina independiente de las células T y la
producción de autoanticuerpos de baja afinidad, se sabe que ocurre en
individuos viejos para ocupar nichos, los cuales entonces no pueden ser
ocupados por otras células B. Muchos otros defectos intrínsecos de las células B
se han descrito también en ratones y humanos viejos, incluyendo la reducción
de moléculas coestimuladoras, deficiencias en el receptor señalizador de las
células B y baja afinidad de las inmunoglobulinas. Además las interacciones
célula T/célula B se sabe que está alterada en ratones y en humanos viejos.
Tales defectos en la función de las células T auxiliares, asociados al
envejecimiento, afecta de manera significativa la inmunidad humoral porque se
requieren para la formación del centro germinal y producción de factores
solubles.
7. Timo, desarrollo de las células T y envejecimiento
De todos los cambios asociados al envejecimiento en el sistema inmune, la
regresión del timo es el más dramático, ubicuo y reconocible. La reducción del
tamaño del timo durante el envejecimiento fue documentado incluso antes de
que se estableciera la función del timo. Paradójicamente, la reducción del
tamaño del timo observada en individuos viejos y en aquellos que habían
muerto de enfermedad fatal, fue considerada normal, mientras que las muertes
súbitas sobre la mesa de operaciones fueron atribuidas comúnmente al gran
timo que impedía el respirar. La atrofia crónica del timo se acepta ahora como
un proceso ancestral evolutivamente conservado y el impacto sobre la
inmunosenescencia, junto con la caracterización de los estados y mecanismos
implicados, se encuentran bajo un intenso escrutinio.
184
Capítulo 6
El timo es el lugar primario del desarrollo de las células T, capaz de
generar células auto tolerantes, auto restringidas en el complejo principal de
histocompatibilidad, e inmunocompetentes. Las células tímicas epiteliales
altamente queratinizadas (TEC), constituyen el subcomponente principal del
estroma tímico altamente acreditado, porque proporciona el microambiente
favorable que estimula el desarrollo de las células T. Mediante una combinación
de contacto célula-célula y producción de factores solubles, las TEC crean
nichos discretos en el timo para dirigir las múltiples etapas de la timopoyesis,
como se refleja por la distribución de los timocitos en desarrollo.
Precursores tímicos tempranos (ETP) procedentes de las HSC en la
médula ósea, entran en el timo mediante unión cortical-medular y migran a la
zona cortical más externa. Estos precursores, ya dentro del timo, se diferencian,
en otro subgrupo denominado células dobles negativas (DN), que no expresan
CD4 o CD8. El subgrupo DN puede dividirse posteriormente según la
expresión de CD44 y CD25 con las secuencias de maduración CD44+ CD25–
(DN1), CD44+ CD25+ (DN2), CD44– CD25+ (DN3) y CD44– CD25– (DN4),
que identifican los estados de expansión que lo compromete al linaje de células
T y a la reorganización de los genes del receptor de células T (TCR). La
mayoría de los timocitos se encuentran en la corteza después de la activación de
CD4 y CD8 para convertirse de timocitos dobles positivos (DP) y sufren
rigurosos procesos de selección. A partir de aquí continúan hasta la médula
donde se diferencian en células T sencillas positivas SP CD4+ o SP CD8+ y
esperan ser exportadas a la periferia (Figura 2).
Con la edad existe una disminución en el espacio epitelial y en la cantidad
de células del timo, lo que se denomina involución tímica. En ratones, la
pérdida del espacio tímico epitelial está causada por una gran reducción del
tamaño del timo, mientras que en el timo humano existe un incremento en el
espacio perivascular, que se reemplaza de manera progresiva con grasa en
pacientes de edad avanzada. A pesar de la reducción en el área funcional del
timo con la edad, el timo demuestra todavía productividad de células T, aunque
a un menor ritmo. La continua persistencia del receptor de células T con
círculos positivos de escisión (TREC+), que representan a los recientes
emigrantes tímicos (RTE), se encontró en sangre periférica de personas de edad.
Los inconvenientes de usar el análisis TREC, incluyendo la inclusión de células
vírgenes de larga vida, fue superado mediante un modelo de ratón transgénico
con un transgen de proteína fluorescente verde (GFP), bajo la expresión del
promotor RAG-2, donde RTE retenía altos niveles de GFP que se desvanecían
en unas tres semanas. Los RTE fueron claramente detectables en ratones de dos
185
Capítulo 6
años y controlaron la pérdida del tamaño del timo, siendo el rendimiento
relativamente independiente de la edad, ya que se calcula por el número de
RTE esplénico por 100 timocitos DP.
Hoy se tiene evidencia contrastada que la involución del timo no se
corresponde con la pubertad, como se asumió previamente. En el timo de ratón
se observó una disminución significativa en el número de células a las seis
semanas de edad. En humanos la disminución en la densidad celular tímica
comienza a los 9 meses de edad y parece que se realiza mediante varias fases de
regresión rápida (de los 9 meses a los 10 años y de los 25 a los 40 años) y de
atrofia más lenta (entre los 10 y 25 años y por encima de los cuarenta). A pesar
de estos datos sobre los acontecimientos de la atrofia del timo, los mecanismos
que controlan el proceso permanecen aún sin aclarar. Se ha propuesto un
número de candidatos, que se discutirá a continuación:
¿Proceden estos defectos de las HSC de la médula ósea?
El impacto de las HSC sobre la involución del timo es un debate
contencioso que hasta el momento solo ha dado datos conflictivos.
Originalmente, Tyan describió una disminución en la capacidad de la médula
ósea envejecida de reconstituir las poblaciones de células T en animales
letalmente irradiados. Aportando credibilidad a estos estudios, las HSC
purificadas procedentes de ratones viejos mostraron un potencial de
diferenciación disminuida hacia linajes linfoides in vivo e in vitro. Entre las
células DN están los progenitores tímicos tempranos (ETP), que disminuyen en
frecuencia y número total en ratón viejo. Además, las ETP del ratón viejo no
fueron eficientes en la generación de timocitos DP y SP. Sin embargo, una
serie de estudios que transfieren la médula ósea de animales jóvenes a
animales viejos irradiados letalmente, han mostrado que la repoblación tímica y
esplénica y las respuestas mitogénicas fueron mucho más bajas en los
receptores viejos. Además, la médula ósea de animales jóvenes, inyectada en
animal viejo, no fue capaz de restaurar las anormalidades histológicas del timo.
Por tanto, se sugiere que existen también deficiencias asociadas a la edad en las
células del estroma.
¿Es responsable la IL-7?
La IL-7, producida por las células epiteliales tímicas (TEC), es una
citoquina vital para el desarrollo de los timocitos, ya que controla las fases
tempranas de la timopoyesis y se ha demostrado que declina con la edad. Es
interesante destacar que el tratamiento de ratones con anticuerpos anti IL-7 dio
como resultado un fenotipo similar al de la involución del timo. Por el
186
Capítulo 6
contrario, inyectando a los ratones viejos IL-7 exógena, se consiguió elevar el
peso y la densidad celular del timo. Se ha descrito un incremento en células
TREC+ CD8+ T en la periferia después de 14 días del tratamiento con IL-7.
Existe también la dificultad de distinguir los efectos de la IL-7 sobre la
timopoyesis partiendo de las respuestas periféricas, por tanto, las células del
estroma del timo preparadas para expresar constitutivamente IL-7 se
trasplantaron en ratones y se controló la atrofia tímica. A pesar de la elevación
en el número de timocitos CD25+ DN en ratones viejos implantados, no se
encontró ningún cambio en el ritmo o grado de involución del timo y el número
total de timocitos y el rendimiento tímico fueron similares en los ratones
transplantados y en controles. Por consiguiente, la IL-7 puede rescatar la
deficiencia temprana en la timopoyesis del ratón viejo, pero fracasa en el caso
de regenerar el timo.
¿Un problema hormonal?
En asociación con las células T regenerantes, el timo se reconoce como
una glándula endocrina, sensible al control hormonal y capaz de la producción
endógena de algunas hormonas con varios receptores expresados en el estroma
tímico y en los timocitos. Dada la evidencia circunstancial de que el declinar en
los niveles circulantes de hormona del crecimiento (GH) coincide con la
presumida iniciación de la atrofia tímica, se ha propuesto que la GH puede estar
implicada. Además, se ha demostrado que la GH y su mediador el factor de
crecimiento insulínico (IGF-1), estimulan la timopoyesis en animales jóvenes.
Células GH3 de adenoma pituitario (que secretan GH), procedentes de un
modelo de ratón, cuando se implantaron en ratas de 22 meses, el tamaño del
timo aumentó, así como el número de células. En ratones viejos el tamaño y el
número de células del timo incrementaron después de la administración de
GH; sin embargo, la recuperación estuvo lejos de conseguir los valores del
ratón joven, lo que implica que el papel de la GH en la involución del timo es
limitada. Por último, estudios con ratones pequeños (con una deficiencia del
90% en GH e IGF-1 en suero), no mostraron cambios en el ritmo de
involución.
Por el contrario, los esteroides sexuales son renombrados por tener efectos
perjudiciales sobre los timocitos. En ausencia de hormonas sexuales por
castración u ovariectomía, se observó regeneración del timo. Ratones
quiméricos con estroma defectivo en el receptor de andrógenos, pero con
timocitos del tipo silvestre no sufrieron atrofia del timo, sugiriéndose que el
estroma es el objetivo de la regresión inducida por andrógenos. Se ha intentado
caracterizar la influencia de los esteroides sexuales en el timo, así que se ha
187
Capítulo 6
observado que el número de ETP, pero no la proporción fue amplificado en
ratones castrados de mediana edad, lo que implica que la elevación es a nivel
de entrada de las células progenitoras, más que el resultado de su replicación.
Además, la arquitectura aberrante tímica se restaura después de la castración.
No obstante, existe evidencia suficiente como para sugerir que la testosterona
no es el único agente que contribuye a la involución, incluyendo un examen de
la atrofia tímica en ratones hipogonadales con producción disminuida de
esteroides sexuales, los cuales no presentaron cambios en la cantidad de células
o en su distribución al compararlos con animales de tipo silvestre. Se demostró
que los efectos de la eliminación de las hormonas sexuales son transitorios en el
ratón tipo silvestre con pérdida de efectos positivos después de 20 semanas.
¿Están implicados los cambios en las células epiteliales tímicas (TEC)?
Un candidato potencial a tener en cuenta son las células tímicas epiteliales
(TEC). Dado que las TEC constituyen un compartimento integral del estroma
tímico y son la fuerza conductora principal de la timopoyesis, es muy
importante investigar los cambios asociados a la edad relacionados con las
TEC. Si es que existe un declinar en el número de TEC con la edad es algo que
tiene que tener una respuesta, y los datos hasta ahora obtenidos in vitro
sugieren que el ritmo proliferativo de estas células se reduce en ratones viejos.
Un reciente estudio ha demostrado que las células CD45– disminuyen en
número con la edad y que la proporción de TEC proliferativas, evaluadas por
expresión de Ki67 disminuyen en ratones viejos. Alteraciones en la
arquitectura del timo se han observado en ratones y en humanos. Parece que
con la edad aparecen en el timo humano acúmulos de fibroblastos y una
disminución de las áreas queratina positivas. Esto va acompañado por una
distorsión en la unión cortical medular. Además existe en ratones viejos una
disminución en los genes de las células TEC, el Foxn1 y en la expresión de la
subunidad 8 de la queratina. Estos datos, analizados colectivamente, sugieren
que con la edad existe una pérdida cualitativa o cuantitativa de TEC. Además,
también se ha encontrado que el grueso de los cambios morfológicos
observados, se asocian con alteraciones en la expresión de moléculas críticas
tales como el complejo principal de histocompatibilidad clase II y moléculas
definidas de las TEC corticales y medulares, que parecen declinar con la edad.
Considerando el ritmo exacerbado de atrofia del timo, asociada al
envejecimiento, se propone que son muchos y muy diferentes los parámetros
que controlan el proceso del envejecimiento, tanto en timo, como en otros
órganos y tejidos. Esto está apoyado por análisis de microchips que demuestran
que la mayoría de los genes específicos que cambian con el envejecimiento del
timo son distintos a los encontrados en otros sistemas. Se sugiere que la
188
Capítulo 6
deficiencia comienza en el mismo timo, ya que, de acuerdo con la teoría del
soma desechable, esta deficiencia llega a ser redundante una vez que se ha
generado un repertorio significativo de TCR, lo cual ocurre en momentos
tempranos de la vida. Estos cambios dan como resultado un desarrollo
defectuoso de las células T, el cual, a su vez, tiene un efecto negativo sobre las
TEC, debido a que el mantenimiento de la arquitectura tímica, depende de la
presencia de timocitos maduros funcionales. Indudablemente, el proceso de la
involución del timo es multifactorial y todos los mecanismos discutidos aquí
pueden estar implicados con graves repercusiones para las células T periféricas.
8. Deficiencias en células T periféricas
Sorprendentemente existen pocos cambios dependientes de la edad en el
número de células T periféricas, especialmente cuando se considera la
reducción en el rendimiento del timo con la edad. El tamaño del reservorio de
las células T periféricas está estrictamente regulado por diversas variables,
incluyendo mecanismos homeostáticos. Tanto las células T vírgenes como las
de memoria sufren un control homeostático y en humanos la proliferación
constante contribuye de manera significativa al mantenimiento del repertorio
del TCR de células T vírgenes. Se ha presumido que los reservorios de células
T vírgenes y de memoria eran mantenidos por separado con diferentes
requerimientos de supervivencia, que son mucho más estrictos para las células
T vírgenes. Un estudio reciente ha revelado que la expansión clonal de las
células T CD8+ es la consecuencia de la diversidad de las células T remanentes,
particularmente aquellas que comparten el mismo elemento TCR Vβ. Esto tiene
un profundo impacto en la diversidad de las TCR. El análisis de la cadena TCR
Vβ ha presentado una disminución en el repertorio de reconocimiento de los
antígenos, que resultó ser aproximadamente 108 en jóvenes adultos y 106 en
adultos viejos, con una contracción drástica en la diversidad de las células
TCD4+ en la séptima y octava décadas de la vida. Estudios en ratón han
determinado que una disminución de dos a diez veces en la diversidad en estas
células es suficiente para poner en peligro la respuesta inmune mediada por una
célula T, lo que explica la mayor susceptibilidad de personas de avanzada edad
a nuevos patógenos.
189
Capítulo 6
Figura 4. Los linfocitos T periféricos sufren un proceso de senescencia. Mientras que los
linfocitos T vírgenes, con bajo ritmo replicativo son compatibles con un proceso de senescencia
post-mitótica independiente de antígeno (Ag), los linfocitos T efectores y de memoria sufren un
proceso de senescencia replicativa dependiente de antígeno, que puede llevar al agotamiento
clonal (Solana-Lara et al 2004).
Como el mayor requerimiento del reservorio de células T periféricas es la
perpetuación mediante replicación, esto tiene grandes implicaciones para la
célula individual. Las células T senescentes, tanto si se trata de senescencia
post-mitótica independiente de antígeno (Ag), como de senescencia replicativa
dependiente de Ag, puede conducir a una alteración en la producción
citoquinas, como también al agotamiento clonal (Figura 4). El examen de la
vida media del linfocito muestra variaciones en subgrupos, pero todas son
finitas. Las células CD4+ T humanas tienen alrededor de 33 duplicaciones en
cultivo, mientras que las células CD8+ T tienen en cultivo solo alrededor de
23. La restricción que dicta la vida media de la célula, se cree que depende de la
longitud de los telómeros y el análisis de la longitud de los telómeros, los
muestra significativamente más cortos en individuos viejos entre todos los
subgrupos de células T. Estas células que han sufrido la senescencia replicativa,
acumulan con la edad, particularmente en el subgrupo CD8+ de memoria,
muchas alteraciones que son específicas solo a ciertas infecciones persistentes.
Un virus que ha atraído especial atención es el citomegalovirus, con gran
expansión de clones CMV-específicos CD8+ de células T en el anciano y se ha
verificado mediante estudios longitudinales que la seropositividad al CMV
identifica aquellos individuos con un fenotipo de riesgo inmune. Los telómeros
cortos se relacionan con cambios en el fenotipo, modificaciones en las
190
Capítulo 6
respuestas y resistencia a la apoptosis.
9. ¿Puede ser revertida la inmunosenescencia?
Los avances en la investigación de la inmunosenescencia han llevado a
estudiar las terapias potenciales para contrarrestar estas deficiencias en ancianos
y pacientes inmunocomprometidos. Como los defectos asociados al
envejecimiento parece que derivan parcialmente de las células progenitoras, en
teoría algunos de los problemas asociados con la inmunosenescencia pueden ser
revertidos al mejorar la cantidad y número de células T vírgenes y de células B
productoras de immunoglobulinas. Una terapia de éxito es el trasplante de
médula ósea (BMT); sin embargo, la existencia de enfermedad derivada del
injerto vs huésped e injerto vs leucemia, hace tropezar a los pacientes receptores
del BMT a que permanezca como obstáculo principal, que tiene que ser
superado. En ratón, la administración de factores de crecimiento y citoquinas,
tal como IGF-I e IL-15, después de trasplante alogeneico de médula ósea se ha
comprobado que intensifica la reconstitución inmune, incluyendo a las células
NK, NKT y T, asociadas con función activada de las células T y NK, mientras
que IGF-I en combinación con IL-7 incrementa enormemente la linfopoyesis de
células B. Además, las terapias utilizando factores solubles, tales como la IL-7,
pueden ser buenos candidatos para la reconstitución inmune después del BMT,
porque Bolotin et al. han descrito la activación de la timopoyesis después de
trasplante singeneico de médula ósea al administrar in vivo IL-7, sin agravar la
enfermedad injerto vs receptor. Resultados similares se encontraron para las
células B y NK después del BMT, en ratones de mediana edad, lo que introduce
la esperanza de la resconstitución inmune en la vejez usando después del
trasplante citoquinas condicionadoras de monocitos y macrófagos.
Como resultado de un microambiente disfuncional, los perfiles alterados de
citoquinas y deficiencias en la transducción de señales son críticas en el
envejecimiento. Numerosos resultados sugieren que la terapia con IL-7, en
ratones viejos consiguió rejuvener el timo, aunque nunca hasta el punto de
llegar al tamaño y productividad del animal joven. Adicionalmente, los
componentes del receptor IL-7 parece que no se expresan en células Pro y PreB derivadas de ratón viejo a niveles comparables a los del ratón joven. Así, la
terapia con IL-7 puede no ser útil debido a la incapacidad de mantener esta
citoquina en el nicho particular y/o a deficiencias señalizadoras en el ratón
viejo. De hecho el transductor de señales STAT5 fosforilado por el receptor
JAK activado por las IL-7 e IL-2, es probable que sea crucial en la terapia antiinmunosenescencia, porque su presencia está muy reducida en precursores de
191
Capítulo 6
células B y células T senescentes. Sin embargo, hay que recordar que incluso el
evento de reconstitución de la timopoyesis por IL-7/IL-2 y el desarrollo de
células B en ratón viejo, no puede ser aplicado en humanos porque la IL-7 no
tiene las mismas propiedades en humanos que en ratón. La perspectiva del
trasplante del timo, como medio de elevar el número de células T vírgenes
parece que es prometedor, tanto en ratones como en humanos que padezcan de
disfunción inmune. El trasplante de piezas de tejido tisular tímico, en pacientes
pediátricos que sufran del síndrome DiGeorge, parece que también tiene éxito
en la restauración de la función inmune hasta 10 años después de la cirugía. Las
implicaciones de esta terapia para el tratamiento de la disfunción inmune en el
anciano es más compleja, debido a la cantidad limitada de tejido y a la cirugía
invasiva que implica el rechazo del tejido. En el ratón, se ha identificado un
progenitor multipotente TEC que puede crecer en un timo tridimensional y
mantener el desarrollo de células T normales cuando se trasplanta en la cápsula
renal de ratones nudos y normales. En humanos, tales células epiteliales
progenitoras microambientales no han sido identificadas todavía, pero los
intentos para encontrar tales células epiteliales no diferenciadas en el timo
postnatal murino, hace que estas investigaciones tengan un altísimo y
prometedor interés en la restauración de la función del timo. Existen numerosos
estudios que describen la existencia de una relación entre los sistemas inmune y
neuroendocrino, colocando el timo como objetivo del control neuroendocrino.
Otros resultados parecen apoyar esta hipótesis porque se ha demostrado que la
expresión de hormonas neuropeptídicas y tímicas en el timo se encuentran
afectadas por la edad y tienen un papel en el desarrollo de las células T a lo
largo de la evolución de diferentes especies.
Últimamente ha habido una reemergencia en el interés por el zinc como un
adyuvante terapéutico. Los beneficios del zinc sobre el sistema inmune se han
reconocido durante muchos años y también la disminución de la absorción de
zinc en individuos de edad avanzada, lo cual ha conducido a proponer el
suplemento en la dieta de zinc durante el envejecimiento. Este suplemento ha de
ser usado con precaución, ya que mientras que el zinc puede disminuir la
apoptosis espontánea en células mononucleares de sangre periférica, produce,
sin embargo, un incremento en la apoptosis inducida por estrés oxidativo, que
depende de la edad.
Otra terapia interesante está dirigida a los esteroides sexuales, que se sabe
que tienen un efecto notable sobre el tamaño y función del timo durante el
envejecimiento y en la modulación de la diferenciación, proliferación y
supervivencia de los precursores de las células B. El grupo de Boyd ha
192
Capítulo 6
demostrado que la castración de ratones de 9 meses de edad elevó el número de
ETP y la proliferación tímica. Aunque esta técnica no tiene aplicaciones en
humanos, los análisis de pacientes masculinos que sufren terapia de ablación de
esteroides sexuales para al cáncer prostático, han demostrado que esta técnica
puede ser útil para elevar las células T vírgenes circulantes en individuos de
edad. Además la terapia hormonal puede ser también útil en el tratamiento de
disfunciones innatas asociadas a la edad, por ejemplo, suplementos de DHEAS
son capaces de elevar la producción de anión superóxido en neutrófilos y puede
incrementar la actividad de las células NK. Sin necesidad de cirugía o ablación
de esteroides sexuales y sus efectos colaterales intrínsecos, la terapia génica
sola o en combinación con otras terapias puede ser más efectiva para restaurar
la función inmune en pacientes inmunocomprometidos y en los ancianos.
Niños de corta edad con inmunodeficiencia severa asociada al cromosoma X,
que recibieron genes retrovíricos dirigidos a la médula ósea, desarrollaron una
reconstitución inmune impresionante. Esto muestra que aunque todavía nos
encontramos en fases muy tempranas, la terapia génica puede tratar las
alteraciones inmunológicas en individuos de edad avanzada e
inmunodeficientes.
10. Conclusiones
El declinar de la función inmune por efecto de la edad es un hecho
demostrado en humanos y en animales y se encuentra asociado con una elevada
incidencia de enfermedades infecciosas y cáncer. Está demostrado que existen
múltiples alteraciones en la función de los linfocitos durante el envejecimiento.
Las funciones alteradas más evidentes incluyen la inhibición de la proliferación
celular en respuesta a estímulos antigénicos o mitogénicos, la acumulación de
células T que carecen de respuesta, la producción alterada de diversas
citoquinas, y defectos en la expresión de los receptores de citoquinas y en la
transducción de señales. Aunque se han desarrollado diversas teorías para
explicar la disminución en la función de las células T por efecto de la edad,
apenas se ha relacionado este declinar en la función inmune con la lesión
oxidativa mediada por las ROS. La teoría de los radicales libres y el
envejecimiento se acepta ampliamente y puede ser crucial para explicar la
inmunosenescencia. El estado de estrés oxidativo induce la muerte de linfocitos
en cultivo y la tasa de muerte en estas condiciones es mayor en cultivos
celulares procedentes de animales viejos. Esto sugiere que un incremento en el
estrés oxidativo puede ser el responsable de la disminución de la función de las
células T y puede explicar la inmunosenescencia.
193
Capítulo 6
A pesar de que el estudio de la immunosenescencia es algo todavía muy
reciente, los avances en estos últimos años han conseguido profundizar en el
conocimiento de los mecanismos que se encuentran implicados. El profundo
cambio que se ha verificado, desde la fase meramente descriptiva de
investigación, hasta encontrar los factores causales está reportando un enorme
beneficio a una población en continuo incremento con un promedio de
expectativa de vida cada vez mayor. Un mejor conocimiento de las señales que
gobiernan y dictan la disfunción inmune y la senescencia, particularmente desde
el microambiente, puede ser la clave del éxito de la reconstitución del sistema
inmune en el futuro.
11. Abreviaturas
Ag, antígeno; APC, células presentadoras de antígenos; BMT, trasplante
de medula ósea; BSAP, proteína activadora específica de las células B; CLP,
precursor común de linfocitos; CMV, citomegalovirus; CTL, linfocito T
citotóxico; DHEAS, sulfato de dihidroepiandrosterona; DN, doble negativo;
DP, doble positivo; ETP, progenitores tímicos tempranos; FMLP, formilmetionin-leucil-fenilalanina; GM-GSF, factor de crecimiento de colonias de
granulocitos y macrófagos; GFP, proteína fluorescente verde; GH, hormona del
crecimiento; HSC, células madre hematopoyéticas; Ig, inmunoglobulina; IGF1,
factor insulínico1; IL, interleuquina; IFNγ, interferón gamma; NK, células
naturales asesinas; RAG, gen activador de la recombinación; ROS, especies
reactivas de oxígeno; RTE, emigrantes tímicos recientes; SP, sencillo positivo;
STAT, transductor de señales y activador de la transcripción; TCR, receptor de
células T; TEC, células tímicas epiteliales, TREC, círculos de escisión del
receptor de células T;
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Capítulo 7
Capítulo 7. ENVEJECIMIENTO Y CÁNCER: DOS
CARAS DE LA MISMA MONEDA
1. Introducción
2. Envejecimiento y cáncer. Origen común.
3. Mecanismos protectores del envejecimiento y el cáncer
3.1. Eficiencia metabólica, nutrientes y mitocondria
3.2. Defensas antioxidantes
3.3. Supresores tumorales
3.4. Inestabilidad genómica
3.5. Autofagia
3.6. El metabolismo energético conecta envejecimiento y cáncer
4. Mecanismos opuestos en la protección al envejecimiento y al cáncer
4.1. Papel de los telómeros
4.2. Desrrepresión de genes supresores
5. Conclusiones
6. Abreviaturas
7. Bibliografía
1. Introducción
A primera vista el cáncer y el envejecimiento parecen ser las dos caras
de una misma moneda. El origen de esta unión está en la conexión entre la
senescencia celular y la tumorigénesis, el papel común de la inestabilidad
genómica, el acortamiento telomérico y el papel central de la mitocondria y
de la transducción de señales dependiente de energía en ambos procesos. Es
un hecho reconocido que ambos, envejecimiento y cáncer tienen su origen
en el acumulo de daño celular. Por tanto, aquellos mecanismos que eviten la
agresión, proporcionan protección tanto frente al envejecimiento como frente
al cáncer. Por otro lado, tanto la longevidad y el cáncer dependen de un
potencial proliferativo, lo cual hace que aquellos mecanismos que limitan la
proliferación indefinida, protegen del cáncer y protegen también de la
longevidad. La protección ante el cáncer supone un beneficio para la
supervivencia del organismo, mientras que evitar la longevidad promueve la
aparición de los achaques del envejecimiento. El balance entre estos
mecanismos es lo que garantiza que la mayoría de los organismos puedan
verse libres del cáncer y del envejecimiento, hasta avanzadas sus vidas.
De acuerdo con la teoría evolutiva del soma desechable los mecanismos
que retrasan el envejecimiento y protegen del cáncer han adaptado sus
199
Capítulo 7
respectivas fuerzas a la esperanza de vida natural de cada especie y de esta
manera, estos mecanismos aseguran que la mayoría de los individuos no
envejezcan y no padezcan cáncer, en tanto en cuanto sean útiles para sus
especies. Si comparamos los mamíferos de vida corta, como los ratones, con
los de larga vida, como los humanos, esta claro que los sistemas implicados
en la protección del cáncer y del envejecimiento han de ser más rigurosos y
estrictos en los humanos que en los ratones. Es por tanto, importante
destacar, que estos mecanismos de protección frente al cáncer y los que
promueven una longevidad saludable, han tenido que evolucionar en
paralelo, como las dos caras de una misma moneda y se han tenido que ir
acomodado a la expectativa de vida natural de cada especie.
2. Envejecimiento y cáncer. Origen común
Cada vez es más evidente que envejecimiento y cáncer están
íntimamente conectados mediante la actividad de genes específicos y las
respuestas celulares a las posibles agresiones oncogénicas. Sin embargo,
envejecimiento y cáncer permanecen completamente separados en lo que se
refiere a la investigación y estudio de los mecanismos intrínsecos y
extrínsecos de su desarrollo. En los últimos años está surgiendo con fuerza
un reconocimiento que el envejecimiento y el cáncer están conectados por
una compleja e intrigante interrelación, y en los dos años últimos una serie
de publicaciones ha mostrado la complejidad de esta interrelación, la cual no
es necesario decir, que en los nuevos hallazgos también se desentrañan
nuevas posibilidades y estrategias de intervención.
No obstante, este paralelismo en la evolución de los sistemas implicados
en la protección del cáncer y del envejecimiento, tiene raíces más profundas
que la simple adaptación de dos procesos independientes. Recientemente se
ha desvelado la existencia de mecanismos convergentes que proporcionan
resistencia al cáncer y resistencia al envejecimiento, acoplando así su
evolución. Estos mecanismos actúan en causas comunes del cáncer y del
envejecimiento, como son la generación y el acumulo de daño celular.
Como la lesión o daño celular está en los orígenes, tanto del cáncer como del
envejecimiento, aquellos mecanismos que previenen o evitan el daño celular
inciden sobre estos dos procesos y les proporcionan protección. Entre éstos
están los que mejoran la eficiencia del consumo de energía y disminuyen la
generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), que son consideradas
como la fuente principal de lesión endógena. También, el supresor de
tumores p53 es un sensor importante, que en el momento que detecta lesión
200
Capítulo 7
en el DNA, desencadena respuestas de reparación y defensa. Está claro, por
tanto, que aquellos sistemas, mecanismos o intervenciones que aminoran la
concentración de ROS o promueven la actividad de p53, proporcionan
protección frente al cáncer y frente al envejecimiento.
Sin embargo, existen otros mecanismos que tienen efectos opuestos ante
el cáncer y ante el envejecimiento, es decir, protegen del cáncer (efecto
positivo), pero promueven el envejecimiento (efecto negativo). Estos
mecanismos son el acortamiento de los telómeros y la desrrepresión del
locus INK4a/ARF (CDKN2A), cuyo propósito es prevenir la proliferación
celular excesiva y esto produce efectos conflictivos entre cáncer y
envejecimiento: mientras que el efecto ante al cáncer es beneficioso para el
individuo, la renovación celular a largo plazo y la longevidad se encuentran
comprometidas. Sin embargo, hay que tener en consideración, que estos
mecanismos están principalmente diseñados para prevenir el cáncer, pero no
para promover el envejecimiento. Muchos de los mecanismos que protegen
del cáncer consiguen su efecto eliminando células lesionadas,
potencialmente neoplásicas, mediante muerte celular por apoptosis o
mediante senescencia celular. Las células senescentes pueden ser eliminadas
eficientemente del organismo y por tanto, se asume que los mecanismos
inductores de la senescencia son necesariamente pro envejecimiento, y que
los mecanismos inductores de la apoptosis pueden ser o no ser deletéreos
para el organismo. La eliminación de las células dañadas, bien por
senescencia o por apoptosis pueden favorecer o no el envejecimiento,
dependiendo de la magnitud de la respuesta y la capacidad de regeneración
del tejido lesionado.
3. Mecanismos protectores del envejecimiento y el cáncer
El acumulo de lesiones celulares es, sin duda, el evento iniciador del
cáncer y del envejecimiento. La tumorigénesis se desencadena por el
acumulo de lesiones genéticas y epigenéticas. De igual manera el
envejecimiento surge, al menos en parte, debido al acumulo de lesiones en
las macromoléculas celulares, que afecta inicialmente a las proteínas, lípidos
y DNA, y eventualmente altera la regeneración tisular. Así que, aquellos
mecanismos que protegen las células de la lesión, pueden proteger del cáncer
y del envejecimiento de manera simultánea. En este aspecto, es importante
considerar que los organismos de larga vida, son en términos generales más
resistentes al estrés.
201
Capítulo 7
3.1. Eficiencia metabolica, nutrientes y mitocondria
La disponibilidad de nutrientes ejerce efectos importantes sobre el
metabolismo celular y sobre la eficacia de la mitocondria. En condiciones de
dieta restringida los niveles de ADP se elevan y el influjo de ADP en la
mitocondria conduce la eficiente actuación de la cadena de transporte
electrónico. Por el contrario, un exceso de nutrientes se traduce en una baja
demanda de energía, una actuación de la mitocondria por debajo de lo
óptimo y como consecuencia mayor liberación de ROS.
Por otro lado, el mecanismo principal que gobierna el envejecimiento, es
el impacto de la hormona del crecimiento (GH) y del factor insulínico 1
(IGF1), ya que la baja actividad GH/IGF1 promueve una mayor eficiencia
en la respiración mitocondrial y menor generación de ROS. Una importante
patología cuya mejora se asocia con la baja actividad GH/IGF1 es el
“síndrome metabólico” asociado al envejecimiento y a elevados niveles de
glucosa y lípidos en sangre. La mayor eficiencia metabólica, la actuación
óptima de la mitocondria (menos producción de ROS) y la disminución del
síndrome metabólico, son factores importantes que retrasan el
envejecimiento. En apoyo a lo anteriormente descrito, se ha demostrado que
ratones con deficiente señalización por la insulina, presentan una vida más
larga, y también que ratones sometidos a regímenes anti-diabéticos muestran
retraso en el envejecimiento y vida más larga. El concepto de mejora en la
eficiencia metabólica, que se traduce en menos ROS endógenos y
longevidad, se aplica también a las dietas hipocalóricas y a la proteína
desacetilasa SIRT1 que retrasa el envejecimiento en todas las especies
ensayadas. La desacetilasa dependiente del NAD, SIRT1, se considera un
sensor importante de la dieta y un mediador de la mayor longevidad
dependiente de la dieta restringida. SIRT1 detecta la disponibilidad de
nutrientes por mecanismos que están aún en investigación, pero está
demostrado que la abundancia de NAD es necesaria para la actividad
enzimática de SIRT1, como también para la activación transcripcional del
gen SIRT1 por un complejo formado por forkhead box, FOXO3 y p53.
Frente a la escasez de nutrientes se desencadena un programa
metabólico, mediado en parte, por asociación de SIRT-1 con el coactivador
PGC1α. SIRT1 desacetila y activa a PGC1α y una vez activado se traslada el
núcleo donde se une a un factor de transcripción y promueve la expresión de
genes. El resultado es una mayor eficiencia metabólica, mejor
funcionamiento de la mitocondria y reducida generación de ROS. El
202
Capítulo 7
resveratrol es una fitoalexina procedente del Polygonus cuspidatum,
presente en las uvas, vino, nueces, etc., que puede ser consumido con la dieta
y muestra notable actividad frente al envejecimiento, aunque a
concentraciones mucho más elevadas que las presentes en el alimento. El
resveratrol activa a SIRT1 y con ello alarga la vida de levaduras, gusanos,
moscas y peces, y también de ratones incluso alimentados con dietas
hipercalóricas.
La sobreexpresión de la proteína secretada KLOTHO se ha descrito que
retrasa el envejecimiento en ratones, al intervenir rebajando la actividad de
la vía IGF1–insulina. La familia FOXO de factores de transcripción merece
ser mencionada por su posible papel mediador de la longevidad y protección
del cáncer. Las proteínas FOXO se activan mediante varios estímulos a
través de un mecanismo que implica la vía Jun quinasa, y su asociación y
desacetilación por SIRT1. Por el contrario las proteínas FOXO son
inactivadas por factores de crecimiento, tales como la insulina, a través de la
AKT quinasa. Las proteínas FOXO tienen muchos objetivos
transcripcionales, que incluyen enzimas gluconeogémicos y antioxidantes.
El homólogo de FOXO en gusanos y moscas es suficiente para
proporcionarles un alargamiento de la vida, lo cual explica, al menos en
parte, cómo la baja señalización de la insulina media efectos antienvejecimiento.
Lo anteriormente mencionado lleva a proponer que, diversas
manipulaciones genéticas, tales como las de aminorar las actividades de GH,
IGF1 y del receptor de la insulina y de incrementar las de FOXO, SIRT1 y
KLOTHO, así como la administración de antidiabéticos, dietas hipocalóricas
y resveratrol, comparten en común la capacidad de retrasar el envejecimiento
y alargar la longevidad. (Figura 1). El impacto de estas manipulaciones en la
resistencia al cáncer está todavía en estudio, pero existe suficiente evidencia
que indica que la mejora de la eficacia metabólica proporciona protección al
cáncer. En particular, existen pruebas que demuestran la actividad de los
antidiabéticos, las dietas hipocalóricas y el resveratrol, en la protección al
cáncer, previniendo o retrasando varios tipos de cáncer en ratón. Es de
destacar una evidencia preliminar en el caso de antidiabéticos como
protectores al cáncer en humanos. Además recientes estudios indican que
tres proteínas relacionadas con FOXO, FOXO1, FOXO3 y FOXO4 tienen
actividad potente de protección frente al cáncer.
203
Capítulo 7
Aunque el panorama actual es todavía incompleto, se sugiere que
mejorando la eficacia del metabolismo celular, se consigue menor daño
endógeno lo cual proporciona protección frente el envejecimiento y el cáncer
(Figura 1).
Figura 1. Envejecimiento y cáncer. Una fuente importante de daño a las células
proviene del metabolismo, mediante la producción de ROS, que causan lesión
macromolecular (proteínas, lípidos y DNA). El daño endógeno es causa de ambos
envejecimiento y cáncer. Aquellos mecanismos que disminuyen las causas del daño endógeno,
disminución de ROS de GH y de señalización IGF1, dieta hipocalórica, estrategias
antioxidantes y señalización por p53, protegen las células del envejecimiento y del cáncer
(Serrano y Blasco 2007, modificado)
3.2. Defensas antioxidantes.
La conexion entre daño oxidativo y envejecimiento ha sido un tópico de
intensa investigación. Las ROS se generan a lo largo de la vida y causan
continuo daño a los integrantes macromoleculares de la célula (proteínas,
lípidos y DNA). El ritmo de producción de ROS se eleva con el
envejecimiento, debido en parte, a diversas alteraciones en la cadena de
transporte electrónico mitocondrial asociadas al propio envejecimiento, lo
cual, a su vez produce daño en la mitocondria. Esto crea un círculo vicioso,
204
Capítulo 7
cuyo final es un progresivo incremento en las ROS y en la lesión oxidativa
derivada de ellas, que se refleja en la propia mitocondria (Figura 1)
A pesar de los intentos para entender la conexión entre el daño oxidativo
y el envejecimiento, hay pocos ejemplos de manipulación genética en
ratones que disminuyan directamente el daño oxidativo y alarguen la vida.
Los ejemplos más notables son los ratones deficientes en p66Shc y los
ratones que sobreexpresan catalasa. p66Shc es una proteína multifuncional
que se localiza en el espacio intermembrana de la mitochondria donde actúa
como proteína redox, que interacciona con el citocromo c y recibe
electrones, que son posteriormente transferidos al oxígeno y se generan
ROS. La catalasa, es una enzima cuya misión es eliminar H2O2 (peróxido de
hidrógeno, una especie reactiva de oxígeno), y los ratones que sobreexpresan
catalasa muestran un retraso en el envejecimiento. También los ratones que
expresan tioredoxina humana tienen más larga su expectativa de vida y su
longevidad máxima. Por último, debe mencionarse que la administración de
antioxidantes en la dieta retrasa el envejecimiento en gusanos y moscas, pero
hasta hoy no se ha demostrado en ratón. Estos datos aportan la suficiente
evidencia para responsabilizar al daño oxidativo como una de las causas de
envejecimiento.
La resistencia al cáncer no se ha relacionado en los ratones
anteriormente mencionados con la longevidad, aunque sus más largas vidas
implica que no existe incremento en la susceptibilidad al cáncer. Sin
embargo, la administración de antioxidantes en la dieta, particularmente Nacetilcisteína, es una potente intervención anti-cáncer en ratones y se ha
demostrado que proporciona protección frente a cánceres inducidos por
carcinógenos y frente a linfomas que fueron producidos en ausencia de p53 o
de ataxia telangiectasia mutada (ATM) quinasa. Finalmente, debe destacarse
que los efectos del resveratrol sobre la protección al cáncer y al
envejecimiento pueden ser mediados a través de su conocida actividad
antioxidante. En resumen, la evidencia disponible sugiere que los
antioxidantes puede retrasar tanto el cáncer como el envejecimiento (Figura
1).
3.3. Supresores tumorales
La proteína p53 es la quintaesencia de los supresores de tumores, cuya
actividad se ha perdido en muchos cánceres humanos. Su misión es la de
maestro integrador del estrés celular con la capacidad de orquestar un amplio
205
Capítulo 7
espectro de respuestas defensivas. La proteína p53 es normalmente inactiva,
debido a su rápida degradación por la específica ubiquitina ligasa MDM2.
Una multitud de situaciones de estrés convergen en p53 a través de una
compleja vía de señalización, solo parcialmente conocida, que estabiliza y
modifica p53. El supresor tumoral p19ARF es también relevante en este
aspecto, está codificado por el locus INK4a/ARF, se une e inhibe a MDM2, y
estabiliza p53. Después de ser activada por estrés, p53 gana completa
competencia transcripcional y activa un amplio espectro de genes objetivo.
Los objetivos transcripcionales de p53 son los que van a poner en práctica la
respuesta celular: reparación del DNA, parada proliferativa transitoria,
senescencia o apoptosis, etc., que dependerá del tipo e intensidad del estrés y
de su efecto sobre la célula. Poniendo el ejemplo de objetivos antioxidantes
y pro-oxidantes: el estímulo por estrés oxidativo de baja intensidad que no
compromete la viabilidad celular, es suficiente para que p53 active objetivos
antioxidantes. En caso de estimulo de alta intensidad, p53 activa objetivos
pro-oxidantes que participan en el desencadenamiento de la muerte celular.
La tumorigenesis ha de ser considerada como un proceso gradual mediante
el cual las células adquieren la capacidad de sobrevivir y proliferar en
condiciones de estrés. Situaciones de estrés incluyen estrés oxidativo,
carencia de nutrientes y oxígeno, ataque por células inmunes, carencia de
inserción propia a otras células o a la matriz extracelular, daño al DNA,
señales oncogénicas, metabolismo aberrante etc. La proteína p53 reacciona
ante todas estas situaciones; primero, mediante programas transcripcionales
que intentan reestablecer la homeostasis, y después, si el estrés persiste,
previniendo la propagación de las células dañadas por apoptosis o
senescencia.
Un tópico emergente de relevancia potencial para la protección frente al
envejecimiento es el programa transcripcional mantenido por la proteína p53
basal (basal se refiere a la actividad de p53 frente a una situación endógena
de estrés normal). Esta actividad basal de p53 incluye un grupo de genes
(SCO2, SENS1 y SENS2, AIF, TIGAR, ALDH4 y otros), cuyo efecto final
combinado es mejorar la eficiencia de la respiración mitocondrial y
disminuir la generación de ROS. Así, p53 no solo proporciona protección al
estrés aberrante, tal como durante la tumorigénesis, sino también en el daño
endógeno que ocurre en cada momento de la vida. Dado el papel central que
juega p53, no sorprende que su manipulación en modelos de ratón esté
proporcionando un cuadro complejo de datos. Los modelos de ratón
disponibles con elevada actividad p53 se pueden agrupar en dos categorías.
Primera, son aquellos en los que p53 retiene sus controles reguladores
206
Capítulo 7
normales, lo que significa que depende todavía de la presencia de señales de
estrés para conseguir su completa actividad, que incluye la capacidad de
desencadenar la apoptosis y senescencia. Segunda, son aquellos modelos en
los que la secuencia de aminoácidos de p53 ha sido modificada con la
eliminación de su región N-terminal, que se requiere para interaccionar con
MDM2, lo que indica que la actividad p53 es parcialmente independiente de
las señales de estrés. Ambos grupos de modelos de ratón comparten el
fenotipo de ser más resistentes al cáncer, pero tienen fenotipos diferentes de
envejecimiento. En el caso del ratón con elevados niveles de p53
normalmente regulada, el envejecimiento no está acelerado, mientras que en
el caso de ratones con actividad p53 alterada, el envejecimiento si lo está.
Aquí queremos dedicarnos a aquellos modelos de ratón modificado, pero
cuyos niveles no han sido afectados en su regulación. El grupo de Serrano y
Blasco han demostrado que los ratones con una copia extra del gen p53
normalmente regulado envejecen normalmente. Pero análisis detallados de
sus tejidos envejecidos en un marco deficiente en telomerasa indicó que
estos ratones podían eliminar las células dañadas por los telómeros más
eficientemente. En una continuación de estos estudios se combinaron una
copia extra del gen p53 y una copia extra del ARF en la misma cepa de ratón.
El ratón así obtenido se denominó super ratón ARF/p53. Los análisis de la
expectativa de vida indicaron que, aparte del beneficio de una menor
incidencia en cáncer, estos super ratones ARF/p53, mostraron una
expectativa de vida más larga. Además, estos ratones mostraron menores
achaques asociados al envejecimiento, probablemente debido a elevados
niveles de objetivos transcripcionales anti-oxidantes.
De hecho, si el envejecimiento es una consecuencia del acumulo de
lesiones y p53 es la principal defensa frente a la lesión, entonces no
sorprende que p53 junto con p19ARF, pueda tener actividad anti
envejecimiento. Un hallazgo interesante ha sido realizado en Caenorhabditis
elegans, en el cual se ha observado que varias mutaciones de longevidad,
incluyendo menor actividad insulina/IGF1, menor respiración mitocondrial o
dieta hipocalórica, proporcionan también protección frente a tumores debido
a elevada actividad de p53. Las dos observaciones siguientes, que p53 puede
proporcionar actividad anti-envejecimiento, y que mutaciones de longevidad
pueden proporcionar protección frente al cáncer dependiente de p53,
sugieren que longevidad y resistencia al cáncer están íntimamente
conectadas y parcialmente coordinadas por p53. Finalmente, hemos de
mencionar que aquellos sistemas que mantienen la estabilidad genómica
207
Capítulo 7
pueden también ser considerados mecanismos convergentes en el sentido
que disminuyen el daño al DNA y por tanto, previenen ambos cáncer y
envejecimiento. Existen múltiples ejemplos de ratones con inestabilidad del
DNA que son propensos al cáncer y tienen un envejecimiento acelerado.
3.4. Inestabilidad genómica
El mantenimiento de la integridad del DNA representa un reto
fundamental y continuo para cada célula de nuestro organismo. Existen
múltiples vías para detectar y reparar el DNA dañado, dependiendo de la
naturaleza de la lesión y de la fase del ciclo celular en la cual se ha
producido la lesión. Como la inestabilidad del DNA es un signo
característico de la mayor parte de los cánceres, no sorprende que muchos de
los factores que se han implicado en detectar y responder al daño al DNA se
encuentren alterados en tumores humanos. Menos estudiado es el hecho que
la inestabilidad genómica sea también una característica del envejecimiento.
Se conoce desde hace muchos años que existe un incremento en la
inestabilidad cromosómica dependiente de la edad y datos recientes indican
que la acumulación de mutaciones somáticas por efecto de la edad, puede
variar entre los diferentes tejidos del mismo organismo y que estas
alteraciones genéticas contribuyen a la variación estocástica en la expresión
genética que se observa a menudo en el envejecimiento de mamíferos
Los análisis moleculares de los síndromes humanos de cáncer
hereditario, tal como el síndrome de Li-Fraumeni, la ataxia telangiectasia
(AT) y las formas comunes de cáncer familiar de ovario y mama, refuerzan
las conexiones existentes entre el mantenimiento de la integridad del genoma
y la susceptibilidad al cáncer. Estas patologías pueden ser causadas por
mutaciones en la línea germinal en los genes que codifican la proteína p53,
la quinasa ataxia telangiectasia mutada (ATM) o la del cáncer de mama
(BRCA1), tres proteínas que son esenciales para la vigilancia del daño al
DNA, las cuales se han asociado al envejecimiento de células o del
organismo. En el caso de p53, se ha observado que ratones manipulados
genéticamente para expresar isoformas alteradas de p53 con actividad
incrementada, son resistentes al cáncer pero envejecen prematuramente. La
proteína p53 normal presenta un impacto beneficioso sobre la longevidad al
eliminar el daño al DNA por reparación o eliminando las células dañadas por
apoptosis. Apoyan esta idea los experimentos en ratones que sobreexpresan
p53 y p19ARF los cuales muestran un retraso en el envejecimiento. También
en ratones con deleciones dirigidas o humanos con deficiencias hereditarias
208
Capítulo 7
en varios factores que se encuentran implicados en detectar y reparar DNA
dañado, tienen reforzada la correlación entre el daño al DNA y la tasa de
envejecimiento. Por ejemplo, reduciendo el nivel de varios genes de puntos
de control mitóticos, se origina inestabilidad cromosómica, aumento de la
aneuploidia y la aparición del fenotipo de ratones progeroides. Estas
observaciones indican que deficiencias severas en las proteínas implicadas
en la detección del daño y reparación al DNA, pueden acelerar el
envejecimiento, mientras que deficiencias menos severas en las mismas vías
pueden predisponer al cáncer. El mecanismo para el envejecimiento en
ausencia de una fiel reparación del DNA, no está del todo claro, pero puede
ser secundario a la inducción de la senescencia o apoptosis de células madre
y progenitoras. Alternativamente, la ausencia de reparación del DNA puede
causar tanto daño directo a las células diferenciadas terminales, como para
desequilibrar la homeostasis, por el contrario, mutaciones débiles en el
mismo grupo de genes pueden permitir a las células sobrevivir y proliferar,
pero con una alteración soterrada en la fidelidad del DNA, que
posteriormente predispondrá al cáncer. Esto nos puede ayudar a comprender
por qué tantos modelos de ratón con deleciones de genes asociados a la
reparación o detección del daño al DNA pueden exhibir a la vez,
susceptibilidad al cáncer y características progeroides.
3.5. Autofagia
La última disposición de los desechos celulares, otro de los aspectos en
el que se encuentran cáncer y envejecimiento, es la que se conoce como
autofagia. Este concepto, descrito por primera vez en levadura, la
macroautofagia, es el proceso en el que proteínas u orgánulos viejos y
dañados, incluidas las mitocondrias, son secuestrados dentro de estructuras
de doble membrana conocidas como autofagosomas, los cuales se fusionan
con los lisosomas en células de mamíferos, o con vacuolas en levadura, para
posteriormente degradar el cargamento usado y devolverlo como
reutilizables bloques de construcción. En levadura se han identificado más
de 16 genes conservados requeridos para la autofagia. Un activador universal
de la autofagia es la disminución en la disponibilidad de nutrientes y este
estímulo ocurre, en parte, por inhibición de la señalización de TOR (objetivo
de la rapamicina).
Aunque el acumulo de proteínas y orgánulos dañados es un signo de
envejecimiento y enfermedades asociadas el envejecimiento, la conexión
entre estos procesos y el cáncer ha sido hasta recientemente poco claro. La
209
Capítulo 7
primera conexión entre autofagia y cáncer surgió de la observación de que el
producto del gen beclin 1 (becn1), un homólogo del gen de la autofagia de
levadura VPS30, se une al oncogen humano BCL2 (B cell/lymphoma 2), e
inhibe la autofagia. Esto indica que en los tumores caracterizados por una
mayor expresión de BCL2, cuya misión, al menos en parte, fue inhibir la
autofagia. En ratones haploinsuficientes, que habían perdido una copia del
gen Becn1, desarrollaron tumores, lo que indica que la autofagia actúa como
un importante supresor de tumores in vivo. En otros estudios se observó que
en tumores malignos humanos el locus BECN1 está comúnmente
delecionado y por evidencia experimental, se conoce que varios supresores
de tumores, incluyendo la fosfatasa y homólogo de la tensina PTEN y p53,
estimulan la autofagia. En efecto, aunque la evidencia indica que los
oncogenes inhiben la autofagia y que los supresores de tumores la estimulan,
la conexión mecanística entre cáncer y autofagia permanece sin aclarar
(Figura 2).
Figura 2. Papel de la autofagia en cáncer y envejecimiento. La autofagia es un proceso
regulado para la eliminación de proteínas y orgánulos dañados. Tiene lugar en condiciones
basales y se estimula por factores ambientales tales como la privación de alimento. Las
proteínas conectadas a la tumorigénesis pueden regular el ritmo de la autofagia, con
productos de oncogenes que la bloquean y supresores tumorales que la estimulan. La
eliminación de componentes celulares dañados, especialmente las mitocondrias, disminuye la
generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), lo que a su vez, reduce la inestabilidad
genómica y la senescencia celular. Tales mecanismos pueden permitir incrementos
moderados en la autofagia para reducir la incidencia del cáncer y retrasar el envejecimiento
(Finkel et al 2008 modificado).
210
Capítulo 7
3.6. El metabolismo energético conecta envejecimiento y cáncer
En organismos relativamente simples como el C. elegans, las
mutaciones que prolongan su vida están a menudo conectadas con la
capacidad del organismo a superar el estrés, en particular el estrés oxidativo
y el metabólico. Esta resistencia al estrés puede ser importante para una
célula de un tumor de rápido crecimiento donde el suministro y la
disponibilidad de nutrientes y oxígeno son, a menudo, precarios. Esta
coincidencia estratégico metabólica se ha hecho más concreta por
observaciones de genes específicos que conectan la triada de envejecimiento,
cáncer y energía. Uno de tales genes es Trp53 que codifica la proteína p53.
Este supresor de tumores es uno de los que sufren mutación más
frecuentemente en cánceres humanos y su actividad incrementada acelera el
envejecimiento. No obstante, existe una conexión entre p53 y el
metabolismo celular, reforzada por recientes informaciones que p53 regula
la transcripción de dos proteínas que tienen papeles clave en la utilización
de glucosa y la respiración mitocondrial. Otra vía que permite a las células y
los organismos adaptarse a cambios en la disponibilidad de nutrientes es la
red señalizadora TOR, la cual se activa en presencia de abundantes
nutrientes y se inactiva en situaciones de ayuno. Un número de reguladores
de TOR, PTEN, esclerosis tuberosa 2 (TSc2), v-akt, homólogo 1 del
oncogen vírico del timoma murino (AKT1) y serina/treonina quinasa 11
(STK11), están frecuentemente alterados en tumores humanos. De la misma
manera, el uso del inhibidor de TOR, la rapamicina, es frecuentemente
requerida como tratamiento de los tumores malignos. La vía TOR ha
recibido un nuevo interés por su papel en el envejecimiento, ya que en
muchos organismos la disminución de la señalización TOR se asocia con el
alargamiento de la vida. En células de mamíferos mTOR parece ser un
importante regulador del metabolismo mitocondrial.
La familia de los factores de transcripción forkhead, representa otra vía
en la cual interseccionan cáncer y envejecimiento. Los miembros de esta
familia en mamíferos regulan numerosos aspectos del destino celular. El
ortólogo de mamíferos más cercano al daf 16 del C. elegans, es FOXO3, que
controla la expresión de múltiples genes implicados en la resistencia al estrés
y metabolismo. La familia forkhead en mamíferos actúa como supresores de
tumores y reguladores de la longevidad de las células madre (Figura 3).
211
Capítulo 7
Figura 3. Existe una red complicada de interacciones para proteínas implicadas en la
coordinación del estado energético con el destino último de la célula. Entre éstas se
encuentran las proteínas cuyas actividades están influenciadas por reservas energéticas
incluyendo AKT, AMPK y SIRT1. Por otro lado, estos sensores regulan la actividad de
efectores tales como el objetivo de la rapamicina TOR (serina treonina quinasa), FOXO
(factor de transcripción) y el supresor tumoral p53. Regulación positiva (flechas rojas),
negativa (líneas negras), cambios sutiles líneas verdes). La expectativa de vida parece estar
influenciada por muchos de estos sensores y efectores, lo que indica que existe una conexión
íntima entre la energía y la longevidad. AKT, v-akt homólogo 1 del oncogén vírico del timima
muruni; APMK, proteína quinasa dependiente de AMP, SIRT1, desacetilasa dependiente del
NAD ( Filkel, Serrano y Blasco 2008).
4. Mecanismos opuestos en la protección al envejecimiento y al
cáncer
Hemos descrito aquellos mecanismos que disminuyen el daño celular
actuando sobre una causa común de cáncer y envejecimiento, y proporcionan
protección a ambos procesos. Sin embargo, existen mecanismos que
protegen del cáncer limitando el potencial proliferativo de las células, y
presentan efectos pro-envejecimiento. Las células han desarrollado
mecanismos que guardan una “memoria” de su historia proliferativa, que
previene la proliferación celular más allá de un cierto punto. Estos son los
potentes mecanismos de supresión tumoral, que pueden contribuir al
envejecimiento. Las células de individuos viejos (en particular células madre
212
Capítulo 7
y progenitoras) han acumulado una larga historia de proliferación y pueden
sucumbir al mismo mecanismo que previene la proliferación indefinida de
las células cancerosas. Por tanto, aquellos mecanismos que previenen la
proliferación indefinida, presentan efectos opuestos sobre el cáncer y sobre
el envejecimiento.
4.1 Papel de los telómeros.
Los telómeros son estructuras especializadas situadas en el extremo de
los cromosomas, que sirven para distinguir y proteger las terminaciones
naturales de dichos cromosomas. Los telómeros impiden que estas
terminaciones naturales sufran la fusión con los extremos de otros
cromosomas por lo cual son esenciales para su estabilidad. El acortamiento
progresivo de los telómeros, del que se tiene experiencia en la mayoría de las
células somáticas, entre las que se incluye a las células madre y las
progenitoras, constituye el mecanismo mejor conocido por el cual las células
mantienen una memoria proliferativa. Los telómeros son estructuras
nucleoproteínicas cuya misión es la de proteger los extremos de los
cromosomas. En los vertebrados los telómeros consisten en repeticiones de
5′-TTAGGG-3′ que están unidos a complejos multiproteicos especializados
denominados shelterina. La propia regulación de los telómeros requiere una
longitud minima de repeticiones de 5′-TTAGGG-3′, la integridad del
complejo shelterina y la presencia de heterocromatina constitutiva. En
ausencia de mecanismos compensadores, los telómeros se pierden en cada
ciclo de división celular debido a la incapacidad de la maquinaria replicativa
de copiar las secuencias terminales de los moldes (template) lineales,
problema que se agrava por las actividades degradativas del DNA que
pueden operar en los telómeros. La pérdida de los telómeros se compensa
por la telomerasa, una retrotranscriptasa, que añade repeticiones teloméricas
de novo después de cada división celular. Sin embargo, las células somáticas
de adultos, entre las que se incluyen las células madre, no tienen suficiente
actividad telomerasa para contrarrestar el acortamiento telomérico que va
apareciendo con el envejecimiento y por tanto los organismos viejos
acumulan daños cromosómicos derivados de los telómeros
En la mayoría de los casos, los tumores tienen los telómeros más cortos
que el tejido que los rodea, lo cual está de acuerdo con la idea que los
telómeros se acortan durante la extensa proliferación que precede la
formación de un cáncer. Además, la activación del gen de la telomerasa, que
es silente en células normales, ocurre en la mayoría de cánceres y, de esta
213
Capítulo 7
manera, la mayoría de las células cancerosas son capaces de mantener sus
cortos telómeros o incluso alargarlos. Manipulaciones genéticas han
demostrado que la expresión de la telomerasa en la vida postnatal, por medio
de transgénesis, incrementa la incidencia de cáncer, probablemente al
hiperactivar las células madre. Esta evidencia favorece un escenario en el
cual el acortamiento de telómeros impone una potente barrera a la
proliferación de las células tumorales. Así que, solo aquellas células que
superan esta barrera, generalmente por activación del gen silente de la
telomerasa, aunque también por recombinación telomérica, son capaces de
generar un tumor maligno. Pruebas genéticas de este modelo han sido
obtenidas en ratones en los cuales la barrera de acortamiento de telómeros es
más difícil de superar debido a la ausencia genética de telomerasa. Estos
ratones deficientes en telomerasa muestran una mayor protección frente al
cáncer. Hay que mencionar dos excepciones relevantes que ocurren cuando
la deficiencia de telomerasa se combina con ausencia de p53 o con
sobreexpresión del componente de la shelterina el TRF2, que recluta la
nucleasa XPF e induce la degradación de los telómeros. La ausencia de p53
o la sobreexpresión de TRF2 ocasionan una inestabilidad genética galopante
en células deficientes en telomerasa que promueve el desarrollo de cáncer.
Dejando aparte estas dos excepciones (deficiencia de p53 y sobreexpresión
de TRF2), el acortamiento de los telómeros, mediante la activación de p53,
previene la proliferación indefinida de las células cancerosas y constituye
uno de los mecanismos supresores de tumores más importantes (Figura 2).
Como los telómeros son esenciales para la estabilidad cromosómica, la
pérdida de los telómeros a una edad avanzada puede ser la causa del
envejecimiento del organismo. Además, la longitud de los telómeros es un
pronóstico de patologías relacionadas con la edad y la longevidad en
humanos. En ratones, incluso la primera generación que carece de
telomerasa tiene una menor expectativa de vida. Además, el examen de la
longitud de los telómeros en ratones silvestres ha demostrado que los
telomeros se acortan significativamente en la edad avanzada, tanto en Mus
spretus como en el ratón de laboratorio Mus musculus. Finalmente, los
ratones que sobreexpresan la telomerasa y no sucumben al cáncer, muestran
un modesto incremento en su longevidad. Por tanto, está demostrado que
existe una conexión entre el acortamiento de telómeros y el envejecimiento
tanto en humanos como en ratones. Observando el mecanismo del
envejecimiento y los telómeros, los ratones deficientes en telomerasa
envejecen prematuramente debido a múltiples defectos en los órganos, que
son causados por alteración en la regeneración de los tejidos asociada a la
214
Capítulo 7
funcionalidad reducida de varios compartimentos de células madre. Esto
sugiere que los telomeros cortos provocan envejecimiento a través de sus
efectos deletéreos sobre la funcionalidad de las células madre. Por ejemplo,
se ha demostrado que los telómeros cortos alteran la capacidad de las células
madre epidérmicas de salir de su estado quiescente y regenerar tejidos,
anticipando sus efectos pro-envejecimiento. La menor longevidad y los
defectos regenerativos de los ratones deficientes en telomerasa son
reminiscentes de los pacientes humanos con síndrome de disqueratosis
congénita, como también de ciertos pacientes con anemia aplásica.
Resultados recientes indican que el envejecimiento conducido por telómeros
está mediado por el objetivo transcripcional de p53, p21Cip1 en un proceso
que también implica a la proteína de reparación de errores de apareamiento
PMS2. En resumen, la evidencia acumulada indica que el acortamiento de
telómeros es un componente relevante del envejecimiento fisiológico, que es
probable que esté mediado por el impacto de la longitud telomérica sobre las
células madre. Creemos que la ausencia del mantenimiento de los telómeros
después del desarrollo embrionario está diseñada en primer lugar como un
mecanismo supresor de tumores, y no como un mecanismo activo proenvejecimiento. Esto está de acuerdo con la idea del soma desechable por el
cual la selección natural, en vez de seleccionar los genes que promueven
activamente el envejecimiento, abandona la protección a individuos que han
sobrepasado su utilidad para la especie. En ambientes artificiales protegidos,
sin embargo, los individuos tienen una longevidad más larga que en
ambientes silvestres y esta larga expectativa de vida no natural, da la
oportunidad para acontecimientos de acortamientos de telómeros críticos y
de envejecimiento conducido por telómeros. De esta manera, está claro, que
el mismo mecanismo que nos protege del cáncer puede también contribuir a
nuestro envejecimiento.
4.2. Desrrepresión de genes supresores.
El locus, INK4a/ARF también conocido como locus CDKN2a, está
situado en el cromosoma 9 y es uno de los lugares mutados más
frecuentemente en cáncer humano. Comprende estructuras que se solapan y
codifican dos proteínas, la p16INK4a y la p19ARF, que juegan un papel
importante en la regulación del crecimiento celular, la supervivencia y la
senescencia. Estas dos proteínas son supresoras de tumores no relacionados,
la p16INK4a, regula la actividad de Rb1 por inhibición directa de las
quinasas dependientes de ciclina (CDK) y la p19ARF regula la función de
p53. La inactivación de este locus por completa eliminación o por mutilación
215
Capítulo 7
aberrante del promotor, es muy común en casi todos los tipos de tumores
malignos. Una completa incidencia de inactivación del 30% hace de este
locus una de las defensas más importantes frente al cáncer en los mamíferos.
El mecanismo de acción del locus INK4a/ARF es bien conocido. La proteína
p19ARF estabiliza p53 por unirse e inhibir a la proteína oncogénica MDM2.
En el caso de p16INK4a, su actividad supresora de tumores se basa en su
capacidad de unirse e inhibir las quinasas dependientes de ciclina-D CDK4 y
CDK6. Esta particular clase de quinasas, como también las ciclinas del tipo
D se sabe que tienen potencial oncogénico y fosforilan a la familia del
retinoblastoma de supresores de tumores (Rb, p107 y p130), que a su vez son
los principales reguladores negativos del ciclo celular.
Una característica clave del locus INK4a/ARF reside en el hecho que es
transcripcionalmente silente durante el desarrollo embrionario y durante la
mayor parte de la vida postnatal hasta el estado adulto, pero se activa por
estímulos mitogénicos excesivos, por ejemplo, por señalización oncogénica
en tumores, como también en organismos viejos. La expresión de ciertos
oncogenes acelera la desrrepresión del locus INK4a/ARF, un fenómeno que
se ha denominado “senescencia inducida por oncogenes”. Una amplia
cantidad de resultados ha propuesto un modelo en el cual las células
“memorizan” el estímulo mitogénico excesivo y las divisiones celulares, en
parte mediante la desrrepresión de este locus. Por tanto, la desrrepresión del
locus INK4a/ARF durante el envejecimiento es de notable magnitud y puede
bien estar entre los cambios más dramáticos en la expresión génica que se
asocian al envejecimiento. El locus INK4a/ARF se mantiene silente en
células normales, no estresadas por mecanismos epigenéticos que parecen
depender de represores transcripcionales complejos Polycomb. Durante el
envejecimiento o sometiendo a estrés cultivos celulares, los niveles de los
componentes de Polycomb BMI1 y EZH2 decrecen y esto puede explicar la
dependencia del envejecimiento de la desrrepresión del locus INK4a/ARF
(Figura 4). Sin embargo, a pesar de Polycomb, muchos otros reguladores
transcripcionales inciden en la actividad del locus INK4a/ARF. La
identificación de los factores relevantes que son responsables de la
desrrepresión de este locus durante el cáncer y el envejecimiento permanece
como un desafío para el futuro próximo.
A pesar de la evidencia correlativa entre la desrrepresión del locus
INK4a/ARF y el envejecimiento, todavía no se tienen datos genéticos.
Ratones que contienen una copia extra del locus intacto en la forma de un
gran transgen genómico, no muestran prematuro envejecimiento, mientras
216
Capítulo 7
que están más fuertemente protegidos frente al cáncer. Estos datos sugieren
que el locus INK4a/ARF es un potente supresor tumoral, pero tiene un
impacto menor sobre el envejecimiento fisiológico. Sin embargo, en ratones
que carecen o sobreexpresan p16INK4a, se ha demostrado que está limitado
el potencial regenerativo de las células madre. La actividad proenvejecimiento de p16INK4a es interesante, aunque tiene que ser
demostrada directamente. En este aspecto, un factor complicado deriva de la
posibilidad que los inhibidores del ciclo celular puedan mantener la
proliferación de las células madre a un ritmo bajo y esto pueda ser
beneficioso para prevenir el prematuro agotamiento de las reservas de
células madre, como ha sido demostrado para p21Cip1.
Figura 4. Mecanismos que previenen del cáncer y promueven el envejecimiento. Las
células poseen dos sistemas autónomos principales para limitar su potencial proliferativo: el
acortamiento de telómeros y la regulación del inhibidor INK4a de las quinasas dependientes
de ciclina. Ambos sistemas ejercen impacto sobre el potencial proliferativo de las células
madre, particularmente en la vejez y sobre la proliferación aberrante estimulada por
señalización oncogénica. Estos límites son beneficiosos para prevenir el desarrollo del
cáncer, pero son perjudiciales para la regeneración de los tejidos en edades avanzadas
(Serrano y Blasco 2007 modificado).
Se puede resumir que el locus INK4a/ARF sufre una notable
desrrepresión durante el envejecimiento, quizás como una manifestación del
excesivo o prolongado estimulo mitogénico que se acumula en las células
madre. Por el contrario, la desrrepresión del locus INK4a/ARF durante la
217
Capítulo 7
tumorigenesis proporciona protección poderosa frente al cáncer, como se ha
evidenciado por la fuerte presión selectiva para eliminar el locus en el
cáncer. Como se comentó anteriormente, para el acortamiento de los
telómeros y de acuerdo con la teoría del “soma desechable” se cree que el
propósito principal del locus INK4a/ARF es proporcionar protección frente
al cáncer y no hacer cumplir activamente el envejecimiento en una forma
programada genéticamente. Esto no excluye que la notable desrrepresión del
locus en las edades avanzadas contribuya al proceso del envejecimiento.
La relevancia de la senescencia para la protección del cáncer, puede ser
razonada si se considera la senescencia como una barrera inducida por estrés
que limita el potencial proliferativo de las células lesionadas. De acuerdo
con esta idea, se ha demostrado que existen abundantes células senescentes
en los tumores, moviendo así estas observaciones desde el reino del cultivo
in vitro a la arena de la biología real del cáncer (Figura 5). Esta senescencia
intra-tumoral se cree que se desencadena por señales oncogénicas que
pueden funcionar desrreprimiendo el locus INK4a/ARF. Otro mediador
importante de la senescencia inducida por oncogenes, parece ser la
activación de la vía de respuesta al daño al DNA (DDR), posiblemente por la
hiperreplicación característica de las células cancerosas. Otra sorpresa
reciente ha sido la rápida eliminación in vivo de células tumorales que han
sufrido la senescencia desencadenada por p53, Al menos en un sistema, esta
eliminación parece que ocurre mediante la activación del sistema inmune
innato, lo cual es relevante porque la quimioterapia y la radioterapia
convencionales funcionan induciendo la senescencia en el interior de la masa
tumoral. Además, otra evidencia indica que el reconocimiento de las células
tumorales por el sistema inmune requiere la activación continua de la vía
DDR. Tales observaciones necesitan ser colocadas en el sitio apropiado, ya
que está claro que la mayoría de los tumores malignos, se desarrollan en
presencia de un sistema inmune funcional. De igual manera, los tejidos que
sufren envejecimiento normal pueden acumular cantidades significativas de
células senescentes sin provocar una respuesta inmunológica potente.
218
Capítulo 7
Figura 5. Interacción de las células madre, estrés, envejecimiento y cáncer.
Durante el envejecimiento normal, las células madre acumulan lesiones y cambios
dependientes del estrés (desrrepresión del locus INK4a/ARF o acortamiento de telómeros).
Esto conduce a un incremento de células senescentes (células grandes azules) en el interior
de tejidos diferenciados. Tumores incipientes surgen directamente de las células madre o a
partir de células más comprometidas, y sufren proliferación rápida (células pequeñas rojas).
Estas células premalignas acumulan rápidamente alteraciones, debido a la presencia de
oncogenes, lo que conduce a una elevada proporción de células tumorales que se vuelven
senescentes (células pequeñas azules). La progresión tumoral hacia la malignidad se
favorece cuando las células tumorales adquieren mutaciones que alteran el programa de
senescencia. (Finkel, Serrano y Blasco 2008, modificado).
5. Conclusiones
Se han descrito dos tipos de mecanismos que juegan entre cáncer y
envejecimiento: mecanismos convergentes que al disminuir el daño celular,
evitan el cáncer y protegen la longevidad, y mecanismos opuestos que
parecen diseñados para prevenir la excesiva proliferación con lo cual
previenen del cáncer, pero limitan la longevidad. El equilibrio entre ambos
mecanismos ha de asegurar una vida saludable, libre de cáncer y de los
achaques de la vejez, para la mayoría de los individuos durante la juventud y
la vida adulta.
El reto para el futuro será manipular estos mecanismos para conseguir
una vida larga y saludable. En el caso de los mecanismos convergentes, su
intensificación mediante tratamientos quimiopreventivos debe, en teoría,
219
Capítulo 7
proporcionar beneficios frente al cáncer y el envejecimiento. Esto no es
especulativo, estudios preliminares han demostrado que fármacos
antidiabéticos tienen efectos protectores del cáncer en humanos y también
elevan la longevidad en ratones. En el caso de mecanismos opuestos en la
protección, tales como el acortamiento de telómeros y la desrrepresión del
locus INK4a/ARF, cualquier tratamiento dirigido a elevar sus efectos
protectores del cáncer, han de ser transitorios y tomados en consideración
por sus posibles efectos pro envejecimiento.
Por último hay que considerar que la vida es muy difícil modificarla,
porque todos los elementos del organismo han sido ajustados enormemente
a lo largo de la evolución. Envejecimiento y cáncer deben ir de la mano si se
quiere “manipular” la longevidad. No tiene sentido alargar la vida si se
desarrolla un cáncer, y viceversa; no interesa estar protegidos del cáncer, si
se adelanta el envejecimiento. Hay que tener presente que el cáncer es una
enfermedad degenerativa y en la mayoría de los casos una consecuencia del
envejecimiento celular. Con los años, los organismos van perdiendo su
capacidad de reparación y las lesiones se acumulan, esos daños, a su vez,
van a ser capaces de producir mutaciones, que con el paso del tiempo van a
favorecer la proliferación celular aberrante.
6. Abreviaturas
AKT, v-akt, homólogo 1 del oncogén vírico del timoma murino; ATM,
quinasa ataxia telangiectasia mutada; DDR, vía de respuesta al daño al
DNA; BCL2, proteína codificada por el oncogén BCL2 del linfoma de
células B; BMI1, componente del Polycomb; CDK4 y CDK6, quinasas
dependientes de ciclina 4 y 6; EZH2, componente del polycomb; FOXO,
factor de transcripción de la familia forkhead; AMPK, proteína quinasa
dependiente del AMP; DDR, respuesta al daño al DNA; GH, hormona del
crecimiento; IGF1, factor de crecimiento insulínico; MDM2, proteína
oncogénica que inactiva a p53; NAD, nicotinamida adenina dinucleótido;
p16INK, proteína supresora de tumores inhibidora de las CDK; p19ARF,
proteína supresora de tumores que estabiliza a p53 por unión a MDM2;
p66Shc, proteína redox multifuncional en el espacio intermembrana de la
mitocondria; PGC1a, coactivador; PTEN, proteína fosfatasa homólogo de la
tensina; ROS, especies reactivas de oxígeno; SIRT1, desacetilasa
dependiente de NAD; STKII, serina treonina quinasa II; TRF, fragmentos
terminales de restricción.
220
Capítulo 7
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223
Capítulo 8
Capítulo 8. MANIPULACIÓN DE LA ESPERANZA
DE VIDA.
1 Introducción
2. ¿Puede manipularse la vida?
3 Complejidad de las diferentes especies estudiadas
4. De qué manera pueden extrapolarse estos avances a la especie humana
5 Consideraciones evolutivas del envejecimiento
6 Fenotipo senescente y su relación con la enfermedad
7 Bases del envejecimiento intrínseco
8. Otras consideraciones
9. Perspectivas futuras
10. Abreviaturas
11. Bibliografía
1. Introducción
Recientes descubrimientos en la ciencia del envejecimiento indican que
la vida puede ser alterada por manipulación genética, nutricional o
farmacológica en organismos tales como levaduras, gusanos, moscas y ratón.
El estudio de los mecanismos básicos del envejecimiento ha experimentado
un gran avance en las dos últimas décadas y ha hecho difícil ignorar el tema
de si las intervenciones biomédicas para posponer sustancialmente el
envejecimiento son científicamente posibles. El tema es abundante en
afirmaciones opuestas, tales como que la vida no puede alargarse por encima
de un límite (120 – 125 para la especie humana), pero las predicciones en
1990 afirmaban que la disminución en el ritmo de muerte no alcanzaría los
niveles requeridos para que la esperanza de vida en el nacimiento excediera
los 85 años. Sin embargo, las mujeres japonesas han sobrepasado ya ese
límite y la esperanza de vida en los países desarrollados propone que
superaremos los 85 años en 2050. ¿Podrá la ciencia liberarnos de las
ataduras que parecen establecer límites a la vida humana?
2. ¿Puede manipularse la vida?
Con el descubrimiento en los 1980 que las mutaciones en determinados
genes pueden ampliar la vida en el nematodo Caenorhabditis elegans, el
envejecimiento empezó a ser visto como maleable por métodos usados para
entender y manipular el desarrollo y la enfermedad. Hoy en día, cientos de
225
Capítulo 8
genes mutantes pueden incrementar la longevidad en organismos que van
desde la levadura (Saccharomyces cerevisiae), nematodos (Caenorhabditis
elegans), la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) hasta el ratón (Mus
musculus). La mayoría de estos genes actúan sobre vías evolutivamente
conservadas que regulan el crecimiento, el metabolismo energético, la
alimentación y la reproducción. Entre estos se incluyen genes que codifican
componentes de la vía señalizadora insulina/factor de crecimiento insulínico
(IGF-I), la vía objetivo de la rapamicina (TOR) y la cadena de transporte
electrónico mitocondrial (Figura 1). En la mayoría de los casos, la
ampliación de la expectativa de vida ocurre cuando la actividad de estos
componentes disminuye, lo que reduce el daño somático e incrementa el
mantenimiento y reparación.
La mayoría de mutaciones que promueven la longevidad se han
descubierto con mutágenos o RNA de interferencia, que principalmente
descubren funciones genéticas inactivadas o disminuidas, de manera que
puedan ser descubiertas posteriores mutaciones resultantes de la función
activada de los genes. Muchas mutaciones que promueven la longevidad
simulan la restricción dietética (dieta hipocalórica sin malnutrición), que se
ha demostrado que alarga la vida en roedores. La restricción de la dieta
incrementa la longevidad en muchas especies, levaduras, nematodos, arañas
y perros. Aunque los fenotipos de dieta restringida a menudo se solapan con
aquellos otorgados por amortiguación de las vías pro-envejecimiento, en
algunos casos la restricción dietética ejerce efectos sinérgicos con las
mutaciones que promueven la longevidad, indicando que la dieta restrictiva
puede actuar independientemente. La apreciación que la esperanza de vida es
flexible o moldeable y se encuentra bajo la influencia de genes que
favorecen el crecimiento y la procreación, despierta las esperanzas de
encontrar moléculas que se dirijan a las vías afectadas por la restricción
dietética o las mutaciones que promueven el envejecimiento. Se han
identificado compuestos prometedores en este sentido, aunque ninguno ha
mostrado todavía efectos importantes sobre la esperanza de de vida en los
humanos sanos. La mayoría, sin embargo, se encuentra en pruebas clínicas
para tratar enfermedades relacionadas con la edad, como diabetes y cáncer.
Es digno de considerar que hace solo dos décadas era una fantasía especular
sobre la posibilidad de alargar la vida humana, mientras que hoy se está
considerando como una realidad. El que las mutaciones en las vías
evolutivamente conservadas puedan alargar la vida en organismos
experimentales, es un paso de mucha trascendencia con una directa
aplicación sobre los efectos indeseables que trae consigo la edad avanzada.
226
Capítulo 8
3. Complejidad de las diferentes especies estudiadas
Es un hecho evidente que una gran parte de la biología básica es similar
entre especies tan divergentes como levadura y humanos. Es también cierto
que los estudios en levaduras, nematodos y moscas han sido de una enorme
utilidad para avanzar en nuestro conocimiento sobre las bases evolutivas y
mecanísticas del envejecimiento humano. La respuesta de los organismos
más simples a determinadas intervenciones, puede no ser predictiva cuando
la complejidad se eleva o cuando la fisiología se desvía de los humanos de
manera significativa. El impacto de la complejidad se muestra en la vía
señalizadora de la insulina. Los invertebrados tienen un solo receptor que
une ligandos tipo insulina o IGF-1. Las mutaciones que mitigan parcialmente
esta señalización alargan la vida de nematodos y moscas. Sin embargo, los
mamíferos tienen receptores diferentes para la insulina y el IGF-1, con
funciones que se solapan. El factor insulínico IGF-I controla principalmente
el crecimiento, mientras que la insulina regula el metabolismo. En
mamíferos, la señalización defectuosa de la insulina causa resistencia a la
insulina y diabetes. La señalización defectuosa del IGF-I causa rotura
proteica y degeneración muscular, y la sobreexpresión de IGF-I reduce la
disfunción cardiaca asociada a la edad y mejora la regeneración muscular.
No obstante, la señalización reducida de insulina, específicamente en tejido
adiposo, o señalización reducida de IGF-I en todo el animal, alarga la
expectativa de vida en ratones. Por tanto, la modulación de vías
señalizadoras, específicas del tejido, puede retrasar el envejecimiento en
humanos (Figura 1).
El impacto de la complejidad se demuestra por interacciones de dos
familias de proteínas que modulan la longevidad: los factores de
transcripción forkhead (FOXO) y el regulador silenciador de la información
(SIR) proteínas desacetilasas (sirtuinas). Las proteínas FOXO (DAF-16 en
nematodos), se requieren para la ampliación de la vida conferida por
mutación de la vía señalizadora de la insulina, y la sobreexpresión de SIR2
se sabe que incrementa la vida en levaduras y nematodos. Los mamíferos
poseen muchas proteínas FOXO y SIR, algunas proteínas FOXO inician la
muerte celular inducida por estrés (apoptosis), que elimina células dañadas o
disfuncionales. Las proteínas FOXO activan también la defensa antioxidante
y los genes que facilitan la reparación del DNA. FOXO es desacetilada por
el ortólogo de SIR2, SIRT2, la sirtuína humana, la cual incrementa la
resistencia al estrés oxidativo y la parada del ciclo celular, dependiente de
FOXO, pero inhibe la apoptosis también dependiente de FOXO. SIRT1
227
Capítulo 8
también desacetila la proteína p53 supresora de tumores, atenuando su
actividad transcripcional y suprimiendo la apoptosis inducida por estrés y la
senescencia celular (parada proliferativa irreversible). (Figura 1).
Figura 1. Vías pro-envejecimiento potencialmente conservadas, interconexiones y
posibles objetivos de intervención. Se muestran tres vías principales IIS, TOR y mitocondria.
Las actividades pro-envejecimiento de estas vías están conservadas entre las especies, con
sensores de energía, tales como AMPK, como eje potencialmente importante en las redes
complejas que las integran. Sin embargo, es importante percibir diferencias potenciales entre
las especies. La mayoría de las deficiencias en la cadena respiratoria son letales o causan
enfermedades en humanos, pero pueden alargar la vida en los nematodos o en la levadura.
En mamíferos, la mitocondria juega un papel importante en la señalización de la apoptosis,
lo cual puede acelerar o retardar el envejecimiento, dependiendo del tipo celular. Muchas
señales de longevidad convergen en miembros de las familias FOXO y sirtuínas, los cuales
pueden interaccionar. Las proteínas SIR pueden activar o reprimir a FOXO. También, los
efectos de FOXO y SIR2 en las células pueden ser beneficiosos (elevando las defensas
antioxidantes) o perjudiciales (apoptosis), y pueden promover o no la supervivencia del
organismo. En mamíferos, SIRT1 amortigua la apoptosis por reprimir a FOXO y por
prevenir la oligomerización de BAX en la membrana externa de la mitocondria, la cual
desencadena la permeabilización de la membrana y la salida al citosol de los factores
apoptogénicos solubles, tales como el citocromo c. La apoptosis puede ser beneficiosa en el
aspecto que elimina las células dañadas y previene el cáncer, o puede ser perjudicial al
eliminar de manera indiscriminada células irreemplazables como las neuronas (Vijg y
Campisi 2008, con modificaciones).
228
Capítulo 8
Es difícil pronosticar, a priori, si el incremento de FOXO o la actividad
de las sirtuínas elevan o disminuyen la longevidad en mamíferos. Los
mamíferos dependen de la apoptosis y la senescencia para suprimir el
cáncer, enfermedad importante relacionada con la edad y gran desafío para
la longevidad de los mamíferos. Este no es el caso de la levadura, moscas o
nematodos, los cuales nunca o muy raramente desarrollan cáncer y como
adultos contienen muchas células somáticas post mitóticas.
La magnitud de la ampliación de la longevidad es un factor digno de ser
tenido en cuenta. Así, el amortiguamiento genético de la vía de señalización
de la insulina duplica la vida en los nematodos, y la incrementa en diez veces
en caso de una mutación en esta vía. En moscas, sin embargo, las
mutaciones en un solo gen de la vía señalizadora de la insulina u otra vía
promotora del envejecimiento, alarga la vida solo en un 25 – 30%. En
ratones, las mutaciones inactivadoras en los genes Pou1f1, Prop1, o del
receptor de la hormona del crecimiento (que reduce las señales IGF-I)
incrementa la vida un 40%, mientras que las mutaciones que afectan
directamente a la vía señalizadora de la insulina la amplían solo un 20% o
menos.
Así, la reducción de la vía señalizadora insulina/IGF, puede incrementar
de manera sustancial la vida en los nematodos, pero en grado mucho menor
lo hace en modelos experimentales más complejos como moscas o ratones.
Se conoce poco acerca de los mecanismos responsables de estas diferencias
entre las especies, pero si se sabe que dentro de las especies cuenta mucho el
origen genético, el medio ambiente, el sexo, etc. Por ejemplo, la ampliación
de la vida en la mosca “chico” depende de la concentración de alimento. En
moscas transgénicas, la sobreexpresión de la superoxido dismutasa humana
en las neuronas motoras, produjo efectos beneficiosos en la longevidad, que
variaron considerablemente entre los diez genotipos silvestres ensayados,
como también por el sexo. Aunque es posible que no se hayan definido aún
las condiciones óptimas para la regulación de las vías conservadas del
envejecimiento en organismos más complejos que el nematodo, otras
características hacen que los nematodos tengan que ser considerados aparte,
debido a las circunstancias siguientes:
1. muchas de las mutaciones iniciales de longevidad identificadas en
estos gusanos afectan un estado de desarrollo alternativo
denominado “dauer” que suspende la reproducción y altera el
metabolismo. La hibernación, estado que suspende temporalmente el
229
Capítulo 8
metabolismo y reproducción de los mamíferos, nunca dura más que
la expectativa de vida, en contraste con el estado dauer de los
nematodos.
2. la respiración aeróbica es menos crítica para los nematodos que para
las moscas o los mamíferos. Esto puede explicar por qué el RNA de
interferencia explora el incremento de vida en los nematodos
identificando múltiple genes que codifican subunidades de la cadena
de transporte electrónico mitocondrial. La regulación de estos genes
puede incrementar la esperanza de vida al reducir la función
mitocondrial y sus subproductos tóxicos. En mamíferos una
regulación similar produciría efectos letales.
4. De qué manera pueden extrapolarse estos avances a la
especie humana
Aunque el conocimiento de las vías pro-envejecimiento que se han
identificado en organismos experimentales, supone un punto importante de
comienzo lógico para tratar de aplicarlo a la vida humana, hay que
profundizar aún en muchos aspectos y determinar primero si es posible que
estas vías puedan modular el envejecimiento en nuestra propia especie. Una
propuesta inicial es identificar asociaciones entre los polimorfismos en genes
conservados y la longevidad humana. La longevidad humana extrema está
controlada genéticamente por la elevada oportunidad que muestran los
humanos centenarios para vivir más de 100 años y los grupos familiares
moderados de longevidad extrema. Hasta aquí, sin embargo, los estudios no
han llevado a ninguna conclusión debido a que no fueron conseguidos en su
totalidad o debido a una mezcla en la población control. Los intentos
realizados para asociar los genes candidatos con la longevidad humana
extrema, han identificado variantes en genes del metabolismo de las
lipoproteínas que aparecen sobreexpresados en centenarios. También se ha
detectado la existencia de variantes en genes segregados que codifican
FOXO1 y FOXO3 y se asocian con supervivencia de 85 años o más, y en
mujeres se han encontrado variantes en genes que reducen la señalización
insulina/IGF1, asociadas con supervivencia larga. Recientemente, se ha
observado en centenarios la sobreexpresión de mutaciones heterozigóticas en
el gen IGF-1R, que reducían de manera notable la actividad del IGF-1R.
Aunque estos resultados son, sin duda, muy prometedores en el estudio
del envejecimiento humano, se necesita investigar con mayor profundidad
para confirmar que los humanos y los organismos utilizados como modelos
230
Capítulo 8
experimentales, utilizan vías similares moduladoras de la longevidad.
Incluso si estas vías están conservadas en el Homo sapiens, su variación
natural no actúa sobre la ampliación de la vida tanto como lo hacen las
mutaciones generadas en modelos como los nematodos. Es posible que la
complejidad del organismo ejerza alguna influencia y limite de alguna
manera todo lo que puede alargarse la vida por manipulación de las vías
metabólicas o también que debamos esperar a tener otros estratos de control,
que tienen que ser descubiertos en animales más complejos. En la predicción
del alargamiento de la vida en humanos, es importante recordar que las
respuestas son aún desconocidas. El alargamiento de la vida en los modelos
experimentales estudiados supone, en cierto grado, datos obtenidos con la
utilización de un artefacto, pues ninguno de los animales de laboratorio
considerados de tipo silvestre tiene la diversidad genética de verdaderas
cepas silvestres, pues el laboratorio no es su hábitat natural. Por ejemplo, se
ha demostrado que la restricción dietética no eleva la longevidad de manera
sustancial en algunos ratones silvestres. Por tanto, la crianza de animales de
laboratorio ha de ser seleccionada para conseguir una respuesta resistente a
la restricción dietética. Dos estudios longitudinales de restricción dietética en
mono rhesus se iniciaron en los últimos 1980 y los resultados obtenidos
sugieren que la restricción dietética mejora la salud, detectándose en estos
monos menor grasa corporal, mayor sensibilidad a la insulina y lípidos
circulantes favorables, pero no ha habido aún evidencia alguna que
demuestre que la restricción dietética alarga la vida como sucede en los
roedores de laboratorio. Además, en monos y por extensión en humanos,
alguno de los beneficios obtenidos con la restricción de la dieta, tal como los
bajos niveles de IGF-I, pueden disminuir el riesgo de cáncer, aunque
también pueden incrementar el riesgo de fracturas osteoporóticas. Por tanto,
es necesario reducir la señalización IGF-I al principio del estado adulto para
prevenir del cáncer, pero incrementarla en edades posteriores para prevenir
enfermedades no cancerosas. ¿Podemos esperar intervenciones que se dirijan
a la vía señalizadora insulina/IGF1, incluso con regulación espacio/temporal,
para alargar la vida en el mismo grado que ocurre en modelos simples? Entre
los efectos pro-longevidad del amortiguamiento de la señalización
insulina/IGF1, está la activación de la resistencia al estrés. La respuesta al
estrés es superior en células de especies de larga vida que en las de vida más
corta. En estas últimas, existen suficientes oportunidades para intensificar los
mecanismos protectores, sin embargo en las especies de vida larga, existen
menos. Además, es obvio que la fisiología humana difiere de la de la
levadura y los nematodos, aunque quizás menos obvias son las diferencias
entre ratón y humano. Hay que tener presente que muchas terapias anti231
Capítulo 8
cáncer tienen éxito en ratones, pero no en humanos. Además, los efectos
colaterales de los fármacos, que afectan vías fisiológicas complejas, son ya
un problema. Por ejemplo, la transferencia de los inhibidores de proteínas
por ésteres del colesterol, desarrolla un incremento en lipoproteínas de alta
densidad, lo cual eleva el riesgo de enfermedad cardiovascular. Antes de que
podamos evaluar el impacto potencial de intervenciones para incrementar la
vida humana sustancialmente, necesitamos comprender las causas primarias
del envejecimiento, que conducen a la pregunta ¿por qué envejecemos?
5. Aspectos evolutivos del envejecimiento
De acuerdo con Dobzhansky, ‘‘nada en biología tiene sentido excepto
cuando se considera a la luz de la evolución’’; por tanto, lo mismo ocurre
con el envejecimiento. La mayor parte de los científicos aceptan que el
envejecimiento es el resultado del mayor peso de la selección natural sobre
la supervivencia y la reproducción en edades tempranas, que sobre el vigor
en edades tardías. Este declinar relacionado con la edad en la fuerza de la
selección natural, articulado por Medawar, se debe a la elevada mortalidad
causada por peligros externos. Cuando estos peligros hacen que sea rara la
supervivencia en individuos de avanzada edad, la selección natural favorece
variantes genéticas que promueven el crecimiento y reproducción tempranos.
En ambientes menos peligrosos, la supervivencia se eleva y las variantes
genéticas que promueven el mantenimiento somático se pueden propagar.
Por lo tanto, la expectativa de vida específica de las especies está
determinada por la compensación entre mantenimiento somático,
crecimiento y reproducción tempranas (Figura 2). Por ejemplo, los genes que
aseguran una respuesta inmune poderosa a la infección, promueven la
supervivencia temprana, pero más tarde contribuyen a la inflamación, un
fenotipo relacionado con la edad y riesgo de desarrollar muchas
enfermedades.
Es un hecho reconocido que las grandes diferencias en la longevidad
surgen como resultado de la evolución. Consideremos la diferencia en
longevidad entre nematodos (semanas) y mamíferos (años), o incluso entre
ratones (3 años) y humanos (100 años). ¿Cómo se consiguieron estas
diferencias? ¿Desechando las vías pro-envejecimiento o creando nuevas vías
que aseguraran la longevidad?
232
Capítulo 8
Figura 2. El equilibrio entre el mantenimiento somático, el crecimiento y la
reproducción es lo que determina la expectativa de vida. De acuerdo con la teoría del soma
desechable, los organismos han de comprometerse entre la asignación de la energía para
crecimiento y reproducción o para el mantenimiento somático y la reparación (Vijg y
Campisi 2008).
La notable conservación entre las vías conocidas que modulan la
longevidad y la similitud entre los organismos, tales como ratones y
humanos en la estructura y organización genómica, argumenta frente a esta
posibilidad. Por supuesto que algunas vías no conservadas y únicas pueden
aún no estar descubiertas, pero es más probable que la longevidad fuese
conseguida por cambios sutiles en muchos genes en el curso de la evolución,
no por mutaciones únicas con grandes efectos, los cuales a menudo elevan la
esperanza de vida a costa de la reproducción o la supervivencia en
condiciones de estrés. Si es así, las intervenciones que se dirigen a un único
gen o incluso a una única vía no pueden alargar la longevidad hasta el grado
conseguido por selección natural. Esto no debe disuadir la búsqueda de
intervenciones farmacológicas, pero más bien recalca como la
superficialidad de nuestro conocimiento acerca de la comparación de
mecanismos evolutivos puede obstaculizar severamente los esfuerzos en esta
área. A pesar de un consenso general respecto a las bases evolutivas de por
qué envejecemos, todavía conocemos apenas las causas primarias del
233
Capítulo 8
envejecimiento y su relación con la enfermedad, la cual es generalmente la
causa de la muerte.
6. El fenotipo senescente y su relación con la enfermedad
El énfasis que dedicamos a la expectativa de vida puede distraernos del
propio envejecimiento. En nematodos y moscas, se conoce mucho de genes
que determinan la vida media, pero poco acerca de cómo mueren estos
animales. Esto se debe a la complejidad de los fenotipos senescentes y a
nuestra limitada capacidad para definir el fenotipo en contraste con la
relativa facilidad con que se define el genotipo. Existen notables similitudes
entre las especies, pero también marcadas diferencias. Por ejemplo, las
placas amiloides en el cerebro y las placas ateroscleróticas en los vasos
sanguíneos son características de envejecimiento humano, pero son
virtualmente carentes en ratón. Incluso en el examen de fenotipos
compartidos se pueden descubrir diferencias. Por ejemplo, la cifosis
(curvatura espinal) está causada por osteoporosis en humanos, pero puede
deberse a otras causas en ratón. Incluso los fenotipos senescentes, desde el
pelo gris hasta la susceptibilidad al cáncer, varían entre individuos humanos,
y entre razas de ratones. Un fenotipo prominente relacionado con la edad en
humanos y ratones, ausente en nematodos y moscas, es el cáncer. El cáncer
surge en tejidos renovables, de los cuales carecen los invertebrados. El
cáncer se considera, a veces, como opuesto a la vejez porque conlleva
crecimiento más vigoroso. Además la senescencia celular, el cese
irreversible del crecimiento, se ha considerado como un modelo de
envejecimiento in vivo, pero ahora se conoce como una respuesta supresora
tumoral al estrés. Las células senescentes aumentan con la edad en ratón, en
primates no humanos y en humanos, pero comprenden solo una fracción de
células en los tejidos renovables. La senescencia celular puede ser otra
estrategia evolutiva, así como suprime el cáncer en fases tempranas, puede
promover el envejecimiento al agotar las células madre o alterar sus nichos.
Las células senescentes secretan citoquinas inflamatorias y otras moléculas
que alteran el microambiente tisular y pueden estimular el crecimiento de
células y proteger las mutaciones preneoplásicas. Por otra parte el
incremento en la senescencia celular y la disminución del potencial
proliferativo, puede también explicar la disminución en la incidencia del
cáncer a edades muy avanzadas (más de 80 años). Así que, la senescencia
celular puede actuar como carcinógeno o como anti-carcinógeno.
234
Capítulo 8
Poco se sabe de los fenotipos senescentes y las causas de muerte en el C.
elegans. El sistema nervioso está notablemente preservado, pero los
nematodos viejos muestran movimientos más lentos, ritmo más lento de
bombeo faríngeo (debido al deterioro del músculo, similar a la sarcopenia
humana) y un incremento en lipofucsina. Es digno de destacar que existe una
amplia variabilidad en la degeneración relacionada con la edad entre
animales genéticamente idénticos y células del mismo tipo en un individuo.
Esto refuerza el papel potencialmente importante de eventos estocásticos en
el envejecimiento. También en Drosophila se sabe poco acerca de la edad y
las causas de muerte. A pesar de ello, este organismo está emergiendo como
un poderoso modelo de enfermedades humanas relacionadas con la edad, tal
como la enfermedad de Parkinson. Las moscas viejas también padecen
sarcopenia y acumulan lipofucsina, de manera que estos rasgos pueden ser
fenotipos senescentes universales. Las moscas sufren también síntomas de
disfunción cognitiva, síntoma que comparten con ratones y humanos.
¿Podemos distinguir entre envejecimiento y enfermedad? La respuesta
es difícil, depende de la enfermedad y cómo su mecanismo se relaciona con
el envejecimiento intrínseco, que son los cambios relacionados con la edad,
no determinados por factores externos o predisposición genética.
Enfermedades como la anemia falciforme causada por una mutación
hereditaria en el gen de la β-globina, aparece en edades jóvenes en
constricción vascular y mayor riesgo de infección, pero es también común
en ancianos. Debido a que estos fenotipos se manifiestan dentro del campo
de la selección natural, la anemia falciforme no es una enfermedad
relacionada con el envejecimiento, ya que sus causas tienen poco que ver
con la edad. Tal distinción mecanística es mucho más difícil para
enfermedades de desarrollo tardío. Muchos distinguirían una degeneración
vascular fatal de una benigna aparición de pelo gris, sin embargo, ambos
fenotipos tienen la misma causa: el envejecimiento intrínseco. Por otra parte,
mecanismos diferentes pueden producir el mismo fenotipo relacionado con
la enfermedad en edades avanzadas. Por ejemplo, el envejecimiento
intrínseco de las células endoteliales puede contribuir a la aterosclerosis,
como hacen las mutaciones o los polimorfismos en genes que codifican el
receptor de la lipoproteína de baja densidad o ApoB. Las estatinas pueden
rebajar el colesterol y suprimir la aterosclerosis en individuos con elevado
riesgo, con receptor de lipoproteínas de baja densidad o alelos ApoB, pero
no puede prevenir el envejecimiento intrínseco de las células endoteliales.
235
Capítulo 8
Las enfermedades son la causa principal de muerte entre los humanos de
edad avanzada. Arteriosclerosis, diabetes, demencia, osteoporosis,
osteoartritis y cáncer son patologías prominentes y responsables de la
mortalidad de individuos de edad. Entre los ancianos que escapan a estas
enfermedades, la causa de muerte es a menudo desconocida. Sin embargo,
como las interacciones entre los fenotipos senescentes son complejos, la
muerte natural puede ser considerada como enfermedad oculta. Por ejemplo,
atrofias sutiles de los tejidos, neuropatías o derrames microvasculares
pueden ocultar la muerte de ancianos sometidos a estrés. No está claro si una
intervención con éxito en una enfermedad manifiesta mejorará el
envejecimiento intrínseco ampliando así la vida media de manera
significativa.
El envejecimiento está influenciado por factores genéticos y ambientales
que pueden estar relacionados o no con el envejecimiento intrínseco.
Independiente de los mecanismos posibles del envejecimiento intrínseco, los
alelos que promueven el envejecimiento penetran la línea germinal en tanto
en cuanto sus efectos adversos se manifiesten lo suficientemente tarde como
para crear una diversidad de factores de riesgo genéticos. Incluso entre
organismos endogámicos, por ejemplo, en gemelos humanos monocigóticos,
la diversidad genética ocurre en células somáticas por mutación y
epimutación en edades muy tempranas. De igual manera, el medioambiente
o el estilo de vida (luz solar, tabaco), pueden acelerar el envejecimiento
intrínseco en tejidos específicos. Es posible que los individuos de longevidad
extrema, 100 o más años, sean aquellos que consiguen escapar a los riesgos
genéticos y ambientales. Esta posibilidad está apoyada por el ritmo
desacelerado en la mortalidad vista en edades avanzadas en poblaciones de
invertebrados y humanos, lo que indica la supervivencia de muy pocos
individuos frágiles. Una cuestión permanece: ¿cómo estos supervivientes
que escapan a los riesgos genéticos y ambientales, que eliminan individuos
mediante enfermedad, sucumben al envejecimiento intrínseco? A la pregunta
si existe realmente un mecanismo de envejecimiento intrínseco que afecte a
cada célula o a cada tejido, tendremos que investigar cuáles son sus bases.
7. Bases del envejecimiento intrínseco
El envejecimiento implica numerosos cambios funcionales y
estructurales, de los cuales muchos afectan la supervivencia. Un proceso
universal de envejecimiento intrínseco puede explicar los fenotipos
senescentes comunes entre los animales. Una de las características
236
Capítulo 8
compartidas por todas las especies estudiadas hasta la fecha es el acumulo de
lesiones somáticas no reparadas. Así, en el acumulo durante la vida de varios
tipos de lesión, junto con errores aleatorios en procesos de información, se
sustenta el envejecimiento intrínseco (Figura 3). La atenuación de tal daño
puede explicar la longevidad conferida por mutaciones que amortiguan los
procesos metabólicos normales. Además, los sistemas de defensa que
mantienen el daño bajo control pueden diferir en eficacia entre las especies,
dictando su vida media. Causas prominentes de daño somático incluyen las
especies reactivas de oxígeno (ROS) y los azúcares reductores. Las ROS, los
subproductos de la respiración y otros procesos metabólicos pueden lesionar
y entrecruzar DNA, proteínas y lípidos. Los azúcares reductores reaccionan
con otros carbohidratos y con grupos amino de las proteínas, dando lugar a
la formación de productos terminales de glicosilación avanzada (AGE), muy
difíciles de degradar.
Los AGE se acumulan en estructuras proteicas de larga vida, tales como
el colágeno y la elastina. Los AGE incrementan la rigidez de los vasos
sanguíneos y las articulaciones y alteran la función del riñón, corazón, retina
y otros órganos. Las intervenciones que eliminan el daño pueden
contrarrestar los efectos adversos de las ROS y los AGE, y posponer el
envejecimiento indefinidamente. Sin embargo, el daño a las macromoleculas
se manifiesta de muchas formas y muchas de ellas no han sido aún
identificadas. Además, no sabemos sus contribuciones relativas al
envejecimiento intrínseco o cómo pueden interaccionar varios componentes
del espectro de lesiones. Parece más eficaz eliminar las moléculas dañinas en
vez del daño mismo. Sin embargo, algunas moléculas dañinas son cruciales
para la función normal de la célula. Dos ejemplos son la glucosa, que no
puede ser eliminada totalmente, y las ROS, que son moléculas señalizadoras.
El intento de decidir entre los efectos beneficiosos o perjudiciales de
algunas moléculas ha de complicar las estrategias dirigidas al alargamiento
de la longevidad, neutralizándolas. Un intento similar pueden ser los
procesos celulares que nos defienden contra el cáncer. La regeneración de
los tejidos eleva el riesgo de cáncer al elevar la posibilidad de adquirir
mutaciones o epimutaciones en el DNA, las cuales ocurren frecuentemente
en cada organismo como consecuencia de errores durante la replicación o
reparación de un DNA lesionado. Los mecanismos supresores de tumores
eliminan células que adquieren un determinado grado de lesión (apoptosis) o
previenen permanentemente su proliferación (senescencia). Estas respuestas,
sin embargo, pueden gradualmente causar atrofia tisular y por tanto, pérdida
237
Capítulo 8
de la función y capacidad regenerativa del órgano (Figura 3). En principio, el
trasplante de células madre puede contrarrestar los efectos adversos de estas
respuestas a la lesión.
Figura 3. Aunque estocásticas en naturaleza, las causas del envejecimiento y del cáncer
implican mecanismos programados y al azar
Cuando el nivel de lesión no es lo suficiente elevado para producir una
respuesta apoptótica o de senescencia, aparece una situación difícil de
establecer: el acumulo gradual de cambios aleatorios en el DNA o en
proteínas que convierten el tejido en un mosaico celular. Tales cambios
estocásticos pueden reajustar genes reguladores y de manera aleatoria
alterar los perfiles de expresión genética en una célula. Estos cambios
pueden comprometer la función tisular sin producir respuestas celulares
inmediatas (Figura 3). La desviación de la regulación genética sería difícil de
corregir y podría incluso ocurrir en células madre in vivo o ex vivo durante la
expansión para terapia de trasplante. Además, las vías de desarrollo que son
esenciales para la buena disposición en la vida durante la infancia o la
reproducción pueden ser deletéreas en tejidos adultos. Por ejemplo, vías que
conducen la morfogénesis ductal en la glandula mamaria en el desarrollo o
238
Capítulo 8
en la preñez pueden gradualmente promover hiperplasia ductal en la
glándula mamaria madura, predisponiendo al cáncer.
8. Otras consideraciones
Cada vez hay más certeza acerca de la manipulación de la longevidad
por medios farmacológicos, aunque no está claro aún el mecanismo por el
cual tales intervenciones actúan. Pequeños compuestos polifenólicos, como
el resveratrol incrementan in vitro la actividad NAD desacetilasa de SIR2, e
incrementan la vida media de la levadura, C. elegans y Drosophila, en una
forma que depende de Sir2. También el resveratrol es un potente
antioxidante y suprime el daño oxidativo. El resveratrol incrementa la
sensibilidad a la insulina y la supervivencia en ratones alimentados con
dietas altas en calorías. La rapamicina un antibiótico antifúngico inhibe la
vía pro-envejecimiento TOR en células de levadura y humanas. No se sabe si
la inhibición de TOR amplia la esperanza de vida en mamíferos, pero el
solapamiento mecanístico con la metformina, un fármaco antidiabético,
sugiere que puede ser. La metformina incrementa la sensibilidad a la insulina
y reduce la glucosa plasmática y puede alargar la vida al activar la AMPK, y
por tanto, inhibiendo la vía TOR y la señalización IGF1. El metabolismo de
la glucosa es uno de los objetivos principales para intervenciones prolongevidad, sobre la base de la evidencia que inhibe vías energéticas que
simulan la restricción dietética o inhiben la vía señalizadora insulina/IGF1.
Un ejemplo es la 2-desoxi-D-glucosa (2DG), que produce efectos
beneficiosos similares a los de la dieta restringida. No se sabe si la 2DG
alarga la vida, pero se encuentra ya en fase I de pruebas clínicas para tratar
tumores sólidos, que dependen de la glucolisis para su supervivencia y son
sensibles a la 2DG.
Los antioxidantes naturales, como las vitaminas C y E y el beta caroteno,
han sido repetidamente probados por su capacidad potencial de ampliar la
supervivencia en ratones, pero con resultados poco significativos. En
humanos, la elevada ingesta de antioxidantes se relaciona con riesgo
disminuido de enfermedades, pero las pruebas clínicas con suplementos en la
dieta de vitamina E y beta caroteno fracasaron en la mejora de
enfermedades. Agentes sintéticos atrapadores de ROS han sido probados en
C.elegans y ratones con resultados conflictivos. Los radicales libres
atrapadores de electrones, como la fenil tert-butil-nitrona (PBN), bloquean o
revierten la lesión asociada con una variedad de enfermedades en modelos
animales, sin embargo, un derivado de PBN no ha podido ampliar la
239
Capítulo 8
longevidad en ratones. Por otro lado, ciertos entrecruzamientos de los AGE
pueden ser rotos con agentes químicos, por ejemplo el haluro de tiazolio y el
alagebrium son solo parcialmente efectivos porque rompen un pequeño
subgrupo de estructuras entrecruzadas. Sin embargo, el alagebrium alivió la
rigidez cardiovascular en monos y está hoy en pruebas clínicas para
trastornos cardiovasculares y diabetes que se asocian con enfermedad renal.
Los rápidos avances en células madre hacen que la terapia de reemplazo
sea un prometedor tratamiento, para regenerar tejidos funcionalmente en
declive de envejecimiento intrínseco. Como los células madre endógenas
muestran declive funcional con el envejecimiento, una opción lógica es
diferenciar células pluripotentes, obtenidas de embriones o generadas por
reprogramación de células somáticas, en células especializadas ex vivo.
Antes de que estas ideas lleguen a ser una opción real, tenemos que
comprender mucho más sobre cómo las células madre adultas contribuyen al
mantenimiento del tejido durante el envejecimiento, cómo el envejecimiento
altera el microambiente de las células madre o nicho y cómo se mantiene la
capacidad regeneradora funcional de las células madre durante la
diferenciación y expansión del tejido.
9. Perspectivas futuras
Es un hecho reconocido que la mortalidad declina y la esperanza de vida
incrementa en tanto en cuanto el mundo se desarrolla. Antes de 1970, esto
era debido a mejoras en la alimentación y en la sanidad (avances en la
medicina, vacunas y antibióticos). Después de 1979, la mortalidad declina
debido probablemente a la medicina preventiva, estilo de vida, uso rutinario
de medicamentos contra la hipertensión y otros fármacos. Es imposible
pronosticar, en este momento, si el incremento de intervenciones sofisticadas
conseguirá disminuir el fenotipo senescente. Sin embargo, existen razones
para tener precaución.
Primero, la intervención farmacológica sobre la base de vías
identificadas en modelos experimentales puede ser una ilusión porque las
ganancias en longevidad conseguidas en los organismos experimentales,
parece que declinan cuando se trata de organismos más complejos o
dependen de la fisiología idiosincrática.
Segundo, la expectativa de vida en unos organismos puede ser menos
manipulable que en otros. Además el cáncer supone un desafío a la
240
Capítulo 8
longevidad, que es distinto a partir de la degeneración relacionada con la
edad y puede ser suprimida por mecanismos que son también proenvejecimiento.
Tercero, existen todavía enormes lagunas en nuestro conocimiento sobre
cómo las vías metabólicas operan e interaccionan, y cómo serios efectos
colaterales pueden restringir la efectividad de intervenciones farmacológicas.
La reparación del daño a macromoléculas puede ser más prometedora
especialmente al unísono con mejores terapias anticáncer. Sin embargo, no
está tampoco claro que todas las lesiones tóxicas hayan sido identificadas, o
si existen estrategias prácticas para eliminarlas. Por ejemplo, sería imposible
contrarrestar el cambio (epi) genómico por medios farmacológicos, ya que
las células y órganos trasplantados están también sujetos a perder la
integridad genómica. Además, no sabemos si el daño macromolecular es la
única causa del envejecimiento. Incluso en organismos simples no está claro
que las vías moduladoras de la longevidad supongan interacciones
exquisitamente compensadas, reguladas por numerosos elementos genéticos.
El gran número de transacciones genómicas genera errores inevitables,
muchos de ellos irreversibles. Además, existe evidencia que el
envejecimiento supone un cambio gradual hacia perfiles más fortuitos, que
puede causar fallos en órganos y tejidos que no pueden ser eliminados por
intervenciones farmacológicas o biológicas. En teoría las intervenciones
pueden ser diseñadas para alterar las redes orquestadas de interacción célulacélula para incrementar la vida. Esto es lo esencial que la evolución ha hecho
para producir especies de vida larga. La cuestión es, ¿podemos simular el
proceso evolutivo de forma que la senescencia llegue a ser casi
insignificante? La respuesta debe ser que no lo sabemos. Aunque no hay
razón científica para no esforzarse en curar el envejecimiento, lo mismo que
se hace con el cáncer y otras enfermedades, nuestro conocimiento hoy hace
imposible afirmar que un aplazamiento indefinido sea factible. Necesitamos
el momento presente para intensificar las investigaciones dirigidas a resolver
las principales dudas que impiden un conocimiento más completo de los
mecanismos básicos del envejecimiento y su relación con la enfermedad.
Solo estas consideraciones nos permitirán diseñar estrategias para conseguir
aumentar la salud y la expectativa de vida humanas.
241
Capítulo 8
10. Abreviaturas
AGE, productos terminales de glicosilación avanzada; AKT, serina
treonina quinasa, proteína quinasa B; AMPK, quinasa activada por AMP;
BAX, factor apoptogénico; 2DG, 2-desoxi-D-glucosa; FOXO, factor de
transcripción de la familia forkhead; IGF1, factor de crecimiento insulínico;
IIS, vía señalizadora insulina/IGF1; IGF1R, receptor de IGF1; PI3K
fosfoinositol 3 quinasa; PBN, fenil tert-butil nitrona; PTEN fosfatasa y
homólogo de la tensina; SIR, regulador silente de la información, NAD
desacetilasa; ROS, especies reactivas de oxígeno; TOR, objetivo de la
rapamicina.
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Capítulo 8
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244
Capítulo 9
Capítulo 9. CÉLULAS MADRE
1. Introducción
2. Células madre adultas
3. Células madre en órgano normal
4. Deterioro oxidativo celular dependiente de la edad
5. Envejecimiento y células madre
6. Envejecimiento del nicho de las células madre
7. Telomerasa en las células madre.
8. Replicación del DNA
9. Cáncer, envejecimiento y regulación de las células madre
10. Terapia Regenerativa
11. Conclusiones
12. Abreviaturas
13. Bibliografía
1. Introducción
El envejecimiento es un proceso complejo que afecta a cada célula y
cada órgano y conlleva el deterioro de las funciones. A medida que
transcurre la edad la piel pierde su elasticidad y las heridas curan más
lentamente. Lo mismo ocurre con los huesos que se fracturan con más
facilidad y necesitan más tiempo para reparar la fractura. El tejido pulmonar
también pierde elasticidad. Los vasos sanguíneos acumulan depósitos grasos
y se vuelven menos flexibles con riesgo de arterioesclerosis. La menor
capacidad de regeneración de los tejidos u órganos lesionados y la mayor
propensión a infecciones y al cáncer son las características más prominentes
de la senectud. Aunque la vulnerabilidad a las enfermedades infecciosas y al
cáncer está causada por un decaimiento de la función del sistema inmune,
éste es a su vez, producto de interacciones entre las células madre
hematopoyéticas y el microambiente en la médula ósea y el timo, como
también de la mucosa que tapiza los bronquios y los sistemas digestivos. Por
tanto, todos los cambios que tienen lugar en el envejecimiento, deterioro
tisular, cáncer y propensión a las infecciones, pueden ser interpretados como
signos de la edad a nivel de las células madre somáticas. Como los procesos
regenerativos de un organismo vivo están determinados por la capacidad
potencial de sus células madre para reemplazar el tejido dañado, un
organismo vivo es, por tanto, tan viejo como sus células madre.
245
Capítulo 9
Los mamíferos y especialmente los humanos han pagado un alto precio
por subir en la escala evolutiva y han perdido gran parte del poder
regenerador que poseen otros animales. Así, mientras los humanos poseen
muy limitada capacidad de regenerar sus tejidos, otros organismos muestran
capacidades regeneradoras extraordinarias. Ante la decapitación, la planaria
regenera una nueva cabeza en cinco días. La hidra, un pequeño animal
tubular acuático que trepa por las rocas, es capaz de producir dos nuevos
organismos en 7–10 días cuando su cuerpo se divide por la mitad. Las
lagartijas recobran su cola o pata perdidas por acción de un predador, en
materia de unos días. Estos animales con capacidad regeneradora tan
elevada, poseen una abundancia de células madre o desdiferencian las
células de tejidos diferenciados, en células madre. Se ha calculado que un 20
% de algunos gusanos consisten en células madre y la hidra es una clase de
embrión permanente. Las lagartijas usan un mecanismo diferente y cuando
tienen necesidad urgente de un nuevo miembro, convierten células
diferenciadas adultas en células indiferenciadas embrionarias. Estas células
migran al lugar de la lesión donde regeneran la parte perdida.
Hasta un cierto punto los mamíferos pueden regenerar algunos tejidos,
tales como la piel y la médula ósea, pero no en el grado que lo hacen la hidra
o la lagartijas. La capacidad de regeneración de los humanos declina con la
edad. Se conoce poco acerca del impacto del tiempo y la edad sobre las
unidades básicas de la vida, las células madre adultas específicas de los
tejidos. Así que, un mayor conocimiento a nivel celular y molecular de los
procesos que capacitan a las células madre para iniciar la autorrenovación y
para dividirse, proliferar y diferenciarse en células funcionales de tejidos
lesionados, ha de ser la clave de la terapia regeneradora y una cura eventual
para muchas enfermedades.
2. Células madre adultas
Las células madre adultas o somáticas, proporcionan el medio de
regenerar los tejidos envejecidos o deteriorados. La doble capacidad de estas
células de autorrenovarse y diferenciarse en linajes múltiples, se encuentra
controlada por interacción directa con un microambiente específico,
denominado “nicho”. Por ejemplo, las células madre hematopoyéticas (HSC)
residen en la médula ósea y es tema de debate si ellas poseen una verdadera
autorrenovación o sufren la senescencia replicativa como cualquier otra
célula somática. No se sabe en qué grado los cambios dependientes de la
edad en estas células madre se deben a factores intrínsecos o a estímulos
246
Capítulo 9
externos. Se ha demostrado que el nicho juega el papel más importante en el
envejecimiento de las células madre adultas. El nicho mantiene las HSC en
estado quiescente que reduce el daño al DNA, las protege de radicales y
compuestos tóxicos, regula las cascadas señalizadoras intrínsecas y modula
la expresión genética y las modificaciones epigenéticas. Por tanto, está claro
que existe una interrelación entre estas células madre y su nicho que controla
la función de las HSC, incluyendo los procesos del envejecimiento en la
hematopoyesis.
El envejecimiento es un proceso complejo que afecta a cada célula y
cada órgano y que conduce al deterioro de muchas de las funciones del
organismo en el transcurrir de la vida de un individuo. La menor capacidad
de regenerar los tejidos lesionados y la mayor propensión a infecciones y
cáncer, son las características más prominentes de la senectud. Las células
madre adultas aseguran a lo largo de la vida la regeneración de los tejidos
adultos. Si el efecto rejuvenecedor de las células madre fuera perfecto, las
células senescentes serían reemplazadas indefinidamente. La investigación
sobre células madre y sus cambios asociados a la edad, tiene interés por dos
razones:
1. las células madre suponen un buen modelo para estudiar el
envejecimiento, ya que ellas proporcionan la base de la regeneración
de los tejidos envejecidos, y
2. encontrar el medio de reactivar las células madre y controlar su
destino, puede crear magníficas oportunidades para el tratamiento de
las enfermedades degenerativas del envejecimiento
Por tanto, todos los fenómenos de la senectud se pueden interpretar a
nivel de las células madre somáticas, y se considera que un organismo es tan
viejo como lo son sus células madre.
Todas las células somáticas normales cultivadas in vitro, dejan de
proliferar después de un cierto número de divisiones antes de entrar en un
estado denominado senescente, en el cual las células son viables y
metabólicamente activas, pero han perdido la capacidad de proliferar. No
hay que confundir el estado senescente con el estado reversible de
quiescencia, en el que las células se encuentran en reposo proliferativo o fase
G0 del ciclo celular. Desde la primera descripción de senescencia replicativa
se ha especulado mucho sobre cuál es el proceso que gobierna el
247
Capítulo 9
envejecimiento de todo el organismo, en base a dos aspectos fundamentales:
¿Es el envejecimiento resultado de un programa genético o es provocado por
acontecimientos accidentales o fortuitos?
El progresivo acortamiento de los telómeros o la modificación de las
estructuras teloméricas se considera que es el desencadenante principal de la
senescencia replicativa. La casi indetectable actividad telomerasa en células
normales, es lo que conduce a la sucesiva pérdida de los telómeros en cada
división celular. Por el contrario, las células germinales, las células madre
embrionarias y las adultas, mantienen su telómeros mediante la telomerasa
activa y esto evita la senescencia replicativa.
Sin embargo, este mecanismo no es solo la causa del envejecimiento. La
senescencia implica también lesión al DNA y estrés oxidativo. Por tanto, la
senescencia es un proceso muy complejo, y la secuencia de los
acontecimientos moleculares que la producen esta muy lejos de ser conocida
en su totalidad.
En general, las células madre adultas tienen un recambio bajo y residen
en nichos especializados, protegidas del medio ambiente y activadas en
determinados momentos. La mayoría de ellas permanecen en la fase G0
(estado quiescente), en contraste con las células progenitoras amplificadoras
transitorias (TA). El nicho es el que gobierna la división celular asimétrica
que ha de proporcionar la autorrenovación y la diferenciación y juega
también un papel importante en la regulación del envejecimiento.
3. Células madre en órgano normal
Aunque el concepto de células madre fue introducido hace un siglo por
Alexander Maximox (1909), la moderna investigación comenzó en 1963
cuando Siminovitch, Culloch y Till, y consiguieron detectar las células
madre hematopoyéticas (HSC, hematopoietic stem cells). Primero
demostraron que las células de la médula ósea podían reconstituir la
hematopoyesis y rescatar animales irradiados con dosis letales. Segundo,
usando trasplantes seriados establecieron la capacidad autorrenovadora de
las células originales de la médula ósea. Cuando células de colonias del
bazo, obtenidas de los primeros receptores de trasplantes de médula ósea,
fueron posteriormente trasplantadas en animales que habían recibido dosis
letales de irradiación, se encontraron colonias de leucocitos y eritrocitos en
los segundos receptores. En base a estos experimentos se definieron las
248
Capítulo 9
HSC como células que poseían la “capacidad de autorrenovación no
restringida y diferenciación en linaje múltiple”. Este descubrimiento marcó
el comienzo de los días de la investigación de las células madre. Solo
recientemente se han identificado otras células madre somáticas en tejidos
con capacidad regenerativa más limitada.
La funcionalidad regenerativa en cualquier órgano o tejido se
desencadena por activación de células madre quiescentes que se localizan en
nichos muy específicos. Esta activación está normalmente mediada por
señales recibidas a través de vías de señalización tales como Wnt, Hedgehog
o Notch. Lo que sigue es una secuencia de eventos estrictamente regulados a
niveles genéticos y epigenéticos y por el microambiente circundante. El
resultado neto de este proceso de activación es el establecimiento de una
jerarquía bien definida que comienza a partir de la célula madre poco
proliferativa (quiescente) y da lugar a la amplificación transitoria (TA) de
precursores tempranos y tardíos que poseen capacidad proliferativa elevada.
Estos precursores generan progenitores comprometidos en el linaje y
finalmente células diferenciadas terminales no proliferativas, con
funcionalidad especializada necesaria para el funcionamiento del órgano
(Figura 1). La homeostasis se consigue entre el número de células
diferenciadas terminales y una nueva activación de la célula madre, de
manera que se asegure el relativo recambio celular para el mantenimiento del
equilibrio funcional dentro del órgano.
La mayoría de los tejidos que se autorrenuevan caen dentro de esta
categoría. Cada vez que una célula madre se divide genera dos células hijas;
una de ellas es una nueva célula madre y la otra es una célula comprometida
con asimetría conseguida sobre una población base, como también a nivel de
divisiones celulares individuales. La asimetría de la población facilita la
respuesta a las necesidades fisiológicas variables, por ejemplo, durante la
cicatrización de las heridas. Las células en cada nivel de jerarquía responden
de manera diferente a señales extrínsecas: específicamente cada tipo celular
requiere diferentes señales para progresar al nivel siguiente. Esto demuestra
la importancia del microambiente en la regulación de la supervivencia de la
célula madre y en la protección de su composición genética, mientras que
imparte la diversidad funcional de las células diferenciadas en el órgano.
249
Capítulo 9
Figura 1. Jerarquía de las células madre en la regeneración de un tejido normal. Una
célula madre adulta quiescente, que se localiza en nichos específicos dentro del órgano,
recibe una señal de activación y se divide por división asimétrica, generando una nueva
célula madre y una célula amplificadora transitoria (TA), con descendencia de células TA
tempranas y células TA tardías. En respuesta a una señal microambiental en base al
compromiso del linaje, se generan células progenitoras específicas del tejido cuya
descendencia serán las células diferenciadas terminales sin capacidad proliferativa (Bapat
2007).
En el sistema hematopoyético, así como en otros tejidos normales, las
células madre tienen la capacidad de autorrenovación, son pluripotentes y
generalmente quiescentes, manteniéndose la mayor parte de su tiempo en
G0. Así como las células madre pueden reparar su DNA, al autorrenovarse
pueden también acumular mutaciones adquiridas tras su exposición a agentes
carcinógenos. Si los tumores surgen a partir de las células madre, la
acumulación de estas mutaciones debe ser lo que se ha reconocido como el
proceso multiescalonado de la carcinogenesis. Así, cabe preguntarse ¿surgen
las células madre cancerosas de células madre normales o surgen de células
diferenciadas que adquieren capacidad de autorrenovarse? ¿Contribuye la
250
Capítulo 9
resistencia innata de las células madre normales a la radiación y a las
toxinas, al fracaso de algunas terapias del cáncer? ¿Cómo se puede
aprovechar el conocimiento de las células madre para seleccionarlas
específicamente y mejorar la terapia?
Figura 2. Procesos biológicos que afectan a las células madre. La biología de las
células madre implica muchos procesos celulares diferentes necesarios para mantener el
reservorio de HSC y su funcionalidad durante las condiciones ambientales variables a lo
largo de la vida. La dotación de células madre se mantiene cuidadosamente mediante el
estricto equilibrio entre proliferación vs quiescencia y autorrenovación vs diferenciación y la
relación dinámica entre la extravasación en sangre y linfa (movilización) vs el mantenimiento
en un nicho de la médula ósea (homing). Defectos en cualquiera de estos procesos supone
una situación de estrés que las conducirá a la senescencia o a la apoptosis. La disminución
del número de células en el reservorio de las células madre y de sus funciones dará lugar al
envejecimiento, lo que implica pérdida del potencial normal del reservorio, y afecta la
longevidad. Las flechas verdes indican los procesos celulares que favorecen el mantenimiento
de la población de HSC, mientras que las flechas marrones indican aquellos factores que las
comprometen a su destrucción HSC: células madre hematopoyéticas. HPC: células
hematopoyéticas progenitoras (Liang y Zant 2008, modificado).
Las células madre normales en el organismo adulto son las responsables
de la renovación y reparación del tejido dañado o envejecido. Una
característica inherente a las células madre es su capacidad de
autorrenovación sin pérdida de su capacidad proliferativa. Las células madre
son inmortales y resistentes a la acción de fármacos. Son capaces de
diferenciarse y formar tipos específicos de tejidos debido a la influencia del
microambiente que las rodea y a otros factores.
251
Capítulo 9
La biología de las células madre implica muchos procesos celulares
diferentes necesarios para mantener el reservorio de las HSC y su
funcionalidad durante las condiciones ambientales variables a lo largo de la
vida. La dotación de células madre se mantiene cuidadosamente mediante el
estricto equilibrio proliferación vs quiescencia, autorrenovación vs
diferenciación y la relación dinámica entre la extravasación en sangre y linfa
(movilización) vs el mantenimiento en un nicho de la médula ósea (homing).
Defectos en cualquiera de estos procesos supone una situación de estrés que
las conducirá a la senescencia o a la apoptosis. La disminución del número
de células en el reservorio de las células madre y de sus funciones dará lugar
al envejecimiento lo que implica pérdida del potencial normal del reservorio,
y afecta la longevidad (Figura 2).
4. Deterioro oxidativo celular dependiente de la edad
Una teoría basada en el deterioro oxidativo celular dependiente de la
edad fue propuesta por Harman en 1956 y todavía tiene absoluta vigencia.
Este deterioro tiene dos componentes principales: daño oxidativo y daño
replicativo celular. El metabolismo normal produce especies reactivas de
oxígeno (ROS), que pueden oxidar y lesionar las membranas celulares
proteínas y ácidos nucleicos. Un ejemplo del efecto de la toxicidad de las
ROS sobre proceso del envejecimiento se encuentra en estudios en los cuales
fueron sobreexpresados los enzimas que limitan la exposición de los
componentes celulares a las ROS, tales como catalasa y superóxido
dismutasa (SOD1). Niveles de actividad de estos enzimas superiores a lo
normal causaron un incremento en la esperanza de vida del 20–30% en
Drosophila. Si esta sobreexpresión se dirigió a las células neuronales, las
moscas vivieron incluso más, lo que indica que el sistema nervioso es
susceptible de lesión por las ROS y que tal lesión afecta la longevidad. En
mamíferos, la conexión entre los ROS y el envejecimiento es todavía
incompleta, debido a no existe evidencia de prematuro envejecimiento en
ratones que acarrean mutaciones de pérdida de función en enzimas que
eliminan las ROS. Además, el daño ocasionado por las ROS en el genoma
mitocondrial producido por mutaciones debidas al envejecimiento, causa
defectos en la cadena de transporte electrónico, lo que afecta a la producción
de energía y produce todavía más cantidad de ROS. Este declinar de la
función mitocondrial por efecto del envejecimiento se ha detectado en
muchas especies, y se ha llegado a la conclusión que el envejecimiento está
directamente relacionado con el metabolismo celular y la disminución de la
función mitocondrial. Además de la mitocondria otros orgánulos
252
Capítulo 9
subcelulares, tales como los lisosomas, se lesionan debido a modificaciones
ocasionadas por las ROS. La lipofuscina, pigmento típico de la ancianidad,
se compone de material intralisosómico polimérico que no puede ser
degradado por las hidrolasas lisosómicas. Existe una correlación inversa
entre el acumulo de lipofuscina, la función lisosómica y la expectativa de
vida de la célula. La presencia de lipofuscina en las células madre se ha visto
que interfiere con las funciones celulares y promueve patologías
relacionadas con la edad, tales como enfermedades neurodegenerativas,
fallo cardiaco y degeneración macular.
Muchos mecanismos pueden estar implicados en el riesgo debido a la
oxidación y agregación de proteínas en células senescentes. El estrés
oxidativo y las ROS representan los mayores contribuyentes. El acumulo de
ROS durante el envejecimiento biológico, conduce en sus últimas causas a
una extensa oxidación de las macromoléculas, DNA, proteínas y lípidos, las
cuales una vez modificadas por oxidación, se vuelven inestables y propensas
a alteración estructural, promoviendo así la formación de agregados
proteicos. Otro mecanismo implica el acumulo de mutaciones en el DNA y
una disminución de los sistemas de reparación. Cuando mutaciones no
sinónimas ocurren en las secuencias modificadoras, pueden ser sustituidos
aminoácidos inapropiados lo que desestabiliza el plegamiento de la
estructura nativa de las proteínas y favorece la formación de proteínas mal
plegadas. Cuando las mutaciones ocurren en sitios promotores de genes
asociados con el envejecimiento y la enfermedad, pueden incrementar la
transcripción y la concentración de proteínas y péptidos con propensión a la
agregación. Estos agregados interfieren con las funciones normales de la
célula en multitud de vías, lo que conduce a la senescencia o a la muerte
celular. Por tanto, el estrés oxidativo, las mutaciones al DNA y otros
mecanismos anteriormente citados, pueden estar implicados en el declinar en
el número y función de las células madre por efecto del envejecimiento.
5. Envejecimiento y células madre
Un número de factores interfieren con la potencia completa de la
población de células madre durante el envejecimiento. Si el envejecimiento
se mira como el acumulo en un organismo de células de usar y tirar, el ritmo
y grado del envejecimiento de dicho organismo son un reflejo de cómo éste
contrarresta los deletéreos efectos del ambiente. Se han propuesto dos teorías
principales respecto al envejecimiento: una basada en la evolución y otra
basada en el daño. Muchos biólogos evolucionistas sugieren que los genes
253
Capítulo 9
que favorecen la reproducción de las especies tienen efectos negativos en la
última fase de la vida, limitando la longevidad. Este fenómeno se ha
denominado pleiotropía negativa. De acuerdo con esta teoría los organismos
se mantienen mientras permanece su competencia reproductora. Después de
la fase reproductora, los genes seleccionados por sus efectos beneficiosos
sobre la reproducción no se expresan. Un ejemplo de la pleiotropía
antagonista es el papel de los andrógenos en los machos. Los andrógenos, las
hormonas responsables del crecimiento y función de la próstata en los
jóvenes, que juegan un papel importante en la generación del esperma para
la reproducción, son las mismas hormonas que en la vejez contribuyen al
cáncer de próstata.
Figura 3. Modelo de proliferación de células madre y envejecimiento. (A) Células
madre jóvenes, representadas aquí como células madre hematopoyéticas, sufren la
autorrenovación, que les permite el mantenimiento del reservorio de células madre y la
producción de todas las células efectoras diferenciadas requeridas (neutrófilos, linfocitos,
eritrocitos, plaquetas, etc). (B) La acumulación de mutaciones en el DNA con el
envejecimiento conduce a una pérdida de células madre y a una menor capacidad para
autorrenovarse con un neto descenso en el número de células madre. Además, las células
madre remanentes pierden su capacidad para diferenciarse en el linaje hematopoyético. El
incremento en la pérdida de células ocurre por apoptosis o senescencia cuando las células
acumulan mutaciones en el DNA a un nivel crítico. Las células mutadas que escapan de la
apoptosis o senescencia son un riesgo de transformación maligna (Bellantuomo y Keith 2007)
La teoría de la senescencia replicativa fue introducida en 1961 por
Hayflick, como proceso que limita el número de divisiones que una célula
específica puede sufrir a lo largo de la vida y que posteriormente se ha
254
Capítulo 9
asociado a la pérdida del DNA telomérico. La senescencia replicativa o
parada del crecimiento se postuló al detectar que existía una conexión directa
entre las rondas de replicación y la pérdida de los telómeros situados en los
extremos de los cromosomas. Durante cada división se pierde DNA
telomérico, porque la mayoría de las células somáticas no expresan
telomerasa, la enzima responsable de reconstituir los telómeros. Se ha
demostrado que la longevidad puede prolongarse en gusanos que
sobreexpresan HRP-1, una proteína que se une a los telómeros e incrementa
su longitud. Sin embargo, los mecanismos implicados en tal proceso no están
del todo claros. Posteriores estudios han demostrado que las células
afectadas sufren senescencia antes de adquirir telómeros cortos críticos, para
evitar la inestabilidad genómica que puede conducir al cáncer. Por tanto, la
senescencia replicativa/parada del crecimiento no depende exclusivamente
de la erosión telomérica, depende también de otros mecanismos.
A pesar de la capacidad de autorrenovación de las células madre adultas,
recientemente ha surgido en estas células la noción del envejecimiento.
Datos obtenidos sugieren que con la edad el proceso de autorrenovación y
diferenciación resulta afectado, mostrando una menor generación de
progenia diferenciada o dirigida hacia un linaje particular. La división
celular asimétrica se ha observado en un número muy limitado de tipos
celulares y la evidencia experimental es débil. Por el contrario evidencia más
convincente sugiere que existe un acumulo de cambios en el DNA de las
células madre a medida que transcurre el tiempo, que puede afectar su
funcionalidad. Si los cambios en el DNA alcanzan un cierto umbral, las
células madre pueden sufrir apoptosis o senescencia, lo cual incrementa la
pérdida celular y disminuye el número de células. Alternativamente, las
células madre pueden escapar de la senescencia y tener un riesgo de sufrir
cambios clonales que pueden conducir a la formación de un tumor (Figura
3). Aunque alguno de estos procesos está bien comprobado, otros
permanecen hipotéticos. Además, no está claro si estos cambios ocurren en
células madre, como parte de un proceso fisiológico o solo en circunstancias
de estrés extremo, y si es el resultado de un programa intrínseco de las
células madre o de cambios en el microambiente en el cual ellas residen.
También es materia de debate si hay alguna vía relacionada o causal para el
envejecimiento de los tejidos y la pérdida de su función o existe alguna
alternativa que puede predisponer al desarrollo de tumores malignos
255
Capítulo 9
6. Envejecimiento del nicho de células madre
Las células madre adultas proporcionan las bases para la regeneración de
tejidos viejos, debido a su capacidad dual de autorrenovación y
diferenciación en muchos linajes. Estas dos características están controladas
por interacción directa con un microambiente específico denominado
“nicho”. Las células madre hematopoyéticas (HSC) residen en la médula
ósea. Todavía no está claro, si las HSC pueden rejuvenecer indefinidamente
o si no poseen una “verdadera” capacidad autorrenovadora y sufren la
senescencia replicativa como otras células somáticas. Por otro lado, la
cuestión que surge es la siguiente ¿hasta qué punto los cambios relacionados
con la edad en las HSC son debidos a factores intrínsicos o son regulados
por estímulos externos? Existe cada vez más convencimiento que el nicho
de las células madre es de la mayor importancia para la regulación del
envejecimiento celular en las células madre adultas. Es este nicho el que
realiza las funciones siguientes:
•
•
•
•
mantiene las HSC como también la senescencia replicativa,
protege a las células madre de los radicales y compuestos tóxicos,
regula las cascadas señalizadoras celulares, y
modula la expresión génica y las modificaciones epigenéticas en las
HSC.
De esta manera, la interacción de las HSC con su nicho controla la
función de estas células madre, incluyendo el proceso de envejecimiento de
la hematopoyesis.
Varios programas intrínsecos y vías señalizadoras facilitan las
características únicas de las células madre. Estos programas regulan el
mantenimiento, proliferación y diferenciación, pero tienen que estar
estrictamente controlados por el microambiente de acuerdo con las
necesidades fisiológicas del organismo. En 1978 Schofield propuso una
hipótesis en la cual las células madre se encuentran asociadas con otras
células que determinan su comportamiento y son las que forman el “nicho”.
Se han identificado para las HSC dos tipos de nicho en la médula ósea, el
nicho endosteal y el vascular. Las HSC más primitivas se localizan cerca del
endosteum del hueso próximas a las células del estroma y de los
osteoblastos. Esta comunicación y adhesión recíprocas es lo que ha de
regular la función de las HSC. Las HSC se encuentran también en la
vecindad de las células endoteliales sinusoidales. Se cree que el nicho
256
Capítulo 9
vascular forma un medioambiente que promueve la proliferación y
diferenciación y la transmigración endotelial de las HSC, mientras que el
nicho endosteal promueve la quiescencia y la autorrenovación. El
mecanismo preciso de esta interacción entre las HSC y el microambiente
local no se conoce, sin embargo, es cierto que la composición de los tipos
celulares y los componentes de la matriz extracelular están en continua
variación a lo largo de la vida. Estos cambios se reflejan en una menor
formación de hueso y pérdida de masa ósea y son más pronunciados en
pacientes con osteoporosis, y van acompañados por una mayor adipogenesis
y menor osteoblastogenesis. También, la composición de las células
hematopoyéticas maduras cambia a lo largo de la vida.
El sistema inmune se afecta de manera especial en el envejecimiento,
detectándose muy reducido el potencial de diferenciación linfoide en la
médula ósea de donantes viejos. Experimentos de trasplantes han indicado
que esta desviación del potencial de diferenciación mieloide con la edad es
probablemente debido a cambos intrínsecos en las HSC más viejas. Además
recientes estudios indican que el envejecimiento no está asociado solo con
las alteraciones funcionales de las HSC, sino también con alteraciones en el
microambiente que se requiere para la diferenciación hematopoyética. Las
HSC de ratones jóvenes al ser trasplantadas en ratones viejos, tienen un
potencial de diferenciación reducido hacia el fenotipo linfocito, lo cual no
ocurre en caso de receptores jóvenes. Por otra parte, las HSC de ratones
viejos también tienen un menor potencial de diferenciación linfoide debido a
los cambios en el microambiente. De todo esto se deduce que el nicho de las
células madre sufre grandes cambios durante la vida del organismo y éstos
pueden jugar un papel importante en el control externo del envejecimiento
de las células madre.
Cuestiones centrales en la función de las células madre adultas en el
contexto del envejecimiento han sido ya desentrañadas: en teoría, las HSC
pueden tener un ilimitado poder de autorrenovación, incluido el
rejuvenecimiento o pueden sufrir el envejecimiento celular al igual que otras
células somáticas. Además, la cuestión que surge es, hasta qué grado los
cambios relacionados con la edad en estas células son debidas a un factor
intrínseco o son regulados por estímulos del microambiente, el nicho de las
células madre. Cuatro situaciones posibles se describen en los párrafos
siguientes y la realidad más probable es algo entre ellas (Figura 4).
257
Capítulo 9
Figura 4. Mecanismos implicados en el envejecimiento de las HSC. (A) La
autorrenovación de las HSC puede estar asociada con el rejuvenecimiento, para evitar de
este modo el envejecimiento celular en células madre adultas. (B) Alternativamente las HSC
pueden están ligadas a la senescencia replicativa con un número limitado de divisiones tal
como cualquier célula somática, (C) El envejecimiento de las HSC puede estar también
controlado por estímulos externos del microambiente que regulan el rejuvenecimiento de las
HSC. (D) El anclaje de las HSC a nichos específicos en la medula ósea parece mantenerlas
en un estado quiescente y por tanto, la interacción con el microambiente puede contrarrestar
la senescencia replicativa de las HSC (Wagner et al., 2008, modificado).
Las HSC pueden rejuvenecer indefinidamente. La autorrenovación
verdadera de las células madre indica que la célula hija posee las mismas
características que la célula madre y esto debe incluir también el
rejuvenecimiento. Esto las capacitará para mantener de manera indefinida el
reservorio de células madre. Si es este el caso, las células madre adultas
pueden proporcionar infinitas bases para la regeneración tisular. En este
aspecto, la pérdida continua de potencial regenerativo de los tejidos viejos,
ha de ser atribuida a la reducción en el número de las primitivas células
madre. La prueba de esta tesis no es posible por la medida funcional de las
HSC, que necesitaría poder discriminar entre células madre verdaderas y
células progenitoras. Además, la demostración que las células hijas
comparten las mismas características de sus madres no es posible debido al
hecho que la madre ya no existe después de la división celular. Así, la teoría
del infinito rejuvenecimiento de las HSC, como se observa en las células
258
Capítulo 9
madre de la línea germinal o en las células madre embrionarias (ESC), no
puede apenas ser verificada.
Las HSC sufren el envejecimiento celular. En contraposición con la tesis
anteriormente mencionada, las HSC pueden sufrir la senescencia replicativa
tal como todas las células de mamíferos. En este caso, no hay
autorrenovación “verdadera” ya que las células hijas pueden tener el mismo
potencial de diferenciación multilinaje, pero después de un número limitado
de ciclos celulares la célula hija entrará en estado senescente y saldrá del
ciclo proliferativo. Además de las limitaciones anteriormente mencionadas,
los análisis de senescencia replicativa de las HSC son difíciles por la
ausencia de protocolos fidedignos de expansión in vitro para las primitivas
HSC. Para las células madre mesenquimatosas (MSC) los protocolos de
expansión en cultivo están establecidos y se ha demostrado que la
senescencia replicativa en estas células es un proceso continuo y organizado.
Sin embargo, las MSC son poco definidas a nivel molecular y la verificación
de su función de célula madre no está del todo demostrada. El agotamiento
del reservorio de las HSC no suele ocurrir durante la vida del organismo.
Experimentos de trasplante en modelos murinos han demostrado que la
menor capacidad de repoblación y el agotamiento de las HSC puede
prolongarse más de cinco rondas de trasplante. A pesar de una notable
capacidad proliferativa, estos resultados demuestran el envejecimiento
celular de las HSC. Modelos matemáticos de la diferenciación de las HSC
demuestran que la hipótesis de Hayflick es compatible con la larga vida de la
hematopoyesis. Además la senescencia replicativa en las HSC está apoyada
indirectamente por el hecho de que la mayoría de estas células permanecen
en un estado quiescente en la médula ósea. Se ha demostrado que en la
cinética de la división celular asimétrica, una célula hija permanece
quiescente o se divide muy lentamente, mientras que la otra se multiplica
exponencialmente y genera progenitores comprometidos y colonias de linaje
específico. Si las dos células hijas de lento crecimiento se separan por
micromanipulación y se analizan individualmente, una de ellas hereda la
capacidad de la célula madre, mientras que la otra se vuelve más específica.
Analizando las diferencias cinéticas de división para separar las células
CD34+/CD38 en una fracción de división lenta (SDF) y una fracción
comprometida de rápida división (FDF), se ha detectado que varios
marcadores moleculares asociados con la función primitiva de las células
madre están más expresados en SDF que en FDF, lo que explica que la
quiescencia o la lenta división son mecanismos protectores durante la
replicación del DNA, y la razón de división rápida, de quiescencia o de
259
Capítulo 9
división lenta, se debe a la protección de mutaciones durante la replicación
del DNA o a la prevención del agotamiento replicativo de las células madre.
El envejecimiento celular, por tanto, se regula por el microambiente.
El envejecimiento celular está regulado por el microambiente. Una serie
de estudios han demostrado que la hematopoyesis resulta afectada por el
microambiente hematopoyético. Las HSC tienen menor capacidad de
hospedarse en sus nichos después de ser trasplantadas en receptores viejos vs
receptores jóvenes. Además la interacción de adherencia de las HSC con su
nicho se modula por alteraciones relacionadas con la edad, ya que los ratones
viejos muestran una mayor movilización de las HSC en respuesta al factor
de crecimiento estimulador de colonias de granulocitos (G-CSF). Se ha
demostrado que la disfunción de los telómeros también ejerce efectos sobre
el microambiente hematopoyético. En ratones knockout en telomerasa la Blinfopoyesis se alterada mientras que la mielopoyesis se eleva. Además, la
disfunción de los telómeros y el envejecimiento limita el enraizamiento de
las HSC de tipo silvestre trasplantadas. Estos datos proporcionan evidencia
de que la función de soporte o el tamaño del nicho sufren modificaciones
durante el envejecimiento.
El microambiente mantiene las HSC en estado quiescente para prevenir
la senescencia replicativa. Las HSC en condiciones normales, se mantienen
en estado quiescente y tienen que ser activadas para elevar la hematopoyesis,
de acuerdo con las necesidades fisiológicas del organismo. Esto ocurre
especialmente después de la quimioterapia. La división celular, la
autorrenovación y la diferenciación están estrictamente controladas por el
nicho de las células madre. Manteniendo las células madre en un estado
quiescente se reduce el número de mutaciones que puede, en sus últimas
consecuencias, conducir al desarrollo de la leucemia. Por otra parte, esto
puede retrasar el agotamiento de las primitivas HSC por senescencia
replicativa. Si las HSC sufren la senescencia replicativa, entonces el
envejecimiento se modula indirectamente por estímulo externo del nicho que
regula su proliferación.
Como se mencionó con anterioridad, existen datos que demuestran que
el microambiente ejerce influencia sobre el envejecimiento de las HSC,
aunque los mecanismos moleculares precisos se desconocen. Varios
efectores del envejecimiento se han descrito recientemente y alguno de estos
puede estar sometido a control externo por el nicho. En la Figura 5 se
muestran diversos cambios de la hematopoyesis relacionados con la edad,
260
Capítulo 9
que son el resultado de las alteraciones intrínsecas en las mismas HSC, como
también del microambiente hematopoyético que regula y mantiene su
función. Entre estos cabe citar, las especies reactivas de oxígeno y
compuestos tóxicos, la regulación de la expresión génica y del miRNA,
modificaciones epigenéticas, la regulación de la proliferación por reposo
proliferativo (quiescencia), la regulación de cascadas señalizadoras que
implican la expresión de genes supresores de tumores (p53, p16INK4a y
p19ARF) y también la adhesión de las HSC al tamaño limitado del nicho.
Figura 5. Mecanismos potenciales para la regulación del envejecimiento por el nicho de
las células madre. La autorrenovación y diferenciación de las células madre está
estrechamente controlada por el nicho de las células madre en la médula ósea. Esta figura
resume los mecanismos por los cuales esta interacción puede también regular el
envejecimiento en las HSC (Wagner et al., 2008).
7. Telomerasa en las células madre
Las células madre son la fuente regeneradora de los distintos tejidos del
organismo. Se ponen en acción cuando se produce un daño tisular y emigran
desde sus nichos hasta el lugar que tienen que reparar. Sin embargo, si se
multiplican en exceso, o demasiado poco, pueden ser origen de cáncer o de
enfermedades relacionadas con el envejecimiento, respectivamente (Figura
6).
Recientemente, se ha descubierto que el comportamiento de las células
madre está determinado por sus telómeros y la cantidad de telomerasa que
contienen. Los telómeros y la telomerasa son determinantes importantes de
la mortalidad e inmortalidad celular y uno de los mecanismos mejor
261
Capítulo 9
conocidos que controlan el cáncer y el envejecimiento. Mantener los
extremos de los cromosomas o telómeros en buen estado permite que las
células madre funcionen eficazmente. Las células madre epiteliales que
tienen telómeros muy cortos no abandonan sus nichos ni regeneran la piel y
el pelo adecuadamente, por lo que provocan el envejecimiento prematuro de
la piel. Por el contrario, cuando la proteína encargada de alargar los
telómeros, la telomerasa, se encuentra en exceso en las células, lo que ocurre
en más del 90% de los tumores, las células madre epiteliales abandonan en
exceso sus nichos para regenerar los tejidos demasiado eficientemente, con
lo que la piel y el pelo crecen más de lo que es normal, y hay una mayor
susceptibilidad de formar tumores epiteliales (Figura 6). Estos
descubrimientos indican que la longitud telomérica y la cantidad de
telomerasa determinan el comportamiento de las células madre. Los defectos
en el comportamiento de las células madre preceden en el tiempo a la
aparición de los primeros síntomas visibles de envejecimiento prematuro o
del cáncer, por lo que la medida de la longitud telomérica o de actividad de
la telomerasa en células madre puede considerarse como uno de los
parámetros utilizables en el pronóstico. Las terapias que permitiesen
controlar estas variables en las células madre podrían ser beneficiosas en el
tratamiento de enfermedades relacionadas con el envejecimiento, incluyendo
el cáncer. Además, desvelar los parámetros que determinan el
comportamiento de las células madre es esencial para el uso de éstas en
terapias celulares sin causar efectos secundarios indeseables. Tales defectos
se muestran a continuación: el acumulo de errores en la maquinaria de
replicación, cambios en la fluidez de la membrana, daños por la acción de
los radicales libres, aumento de los productos de glicosilación avanzada,
resistencia a la insulina, reducción de la longitud de los telómeros,
autoinmunidad y apoptosis.
Uno de los eventos intrínsecos más conocidos de la célula, que mejor
describe el mecanismo implicado en el envejecimiento celular, es el
acortamiento de los telómeros en cada ronda de división celular. El ritmo al
cual los telómeros se acortan con la edad es muy variable y puede ser
influenciado por factores que se aceleran por la edad y son un riesgo de
muerte prematura (tabaco, obesidad, etc). El acortamiento de los telómeros
se acelera también en varias enfermedades humanas asociadas con la edad,
tales como la enfermedad cardiovascular y la infección entre otras. Existe
una correlación entre la longitud de los telómeros y el riesgo de muerte por
enfermedad cardiaca. También la longitud de los telómeros es un marcador
predictivo de demencia o alteraciones cognitivas.
262
Capítulo 9
Los telómeros se alargan por la acción catalítica de la telomerasa, pero
en ausencia de este enzima tiene lugar un persistente acortamiento de los
telómeros y finalmente la pérdida de la función de dichos telómeros, la cual
se asocia con senescencia replicativa y apoptosis. Las células madre
normalmente expresan la telomerasa en contraste con la mayoría de las
células somáticas. Sin embargo, en las HSC, la actividad es baja, aunque
suficiente como para mantener el acortamiento de los telómeros durante el
envejecimiento limitando su vida proliferativa. Por otro lado, en un modelo
de trasplante seriado en ratón con sobreexpresión de telomerasa, las HSC de
animales transgenicos y no transgénicos no pudieron ser trasplantados más
de cuatro veces, lo que indica que otros mecanismos, que no son la
telomerasa, limitan la función de las células madre también. Además, la
disfunción de los telómeros altera también el nicho de las células madre.
Utilizando ratones knockout en telomerasa (Terc-/-), se ha demostrado que la
disfunción de la telomerasa induce alteraciones en el microambiente de la
médula ósea por disminuir el compartimento de las células del estroma y
reducir la capacidad de estas células de la medula ósea en su actividad de
soporte de la hematopoyesis. La actividad de soporte hematopoyético
depende de la edad y se relaciona con el progresivo acortamiento de
telómeros en estas células estromales. Además, la disfunción de los
telómeros altera la expresión de varias citoquinas en plasma de los ratones
viejos Terc-/-, antes citados. Estos datos proporcionan evidencia clara, que el
acortamiento de los telómeros no es el único mecanismo intrínseco
implicado en el envejecimiento celular de las HSC, aunque la pérdida de
telómeros induce alteraciones asociadas a la edad en el ambiente de las
células madre, que pueden alterar la función y el enraizamiento de las HSC.
Algunos síndromes humanos se caracterizan por mutaciones en los
genes de la telomerasa, que ocasionan ritmos acelerados de acortamiento de
los telómeros. Estas enfermedades son, algunos casos de disqueratosis
congénita, anemia aplásica, y fibrosis pulmonar idiopática. En particular los
pacientes con disqueratosis congénita acarrean mutaciones en componentes
del complejo de la telomerasa que producen una estabilidad disminuída de la
telomerasa y telómeros más cortos. Estas mutaciones afectan a los genes
Terc y Tert (en pacientes con disqueratosis dominante congénita) o al gen de
la disqueratosis congenita 1 (DKC1), en pacientes con la forma ligada a X de
la enfermedad), los cuales codifican una telomerasa que interacciona con
proteínas implicadas en la estabilidad de Terc y en el procesamiento del
RNA nuclear pequeño. Ambas mutaciones dan como resultado una actividad
telomerasa muy disminuida y telómeros muy cortos. Sorprendentemente, los
263
Capítulo 9
pacientes con disqueratosis congénita desarrollan muchas de las patologías
demostradas para el modelo de ratones deficiente en Terc-/-, tales como corta
estatura, hipogonadismo e infertilidad, defectos en la piel y en el sistema
hematopoyético, fallo en la médula ósea y muerte prematura. Al igual que en
ratones deficientes en Terc, los pacientes con disqueratosis congénita
también muestran inestabilidad cromosómica con el envejecimiento, lo cual
está de acuerdo con una velocidad mayor de pérdida de los telómeros.
Figura 6. Papel de la telomerasa en el funcionamiento de las células madre, que
conduce al envejecimiento o al cáncer. El acortamiento de los telómeros (en células sin
telomerasa) conduce a una menor capacidad de las células madre a abandonar el nicho y
regenerar los tejidos con lo cual el tejido se deteriora y envejece. Los mecanismos que
intervienen en esta menor movilización no están claros, pero es probable que se deban a la
senescencia y apoptosis en respuesta a los telómeros cortos. Por el contrario, la
sobreexpresión de telomerasa conduce a una aberrante movilización de las células madre
fuera del nicho, la cual, en combinación con mutaciones oncogénicas, puede contribuir a la
formación de tumor. (Blasco 2008, con modificaciones).
264
Capítulo 9
8. Replicación del DNA
La replicación del DNA es el tendón de Aquiles en el mantenimiento del
genoma. Según la segunda ley de la termodinámica, la tendencia de los
sistemas ordenados para caer en desorden general, puede aplicarse a todas
las moléculas, incluyendo al DNA. El proceso de replicación del DNA
requiere varios grupos de genes de reparación y continuo chequeo de los
puntos de control, que son esenciales para salvaguardar el genoma a niveles
múltiples, durante el estado precario de la replicación. La inestabilidad de la
horquilla de replicación, es un evento relativamente común en el curso de la
replicación normal del DNA. Por ejemplo, la fosforilación de H2AX, una
variante de histona en respuesta a la rotura de la doble cadena, se estimula
una vez que el DNA entra en replicación en células en cultivo.
Otras proteínas que responden a la rotura de la doble cadena, tales como
Rad51 y BRCA1, son también reclutadas hacia la cromatina durante la fase
S, como índice de daño al DNA. Además, se sabe que el intercambio de las
cromátidas hermanas, un marcador de la recombinación homóloga, ocurre a
un ritmo de 10 intercambios cada fase S en células en cultivo. Debido a la
naturaleza multivariable de los intermediarios de la resolución de la
recombinación, los 10 intercambios por fase S, proporcionan un límite más
bajo que el ritmo de recombinación actual durante la síntesis del DNA. Estos
eventos de intercambio son un índice del colapso de la horquilla de
replicación en escenarios de reiniciación. Finalmente es importante destacar
que son esenciales un gran número de genes para el desarrollo embrionario y
la proliferación a largo plazo en cultivo, lo que indica la importancia de daño
exógeno al DNA. La pérdida de la integridad genómica durante la síntesis
del DNA puede afectar la capacidad regenerativa del tejido al iniciar
prolongadas respuestas en los puntos de control del ciclo celular, que causan
la pérdida funcional de las células madre y progenitoras.
265
Capítulo 9
Figura 7. El daño no reparado al DNA en el curso de la replicación, inicia respuestas
en los puntos de control que conducen a la senescencia o muerte celulares. La proliferación y
diferenciación de las células madre y progenitoras actúan como un medio de reconstituir
tejidos afectados, después de la eliminación y muerte de estas células mutantes. Sin embargo,
el daño replicativo al DNA, tanto en células madre como en células que forman el nicho,
altera las propiedades multipotentes de estas células o causa su pérdida a partir del
reservorio proliferativo. Estos deterioros cíclicos proporcionan, con el tiempo, una causa
potencial que produce el declinar regenerativo del envejecimiento (Ruzankina et al, 2008).
9. Cáncer, envejecimiento y regulación de las células madre
Muchas de las situaciones fisiopatológicas que afligen al anciano,
anemia, sarcopenia, osteoporosis, etc, derivan de una alteración entre la
pérdida y la renovación celular. El hecho de que el mantenimiento
homeostático y el potencial regenerativo de los tejidos decaigan a medida
que transcurre la vida, ha implicado el declinar de las células madre como
hecho crucial en el complejo proceso del envejecimiento. Es un hecho
reconocido que la edad avanzada va acompañada por mayor riesgo de
cáncer. Como el cáncer surge después de la adquisición de múltiples eventos
mutagénicos, las células de larga vida son las están más capacitadas para
servir como reservorio de dichas mutaciones. Así, las células madre son los
objetivos ideales para el acumulo de daño precanceroso, ya que las
propiedades que caracterizan a estas células, autorrenovación y
diferenciación, las capacita para mantener y propagar las mutaciones
adquiridas en el transcurso del tiempo, tanto en la progenia autorrenovable
como en los progenitores más diferenciados, durante la vida del organismo.
266
Capítulo 9
El peligro del acumulo de mutaciones en las células madre tiene su
contrapartida en la acción de las proteínas supresoras de tumores, que
suprimen los clones malignos mediante la apoptosis o parada del
crecimiento. Sin embargo, como las demandas homeostáticas de los tejidos
requieren la actividad de las células madre y de las células progenitoras, los
supresores pueden, sin advertirlo, conducir al descenso de actividad de las
células madre, contribuyendo así al envejecimiento.
El cáncer es la causa conductora de muerte en individuos menores de 85
años, y a pesar de la plétora de nuevas terapias anticáncer en los últimos diez
años, la muerte ha descendido solo un 1,5% por año. Como la multiplicidad
de eventos moleculares que se corresponden con el envejecimiento ocurren
también en tumores, los estudios para elucidar las aberraciones moleculares
en células madre y progenitoras durante el envejecimiento, puede
proporcionar la forma de aumentar el conocimiento en la formación del
cáncer y dirigirlo hacia el diseño de nuevas terapias. Muchos cánceres,
incluyendo el de colon, mama, cerebro, cabeza y cuello del útero,
pancreático y hematopoyéticos, contienen poblaciones pequeñas de células
iniciadoras de tumores o células madre cancerosas (CSC). Las CSC
comparten muchas de sus propiedades funcionales con las células madre
normales, incluyendo el potencial ilimitado de autorrenovación. Al igual que
las células madre normales, las CSC tienen el potencial de hacer surgir la
mayoría de los tipos celulares tumorales y son, en sus últimas causas, las
responsables del mantenimiento continuo del tumor. Además las CSC, como
las células madre normales, expresan elevados niveles de proteínas
transportadoras de multirresistencia a fármacos, ABC/MDR que median el
eflujo de los fármacos, una propiedad que las capacita a evadir el efecto de
la quimioterapia, y contribuye a la recaída. De hecho, la causa conductora
de la muerte en pacientes con cáncer continúa siendo la resistencia,
intrínseca o la adquirida, de las células tumorales a la terapia. El grado en el
cual las CSC derivan directamente de las células madre normales o
transformadas, o son el resultado de eventos transformantes que imparten
propiedades de células madre a progenitores comprometidos, es probable
que sea variable entre los diferentes cánceres, aunque están implicadas las
aberraciones en los mecanismos que gobiernan la autorrenovación y la
supervivencia y las decisiones del destino celular, ya que estos son procesos
normales estrictamente regulados.
Una de las enfermedades más estudiadas que demuestra la correlación
entre el envejecimiento de las células madre y la adquisición de mutaciones
267
Capítulo 9
requeridas para la transformación maligna es la leucemia mieloide crónica
(CML), la cual es, en general, enfermedad de los ancianos. La CML fue el
primer tumor maligno asociado con anormalidad cromosómica y su tirosina
quinasa constitutivamente activa, es el producto de la fusión BCR/ABL. La
CML fue también el primer cáncer que se demostró que derivaba de una
célula madre y que fue tratado terapéuticamente con un fármaco diseñado
para inhibir la expresión de la oncoproteína BCR/ABL. Los mecanismos
moleculares que conducen a la progresión de la CML humana, desde su fase
crónica hasta la crisis mieloide blástica, han sido ya muy estudiados, pero
solo recientemente ha sido evaluado el papel de las células madre y las
progenitoras. En la fase crónica se ha demostrado que el transcrito de fusión
BCR/ABL, estaba presente e elevados niveles en HSC fenotípicas, mientras
que en el estado de crisis blástica fue caracterizado por la expresión
amplificada de BCR/ABL en progenitores de granulocitos/macrófagos
comprometidos (GMP). Después de la transición de la crisis blástica se
encontró que los GMP habían ganado la capacidad de autorrenovación y de
transferir la crisis blástica a ratones inmunodeficientes, en parte, como
consecuencia de la adquisición de la autorrenovación que fue conseguida a
través de la vía de señalización de la Wnt/βcatenina, lo cual demuestra la
formación de células madre leucémicas (LSC).
10. Terapia regenerativa
La consideración de la terapia regenerativa en su aplicación a las
enfermedades relacionadas con la edad, ha atraído la atención hacia dos
categorías de células madre: las células madre somáticas adultas, específicas
de tejidos y las células madre embrionarias. El establecimiento de las células
madre embrionarias (ESC) en 1998, ha promovido, desde entonces, el
entusiasmo de los investigadores relacionados con este campo, hacia el
estudio de las células madre. Existen diferencias entre estos dos tipos
celulares con respecto a su potencial terapéutico: las ESC tienen un potencial
ilimitado para el crecimiento y diferenciación, mientras que las células
madre adultas están dirigidas hacia la especialización. Así, las células madre
adultas tienen la capacidad de regenerar los tejidos en los cuales ellas se
encuentran durante la vida de un individuo, mientras que las ESC tienen el
potencial de formar la mayoría de los tipos celulares del organismo adulto
por un casi ilimitado período de tiempo. Sobre la base de modelos animales,
varios estudios han afirmado que las células madre adultas pueden también
desarrollar un potencial comparable al de las ESC. Estudios más recientes,
sin embargo, han cuestionado la interpretación de los resultados iniciales que
268
Capítulo 9
sugieren la plasticidad o transdiferenciación de las células madre adultas.
Mientras que alguno de los experimentos que demostraban la versatilidad de
las células madre adultas, no fueron reproducibles, otros estudios detectaron,
tanto in vitro como in vivo, fusiones espontáneas de células y núcleos entre
células madre adultas y células diferenciadas del organismo.
La fusión celular puede, por tanto, ser tenida en cuenta para explicar el
fenómeno que se ha interpretado como evidencia de transdiferenciación.
Otros estudios han demostrado que la transdiferenciación se verifica sin
fusión celular, especialmente en condiciones fisiológicas del feto en
desarrollo, aunque a frecuencia muy baja. Además, al contrario a las ESC,
que pueden derivar de líneas celulares establecidas desde los 4 a los 7 días
del embrión, las células madre somáticas son evasivas. Para tratar la
leucemia, son necesarios ensayos in vitro para identificar si los progenitores
hematopoyéticos humanos se incrementan con el advenimiento del trasplante
de tejido hematopoyético. Cualquier ensayo para evaluar células madre ha de
comparar las propiedades de las células analizadas in vitro con aquellas de
unidades de repoblación probadas in vivo después de una dosis letal de
irradiación. Este modelo experimental no es posible en humanos. Para poner
a prueba las células madre adultas, se han desarrollado ensayos de colonias,
incluyendo los de células iniciadas a largo plazo (LTC-IC) y ensayos de
células iniciadas mieloides-linfoides, que pueden servir como marcadores
para la repoblación potencial de las células madre en una población dada.
Además, se ha demostrado que los marcadores de superficie tales como
CD34, CD133, Thy-1 y HLA-DR, se asocian con la cualidad de células
madre de las preparaciones celulares. A pesar de todos los esfuerzos
realizados durante los últimos años, ningún ensayo se considera adecuado
para identificar las HSC. Así que, no existe sustituto apropiado para ensayos
de repoblación en un modelo de trasplante de ratón, después de una dosis
letal de irradiación. Un modelo de ratón inmunocomprometido, tal como el
modelo SCID, o modelos de trasplante in utero de oveja, usando animales
tolerantes a las HSC humanas, han sido propuestos para estimar los
potenciales de repoblación de las HCS humanas. El impacto del tiempo y la
edad en la cantidad y calidad de las HSC de ratón han sido recientemente
estudiados, pero la información sobre la senescencia en HSC humanas es
escasa. Este estudio es de gran importancia porque estas células mantienen
su función durante más tiempo que el promedio de la vida humana. La
mayor parte del conocimiento que se ha conseguido acerca de la senescencia
de las células madre ha sido a través de estudios en ratones, ya que estos
animales comparten más del 90% de su genoma con el humano y tienen 30
269
Capítulo 9
veces la vida más corta, por lo que se espera que las observaciones en el
comportamiento de las células madre en ratón, puedan ser extrapoladas a las
HSC de humano. Varios estudios han indicado que incluso pensando en
concentraciones similares de HSC, que se encuentran en médula ósea joven
y vieja, la capacidad funcional por célula en el modelo de repoblación es lo
que muestra una reducción significativa dependiente de la edad del donante.
La senescencia de las HSC se regula por varios elementos genéticos
ubicados en cromosomas específicos. Estos elementos pueden diferir entre
las especies, razas e incluso en individuos en el modelo de ratón. En
humanos, la senescencia de las HSC y sus efectos patológicos relacionados
pueden no ser tan obvios como en el modelo de ratón porque los clones de
HSC primitivos pueden producir progenia que soporte la producción de
células sanguíneas maduras a lo largo de la vida, lo cual es obvio después
del trasplante de médula ósea o de HSC. El potencial terapéutico de los
tratamientos basados en células madre fue demostrado por primera vez en
los últimos 1960, cuando se utilizó el trasplante de médula ósea para tratar
pacientes con inmunodeficiencia hereditaria o con leucemia aguda. Sin los
beneficios del conocimiento actual de inmunología y los cuidados que los
soportan, las tasas de morbilidad y mortalidad serian altas. Sin embargo, los
resultados fueron estimulantes comparados con aquellos obtenidos a partir
de opciones de tratamiento convencional. El trasplante de médula ósea ha
llegado a ser mucho más eficiente y se ha comprobado que es la única
posibilidad de cura para algunos pacientes con enfermedades hereditarias y
malignas. Aunque inicialmente identificadas en la médula, las HSC fueron
posteriormente encontradas en sangre periférica después de estimulación
durante la fase de recuperación de terapia mielosupresora o de la
administración de citoquinas. Estas HSC de sangre periférica han sido
trasplantadas con éxito en lugar de la médula ósea para reconstituir las
funciones hematopoyéticas e inmunes en los receptores.
Encontrar medios para reactivar las células madre y controlar el objetivo
de su destino ha de crear oportunidades impredecibles para la curación de
enfermedades degenerativas. Las células madre son enormemente
prometedoras para terapias de reemplazo celular o reparación de tejidos en
muchas enfermedades degenerativas del envejecimiento, ictus, enfermedad
cardiaca, diabetes y enfermedad de Parkinson. Considerando el tiempo y la
edad, la investigación con células madre es importante por dos razones:
primera, porque supone un buen modelo para estudiar el envejecimiento y
segunda, porque los cambios asociados con la senescencia de células
derivadas de la médula ósea, puede proporcionar pistas pertinentes para
270
Capítulo 9
descifrar el proceso de envejecimiento celular. Por otra parte, encontrar
caminos para reactivar las células madre y controlar sus destinos puede crear
oportunidades imprevistas para curar enfermedades.
Todas las células del organismo poseen un repertorio de unos 30.000 a
40.000 genes de los cuales en cualquier momento solo una cuarta parte se
expresa. Las bases fundamentales de las diferencias en los diferentes tipos de
células (corazón, cerebro, hígado, piel, etc), que comprenden el organismo,
se encuentran en la decisión celular de qué genes expresa o reprime. Durante
el desarrollo fetal, las células madre embrionarias con completo acceso al
genoma van a dar lugar a la multitud de tipos celulares requeridos para un
individuo completo, generando progenies con acceso al genoma cada vez
más restringido, las cuales se van comprometiendo a ciertos destinos
celulares.
Hoy se sabe que el organismo adulto contiene reservorios de células
madre residuales, que se parecen a las células primitivas del embrión y que
tienen la capacidad de ser instruidas para producir una panoplia de tipos
celulares que puedan ser utilizados para beneficio terapéutico. Se están
desarrollando con gran rapidez, nuevas tecnologías que permitirán que las
células maduras diferenciadas readquieran su capacidad de acceso completo
al genoma, y puede pronosticarse un día, en el futuro cercano, en el que casi
cualquier célula podrá reprogramarse para producir células con propiedades
de células madre.
La necesidad de progresar en las terapias de reemplazo de células y
órganos es acuciante, en tanto en cuanto la sociedad tiende hacia una
población cada vez más envejecida. Está claro, que son muchas las
enfermedades que no pueden ser curadas por los fármacos en uso, tales como
la diabetes tipo I, enfermedad de Parkinson, fallo hepático y deterioro de los
cartílagos. Para estas enfermedades, la clave del progreso son las terapias
basadas en la introducción de células de remplazo. La meta del programa
“Biología y Regeneración de Células Madre”, es promover la regeneración
de los tejidos en casos de enfermedad y de envejecimiento normal. Los
progresos en esta área de la “Terapia Regenerativa” dependerán de los
progresos en la biología de las células madre y requerirán el desarrollo de
tecnologías y destreza en el aislamiento, cultivo y manipulación de células
con capacidad de diferenciarse en varios tipos celulares. Las recientes
investigaciones sugieren que una sola o unas pocas clases de células madre
residen en muchos tejidos adultos y que las señales ambientales determinan
271
Capítulo 9
cómo estas células se diferencian. Será importante determinar cuáles son
esas señales. En este aspecto, ya se posee una larga tradición en estudios de
biología del desarrollo y diferenciación de células madre embrionarias de
ratón.
Se ha demostrado recientemente que células de medula ósea de ratón
están constantemente migrando al cerebro para producir nuevas células
nerviosas. Aunque esto ocurre con muy pocas células, esta observación
sugiere la existencia de una vía natural de regeneración del sistema nervioso
y puede predecirse un día no lejano, en el que se desarrollen fármacos que
estimulen la producción endógena de nuevas células nerviosas a partir de
células de la médula ósea. Se ha identificado también un gen regulador
(factor de transcripción) que opera como un interruptor maestro en las
células madre, conduciéndolas para convertirse en neuronas. Estudios en
células madre del músculo han proporcionado un modelote ratón para probar
terapias de reemplazo celular en distrofias musculares. Terapias de
ingeniería de reemplazo celular para la restauración de células productoras
de insulina en pacientes con diabetes tipo I es otro de los retos en la
actualidad
11. Conclusiones
El envejecimiento celular y la senescencia no representan
necesariamente un destino inevitable de las células, porque la senescencia
celular no se ha observado en organismos primitivos como esponjas o
corales, como tampoco en nuestras células germinales. El envejecimiento en
diferentes especies se relaciona con el tiempo de generación y parece
proporcionar una ventaja evolutiva para el total de las especies. Es
interesante destacar que este proceso está restringido a organismos
superiores con un mesodermo y nichos de células madre altamente
especializados.
No es una única célula madre la que puede reunir una ventaja de
crecimiento que conduzca a formación tumoral. Datos recientes sugieren que
envejecemos, en parte, porque nuestras células madres autorrenovables
envejecen como resultado de acontecimientos intrínsecos. El control
extrínseco del nicho juega un papel importantísimo en la regulación del
envejecimiento de las células madre y por tanto, para la regeneración tisular
en el organismo viejo. Varios mecanismos moleculares diferentes pueden
272
Capítulo 9
estar implicados en este control del nicho y futuras investigaciones han de
profundizar en este tema de tanta repercusión fisiológica.
La pérdida de la autorrenovación y la adquisición de defectos en la
diferenciación de las células madre son responsables del fenotipo típico del
envejecimiento. Los mecanismos moleculares que contribuyen al
envejecimiento de las células madre son aquellos implicados en la
eliminación por apoptosis o senescencia de las células con daño genético, el
cual puede suponer un riesgo para la integridad del organismo. Ambas HSC
y MSC están siendo usadas en clínica. Por tanto, el conocimiento del
envejecimiento de estos compartimentos de células madre es importante, no
solo desde la perspectiva de la prevención o mejora de las disfunciones
asociadas a la edad, sino también para tenerlas en consideración frente a
donantes de células madre selectivas para ser utilizadas en terapias celulares.
Las HSC son las células madre mejor caracterizadas y se posee un razonable
conocimiento del efecto de la edad sobre su capacidad proliferativa y
funcional. Esto ha conducido al uso en clínica de las HSC de neonatos,
específicamente la sangre del cordón umbilical. Estudios en MSC sugieren
que tanto HSC como MSC sufren un declinar en su capacidad de
diferenciación y expansión a medida que transcurre la edad del organismo.
Sin embargo, el grado de este declinar no está claro debido a la falta de
consenso entre las características fenotípicas, condiciones de crecimiento, y
dependencia de los estudios in vitro que llevan consigo extensas
comparaciones.
12. Abreviaturas
ABC, ATP binding cassette, BRC/ABL, gen de fusión del cromosoma
Filadelfia; CML, leucemia mieloide crónica; CSC, células madre cancerosas;
ESC, células madre embrionarias; FDF, fracción que se divide rapidamente;
G-CSF, factor de crecimiento de colonias de granulocitos; HSC, células
madre hematopoyéticas; LSC, células madre leucémicas; MDR,
multirresistencia a fármacos; MSC, células madre mesenquimatosas; ROS,
especies reactivas de oxígeno; SDF, fracción que se divide lentamente;
SOD1, superóxido dismutasa 1; TA, amplificación transitoria;
13. Bibliografía
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Capítulo 10
Capítulo 10. RESTRICCIÓN
ENVEJECIMIENTO
CALÓRICA
Y
1. Introducción
2. Dieta hipocalórica
3. Envejecimiento y genes de longevidad
4. Sirtuínas y restricción calórica
5. Dieta hipocalórica y NAD
6. Restricción calórica y expectativa de vida
7. Restricción calórica y estabilidad genómica
8. Conexión sirtuínas, restricción calórica y mitocondria
9. Homeostasis de la insulina y la glucosa
10. Resveratrol
11. Conclusiones
12 Abreviaturas
13. Bibliografía
1. Introducción
Una característica común de la vida en los organismos multicelulares es
el progresivo declinar en la eficiencia de una serie de procesos fisiológicos,
una vez finalizada la fase reproductora de dicho organismo. Para estudiar la
naturaleza de la multitud de mecanismos que intervienen y se asocian en el
envejecimiento, se han utilizado muchos modelos y estrategias con el objeto
de encontrar respuesta a las siguientes preguntas: ¿Por qué el organismo
sufre un deterioro fisiológico irreversible en la última parte de la vida?, ¿A
qué se debe que la expectativa de vida sea variable entre las especies? y ¿Por
qué la restricción calórica retrasa la aparición de los cambios asociados a la
vejez y aumenta la expectativa de vida?
El envejecimiento es un proceso complejo que se detecta, tanto en
células aisladas como en órgano entero, en el que se encuentran implicados
factores genéticos y ambientales. Las teorías sobre el envejecimiento tienen
su origen en el estudio de los cambios que se suceden o de los cambios que
se acumulan a lo largo de la vida. La teoría que ha alcanzado más
popularidad por haber sido ampliamente comprobada, fue propuesta por
Harman en 1956 y es la que responsabiliza a los radicales libres de oxígeno
de las alteraciones oxidativas típicas de la edad avanzada. Esta teoría se
277
Capítulo 10
dirigió, posteriormente, hacia la generación de especies reactivas de oxígeno
por la mitocondria.
La teoría programada del envejecimiento propone que el progresivo
declinar de la función de los tejidos, debida a la edad, está causado por
cambios homeostáticos en los procesos biológicos que ocurren en ausencia
de enfermedad. Los modelos extrínsecos proponen que el envejecimiento es
el resultado de continuas agresiones ambientales, que conducen a una
gradual disminución de las funciones tisulares. Se ha propuesto también,
que las características biológicas de la edad se deben a cambios en procesos
básicos endógenos que se aceleran por estas agresiones ambientales, lo cual
afecta a la estructura y función de las proteínas que regulan familias de genes
de respuesta al estrés.
El envejecimiento en los seres vivos se caracteriza por un progresivo
descenso en la funcionalidad de órganos y tejidos, que va acompañado por
daño oxidativo a las macromoléculas, disfunción mitocondrial, alteraciones
endocrinas e inestabilidad genómica. La capacidad regenerativa tisular
también declina con la edad y en algunos tejidos, músculo, sangre, hígado y
cerebro, este declinar se ha atribuido a una menor respuesta de las células
madre y progenitoras específicas de cada tejido.
Evadir el envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad
avanzada ha sido uno de los sueños de la humanidad desde sus tiempos más
remotos. Sin embargo, a pesar de los importantes avances científicos en los
campos de la biología, la bioquímica y la fisiología, nuestro conocimiento de
los mecanismos moleculares implicados en el envejecimiento es hoy en día
muy limitado.
La dieta hipocalórica al aminorar la generación de especies reactivas de
oxígeno por la mitocondria, se presenta como uno de los medios más
efectivos para asegurar una buena salud en la vejez e incluso prolongar la
vida. Existen evidencias que demuestran el efecto beneficioso de la dieta
restrictiva sobre animales de experimentación, en los que se ha observado
una progresión más lenta del propio envejecimiento y un aumento de su
esperanza de vida.
2. Dieta hipocalórica
A pesar de las importantes consecuencias que el envejecimiento aporta
278
Capítulo 10
al organismo y a la sociedad, solo recientemente se ha mostrado un interes
real por profundizar en el conocimiento científico de este importante proceso
vital. Es un hecho reconocido el papel que juega la nutrición en la serie de
eventos moleculares que conducen a la vejez y también que la restricción
calórica de la dieta aumenta la expectativa de vida, retrasa el declinar de la
función inmune y reduce la incidencia del cancer y la mortalidad en
diferentes especies animales. Sin embargo, se conoce poco aún sobre los
mecanismos celulares y moleculares que producen estos efectos positivos. El
término restricción calórica se refiere a una reducción del contenido calórico
de la dieta sin que ello comprometa a los nutrientes esenciales. La teoría,
ampliamente aceptada, de los radicales libres y el envejecimiento, antes
citada, hace responsables a las especies reactivas de oxígeno, al estrés
oxidativo y a la modificación oxidativa de las macromoléculas, del declinar
de las funciones fisiológicas en la senectud. Los efectos beneficiosos que
aporta el menor contenido calórico de la dieta sobre las alteraciones típicas
del estado senescente, se basan en la menor generación de especies activas
de oxígeno y de las lesiones oxidativas del DNA, con la consiguiente
disminución de los defectos a nivel transcripcional, traduccional y posttransduccional.
Se ha observado que la restricción calórica reduce la incidencia del
cáncer. La lesión oxidativa del DNA parece encontrarse implicada, tanto en
el envejecimiento como en el cáncer, jugando la lesión del DNA
mitocondrial el papel más importante en el caso de la vejez, mientras que la
lesión del DNA nuclear se encuentra más implicada en el desarrollo tumoral.
La serie de acontecimientos moleculares que conducen a la vejez y/o al
cancer puede ser modificada por el menor contenido calórico de la dieta.
Como muchos de estos acontecimientos son consecuencia de la capacidad
del organismo para superar la acción de agentes estresantes ambientales, es
posible establecer una relación entre el contenido calórico de la dieta y el
tiempo requerido para la formación de un tumor o la expectativa de vida. Por
ello, se ha establecido que a mayor contenido calórico de la dieta, mayor
peso corporal, mayor incidencia de tumores espontáneos y menor
expectativa de vida.
La senectud se caracteriza por un incremento exponencial de proteínas
alteradas por oxidación, lo cual conlleva la activación transcripcional de
genes de respuesta al estrés, que procesan la eliminación de proteínas
lesionadas o mal plegadas. Se ha observado que las dietas restringidas en
calorías previenen esta inducción, lo cual ha hecho pensar que la
279
Capítulo 10
modificación proteica por oxidación o glicación juega un papel decisivo en
el envejecimiento. Las dietas hipocalóricas actúan disminuyendo la
velocidad metabólica y como consecuencia la producción de subproductos
tóxicos del metabolismo. La disminución de la transcripción de genes que se
inducen en respuesta al estrés, implicados en la destoxificación, reparación
del DNA y de respuesta al estrés oxidativo, inducida por la restricción
calórica, se debe a la menor disponibilidad de los sustratos para estos
sistemas. Los perfiles transcripcionales encontrados en animales alimentados
con dietas bajas en calorías, sin deficiencias en nutrientes esenciales,
muestran una desviación dirigida hacia un mayor recambio proteico y a una
menor lesión macromolecular. Este cambio puede detectarse a nivel
hormonal, por ejemplo, sobre las vías señalizadoras de la insulina mediante
el incremento de la expresión de los genes que median la sensibilidad a esta
hormona.
Quedan muchos puntos oscuros en el estudio de los factores que
conducen a la multitud de cambios asociados a la senectud, y en por qué
estos cambios se retrasan o detienen mediante un menor contenido calórico
de la dieta. La restricción dietética moderada o dieta hipocalórica es hasta la
fecha uno de los métodos más efectivos para elevar la expectativa de vida y
prevenir o retrasar las enfermedades relativas a la edad. La restricción
dietética modula muchos procesos fisiológicos fundamentales, generación de
ROS, reparación del DNA, metabolismo de fármacos, función inmune,
regulación hormonal, etc.
3. Envejecimiento y genes de longevidad
Durante mucho tiempo se ha considerado que el envejecimiento de un
organismo era un proceso genéticamente programado como continuación
activa del desarrollo, de manera que una vez que un individuo alcanzaba la
madurez, los genes del envejecimiento (aging genes) comenzaban a
expresarse y a dirigir el progreso hacia la muerte. Esta idea se ha descartado
y hoy se considera que el envejecimiento es un desgaste, que depende del
tiempo, debido a que disminuyen los sistemas de reparación para el
mantenimiento normal de las funciones. La selección natural evolutiva no
encuentra razón para mantener estos sistemas reparadores una vez que el
organismo ha superado su máxima capacidad reproductora.
Diversos grupos de investigadores han encontrado una familia de genes
implicados en la capacidad de la célula para superar situaciones adversas
280
Capítulo 10
(elevada temperatura, falta de alimento, etc.), que mantienen las defensas y
actividades reparadoras naturales a lo largo de toda la vida. Si se logra que el
funcionamiento del organismo esté en buenas condiciones, estos genes
proporcionarán oportunidades para superar el estrés, mantener la salud y
conseguir la longevidad. En contraposición a los genes de envejecimiento,
antes aludidos, éstos se denominan genes de longevidad.
La evolución ha favorecido un sistema universal regulador que coordina
la respuesta al medio ambiente. La identificación de genes que dirigen los
mecanismos implicados en las defensas naturales de respuesta al medio
adverso y controlan la longevidad, ha de proporcionar un medio de evitar las
enfermedades y achaques propios del envejecimiento. Muchos genes de
reciente descubrimiento, como daf-2, pit-1, amp-1, clk-1 y p66Shc,
intervienen en la resistencia al estrés y en la longevidad en animales de
laboratorio y forman parte de un mecanismo fundamental de supervivencia
frente a la adversidad. Sinclair y Guarente han estudiado un gen denominado
SIR2, cuyas variantes se encuentran en diversos organismos, desde la
levadura hasta los humanos, y han observado que copias extra de este gen
elevan la longevidad en seres vivos tan diversos como Sacharomyces
cerevisiae, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster y ratones.
4. Sirtuínas y restricción calórica
En el año 2000, Leonard Guarante del Instituto de Tecnología de
Massachusetts, en Cambridge (Massachusetts), descubrió que la restricción
calórica o una dieta baja en calorías produce la activación de la transcripción
de un gen denominado SIR2, con capacidad para retrasar el envejecimiento.
Este gen, que codifica la proteína SIR2, denominada sirtuína, se encontraba
en mayor concentración en la mosca Drosophila cuando ésta se sometía a un
menor aporte calórico en su dieta, demostrándose con esto que la proteína
Sir2 desempeñaba un papel central en el ciclo metabólico celular. A partir de
este hallazgo, estos autores crearon una mosca mutante que sobreexpresaba
la sirtuína, y descubrieron que dichas moscas podían vivir hasta un 60% más
que las normales. Asimismo, demostraron que el gen Sir2 se relaciona con
mayor esperanza de vida también en la levadura y el nematodo C. elegans.
Las sirtuínas son unas proteínas enzimáticas, desacetilasas dependientes
de NAD que conectan el metabolismo con la longevidad. Como se ha
comentado anteriormente, su presencia y mecanismo de acción se ha
detectado en levadura, gusanos y moscas. Los mamíferos contienen siete
281
Capítulo 10
homólogos de la SIR2 de levadura, SIRT1 – 7. Se ha demostrado el papel
que juegan estas sirtuínas como reguladores del envejecimiento, lo cual las
convierte en objetivos farmacológicos potenciales para el tratamiento de las
enfermedades relacionadas con la edad
Las proteínas SIR (silent, information regulador), regulan la longevidad
en muchos organismos. En levadura, una copia extra del gen SIR2 aumenta
la expectativa de vida, mientras que la eliminación de dicho gen la acorta. La
proteína SIR silencia la cromatina, aumenta la capacidad la reparación del
DNA y se encuentra implicada en la fidelidad cromosómica durante la
meiosis. SIR promueve la longevidad al suprimir la formación de círculos
extracromosómicos de rDNA (ERC) en levadura. El ortologo del C.elegans
SIR2.1 amplia también la expectativa de vida del nematodo, pero por un
mecanismo distinto. La proteína SIR2.1 requiere de la proteína DAF-16 para
producir la mayor longevidad en estos gusanos
Las sirtuinas son una clase de proteínas evolutivamente conservadas que
regulan una variedad de funciones celulares tales como el mantenimiento del
genoma, la longevidad y el metabolismo. En humanos los siete homólogos
de las sirtuínas (SIRT1–7), contienen un dominio catalítico con 275
aminoácidos. Las proteínas SIRT1 - 7 difieren en su localización subcelular
y en las secuencias proteicas amino y carboxilo terminales que flanquean el
núcleo catalítico central altamente conservado, identificado por primera vez
en la proteína SIR2 de levadura, que parece poseer motivos de interacción
con otras proteínas y señales de localización celular. La mayoría de estas
sirtuínas catalizan la desacetilación dependiente de NAD+ de residuos de
lisina amino acetilados de sustratos proteicos (Figura 1). SIRT4 y SIRT6
median la ADP-ribosilación de sustratos proteicos utilizando NAD+ como
donador. Las sirtuínas de mamíferos tienen múltiples sustratos y afectan a un
amplio espectro de funciones celulares (Tabla 1). Tres sirtuínas de
mamíferos (SIRT1, SIRT6 y SIRT7) se localizan en el núcleo. La más
estudiada es la SIRT1, que actúa sobre más de una docena de sustratos
conocidos y ejerce un papel protector frente al estrés oxidativo y al daño al
DNA. Además, SIRT1 juega un papel prominente en tejidos metabólicos,
como páncreas, hígado y tejido adiposo. SIRT6 y SIRT7 son reguladores
importantes del metabolismo y daño al DNA.
282
Capítulo 10
Tabla 1. Diversidad de las sirtuínas de mamíferos (Haigis y Guarente 2006)
Sirtuina
SIRT1
SIRT2
SIRT3
SIRT4
SIRT5
SIRT6
SIRT7
Actividad
Desacetilasa
Desacetilasa
Deacetilasa
ADP-ribosil-transferasa
Desacetilasa
ADP-ribosil-transferasa
?
Localización
Interacciones
Núcleo
Citosol
Mitocondria
Mitocondria
Mitocondria
Núcleo
Nucleolo
FOXO, PGC-1α
Tubulina, H4
AceCS2
GDH
?
DNA Polβ
Pol I
Biología
Supervivencia celular/metabolismo
Ciclo celular
Termogenesis/metabolismo
Secreción de insulina/metabolismo
?
Reparación del DNA
rDNA transcription
Figura 1. Las sirtuínas catalizan las reacciones de desacetilación o de ADP ribosilación
de un sustrato proteico. Ambas reacciones rompen la molécula de NAD y liberan
nicotinamida (Haigis y Guarente 2006 con modificaciones).
No se ha determinado aún, un papel de las sirtuínas de mamíferos en la
regulación de la longevidad máxima, aunque evidencias obtenidas hacen
pensar que SIRT1, regula muchos procesos fisiológicos afectados por la
283
Capítulo 10
edad, que están alterados por dieta hipocalórica (Figura 2). SIRT1 desacetila
un gran número de sustratos: p53, Ku70, NF-κB, y las proteínas forkhead
FOXO, lo cual se relaciona con la resistencia al estrés que confiere la
restricción dietética. SIRT1 también regula las actividades de los receptores
nucleares PPARγ y del coactivador PGC-1α para influenciar la
diferenciación de las células musculares, adipogénesis, almacenamiento de
grasa en tejido adiposo blanco y metabolismo hepático, sugiriendo una
conexión entre esta sirtuína y las dietas que promueven el adelgazamiento y
la longevidad.
Figura 2. Regulación de procesos fisiológicos. SIRT1 regula la supervivencia de
neuronas, la gluconeogenesis, la lipólisis, la supervivencia de las células β y la secreción de
insulina (Haigis y Guarente, 2006 modificado)
La homeostasis de la glucosa está mantenida por el hígado y las células
β pancreáticas, en respuesta al cambio de nutrientes. Durante el ayuno los
hepatocitos inducen la gluconeogenesis para suministrar glucosa a los
tejidos. Se ha revelado que esta respuesta se encuentra bajo un control
estricto de la actividad SIRT1, lo que proporciona otra conexión entre SIRT1
y el metabolismo intermediario. En hepatocitos en cultivo, SIRT1
interacciona y desacetila a FOXO1, promoviendo la trancripción,
dependiente de FOXO1, de los genes hepáticos gluconeogénicos. En el
hígado, el coactivador transcriptional PGC-1α conduce también la expresión
de vías gluconeogénicas. SIRT1 desacetila y activa PGC-1α para coordinar,
durante el ayuno, el incremento en la expresión de genes gluconeogénicos
con la represión de los glucolíticos. Sin embargo, en una línea celular
284
Capítulo 10
neuronal, la sobreexpresión de SIRT1 disminuyó la actividad de PGC1α y la
función mitocondrial lo que sugiere que la relación entre SIRT1 y PGC-1α
debe ser compleja.
Estudios sobre el envejecimiento en S. cerevisiae, D. melanogaster, y C.
elegans han considerado a las sirtuínas como productos de genes de
longevidad conservados, que modulan la respuesta de un organismo al
envejecimiento y estado nutricional. El gen SIR2 expresa la proteína SIR2,
cuya misión como NAD desacetilasa hace que las células de la levadura se
dividan más allá de su expectativa de vida normal. Guarente al seleccionar
colonias de levadura que mostraban larga vida encontró una mutación en un
gen denominado SIR4, que codifica parte de un complejo de proteínas que
contenía la proteína SIR2. La mutación en el gen SIR4 hizo que la proteína
SIR2 se uniese a la región más repetitiva del genoma de la levadura, un
tramo que contiene los genes que codifican los ribosomas, que se conoce
como DNA ribosómico (rDNA). Más de 100 de estas repeticiones de rDNA
existen en el genoma de la levadura, y son difíciles de mantener en un estado
estable. Estas secuencias repetitivas tienen la capacidad de recombinarse
entre ellas, proceso que extrapolado en humanos puede ocasionar numerosas
enfermedades, tales como cáncer o enfermedad de Huntington. Los datos
obtenidos por este grupo de investigadores les llevaron a sugerir que el
envejecimiento en la levadura era causado por la inestabilidad del rDNA que
se consiguió atenuar por acción de las proteínas SIR.
Estudiando esta inestabilidad del rDNA, se observó que al dividirse la
célula madre de la levadura se generaban más copias del rDNA que salían
del genoma a modo de anillos extracromosómicos y se replicaban con los
cromosomas, permaneciendo en el núcleo de la célula. A medida que se
acumulaban los anillos de rDNA, la célula necesitaba más energía para su
replicación, lo que llegaba a incapacitarla para replicar su propio genoma.
En estas condiciones si se añadía una copia extra del gen SIR a la célula
madre, se conseguía reprimir la formación de anillos de rDNA en las células
hijas, y con ello se producía una ampliación del 30% en la expectativa de
vida de la célula. Estos autores descubrieron también este fenómeno en el
nematodo C. elegans, a pesar de que el gusano adulto no contiene células en
división, y que el mecanismo replicativo de envejecimiento encontrado en
levadura no podía aplicarse a los gusanos.
El gen SIR2 codifica una proteína que posee actividad histona
desacetilasa dependiente de NAD, eliminaba grupos acetilo de las histonas y
285
Capítulo 10
así conseguía empaquetar al DNA de tal manera que lo hacía inaccesible a
los enzimas responsables de sacar los anillos rDNA fuera del cromosoma. La
forma del DNA con histonas desacetiladas es silente debido a que cualquier
gen que se encuentre en estas regiones del genoma es inaccesible a la
activación. Por tanto, las proteínas SIR, se encuentran implicadas en la
silenciación de genes, y de ahí su nombre SIR. La actividad desacetilasa de
SIR depende de NAD, y esta asociación SIR2 – NAD establece conexión
entre SIR y el metabolismo glucolítico y entre dieta y envejecimiento.
Con el descubrimiento de las proteínas SIR se ha demostrado la
existencia de una nueva misión para el NAD en la regulación
transcripcional. Las proteínas SIR2 dependen del NAD para su actividad
desacetilasa, que regula una serie de procesos biológicos, respuesta al estrés,
diferenciación, metabolismo y envejecimiento. Por tanto, el mantenimiento
de los niveles de NAD en la célula es un requisito importante para la
expresión y actividad de las sirtuínas. La biosíntesis del NAD está mediada
por la nicotinamida fosforibosil transferasa (NAMPT), actividad limitante en
la biosíntesis del NAD, ya que a mayor actividad NAMPT mayor
concentración celular de NAD, que actúa intensificando la actividad
reguladora transcripcional del dominio catalítico de SIR2. El perfil de la
expresión genética ha demostrado también que existe una correlación entre
la expresión de NAMPT y la de SIR2 en las células. SIRT1/SIR2 juega un
importante papel en diversos procesos biológicos, como respuestas al estrés
y a citoquinas, diferenciación y metabolismo, mediante la desacetilación de
reguladores transcripcionales. Las proteínas SIR2 poseen la capacidad única
de acoplar la rotura del NAD y la desacetilación de las proteínas por
formación de nicotinamida y O-acetil-ADP ribosa. El requerimiento de NAD
implica que SIR2 funciona como sensor de energía o sensor redox que
conecta el metabolismo energético con la regulación transcripcional.
5. Dieta hipocalórica y NAD
La dieta hipocalórica, así como la dieta intermitente, producen un retraso
en la aparición de los achaques propios del envejecimiento. Aunque los
mecanismos implicados no están completamente esclarecidos, es probable
que tanto la restricción dietética como la alimentación intermitente
promuevan efectos similares sobre la frecuencia de la glucolisis. Así, en
condiciones de alimentación ad libitum la glucolisis es continua (hay un
exceso de glucosa), mientras que en casos de dieta hipocalórica, la glucolisis
es discontínua operando solo postprandialmente. Durante los periodos de
286
Capítulo 10
ayuno, inducido por restricción calórica, el cociente NAD/NADH ha de ser
diferente del que prevalece en caso de ad libitum donde la situación de
ayuno no es probable. En el caso de alimentación ad libitum la glucolisis
continua tiende a provocar menor disponibilidad de NAD y acumulo de
NADH, mientras que en el caso de ayuno inducido por restricción calorica
disminuye la demanda glucolítica de NAD y aumenta la oxidación del
NADH. En la Figura 4 se muestra como la vía glucolítica requiere del NAD
para oxidar la glucosa, con la producción de NADH, por tanto los niveles
citoplasmáticos de NAD son bajos. En caso de dieta hipocalórica, al haber
menor fuente carbonada (glucosa) que se transfiere a la glucolisis, se gasta
menos NAD y como resultado “sobra” el suficiente como para activar a
SIR2, que desacetila proteínas histónas y no histonas y como consecuencia
favorece la longevidad.
Figura 3. SIRT1 como mediador clave en la respuesta a la restricción calórica. Los
activadores químicos de SIRT1 y la biosíntesis de NAD por NAMPT (nicotinamido
fosforibosil transferasa) median estos cambios fisiológicos a través de la activación de SIRT1
(Imai 2007, con modificaciones)
287
Capítulo 10
Figura 4. SIR2 requiere NAD para su actividad y este acoplamiento se produce en la
restricción calórica cuando se reduce la fuente carbonada que se transfiere hacia la
glucolisis y como resultado "sobra" NAD citoplásmico. SIR2 actúa como sensor de los niveles
del NAD. En condiciones de dieta hipocalórica los niveles del NAD son altos, se activa SIR2,
el silenciamiento de genes y la longevidad.
Por otro lado, existe otra vía para mantener elevados los niveles de
NAD. Cuando las células se someten a restricción calórica (nutrientes pero
no calorías), se inicia un proceso en cascada: a través de la membrana
celular. Una señal activa a un gen llamado NAMPT, y la enzima resultante se
acumula dentro de la célula. La acumulación de NAMPT, nicotinamida
fosforibosil transferasa, hace que también se acumule NAD. Volviendo a las
mitocondrias, la acumulación de NAD en el interior de las mitocondrias
tiene un efecto posterior y es el de aumentar la actividad de otras dos
proteínas mitocondriales producidas por los genes SIRT3 y SIRT4.
El efecto combinado de todo esto hace que las mitocondrias se
robustezcan, aumente la producción de energía y el proceso de
envejecimiento celular se hace más lento. Resumiendo, la dieta baja en
calorías hace que aumenten las concentraciones de NAMPT, NAD, SIRT3 y
SIRT4, y todo junto hace que la célula vida más y con más energía.
6. Restricción calórica y expectativa de vida
Hace más de 70 años que McCay y sus colaboradores demostraron que
una reducción en la ingesta total de alimentos alargaba la expectativa de vida
en ratas. Durante estos años muchos laboratorios han repetido con éxito los
experimentos de McCay utilizando ratas y ratones, peces, moscas y gusanos.
288
Capítulo 10
Así, la restricción dietética se ha establecido como un medio experimental
poderoso para estudiar el envejecimiento, llegando a ser una de las áreas más
activas de investigación en el campo de la biogerontología. El alargamiento
de la supervivencia por la restricción de alimentos parece que se debe a
alteraciones en el proceso de envejecimiento, pero los mecanismos
implicados mediante los cuales esta restricción ejerce sus efectos
beneficiosos permanecen aún sin aclarar. La identificación de objetivos
antienvejecimiento y anticáncer de la restricción de la dieta y la de los
mecanismos moleculares que interviene en estos efectos podría proporcionar
medios para intervención en humanos. Estudios de los laboratorios de
Masoro han demostrado que la mayor supervivencia de roedores por
restricción de alimento se debe a la menor ingesta de calorías (dieta
hipocalórica). Es interesante destacar, que esta mayor supervivencia va
acompañada con el retraso en enfermedades tales como el cáncer, lo cual
hace a menudo proponer que la dieta hipocalórica aumenta la supervivencia
simplemente porque retrasa los procesos patológicos dependientes de la
edad, más que por ejercer efecto sobre el envejecimiento o la senectud.
Aunque la distinción entre senescencia y enfermedad es a veces difícil de
interpretar, se ha demostrado que la dieta hipocalórica retrasa los cambios
que ocurren con la edad en la mayoría de los procesos fisiológicos y que
estos cambios preceden generalmente a cualquier alteración observada en
situaciones patológicas y de enfermedad. Algunos laboratorios han
demostrado que la restricción de metionina de la dieta eleva la expectativa
de vida y el período vital máximo de ratas, otros describen que la restricción
de metionina no es la clave del alargamiento de la vida por restricción
calórica. Hasta la fecha la restricción calórica es la estrategia experimental
conocida que alarga la supervivencia retrasando el envejecimiento. Varias
hipótesis se han emitido para explicar las bases de los mecanismos mediante
los cuales la restricción calórica prolonga la vida. Originalmente se propuso
que se alargaba la supervivencia porque se retrasaba el crecimiento y el
desarrollo. Más tarde, se propuso que era la reducción en el contenido en
grasa corporal la base fisiológica del alargamiento de la supervivencia.
Recientes investigaciones se dirigen hacia el impacto de la dieta restringida
sobre la respuesta al estrés y los mecanismos de señalización. Hoy en día, las
hipótesis principales para explicar el efecto de la restricción calórica son:
1.
2.
3.
4.
atenuación del daño oxidativo,
alteración del sistema glucosa/insulina,
alteración de la hormona del crecimiento/IGF-1, y
hormesis
289
Capítulo 10
La atenuación del daño oxidativo por efecto de la dieta hipocalórica se
ha detectado en las macromoléculas, DNA, proteínas y lípidos. Esta
reducción se debe a la menor generación de especies reactivas de oxígeno
(ROS), a la mayor generación de mecanismos protectores, a la mayor
capacidad reparadora o a una combinación de todas ellas. La premisa
glucosa/insulina es que la dieta hipocalórica reduce la concentración de
glucosa plasmática e insulina, con la consiguiente reducción de la
señalización por insulina. Últimamente, se propone un incremento en la
efectividad de la glucosa y en la respuesta a la insulina o ambas. Esta
hipótesis se ha emitido a la luz de los datos que muestran que la pérdida de
los sistemas señalizadores de la insulina originan un alargamiento de la vida
en muchos organismos (nematodos, moscas de la fruta etc.). Además, la
restricción calórica reduce la señalización por el IGF-1, observada en
modelos de mamíferos con un alargamiento de la supervivencia. La hormesis
propone un beneficio a la salud a partir de agentes estresantes de baja
intensidad. La restricción calórica puede funcionar a través de hormesis, ya
que puede actuar como un estresante suave que produce una respuesta
adaptativa tal como un elevado mantenimiento de los sistemas de reparación.
La dieta hipocalórica, como parte del efecto hormético eleva la expresión de
genes de respuesta al estrés. En línea con la restricción calórica como agente
estresante de baja intensidad, es relevante sugerir que enzimas particulares
implicadas en las vías de reparación del DNA, pueden funcionar como genes
de respuesta al estrés cuando se exponen a una dieta hipocalórica.
Los mecanismos mediante los cuales la dieta hipocalórica ejerce sus
efectos beneficiosos son en el momento actual un desafío tentador para los
investigadores en base al desarrollo de fármacos que pudieran reproducir
estos efectos saludables. El fenómeno, atribuido en un principio a un
metabolismo celular más lento y a una reducción de los subproductos tóxicos
en respuesta a la menor cantidad de alimento, es demasiado simple y las
recientes investigaciones demuestran que no es del todo correcto. La
restricción de la dieta no retrasa el metabolismo, más bien como estresante
biológico (escasez de alimento), induce una respuesta defensiva, y es esa
respuesta la que estimula las posibilidades de supervivencia del organismo.
En mamíferos su efecto incluye cambios en los mecanismos celulares de
reparación, producción de energía y activación de la apoptosis.
El régimen dietético hipocalórico implica la reducción del 30 al 40% del
consumo de alimento ad libitum. En animales (ratas, perros y primates)
sometidos a esta dieta restrictiva, se ha demostrado que no solo viven más,
290
Capítulo 10
sino que se mantienen más sanos durante la prolongación de sus vida. Esto
indica que este régimen, además de aumentar la supervivencia, evita o
retrasa la mayoría de enfermedades asociadas a la senectud, como cáncer,
diabetes y enfermedades neurodegenerativas.
La disponibilidad de nutrientes ejerce importantes efectos sobre el
metabolismo celular y el funcionamiento mitocondrial. En condiciones de
escasez de alimento la concentración de ADP se eleva y es el influjo de ADP
en la mitocondria lo que gobierna la eficacia de la cadena de transporte
electrónico. Por el contrario, un exceso de nutrientes produce una elevada
concentración de ATP, lo que se traduce en una baja demanda energética
(bajos niveles de ADP) que causa un subóptimo funcionamiento
mitocondrial, que va unido a una elevada generación de ROS.
7. Restricción calórica y estabilidad genómica
La protección del DNA es un elemento clave en la prevención del cáncer
y en la prevención o retraso del fenotipo senescente. Cuando la lesión
persiste en el genoma, mediante procesos replicativos y de mutagenesis
asociada a la transcripción, se hace permanente en forma de mutaciones y
rotura cromosómica e inestabilidad. La inestabilidad genomica promueve el
cáncer y el envejecimiento.
Peguntas que se hacen muchos son las siguientes:
¿Puede ser manipulada la capacidad de reparación del DNA?,
¿Provienen los enzimas clave de las vías de reparación del DNA de
genes de respuesta al estrés?
¿Pueden estos enzimas ser activados en respuesta a estímulos
ambientales? y
¿Hay factores ambientales que juegan un papel en la efectividad de estas
vías críticas?
En apoyo de un papel para el medioambiente en la modulación de la
eficiencia en la capacidad de reparación del DNA, se ha emitido otra
pregunta: ¿mejora la restricción calórica la estabilidad genómica
aumentando la expresión/actividad de enzimas reparadores del DNA? En
otras palabras, es razonable proponer que el declinar relacionado con la edad
en la capacidad de una célula u organismo para mantener la integridad de su
genoma, es un mecanismo fundamental inherente al proceso del
291
Capítulo 10
envejecimiento, estando la restricción calórica en el centro del retraso de la
vejez y del alargamiento de la vida mediante el mantenimiento de la
integridad genómica. Esta hipótesis es atractiva ya que la integridad del
genoma es muy importante para una célula u organismo, porque el DNA está
constantemente expuesto a agresiones exógenas y endógenas y porque el
daño al DNA se ha asociado en sus últimas causas biológicas a mutaciones,
cáncer y otras enfermedades asociadas a la vejez. Además, la integridad del
DNA, mantenida por una serie de sistemas reparadores, es esencial para la
supervivencia de las células y de los organismos. El acumulo de daño al
DNA en células somáticas fue propuesto al principio como un mecanismo
básico en el proceso del envejecimiento, emitiéndose la hipótesis que el
acumulo de daño al DNA ocasionaba la inactivación de genes y la muerte
celular. Esta hipótesis se extendió proponiéndose que el acumulo de DNA no
reparado y las subsiguientes mutaciones en las células altera la replicación y
transcripción del DNA que llevan al fenotipo senescente. Por consiguiente,
si la expresión de proteínas esenciales se reduce o inhibe mediante
alteraciones en el genoma, una célula puede perder su función y su
viabilidad y esta puede ser la primera causa del envejecimiento.
Estudios realizados en los pasados 50 años apoyan estas hipótesis al
demostrar alteraciones relacionadas con la edad en el metabolismo,
mutaciones y daño al DNA. Además, muchas de estas alteraciones están
aceleradas en el síndrome de Werner, y en las enfermedades genéticas
síndromes de Hutchinson, Gilford, Progeria y Cockayne, que muestran
síntomas clínicos de envejecimiento prematuro e implican mutaciones en los
genes de reparación del DNA. Curiosamente, la restricción calórica se ha
demostrado que revierte gran parte de las alteraciones relacionadas con la
edad en el daño/reparación del DNA y en las mutaciones. Existen muchos
mecanismos por los que la integridad genómica puede resultar afectada:
cambios en la activación de carcinógenos, elevada destoxificación de los
carcinógenos, capacidad incrementada de reparación del DNA o una
combinación de estos factores. La restricción calórica es un buen modelo
para prevenir el comienzo y retrasar la progresión de tumores espontáneos o
inducidos por agentes químicos. La activación en la capacidad de reparación
del DNA proporciona una explicación de los mecanismos implicados en el
mantenimiento de la estabilidad genómica observada en animales
restringidos. La restricción calórica es una ‘intervención’ que altera la
activación de genes de respuesta al estrés específicos, enzimas clave de las
vías de reparación del DNA, los cuales darán como resultado la activación
de la capacidad de reparación del DNA. Una mayor reparación del DNA
292
Capítulo 10
reduce el nivel de daño al DNA y la frecuencia de mutaciones, lo cual
redundará en el mantenimiento de la estabilidad genómica.
8. Conexión sirtuínas, restricción calórica y mitocondrias
La restricción calórica es un régimen dietético que alarga la vida de
todos los organismos investigados hasta la fecha, levadura, arañas, moscas,
peces y roedores. SIR2 se requiere para alargar la vida por dieta hipocalórica
en levadura, gusanos y moscas. En moscas, la dieta hipocalórica con un
0.5% de glucosa, incrementa la función mitocondrial e induce la actividad
SIR2. Sin embargo, en este caso, la activación mitocondrial es independiente
de SIR2 y se sugiere que es anterior a la aparición de SIR2. Un régimen
hipocalórico más severo (0.05% glucosa) alarga la vida replicativa de la
levadura por un mecanismo diferente que es independiente tanto de SIR2
como de la respiración mitocondrial. Por ultimo, SIR2 no tiene efecto en la
supervivencia de la levadura en condiciones de ayuno, y parece que reduce
la supervivencia de ciertas cepas mutantes excepcionalmente longevas.
En levadura se ha encontrado que la restricción de alimento afecta dos
vías que elevan la actividad enzimática de SIR2. Por una parte, la restricción
de la dieta activa la expresión del gen PNC1, que expresa una proteína
enzimática cuya misión es liberar las células de nicotinamida, compuesto
que normalmente reprime a SIR2. De acuerdo con la idea que la restricción
calórica es una situación estresante que activa la supervivencia, PNC1 se
estimula también en caso de estresantes suaves como elevada temperatura o
exceso de concentración salina. Una segunda vía inducida en levadura por la
restricción calórica es la respiración, forma de generar energía mediante la
producción de NAD a partir del NADH. De aquí se deduce que elevando el
cociente NAD/NADH se ejerce una profunda influencia en la actividad de
SIR2.
Habiendo visto como el estrés biológico inducido por la dieta
hipocalórica eleva la actividad de SIR2 es necesario comprobar de qué
manera SIR2 está implicada en la longevidad. Un medio para comprobarlo
es eliminar el gen Sir2 y determinar si permanece el efecto. En organismos
como la mosca Drosophila, se ha demostrado que SIR2 se requiere para
alargar la vida. La versión en mamíferos del gen Sir2 de levadura ("SIR2
homólogo 1"), codifica la proteína SIRT1, que posee la misma actividad
enzimática que SIR2, pero que desacetila también una variedad más amplia
de proteínas en el citoplasma y en el núcleo. Varias de estas proteínas
293
Capítulo 10
objetivo de SIRT1 se han identificado y se sabe que controlan procesos
celulares críticos, tales como apoptosis, defensa celular y metabolismo. El
papel de la familia de genes Sir2 de alargar la longevidad, está preservada en
mamíferos, aunque en estos organismos más complejos, las vías que utilizan
las sirtuínas son también más complicadas. Por ejemplo, en ratas y ratones la
mayor concentración de SIRT1, permite que algunas de las células de estos
animales sobrevivan frente al estrés que normalmente desencadenaría su
suicidio programado. SIRT1 permite esta supervivencia al regular la
actividad de proteínas clave, tales como p53, FOXO y Ku70, implicadas en
disponer un umbral para la apoptosis o para la inmediata reparación celular.
En el curso de la vida, la pérdida de células por apoptosis es un factor
importante en el envejecimiento, especialmente en tejidos con poca
renovación, tales como corazón y cerebro, así que la disminución de la
muerte celular, puede ser un medio que utilizan las sirtuínas para promover
la salud y la longevidad. Un ejemplo notable de la capacidad de SIRT1 de
fomentar la supervivencia en células de mamíferos puede observarse en un
mutante de ratón (Wallerian). En estos ratones un solo gen se duplica y la
mutación resultante vuelve a sus neuronas muy resistentes al estrés, lo cual
los protege frente al ictus, toxicidad inducida por quimioterapia y
enfermedades degenerativas. La mutación del gen Wallerian eleva la
actividad de un enzima que genera NAD, y ese NAD adicional es el que
parece proteger las neuronas por activación de SIRT1. También se ha
detectado que el resveratrol confiere un efecto protector sobre las neuronas
de ratones normales similar al de la mutación Wallerian. Se ha demostrado
que el resveratrol y la fisetina, previenen la muerte de células nerviosas en
dos modelos animales (gusano y ratón) y en la enfermedad de Huntington
humana. En ambos casos esta protección requirió la actividad de las
sirtuínas.
El efecto protector de las sirtuínas en células individuales está siendo
cada vez más evidente. Pero, si estos genes son mediadores de los beneficios
de la restricción calórica ¿cómo puede la dieta regular sus actividades y así
el ritmo de envejecimiento en un animal completo? Recientes
investigaciones han demostrado que los niveles de NAD se elevan en
hepatocitos en condiciones de ayuno elevando la actividad SIRT1. Entre las
proteínas, SIRT1 actúa sobre un regulador importante de la transcripción
genética denominado PGC-1α, que causa cambios en el metabolismo de la
glucosa e interviene en la biogénesis de las mitocondrias. De manera que
SIRT1 actúa a modo de sensor de la disponibilidad de nutrientes y regulador
294
Capítulo 10
de la respuesta hepática. Resultados similares han demostrado que SIRT1 es
un regulador metabólico en hígado, músculo y adipocitos porque detecta las
variaciones de la dieta por cambios en el cociente NAD/NADH y ejerce
efectos en el perfil de transcripción génica en estos tejidos. Este modelo
explica cómo SIRT1 puede integrar muchos de los genes y vías que afectan
la longevidad.
Como son muchos los mecanismos que median las actividades de las
sirtuínas en el organismo, se ha emitido otra hipótesis y es que los
mamíferos detectan su disponibilidad por la cantidad de energía que han
almacenado en forma de grasa corporal. Los adipocitos secretan hormonas
que emiten señales a otros tejidos, pero su mensaje depende de la cantidad
de grasa almacenada. Al reducir la acumulación de grasa, la restricción
calórica establece un modelo de señales hormonales que conectan la escasez
de alimento con la activación de las defensas celulares. Consistente con esta
idea está el hecho que los ratones modificados genéticamente están muy
delgados a pesar de su dieta y tienden a vivir más.
Esta posibilidad nos lleva a preguntarnos si SIRT1, a su vez, regula
también el almacenamiento de grasa en respuesta a la dieta. Es un hecho que
la actividad SIRT1 se eleva en los adipocitos después de la restricción de
alimento, causando la movilización de los depósitos de grasa, desde los
adipocitos a la corriente sanguínea para su conversión en energía en otros
tejidos. SIRT1 una vez que percibe los cambios de la dieta, dicta el nivel de
almacenamiento de grasa y el perfil de hormonas producidas por los
adipocitos. Este efecto sobre la grasa y las señales que envía, puede, a su
vez, marcar el paso del envejecimiento en el organismo completo y hace de
SIRT1 un regulador clave de la longevidad conferida por la restricción
calórica en los mamíferos. Esto hace que también se establezca una conexión
estrecha entre el envejecimiento y enfermedades metabólicas del tipo
diabetes tipo II, asociada con exceso de grasa. La intervención
farmacológica en la vía SIRT1 en los adipocitos puede por tanto, prevenir no
solo el envejecimiento sino también enfermedades específicas.
Otro proceso crítico modificado por SIRT1 es la inflamación, la cual se
encuentra implicada en un número muy amplio de enfermedades, entre las
que se incluyen cáncer, artritis, asma, enfermedad cardiaca y
neurodegeneración. Recientemente se ha detectado que SIRT1 inhibe al
NFκB, factor de transcripción que promueve la respuesta inflamatoria. La
investigación de moléculas que inhiben al NFκB, y con ello la inflamación,
295
Capítulo 10
es un área muy activa en el desarrollo de fármacos que se encuentran
relacionados con la restricción calórica.
El envejecimiento trae consigo el deterioro celular y subcelular. La
mitocondria, la maquinaria energética de la célula, que genera ATP y ROS,
es muy susceptible al deterioro. Como la mayoría de los componentes
celulares tienen que ser reciclados y regenerados a lo largo de la vida, se
necesita el continuo recambio mitocondrial, lo cual se lleva a cabo mediante
la biogénesis mitocondrial. La biogénesis de nuevas mitocondrias mantiene
la producción de energía, previene del estrés oxidativo, y favorece el
envejecimiento saludable. Células y tejidos ante la demanda de mayor
cantidad de energía responden fabricando nuevas mitocondrias. La
biogénesis mitocondrial está influenciada por condiciones fisiológicas y
energéticas en continuo cambio. No es de sorprender que factores tales como
la disponibilidad de nutrientes, ciertas hormonas, la temperatura, hipoxia,
estrés y envejecimiento, ejerzan influencia en el proceso de la
mitocondriogénesis. Los cambios dependientes de la energía celular afectan
a la función y el número de las mitocondrias e implican una compleja
disposición de factores que conectan los requerimientos de energía con la
regulación genética. En la complejidad de la biogénesis mitocondrial
intervienen más de 1000 genes, la cooperación de dos genomas, y la
alteración del 20% de las proteínas celulares. En el núcleo, la regulación
concertada de tantos genes requiere una serie de factores de transcripción
capaces de orquestar la interacción del complejo RNA pol II con los varios
promotores. Además de los genes nucleares, que codifican más del 95% de
las proteínas mitocondriales, la mitocondriogénesis requiere la participación
del genoma mitocondrial, que es el que genera la mayoría de las proteínas
hidrofóbicas de la cadena de transporte electrónico y también el tRNA y
rRNA mitocondriales.
A nivel molecular varios factores de transcripción y cofactores
intervienen en la activación de vías señalizadoras inducidas por hormonas.
Otro grupo de factores interviene en la adaptación metabólica al ayuno,
como la familia de los receptores activados por los proliferadores de
peroxisomas (PPAR) y el receptor X hepático que junto con PGC1a elevan
la biogénesis mitocondrial y el catabolismo de los ácidos grasos. A pesar de
la complejidad de las diversas vías señalizadoras, todas ellas parece que
comparten un componente clave de la familia PGC1 de cofactores de
transcripción. El PGC1a actúa como mediador intracelular durante la
biogénesis mitocondrial inducida por factores hormonales.
296
Capítulo 10
La regulación, dependiente de SIRT1 del coactivador del receptor
nuclear, se ha asociado a la biogénesis mitocondrial. La restricción calorica
promueve la sensibilidad a la insulina con la consiguiente reducción de la
glucosa y la insulina en sangre. Se ha asociado SIRT1 con el corregulador
del receptor nuclear PGC1α. Su importancia fisiológica se apoya en el hecho
de que la represión de PGC1a por una forma mutante de la proteína
Hungtintina produce disfunción mitocondrial y neurodegeneración, mientras
que la sobreexpresión de PGC1a rescata las células de los efectos deletéreos
de la Hungtintina. La expresión de PGC1a está relacionada directamente con
la actividad de la biogénesis mitocondrial. Muchos agentes y eventos regulan
los niveles de PGC1a activando diferentes mediadores intracelulares (Figura
5)
La proteína SIRT1 como reguladora de la gluconeogénesis hepática
reprime la función de los genes glucolíticos. Mediante la desacetilación de
PGC1α, SIRT1 activa la transcripción de los genes gluconeogénicos,
mediante interacciones con el factor nuclear hepatocítico 4a, que se asocian
con la represión de los genes glucolíticos. SIRT1 desacetila y activa a
PCG1a en varios residuos de lisina e incrementa su capacidad de coactivar la
transcripción de una serie de genes objetivo. Así, el incremento de SIRT1
durante la restricción calórica, interviene en la biogénesis de la mitocondria
en tejidos tales como el músculo y tejido adiposo. También SIRT1 desacetila
y activa el enzima NOS, lo que indica que se establece un mecanismo
“feeback” positivo entre la NOS y SIRT1, que puede reajustar los niveles
de SIRT1 durante la restricción calórica.
Como se comentó anteriormente, SIRT1 actúa como regulador positivo
del coactivador PGC1a mediante su desacetilación. Una acetilasa, el
complejo GCN5 acetiltransferasa es un factor implicado en la represión de
PGC1a. La acetilación de PGC1a da lugar a una proteína
transcripcionalmente inactiva. En la Figura 6 se muestra el esquema donde
PGC1a al ser desacetilado por SIRT1 se une al receptor nuclear y promueve
la expresión de genes mitocondriales y genes OXPHOX, además de otros.
La activación de SIRT por la dieta hipocalórica implica la elevación de la
concentración de NAD+. El resveratrol, según este esquema, activa
directamente a SIRT1
297
Capítulo 10
Figura 5. Red señalizadora que regula PGC-1α. PGC-1α es el centro de una red
compleja de señales afectada por factores metabólicos, nutricionales y ambientales que
modulan, por modificaciones transcripcionales y post transcripcionales, la actividad de
PGC-1α, y la biogénesis de la mitocondria (López-Lluch 2008)
Figura 6. La dieta hipocalórica mediante la elevación del cociente NAD+/NADH activa
a SIRT1, que a su vez, desacetila y activa al coactivador de la transcripción PGC1a, el cual
se traslada al núcleo uniéndose al factor nuclear y activando la transcripción de genes
mitocondriales y genes OXPHOX. La GCH5 acetil transerasa puede acetilar e inactivar a
PGC1a. El resveratrol tiene capacidad de activar directamente a SIRT1 (López-Lluch et al,
2008)
298
Capítulo 10
9. Homeostasis de la insulina y la glucosa
Si SIR2 es la proteína que gobierna el control de un sistema regulador
del envejecimiento y se activa en situaciones de estrés, ha de funcionar como
conductor de una orquesta que incluye redes hormonales, proteínas
reguladoras y otras proteínas codificadas por genes de longevidad. Uno de
los descubrimientos recientes más notables es que SIRT1 regula la
producción de insulina y del factor insulínico (IGF-1) y que estas dos
poderosas moléculas señalizadoras regulan, a su vez, la producción de
SIRT1. La relación entre SIRT1, IGF-1 e insulina es curiosa porque explica
como la actividad SIRT1 en un tejido puede comunicarse con otras células
del organismo. Además, los niveles circulantes de insulina e IGF-1 dictan la
expectativa de vida en varios organismos (gusanos, moscas, ratón).
Un componente crítico de la fisiología de la dieta hipocalórica es la
sensibilidad a la insulina y la correspondiente disminución en los niveles
sanguíneos de glucosa e insulina. Las células β pancreáticas ayudan a la
homeostasis de la glucosa secretando insulina en respuesta a glucosa. El
metabolismo de la glucosa por glucolisis, en estas células, genera piruvato,
el cual entra en la mitocondria donde se convierte en CO2 por el ciclo
tricarboxilico. El NADH generado en este ciclo conduce el transporte
electrónico y la síntesis de ATP. El incremento del cociente ATP/ADP
produce el cierre de los canales KATP y despolariza la membrana plasmática
lo que conlleva a un influjo de Ca2+ que desencadena la fusión de las
vesículas secretoras que contienen insulina, en la membrana celular. Se ha
demostrado en ratón que SIRT1 regula positivamente la secreción de
insulina estimulada por glucosa en células β pancreáticas. Por tanto, SIRT1
reprime la transcripción de la proteína desacoplante mitocondrial UCP-2 que
desacopla la respiración mitocondrial de la producción de ATP y reduce el
gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial. Así,
bloqueando la función de UCP-2, SIRT1 promueve la generación de energía
de manera más eficiente. Por otra parte, la represión de UCP-2, mediada por
SIRT1, se aminora por privación aguda de alimento, la cual afecta la síntesis
de ATP y la respuesta de la insulina de las células β, durante el ayuno.
Aunque la concentración de SIRT1 no se afecta por esta condición
hipocalórica, existe una disminución en el cociente NAD/NADH, que reduce
la actividad SIRT1 en páncreas.
La presencia de UCP-2 en animales ayunados, puede también facilitar la
transición a la actividad metabólica después del siguiente alimento y
299
Capítulo 10
prevenir la hiperpolarización de la membrana mitocondrial y la producción
de especies reactivas de oxígeno. Aunque estos estudios demuestran que la
actividad SIRT1 disminuye en células β durante el ayuno, no se sabe si
SIRT1 regula la secreción de insulina durante la dieta hipocalórica o juega
algún papel en las patologías que demuestran alterada secreción de insulina.
Existe la posibilidad que SIRT1 promueva la supervivencia de las
células β pancreáticas durante el estrés oxidativo. En células β estresadas, la
proteína forkhead FOXO1 se traslada al núcleo donde activa los factores de
transcripción NeuroD y MafA, que proporcionan resistencia al estrés. Como
se describió anteriormente, SIRT1 se une y regula a los factores de
transcripción forkhead negativa y positivamente. Se ha demostrado que
SIRT1 desacetila a FOXO1 y la activación de esta proteína proporciona
resistencia al estrés.
El mecanismo principal que se encuentra implicado en el efecto anti
envejecimiento es la baja actividad GH/IGF1 y la respiración mitocondrial
más eficiente, que ejerce sus efectos beneficiosos por la menor generación
de ROS. Otro factor importante asociado a la menor actividad GH/IGF1 es la
mejora del síndrome metabólico, la causa principal de la morbilidad del
envejecimiento, que se asocia entre otros, con una resistencia a la insulina y
elevados niveles sanguíneos de glucosa y lípidos. Ratones con deficiente
señalización insulínica tienen vida más larga. El concepto de mayor
eficiencia metabólica, que se traduce en menor producción de ROS
endógenos y mayor longevidad, puede aplicarse a la dieta hipocalórica y a la
actividad desacetilasa de SIRT1. La importancia reguladora de SIRT1 se
traduce en la movilización de ácidos grasos en los adipocitos, producción de
glucosa en los hepatocitos, secreción de insulina en las células β pancreáticas
y oxidación de los ácidos grasos en músculo esquelético.
Por tanto, la actividad desacetilasa dependiente del NAD de las sirtuinas,
se considera el mediador del incremento de la longevidad dependiente de la
restricción calórica, que retrasa la vejez en todas las especies ensayadas. Las
sirtuínas perciben la disponibilidad de nutrientes por mecanismos no
totalmente conocidos, pero entre los que se incluye la abundancia del NAD,
necesaria para la actividad de SIR y para la activación transcripcional del
gen Sirt1 por un complejo formado por el factor de transcripción Forkhead
box y p53. En escasez de nutrientes SIRT1 desencadena un programa
metabólico mediado, en parte, por asociación de SIRT1 con el coactivador
300
Capítulo 10
de la transcripción PGC-1a, lo que da lugar a mayor eficiencia metabólica y
a menor generación de ROS.
El resveratrol es un compuesto que puede ser obtenido en la
alimentación y muestra notable actividad antienvejecimiento, aunque a
concentraciones mucho más elevadas que las encontradas en los alimentos.
El resveratrol estimula la actividad catalítica de SIRT1 y alarga la vida de
levadura, nematodos, moscas, peces y también de ratones alimentados con
dieta hipercalórica elevada en grasa. Se ha descrito también, que la
sobreexpresión de la proteína secretada FLOTHO retrasa el envejecimiento
en ratón y actúa inhibiendo la vía IGF1-insulina.
La familia de factores de transcripción FOXO, merece ser mencionada
por su posible papel en la longevidad y protección frente al cáncer en
respuesta a nutrientes. Las proteínas FOXO se activan en diversas
situaciones de estrés, y en esta activación están implicadas la vía Jun
quinasa, y su desacetilación por SIRT1. Por el contrario, FOXO se inactiva
por factores de crecimiento, incluyendo a la insulina, a través de la quinasa
AKT. Las proteínas FOXO activan la transcripcion de muchos genes que
codifican enzimas gluconeogénicos y enzimas antioxidantes. En resumen,
diversas manipulaciones genéticas (disminución en GH, IGF1 y receptor de
la insulina, elevación de FOXO, SIRT1 y KLOTHO), e intervenciones anti
envejecimiento (anti diabéticos, dietas hipocalóricas y resveratrol),
comparten la capacidad de mejorar la eficacia metabólica reduciendo el
ritmo de generación de ROS.
Existen evidencias contrastadas que indican que la mayor eficacia
metabólica proporciona protección frente al cáncer. Los antidiabéticos, las
dietas hipocalóricas y el resveratrol previenen o retrasan varios tipos de
cáncer en ratones.
10. Resveratrol
La restricción calórica (nutrientes si, calorías no) supone consumir
menos de 1750 calorías diarias, lo cual puede en algunos momentos resultar
difícil. Para vivir más y no sufrir los achaques de la vejez hay que restringir
la dieta, pero… ¿podrán inducirse las sirtuínas sin necesidad de restringir la
ingesta? Si los humanos quieren conseguir los beneficios de la restricción
calórica, una dieta radical no es una opción razonable, así que, en el
momento presente se está intentando encontrar el modo de activar las
301
Capítulo 10
sirtuínas sin necesidad de recurrir a dietas hipocalóricas. Existen ya fármacos
que pueden modular la actividad de las sirtuínas de una manera similar a la
dieta hipocalórica. Se ha demostrado que es particularmente interesante un
compuesto activador de la sirtuína, el resveratrol. El resveratrol es una
fitoalexina presente en uvas negras y en el vino tinto, mosto, nueces, etc.,
cuya fórmua, trans 3,5,4´ trihidroxi estilbeno lo caracteriza como
componente fenólico de la familia flavonoides. Se sintetiza por una variedad
de plantas cuando sufren situaciones de estrés. Se han encontrado muchos
otros compuestos de origen vegetal que también modulan la expresión de las
sirtuínas tales como los flavonoides. El resveratrol se comercializa como
extracto de la raiz del Polygonum cuspidatum (Figura 7).
El resveratrol posee propiedades antioxidantes anticancerígenas,
antiinflamatorias, reduce la síntesis de eicosanoides, prostaglandinas,
tromboxanos y leucotrienos. Es también un antiagregante plaquetario y
antidiabético, y previene enfermedades degenerativas.
Figura 7. A la izquierda la estructura de la molécula de resveratrol: trans 3,5,4´
trihidroxi estilbeno, y a la derecha el Polygonum cuspidatum.
La función disminuida de la mitocondria, en lo que se refiere a la
fosforilación oxidativa y la capacidad aeróbica, se asocian con la reducción
de la longevidad reducida. El impacto del resveratrol sobre la mitocondria ha
sido estudiado y se ha comprobado que este compuesto eleva
significativamente la capacidad aeróbica y el consumo de oxígeno en las
mitocondrias de las fibras musculares de ratón. Los efectos obtenidos con
resveratrol se asociaron con la inducción de genes de la fosforilación
oxidativa (OXFOS) y con los implicados en la biogénesis mitocondrial.
302
Capítulo 10
Estos efectos se explican por la disminución, mediada por el resveratrol, de
la acetilación e incremento de la actividad del coactivador PGC1a (Figuras 5
y 6). Este mecanismo es consistente con el efecto, anteriormente
mencionado, que el resveratrol es un conocido activador de la SIRT1.
Además el tratamiento con resveratrol protegió a los ratones de la obesidad
inducida por la dieta y la resistencia a la insulina. La administración de
resveratrol a levadura, gusanos o moscas, o las dietas hipocalóricas alargan
su longevidad en un 30%, pero solo si estos organismos poseen el gen SIR2.
Además, una mosca que superproduce SIR2 tiene una mayor longevidad que
no puede ser posteriormente alargada por resveratrol o restricción calórica.
La interpretación más simple es que tanto la dieta hipocalórica como el
resveratrol prolongan la vida de las moscas de la fruta al activar SIR2. Las
moscas alimentadas con resveratrol no solo viven más, a pesar de comer ad
libitum, sino que no padecen reducida fertilidad causada a menudo por la
restricción calórica. Esta es una buena noticia para aquellos que esperan
tratar las enfermedades humanas con moléculas que activan los enzimas
SIRT2.
La empresa, Sirtris Pharmaceuticals cofundada por Sinclair, empezó las
pruebas clínicas un activador de SIRT1 la molécula SRT501. Recientemente
Glaxo se ha hecho con este producto.
11. Conclusiones
Los organismos multicelulares exhiben un declinar progresivo e
irreversible de las funciones fisiológicas, que es característico de la senectud.
Aunque las bases moleculares de este declinar no se conocen aún en su
totalidad, los mecanismos hasta ahora propuestos incluyen un incremento en
la generación de ROS y una progresiva acumulación de lesiones en el DNA,
que van a dar lugar a inestabilidad genética y a alteraciones epigenéticas.
Todo ello lleva consigo el deterioro oxidativo de macromoléculas críticas, la
glicación de proteínas constitutivas y el acortamiento de los telómeros de
células replicativas
Uno de los sueños de la humanidad por decenas de miles de años ha sido
detener el envejecimiento, lo cual se ha intentado sin éxito. Es por tanto
difícil de aceptar que la edad pueda ser controlada manipulando una serie de
genes. Hoy se sabe que es posible prevenir los achaques de la vejez con un
simple cambio en la dieta, y también que los genes que codifican las
sirtuínas controlan las mismas vías s moleculares que la dieta hipocalórica.
303
Capítulo 10
Sin que se conozcan la multitud de causas precisas del envejecimiento, ya se
ha demostrado en una amplia variedad de formas de vida, que la edad puede
ser retrasada manipulando unos pocos reguladores que una vez activados van
a cuidar de la salud del organismo.
12. Abreviaturas
AKT, quinasa; ERC, círculos extracromosómicos; GH, hormona del
crecimiento; IGF1, factor insulínico; NFκB, factor nuclear kappa B; NAD+,
nicotinamida adenina dinucleótido oxidado; NADH, nicotinamida adenina
dinucleótido reducido; NAMPT nicotinamida fosforibosil transferasa; p53,
proteína supresora de tumores; PGC1a, coactivador transcripcional de genes
nucleares; PNC1, proteína que libera las células de la nicotinamida; rDNA,
DNA ribosómico; SIR, sirtuínas, desacetilasas dependientes del NAD; UPC,
proteína desacoplante mitocondrial
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307
Capítulo 11
Capítulo 11. EPIGENÉTICA
1. Introducción
2. Propiedades dinámicas y estocásticas de la cromatina
3. Senescencia celular y redistribución de la cromatina
4 Cambios epigenéticos
5. DNA metilomas
6. Silenciamiento epigenético de los genes progeroides
7. Silenciamiento epigenético por microRNA
8. Modificación de las histonas
8.1. Sirtuína 1 y su relación con el envejecimiento y el cáncer
8.2. Sirtuína 2 y progresión del ciclo celular
9. Envejecimiento y longevidad se asocian con cambios epigenéticos
10. Evolución epigenética entre envejecimiento y cáncer
11 Cuestiones pendientes e implicaciones terapéuticas
12. Conclusiones
13 Abreviaturas
14 Bibliografía
1. Introducción
La epigenética es una frontera emergente de la ciencia, que implica el
estudio de cambios heredables en la regulación de la actividad y expresión
genética que no dependen de la secuencia del genoma. Todos nuestros
tejidos presentan los mismos 30.000 a 40.000 genes, pero debido al código
epigenético sólo unos pocos se expresan en un determinado tejido y en un
determinado momento, dando lugar al fenotipo. Los patrones epigenéticos
específicos condicionan la accesibilidad de los factores de transcripción a la
cromatina y facilitan su reconocimiento por parte de los genes, para ser
silenciados temporal o permanentemente. Las marcas epigenéticas de la
cromatina pueden ser propagadas por mitosis y, en algunos casos, por
meiosis, dando lugar a la herencia estable de esos factores reguladores.
Algunos genotipos son más susceptibles de sufrir modificación por estos
factores reguladores, mientras que otros presentan una cierta resistencia. La
modificación epigenética mejor estudiada es la metilación del DNA, en
aquellos residuos citosina que van seguidos de un nucleótido guanina.
Normalmente, la metilación conduce al silenciamiento del gen, pero puede
llevar también a la expresión de genes vecinos. La expresión de genes está
también determinada por la organización de las histonas y principalmente
por su acetilación o metilación, que puede alterar la accesibilidad al DNA
309
Capítulo 11
para la transcripción. Estos mecanismos están regulados en parte por el
balance energético en la célula, ya que la disminución de las calorías de la
dieta produce una alteración en la organización de la cromatina, mediante un
cambio en la relación NAD+/NADH y en la actividad de SIRT1, una
desacetilasa de histonas que depende del NAD+. La remodelación de la
cromatina se produce por medio de una serie de reacciones enzimáticas e
interacciones entre proteínas que finalmente afectan a la expresión de la
información genética. Por tanto, las variaciones en el nivel de enzimas,
proteínas y RNA de interferencia (RNAi), involucrados en la remodelación
de la cromatina, tanto por medio de la dieta, como de otros factores
ambientales, son otro punto de control para regular la expresión génica.
2. Propiedades dinámicas y estocásticas de la cromatina
La estructura de la cromatina es dinámica y está sometida a grandes
remodelaciones asociadas con el desarrollo, el envejecimiento y la
enfermedad. En algunos casos la remodelación tiene también que ver con las
enfermedades asociadas a la edad, tales como el cáncer y también con la
esperanza de vida del organismo. Sin embargo, los cambios estocásticos no
determinísticos en la estructura de la cromatina, pueden, en el transcurso del
tiempo, contribuir también a alterar la función nuclear, celular y tisular y por
consiguiente conducir al envejecimiento y a los achaques de la edad.
La longevidad del organismo y el envejecimiento están influenciados
por muchos factores complejos que interaccionan, entre los que cabe
destacar, el acumulo de mutaciones en los genomas nuclear y mitocondrial,
el acortamiento y disfunción de los telómeros, el daño oxidativo al DNA y
otras macromoléculas celulares y factores hormonales sistémicos, tales como
la señalización insulina/factor insulínico, la senescencia y la apoptosis y la
diferenciación alterada de los tejidos autorrenovables, que dependen de las
células madre.
Estrictamente hablando, la epigenética se refiere a las modificaciones de
la cromatina y el DNA, que se heredan a través de la división celular, pero
que no implican cambios en la secuencia del DNA. Sin embargo, como el
proceso del envejecimiento no está restringido a tejidos proliferantes y
puede, de hecho, ser influenciado por la irreversible parada proliferativa,
vamos a referirnos a los efectos mediados por la estructura de la cromatina y
la metilación del DNA.
310
Capítulo 11
La unidad básica repetitiva en la estructura de la cromatina es el
nucleosoma, que comprende 146 pares de bases enrrolladas alrededor de un
octámero de histonas (H1 – H4) (Figura 1). La cromatina se divide en dos
tipos, heterocromatina y eucromatina. La eucromatina se descondensa
durante la interfase, es activa transcripcionalmente y se replica al inicio de la
fase S. Por el contrario, la heterocromatina permanence condensada durante
la interfase, es transcripcionalmente silente y se replica más tarde. La
heterocromatina se subdivide en dos tipos: constitutiva y facultativa. La
constitutiva se encuentra en el DNA pericentromérico y telomérico, es
heterocromática en todas las células de un organismo y se ha considerado
que es esencialmente fija e irreversible a lo largo de la vida, aunque esto no
es totalmente verdadero. Por el contrario, la heterocromatina facultativa
interviene en los procesos regulados de diferenciación celular u otros
cambios en el fenotipo celular. Por ejemplo, un solo cromosoma X se
silencia por heterocromatinización en células de mamífero hembra, para la
compensación de la dosis de cromosoma sexual. El que la cromatina forme
eucromatina o heterocromatina lo dictan las modificaciones de las histonas y
del DNA. Por ejemplo, la acetilación de las colas del N-terminal de las
histonas, promueve la formación de eucromatina. A la inversa, la metilación
del DNA es característica de la heterocromatina.
Figura 1. Nucleosoma: 146 pares de bases enrolladas alrededor de un octámero de
histonas.
La cromatina es una entidad altamente dinámica y estocásica. El
fenómeno de variegación por efecto de posición (PEV), fue el primer efecto
que indicó las propiedades dinámicas y estocásticas de la cromatina. La
variegación es un fenómeno causado por la inactivación de un gen debido a
su yuxtaposición anormal con la heterocromatina. PEV fue descrita por
primera vez en moscas, como un fenotipo de ojo multicolor rojo y blanco.
311
Capítulo 11
Debido a una inversión en el cromosoma y cambio de posición del gen
blanco, relativa a la heterocromatina centromérica, el gen pudo ser
silenciado por la heterocromatina en un subgrupo de células que tenían
pigmento rojo en el ojo. La capacidad de los genes sometidos a PEV para
cambiar de estado activo a inactivo, refleja la naturaleza dinámica de la
estructura de la cromatina. Esta naturaleza dinámica ha sido confirmada por
estudios más recientes celulares y moleculares, en base a una serie de
razonamientos:
1. Procesos esenciales, tales como la transcripción génica, la
replicación y la reparación del DNA, todos implican disrupción y
reensamblaje de la estructura de la cromatina.
2. La recuperación de la fluorescencia después de estudios de
fotoblanqueo (FRAP), han demostrado que la mayoría de las
proteínas unidas a la cromatina no se unen de manera estática sino
que exhiben ritmos relativamente elevados de activación y
desactivación, incluso en la supuestamente cerrada heterocromatina.
3. La notable y paradójica formación de la heterocromatina, depende de
un grado de transcripción, el cual contribuye a la
heterocromatinización mediante vías de RNAi. De acuerdo con lo
anteriormente dicho, una serie de análisis del genoma han
demostrado que virtualmente todos los nucleótidos del DNA del
genoma humano, son en algún grado, transcritos en RNA. Incluso se
ha demostrado que la heterocromatina telomérica se transcribe. Estas
observaciones indican que la heterocromatina no es una entidad
cerrada y estática.
4. La heterocromatina puede diseminarse a lo largo de la cromatina,
mediante interacciones cooperativas entre proteínas enzimáticas y
proteínas de enlace, responsables de su formación. El
acontecimiento fortuito de la expresión del blanco en células del ojo
de la mosca, refleja la naturaleza estocástica del establecimiento y
mantenimiento de la heterocromatina. La naturaleza estocástica de la
estructura y función de la cromatina, se reafirma por muchos
estudios que han demostrado la existencia de un componente
estocástico en el control de la expresión génica.
312
Capítulo 11
En resumen, la cromatina tiene propiedades dinámicas y estocásticas. La
cromatina no está fija, está continuamente remodelándose y puede
redistribuirse y “respirar” a veces de una manera completamente
determinista. En algunos casos esta propiedad dinámica parece que
interviene en el proceso de envejecimiento y en el alargamiento o
acortamiento de la vida. Sin embargo, el componente fortuito de la estructura
de la cromatina puede, a medida que transcurre el tiempo, contribuir también
a la alteración nuclear, de la función celular y tisular y consecuentemente al
envejecimiento y las enfermedades y achaques asociados.
3. Senescencia celular y redistribución de la cromatina
La senescencia celular se caracteriza por una parada irreversible de la
proliferación, que puede ser iniciada por varios desencadenantes, entre ellos,
el excesivo número de divisiones celulares y el acortamiento de los
telómeros (senescencia replicativa). Debido a la senescencia, la mayoría de
células primarias humanas tienen una vida proliferativa limitada y la
senescencia contribuye al envejecimiento del tejido in vivo, al limitar su
autorrenovación celular. Las células senescentes y los marcadores
moleculares del fenotipo senescente incrementan en algunos tejidos
envejecidos y están conectados a algunas patologías asociadas a la edad,
como la osteoartritis, la aterosclerosis y la cirrosis hepática. Además, la
manipulación de las señales que inician la senescencia como la longitud de
los telómeros y la expresión del inhibidor de la proliferación p16INK4a,
pueden modular algunos aspectos del envejecimiento del organismo.
Además de un probable papel en el envejecimiento de los tejidos, la
senescencia celular es también un proceso bien establecido de supresión
tumoral, en virtud de su capacidad de frenar la proliferación y la progresión
neoplásica en células que acarrean lesiones oncogénicas.
Muchas células senescentes, tanto si son consecuencia de excesivas
rondas de proliferación o activadas por oncogenes, muestran grandes
cambios en la estructura de la cromatina. Muchas de estas células
senescentes forman dominios especializados de heterocromatina facultativa,
denominados focos de heterocromatina asociados a la senescencia (SAHF).
Estos SAHF son visiblemente más condensados que la cromatina de la
interfase y contienen modificaciones en las histonas y proteínas asociadas,
características de la heterocromatina. Los SAHF silencian la expresión de
genes promotores de la división celular, y así contribuyen a la parada de la
proliferación asociada a la senescencia. Evidencia acumulada indica que los
313
Capítulo 11
SAHF, o cambios similares en la cromatina, son relevantes en el
envejecimiento del organismo y que la carabina de las histonas (HIRA),
juega un papel clave en la formación de SAHF.
Aunque los SAHF parecen ser el resultado de la condensación de
cromosomas casi enteros, las secuencias de DNA que están típicamente
contenidas en la heterocromatina constitutiva, tal como los pericentrómeros
y telómeros, parece que son excluidos del grueso del cromosoma
condensado. Esto sugiere que estas regiones heterocromáticas, normalmente
constitutivas son quizás desheterocromatinizadas en células senescentes. De
acuerdo con esta idea, al menos para los telómeros, María Blasco et al., han
demostrado que los telómeros cortos de ratones que carecen de telomerasa,
tienen la heterocromatina reducida cuando se los compara con los telómeros
de las células normales. Así que, en tanto en cuanto envejece el tejido, la
senescencia celular parece estar acompañada por una redistribución de la
heterocromatina, desde la heterocromatina constitutiva hasta otros sitios
normalmente eucromáticos, específicamente hasta aquellos dominios
especializados de heterocromatina facultativa, (SAHF).
4. Cambios epigenéticos
La epigenética se ha definido como la herencia de cambios en la función
de los genes sin cambios en la secuencia de nucleótidos en el DNA. Se ha
establecido que la señalización epigenética anómala tiene un papel crucial en
la tumorigenesis, pero puede ser también un determinante importante en la
senescencia celular y en el envejecimiento del organismo. La modificación
epigenética mejor conocida es la metilación del DNA y las modificaciones
post-transcripcionales de las histonas, incluyendo la metilación, acetilación,
ubiquitinación, ADP ribosilación, fosforilación, etc. Las modificaciones
epigenéticas en cáncer han sido estudiadas durante muchos años, pero la
epigenética del envejecimiento es una disciplina emergente que promete
descubrimientos importantes en el cercano futuro, tal como la definición del
metiloma del DNA y un mapa de modificación de las histonas, que ha de
ayudar a definir una célula joven versus una vieja y caracterizar los enzimas
modificadores de la cromatina implicados en el proceso. Es necesario
profundizar en el conocimiento de los cuatro aspectos relevantes que se
expresan a continuación:
1. los cambios producidos por eventos ambientales y estocásticos
en la panorámica epigenética, durante la vida de un individuo.
314
Capítulo 11
2. de qué manera el envejecimiento marca el perfil de metilación
del DNA de nuestro genoma.
3. cómo las alteraciones genéticas y epigenéticas de los genes
progeroides convergen en las células envejecidas y
4. la asociación entre la modificación de las histonas, acetilación
de la lisina 16 y la trimetilación de la lisina 20 de la histona 4, y
el envejecimiento.
La metilación del genoma puede hacer que determinadas áreas del DNA
se conviertan en silenciosas. Hay dos tipos de metilación, la metilación de
mantenimiento y la metilación de novo. La primera añade grupos metilo a
cadenas de DNA recientemente sintetizadas en puntos opuestos a los sitios
metilados en la cadena madre. Esta actividad asegura que las moléculas hijas
de DNA mantengan un patrón de metilación después de la división celular.
La metilación de novo, añade grupos metilo en posiciones totalmente
nuevas, cambiando el patrón de metilación en una región localizada del
genoma.
Los genes que se deben expresar en todos los tejidos tienen regiones no
metiladas, conocidas como islotes CpG, localizadas en la dirección opuesta a
los genes. Los genes que se deben silenciar en los tejidos diferenciados
tienen metilados los islotes CpC, lo que permite que un complejo histonadesacetilasa (histone deacetylase complex o HDAC), se una y comprima la
forma del material genómico e inactive el gen. Los islotes CpG son regiones
del DNA que poseen dinucleótidos de citosina y guanina en elevada
frecuencia. La metilación de los islotes CpG cerca o dentro de los
promotores de los genes es lo que causa el silenciamiento de dichos genes.
Dado que envejecimiento y cáncer presentan alteraciones epigenéticas
que convergen en algunos casos, interesa conocer la función y la
significación biológica de las alteraciones epigenéticas que se acumulan
durante el envejecimiento y son importantes en la tumorigénesis. Ejemplos
paradigmáticos los proporcionan la pérdida global de la metilación del DNA
en el cáncer y el envejecimiento por el promotor de la hipermetilación de
genes con un papel dual en la supresión tumoral y en la progeria (síndrome
de Werner y genes lamina A/C). Otro cambio lo proporcionan las sirtuínas,
una familia de desacetilasas dependientes de NAD, que actúan sobre la lisina
16 de la histona 4, las cuales están emergiendo como una conexión entre la
transformación celular y la longevidad. Los primeros estudios encontraron
un perfil de bajos niveles globales de metilación del DNA en muchos tejidos
315
Capítulo 11
de mamíferos viejos, y más recientemente, datos obtenidos de gemelos
monocigóticos (MZ), han proporcionado suficiente evidencia que corrobora
que las variantes epigenéticas se acumulan durante la edad de manera
independiente de la secuencia genética. En este estudio se analizó la
contribución epigenética a la discordancia entre gemelos y se aclaró el efecto
de las características ambientales sobre la función genética. Hasta la fecha se
han analizado en una gran cantidad de de gemelos homozigóticos las
diferencias globales y la metilación específica del locus DNA y la
modificación de las histonas. Los datos obtenidos revelaron un cambio
epigenético entre estos hermanos durante el envejecimiento, que se asoció
con discordancias fenotípicas, las cuales en tales gemelos fue atribuida a un
ambiente no compartido. La interacción entre factores medioambientales y la
discordancia fenotípica entre gemelos MZ fueron observadas hace muchos
años, sin embargo, poco se sabía entonces de los mecanismos moleculares
mediante los cuales los factores medioambientales podían de manera
permanente, o quizás transitoria, influenciar la función genética.
Existen pruebas experimentales de la modulación epigenética en
respuesta a factores medioambientales a partir de otras fuentes. Ejemplos
incluyen un ambiente intrauterino anormal asociado con la regulación de
genes implicados en la función de las células beta pancreáticas y la dieta
materna respecto al perfil de metilación del DNA de la descendencia.
Existen, sin embargo, varios cambios epigenéticos que ocurren durante el
desarrollo ontogénico que no se pueden explicar solo por factores
ambientales, tales como en estudios de animales gemelos y endogámicos,
cuando las diferencias fenotípicas ocurren en ausencia de diferencias
ambientales observables y también cuando las diferencias ambientales no
incrementan significativamente el grado de variación fenotípica. Esta serie
de experimentos demuestra que, aparte del medioambiente, se requieren
otros componentes para conseguir la variabilidad fenotípica. Estos
componentes pueden ser considerados el resultado de una clase de
recombinación epigenética estocástica, también conocida como el tercer
componente, después de la reproducción sexual. La hipótesis del tercer
componente está en consonancia con el concepto de epigenotipos múltiples
(variaciones epigenéticas intraindividuales, específicas de los tejidos e
interindividuales), que pueden explicar los diferentes perfiles encontrados
incluso entre individuos jóvenes. Por tanto, las modificaciones epigenéticas
pueden resultar, tanto de eventos estocásticos como de factores ambientales
externos, y así constituyen un mecanismo molecular candidato para la
variación fenotípica. Como la función genética y la estructura de la
316
Capítulo 11
cromatina pueden ser moduladas por medio de modificaciones químicas en
el DNA y en las histonas que lo acompañan, y como estas modificaciones
pueden estar afectadas por factores medioambientales, la idea de que los
efectos del medio ambiente pueden provocar respuestas fenotípicas
mediadas por factores epigenéticos es muy atractiva. No obstante, los
mecanismos precisos mediante los cuales el ambiente puede generar
respuestas fenotípicas adaptativas no se conoce todavía y representa un área
de extraordinario interés de investigación futura.
Las consecuencias de los cambios epigenéticos asociados al
envejecimiento se han estudiado con profundidad en levadura. En este
organismo la redistribución de Sir2 y las proteínas heterocromatínicas,
contrarrestan el proceso del envejecimiento. La consecuencia de los varios
modos de regulación epigenética asociada a la edad en mamíferos,
permanece de alguna manera especulativa. Sin embargo, el envejecimiento
va acompañado por varios fenotipos alterados que pueden estar conectados
con los cambios epigenéticos asociados a la edad. Estudios pioneros de
Richard Doll et al., en los pasados sesenta, indicaron que la edad se asociaba
con la aneuploidia celular. Como la propia segregación cromosómica
depende de la estructura y función de la heterocromatina constitutiva
pericéntrica, la disminución en la metilación del DNA y la
desheterocromatinización de secuencias pericentroméricas repetitivas,
pueden contribuir a la segregación cromosómica defectuosa y a la
aneuploidia asociada a la edad. Estudios más recientes en levadura han
demostrado que la aneuploidia confiere varios fenotipos celulares alterados,
incluyendo una alteración proliferativa, que puede contribuir a la
disminución de la capacidad de renovación tisular con la edad. La
aneuploidia puede también promover el cáncer, enfermedad para la cual el
envejecimiento es el principal factor de riesgo.
El envejecimiento está también asociado con cambios en patrones de
expresión génica. Es importante destacar que alguno de estos cambios parece
que tienen un componente estocástico. Por ejemplo, el envejecimiento está
asociado con una variabilidad incrementada en la expresión génica en
cardiomiocitos. Las células madre hematopoyéticas viejas también exhiben
cambios en la expresión génica. Estos cambios son consistentes con una
predisposición hacia la diferenciación mieloide y así parecen asemejarse al
cambio linfoide a mieloide, que va unido al envejecimiento del sistema
inmune y contribuye al declinar de la inmunidad adaptativa. No está claro si
estos cambios asociados a la edad se deben a alteraciones epigenéticas o a
317
Capítulo 11
alteraciones genéticas (acúmulo en el daño al DNA), pero es posible que la
epigenética cuente en una buena parte en el cambio. De acuerdo con esta
posibilidad, se han encontrado divergencias dependientes de la edad, en el
perfil de metilación del DNA y acetilación de las histonas, en parejas de
gemelos homozigóticos, que son genéticamente idénticos. En este estudio
con gemelos, aquellos genes que estaban modificados de manera diferente
fueron también expresados de la misma manera, lo que sugiere que la
divergencia epigenética dependiente de la edad conduce a la divergencia de
los perfiles de expresión génica. Esta divergencia en individuos
genéticamente idénticos está de acuerdo otra vez con un componente
estocástico del cambio.
La metilación de los islotes CpG dependiente del envejecimiento, puede
tener profundas consecuencias funcionales, ya que este es un modo bien
conocido de silenciar algún gen supresor de tumores, como INK4a y VHL.
La metilación de CpG, por efecto de la edad, de algún supresor de tumores
ha sido descrita en tejido histológicamente normal y parece que precede al
desarrollo de cambios neoplásicos en la organización tisular. Esto sugiere
que la metilación de los islotes CpG tisulares, asociada a la edad, puede ser
un evento temprano causal en el desarrollo de los neoplasmas. Si una
consecuencia de esta metilación de los CpG es silenciar genes supresores de
tumores, un proceso que parece desventajoso para el organismo, es posible
que esté conectado a otros cambios beneficiosos en la estructura de la
cromatina, pero refleja una dirección estocástica, no determinada de este
proceso. Por ejemplo, si los SAHF contribuyen al fenotipo senescente han
de contribuir en primer lugar a la supresión tumoral mediada por la
senescencia. Sin embargo, los “errores” estocásticos en los procesos de
ensamblaje de SAHF pueden contribuir de manera errónea a la metilación de
los islotes CpG en los promotores de algunos genes supresores de tumores,
teniendo en cuenta el silenciamiento de estos genes en el envejecimiento.
Incluso si estos errores epigenéticos estocásticos, asociados a la edad,
ocurren solo como raras mutaciones genéticas, deben conferir la primera
ventaja selectiva en el camino hacia el cáncer
5. DNA metilomas
La gran fidelidad con la cual el patrón de metilación del DNA se hereda
después de cada ronda de división celular, está asegurada por las DNA
metiltransferasas (DNMT). Sin embargo, la célula vieja sufre un cambio en
la metilación del DNA (Figura 2). Estudios tempranos han demostrado que
318
Capítulo 11
la metilación global del DNA disminuye durante el envejecimiento en
muchos tipos de tejidos y después se ha observado que los fibroblastos de
mamíferos cultivados hasta la senescencia, sufrían un incremento en la
pérdida de la metilación del DNA. La pérdida de la metilación global del
DNA durante el envejecimiento se debe probablemente a la desmetilación
pasiva de la heterocromatina, como consecuencia de una pérdida progresiva
de la eficacia de novo de las DNMT o de la expresión errónea del enzima
por otros cofactores. Es también posible que la respuesta natural de la célula
a la pérdida de la metilación del DNA en secuencias repetidas del DNA, sea
la sobreexpresión de la metilasa del DNA, DNMT3b, como se encontró
previamante en fibroblastos en cultivo. Un resultado lógico de la
sobreexpresión de DNMT3b es que regiones tales como los islotes CpG, que
se encuentran no metilados en células normales, sean hipermetiladas de
manera aberrante, para los genes humanos MutL homólogo 1 (MLH1) y
p14ARF. Curiosamente, la hipometilación global del DNA, la aberrante
hipermetilación y la modesta sobreexpresión de la DNMT3b, son
alteraciones epigenéticas conocidas en cáncer. Así que, el acumulo de
alteraciones epigenéticas durante el envejecimiento puede contribuir a la
transformación tumorigénica.
Varias regiones del DNA genómico se hipermetilan durante el
envejecimiento. Por ejemplo, se ha detectado un incremento en metilcitosina
dentro de los grupos de DNA ribosómico en hígado de ratas viejas, que
puede asociarse con la disminución de niveles del RNA durante el
envejecimiento. La metilación de los islotes CpG en tejidos no
tumorigénicos se ha descrito para varios genes, incluyendo el receptor de
estrógenos (ER), el antígeno de diferenciación miogénica 1 (MYOD1), el
factor de crecimiento insulínico II (IGF2) y el candidato 33 supresor tumoral
(N33). En algunos casos, tales como MLH1 y p14ARF, la hipermetilación
del promotor fue más común en tejidos envejecidos. Un estudio mas reciente
ha encontrado hipermetilación en el promotor de los genes supresores de
tumores lisil oxidasa (LOX), p16INK4a, factor de transcripción 3 relacionado
con runt (RUNX3), y el gen inducible TPA (TIG1), en mucosa gástrica no
neoplásica, que se relacionó significativamente con el envejecimiento.
319
Capítulo 11
Figura 2. Epigenomas de células normales, senescentes y cancerosas. Los círculos
blancos y negros indican dinucleótidos no metilados y metilados, respectivamente. Las
células sanas tienen una disposición epigenética caracterizada por secuencias repetitivas con
densa metilación del DNA, islotes CpG no metilados de genes constitutivos, y elevados
niveles de lisina 16 monoacetilada y lisina 20 trimetilada en la histona H4. Las células
cancerosas sufren hipometilación en secuencias repetitivas de DNA, hipermetilación en CpG
de los genes supresores de tumores asociados con el silenciamiento transcripcional,
reclutamiento de DNMT y SIRT1 en estos locus y reducción de las formas lisina 16
monoacetilada y lisina 20 trimetilada, de la histona H4. En las células senescentes debe
haber una pérdida progresiva de citosinas metiladas en las regiones repetitivas y la
presencia de sitios de 5-metilcitosinas en las regiones promotoras, acompañados por una
disminución en la actividad SIRT1. Genes relacionados con el envejecimiento, tales como
WRN y lamin A/C, que funcionan correctamente en la célula joven sana, pueden convertirse
en hipermetilados y silenciados en células cancerosas o tener mutaciones en la línea
germinal (MUT*), en casos de síndromes progeroides, como el de Werner (WRN) o la
progeria de Hutchinson–Gilford (lamin A/C) (Fraga y Esteller 2007).
Otros ejemplos de genes cuyo promotor está hipermetilado durante el
envejecimiento, son los que codifican la E-cadherina, c-fos y colágeno (I).
Aunque es posible asociar el acumulo de la metilación en los promotores de
los genes supresores de tumores durante el envejecimiento, con la
predisposición a desarrollar cáncer, no existe evidencia experimental ni
mecanística de una relación directa entre estos genes y el envejecimiento.
320
Capítulo 11
La regulación del locus INK4/ARF durante el envejecimiento reclama
atención especial. Por un lado, la región promotora del gen p16INK4a gana
un número mayor de islotes CpG metilados en tejidos normales durante el
envejecimiento. Aunque todavía no se ha investigado, la hipermetilación en
el interior de este promotor sugiere que p16INK4a se encuentra reducido en
células viejas. Por otra parte, la expresión de p16INK4a se sabe que aumenta
con la edad en mamíferos y lo más notable es que su regulación (activación)
está directamente implicada en la disminución del potencial de
autorrenovación de algunas células madre maduras. Así que, la regulación
del locus INK4/ARF tiene que tener un papel importante en el
envejecimiento y el cáncer. Durante el envejecimiento INK4/ARF puede
llegar a hipermetilarse y a veces cuando la hipermetilación es extensa y
densa, en los islotes CpG del promotor, el locus puede ser reprimido,
favoreciendo así la transformación maligna. Al mismo tiempo, el locus
parece estar epigenética e independientemente activado durante el
envejecimiento en un proceso que puede tener un papel directo en el
descenso del potencial proliferativo de células progenitoras maduras.
6. Silenciamiento epigenético de los genes progeroides
Los síndromes progeroides comprenden un grupo de enfermedades
caracterizadas por rasgos clínicos que se asemejan a envejecimiento
prematuro. Dos de las entidades clínicas reconocidas son el síndrome de
Werner y la progeria de Hutchinson–Gilford, asociadas con mutaciones
genéticas en el gen WRN, que codifica un miembro de la familia RECQ de
helicasas, y el de la lámina nuclear A/C (LMNA), respectivamente. Se ha
demostrado que la inactivación epigenética de los genes progeroides, WRN
y LMNA, pueden también contribuir a la transformación maligna (Figura 2).
El gen LMNA fue el primer gen conocido implicado en el envejecimiento,
que exhibe actividad supresora de tumores y está frecuentemente reprimido
en cáncer por hipermetilación del promotor. La lámina nuclear se localiza en
el lado interno de la membrana nuclear y consiste en filamentos del
intermediario lámina tipo A y B. Las láminas nucleares son muy dinámicas
sugiriéndose que están implicadas en el posicionamiento, no al azar, de los
dominios subcromosómicos en la organización total de la cromatina y
posiblemente en la regulación de la expresión génica. Las laminas se
agrupan en las dos subfamilias anteriormente mencionadas: Tipo A, cuyos
miembros se expresan en la mayoría de las células somáticas diferenciadas;
y tipo B, cuyos miembros se expresan en casi todas las células y son
esenciales para la viabilidad celular. El gen lamina A/C codifica las laminas
321
Capítulo 11
A y C, dos isoformas que surgen como resultado de una rotura del RNA
alternativo. Aunque las del tipo A son importantes en el mantenimiento de la
estabilidad de las láminas nucleares, también tienen un papel central en el
control de la expresión genética. Las mutaciones en el gen lamina A/C causa
varias enfermedades hereditarias específicas de tejidos, como el síndrome de
distrofia muscular Emery–Dreifuss y la lipodistrofia familiar parcial tipo
Dunnigan. Es interesante destacar que la represión del gen de lamina A/C en
leucemia y linfoma está frecuentemente asociada con la hipermetilación de
su promotor. Otras proteínas asociadas a lámina, tal como LAP2a, se han
asociado también con la tumorigénesis; sin embargo, los mecanismos
precisos moleculares mediante los cuales las láminas contribuyen al cáncer
están todavía poco claros.
El síndrome de Werner proporciona otro ejemplo de un gen implicado
directamente en el envejecimiento y con propiedades de supresor tumoral. El
síndrome de Werner es una enfermedad rara autosómica recesiva que se
caracteriza por varios rasgos indicativos de envejecimiento acelerado, tales
como cataratas, diabetes tipo 2, osteoporosis, varias formas de
arterioesclerosis e hipogonadismo a una edad relativamente temprana. La
proteína WRN es un miembro de la familia de helicasas RECQ que incluye
proteínas que son defectuosas en enfermedades de inestabilidad genómica
humana, como los síndromes de Rothmund–Thomson (RECQ4) y Bloom
(BLM). La especificidad del sustrato de la helicasa WRN in vitro, incluye
una variedad de intermediarios de la replicación, recombinación y reparación
del DNA, entre los que se incluyen las uniones Holliday, horquillas duplex y
estructuras RNA–DNA. La proteína WRN ejerce un papel importante en
muchas vías diferentes, tales como las mediadas por p53, la replicación del
DNA, la reparación del DNA y el metabolismo de los telómeros. Se ha
sugerido que la familia de proteínas RECQ tiene propiedades supresoras de
tumores, y se ha demostrado que la expresión de WRN está frecuentemente
reprimida por la hipermetilación del islote CpG del promotor en cáncer
humano. Incluso más interesante es el hecho que el tipo de los neoplasmas
que ocurren en pacientes con el síndrome de Werner es notablemente
diferente de aquellos observados en individuos que no padecían el síndrome.
Así, el cociente cáncer mesenquimático/cáncer epitelial es 1:1, mientras que
en la población normal senescente es de 1:10. Por tanto, parece que el
proceso acelerado del envejecimiento en pacientes con el síndrome de
Werner contribuye a la mayor incidencia en tumores, pero la pérdida
específica del gen WRN confiere un fenotipo particular propenso a tumores,
322
Capítulo 11
en una manera similar a la observada con otros genes supresores de tumores
familiares con función reparadora del DNA, tal como MLH1.
7. Silenciamiento epigenético por microRNA
En los últimos años el estudio de la función de los genes y su relevancia
en enfermedades se ha enriquecido enormemente con el descubrimiento de
los microRNAs, unos mini-genes que si bien no producen proteínas con las
que se estructuran los organismos, generan unas pequeñas moléculas de
RNA capaces de regular la mayor parte de los genes de nuestras células.
Dependiendo de su función, nos encontramos con microRNAs oncogénicos,
que pueden favorecer el desarrollo de los tumores, o microRNAs con una
actividad supresora de tumores.
Los microRNA (miRNA) consisten en una clase abundante de pequeños
RNA endógenos, que no codifican, evolutivamente conservados, que regulan
los mRNA por mecanismos tales como emparejamiento de bases y
silenciamiento post-transcripcional de genes. Los miRNA, de unos 22
nucleótidos de tamaño, regulan la expresión génica post transcripcional, al
afectar la degradación y traducción de los mRNA. Los miRNA juegan un
papel importante en el crecimiento celular, diferenciación, proliferación,
apoptosis y polarización de neuronas. Hasta un 30% de genes humanos están
probablemente regulados por los miRNA y cada uno de ellos puede controlar
cientos de genes objetivo. Sin embargo, solo unos pocos de estos genes han
sido confirmados hasta la fecha para un miRNA particular. La patogénesis
de muchas enfermedades tales como cardiacas, cáncer y autoinmunes se
relaciona con la expresión aberrante de genes regulados potencialmente por
miRNA.
El proceso de biosíntesis de los miRNA es complicado. Después de la
transcripción, el producto inicial de un gen miRNA se denomina “transcrito
primario” o pri-miRNA. El pri-miRNA se procesa por el enzima Drosha
(una RNAsa) y libera al “precursor” pre-miRNA, una estructura tallo-bucle,
de 72 nucleótidos, que forma parte del RNA de interferencia (RNAi), que se
exporta al citoplasma. Posteriormente el enzima Dicer (otra RNAsa), libera
el miRNA maduro de 22 nucleótidos. El miRNA maduro se incorpora al
complejo efector RNAi (RNA de interferencia) (RISC, complejo silenciador
inducido por RNA) y dirige la silenciación de determinados genes (Figura
3).
323
Capítulo 11
Figura 3. Las RNAsas Drosha y Dicer procesan el transcrito primario del miRNA y
generan el miRNA maduro de 22 nucleótidos. El miRNA let-7 se muestra como ejemplo. En
células normales, let maduro se produce y silencia la transcripción de varios oncogenes (Ras,
Myc, HmgA2 y otros). En células cancerosas, la concentración de let-7 disminuye lo que
permite la superproducción de los oncogenes y con ello promueve el crecimiento celular y el
cáncer. Kumar el al., han conseguido reducir experimentalmente los niveles de miRNA
impidiendo la expresión de Drosha y Dicer (Hammond 2007, modificado).
Los cambios heredables en la expresión génica que no implican
modificaciones en la secuencia codificadora se denominan “epigenéticos”.
Los mecanismos tradicionales de regulación epigenética incluyen la
metilación del DNA y la modificación de las histonas. Recientemente se ha
considerado la regulación por miRNA como un mecanismo epigenético. Las
moléculas no codificadoras de RNA pueden dividirse en base a su tamaño en
RNA de larga cadena y RNA de cadena corta. Los primeros juegan un papel
el la cis-regulación de grupos de genes y del cromosoma completo,
incluyendo la mediación de la inactivación de un solo cromosoma. Los
segundos incluyen dos clases de pequeños RNA, RNA pequeño de
interferencia siRNA y los miRNA, los cuales ejercen su influencia de
regulación de la expresión génica, a nivel posttranscripcional. Algún miRNA
324
Capítulo 11
específico puede dirigirse a un mRNA específico, silenciando o inhibiendo
su traducción. Esta observación muestra que estas nuevas vías para
modificar la expresión génica, hace que el abordaje a los miRNA, al evitar la
técnica compleja de los knockout, facilite la investigación funcional
genómica.
Un gran número de estudios han demostrado que los niveles de los
miRNA cambian en el transcurso de la vida de los individuos y están
asociados con muchos de los achaques adquiridos en el envejecimiento. Se
ha demostrado que al eliminar el gen lin-4 en el nematodo C. elegans la
esperanza de vida del mutante obtenido fue más corta, mientras que la
sobreexpresión de lin-4 la alargaba. Esto demostró un papel del miRNA let-4
en el bloqueo de la muerte prematura y proporcionó evidencia de que los
miRNA podían controlar el crecimiento y el envejecimiento. Se encontró
también que tal regulación de los miRNA necesitaba de la vía de
señalización mediada por la insulina, lo que demuestra también la relación
entre el envejecimiento y el metabolismo de la insulina.
Otras evidencias han sugerido que los miRNA pueden ser un factor que
contribuya en la neurodegeneración. Por tanto, los miRNA se propone que
juegan un papel dinámico en muchas vías relacionadas con el cerebro de
mamíferos, incluyendo la neuroplasticidad y las respuesta al estrés. Otro
estudio previo ha demostrado que los miRNA pueden ser relevantes en la
enfermedad de Parkinson y en la función dopaminérgica normal. Otro
estudio ha demostrado que la alteración del miRo-107, puede estar implicada
en la aceleración de la progresión de la enfermedad de Alzheimer mediante
la regulación de la proteína enzimática que rompe el sitio beta del precursor
del amiloide.
Los primeros esfuerzos para establecer una conexión entre los miRNA y
el cáncer tuvieron su base en análisis de expresión en tumores y líneas
celulares en comparación con tejidos normales. Las observaciones fueron
impresionantes: los cánceres tenían una clara señal de expresión miRNA.
Un número pequeño de miRNA se expresaba en cáncer, incluyendo el grupo
miR-17-92, que se demostró más tarde que era oncogénico. No obstante, la
mayoría de los miRNA tenía una expresión muy reducida en tumores,
expresión muy similar a la encontrada en mamíferos en desarrollo
temprano. Esto quiere decir que la mayoría de los miRNA no se expresan al
inicio del desarrollo, pero se inducen de manera espectacular a la mitad de la
gestación, lo que hace pensar que la expresión de los miRNA es, de alguna
325
Capítulo 11
manera, responsable de la diferenciación celular. Por tanto, las alteraciones
en la expresión de miRNA observadas en cáncer, pueden promover un
estado celular menos diferenciado, típico del cáncer. A pesar de lo
interesante de estos datos, no se ha podido comprobar hasta la fecha que la
expresión reducida de miRNA sea la causante del cáncer y no sea una
consecuencia del estado menos diferenciado del cáncer. La producción
global de miRNA maduro disminuyó al disminuir la expresión de los
enzimas Drosha y Dicer. Cuando los niveles de miRNA se redujeron en una
línea celular de adenocarcinoma de pulmón, estas células casi carentes de
miRNA, mostraron un incremento en la formación de colonias en cultivo y
crecimiento tumoral en ratones nudos. Este efecto solo pudo ser detectado en
líneas celulares que habían sido ya transformadas. Por ejemplo, células
primarias con niveles muy disminuidos de miRNA no mostraron
propiedades transformantes; tales células crecieron más lentamente que las
células no deplecionadas. Aparentemente, la reducción de los niveles de
miRNA no es un evento iniciador. En combinación con la expresión del
oncogén Ras, la menor expresión de miRNA incrementó el crecimiento de
células en cultivo y aumentó el desarrollo de carcinoma de pulmón in vivo.
Si todos los miRNA son supresores de tumores se puede esperar la
existencia, en cánceres humanos, de mutaciones o supresiones en genes que
codifican las RNAsas Dicer y Drosha. Aunque se ha demostrado que existen
concentraciones reducidas de la proteína Dicer en tumores, éste no es un
evento citogenético ampliamente distribuido. Es más probable que solo un
subgrupo de miRNA tenga actividad supresora, demostrada en la familia de
genes let-7 (Figura 6). Estos miRNA inducen la expresión de varios
oncogenes: ras, myc y hmgA2. Kumar et al., en sus recientes experimentos
observaron aumentos en la tumorigénesis, cuando se disminuyó la
concentración de todos los miRNA. Es probable que la disminución de los
miRNA clave, supresores de tumores, tal como let-7, sea el evento que
promueve la tumorigénesis. Esto se apoya en el hecho que la disminución de
miRNA en células primarias inhibe el crecimiento. En este aspecto, la
disminución de los miRNA que promueven el crecimiento celular, tal como
el oncogén miR-17-92, puede compensar la reducción de los miRNA
inhibidores del crecimiento tales como let-7. Es interesante profundizar en el
hecho de cómo se orquesta la expresión de tantos miRNA diferentes. Es
posible que redes transcripcionales que se encuentran alteradas en células
cancerosas, conduzcan a la transcripción alterada de los genes miRNA, lo
que suponga una ventaja del crecimiento para la célula cancerosa. Hay que
destacar que se ha descrito la regulación de la producción de let-7 a nivel de
326
Capítulo 11
Drosha y Dicer. Cualquier interferencia en tal etapa reguladora ha de
conducir a la menor producción del miRNA supresor, permitiendo, a su vez,
la producción del miRNA oncogénico. Estos acontecimientos ejercerían
profundos efectos en el equilibrio de la expresión de los miRNA y en su
contribución a la tumorigénesis. Si la producción de miRNA pudiera ser
restaurada, ello bloquearía el crecimiento de las células cancerosas o podría
promover la diferenciación de tales células. Ambas posibilidades tendrían un
valor terapéutico. Al menos estos estudios fuerzan a los investigadores a
considerar las contribuciones de genes, no convencionales no codificadores,
en el desarrollo del cáncer. Los resultados obtenidos hasta la fecha sugieren
nuevas estrategias terapéuticas.
Los cánceres humanos se caracterizan por una notable reducción en la
expresión genética de los miRNA. Hasta el momento se desconoce que papel
juega este fenómeno en la patología de la enfermedad. Estudios recientes
prueban que la menor expresión en miRNA promueve la carcinogénesis, lo
que cambia la idea que se ha tenido hasta ahora acerca del cáncer. El primer
miRNA se descubrió hace años en el nematodo Caenorhabditis elegans. El
interés en este pequeño RNA se desató cuando se identificaron varios miles
de ellos entre muchas especies. Hasta aquí, se han identificado unos 450
genes miRNA en humanos y se cree que regulan la expresión de un tercio
de todos los genes. Poco tiempo después de que los miRNA fueran
encontrados en el genoma humano, la especulación surgió que ellos podían
tener algún papel en el cáncer. De hecho, la expresión de miRNA perfilada
por muchos grupos, presenta características moleculares asociadas con el
cáncer. Se ha demostrado que las alteraciones en la expresión de los miRNA
promueven la tumorigenesis en un modelo de cáncer de pulmón en ratón.
Este estudio ha proporcionado evidencia funcional para una gran cantidad de
datos referentes a la expresión de miRNA y sugiere una estrategia para el
desarrollo de nuevas terapias anticáncer.
8. Modificación de las histonas
Otros estratos epigenéticos, tales como la modificación de las histonas,
tiene también un perfil definido durante en envejecimiento y la
transformación celular. Por ejemplo, la trimetilación de H4-K20, la cual está
enriquecida en células indiferenciadas, se eleva con la edad, y está
normalmente reducida en células cancerosas (Figura 2). Es curioso observar
que la trimetilación de H4-K20, se reduce después del tratamiento con el
hepatocarcinógeno tamoxifeno. La pérdida de H4-K20 trimetilada en células
327
Capítulo 11
cancerosas puede estar causada por la pérdida de expresión de la
metiltransferasa específica de H4-K20, Suv4-20h (homólogo 4-20 del
supresor de la variegación de la Drosophila), la pérdida del supresor de
tumores retinoblastoma, o la alteración de otros enzimas modificadores de
las histonas. El incremento de la H4-K20 trimetilada en células envejecidas
se ha asociado con defectos en la lamina nuclear, pero existen pocos datos
sobre los mecanismos moleculares que conectan las laminas nucleares con la
maquinaria modificadora de histonas. Sin embargo, existe una asociación
entre las alteraciones de las laminas nucleares y la morfología nuclear
alterada. En este aspecto, un estudio en ratones ha observado que la
alteración de FACE1, una metaloproteasa implicada en la maduración
proteolítica del precursor de la lamina A, se asocia con el envejecimiento
prematuro y con la disrupción de la integridad de la envuelta nuclear. No se
sabe si las alteraciones nucleares dependientes de lamina se asocian con
alteraciones epigenéticas en estos ratones transgénicos. Desde el punto de
vista epigenético, se observan también alteraciones en la morfología nuclear
en células humanas deficientes en DNMT.
Se han descrito otros mecanismos epigenéticos que están potencialmente
implicados en el envejecimiento y el cáncer. De estos, merece atención
especial la familia de enzimas epigenéticos con actividad histona
desacetilasa (HDAC), conocidos como sirtuinas. La acetilación de las
histonas es crucial para el control de la estructura de la cromatina y para la
regulación de la expresión génica. Las proteínas sirtuínas, que comprenden
la clase III de la familia de las HDAC, dependientes del NAD, se encuentran
implicadas en eventos celulares múltiples, entre los que se incluyen la
remodelación de la cromatina, el silenciamiento transcripcional, la mitosis y
el control de la longevidad. El primer miembro de la familia, SIR2
(regulador silente de la información 2), fue inicialmente descrito en
levadura. Los enzimas SIR2, catalizan una reacción que implica la rotura del
NAD. En la levadura, la deleción de SIR2 acorta la vida de la levadura,
mientras que una copia extra del gen la alarga, lo que implica que la familia
SIR2 juega un importante papel en el envejecimiento y en la longevidad.
La importancia crucial del NAD en muchas vías metabólicas, y el hecho
de que las sirtuínas puedan controlar la actividad de muchas otras proteínas
que intervienen en el crecimiento celular, sugiere que la familia de proteínas
SIR2 se encuentra implicada en la longevidad mediada por restricción
calórica. Se ha sugerido que el flujo de carbono en la glucolisis y el ciclo
tricarboxílico (TCA) está muy reducido en condiciones de restricción
328
Capítulo 11
calórica y de esta manera SIR2 dispone de más cantidad de NAD para
ejercer su actividad catalítica. Así que, las proteínas Sir2 establecen
conexión entre el ritmo metabólico y el envejecimiento, a través de la
regulación de genes que dependen del NAD y la remodelación de la
cromatina. La longevidad alcanzada por restricción calórica requiere SIR2
y se acompaña por un incremento en la respiración, el cual, a su vez, eleva la
actividad de las sirtuínas. Esta evidencia ha provocado un interés
considerable en las sirtuínas de mamíferos, los ortólogos de SIR2. Se
conocen siete homólogos de la proteína SIR2 de levadura, en mamíferos: las
sirtuínas 1–7 (SIRT1–7), que juegan papeles importantes en la expresión de
genes, en la respuesta al estrés, reparación del DNA, apoptosis, ciclo celular,
estabilidad genómica y regulación de la insulina. Por tanto, las sirtuínas son
fundamentales para el control de vías metabólicas y la regulación del
crecimiento celular y el cáncer. Entre los miembros de esta familia, SIRT1 y
SIRT2 son de interés particular porque se ha descrito que están alteradas en
células cancerosas, que su expresión puede depender del envejecimiento y
que actúan sobre las colas de las histonas. (Ver capítulo 10).
8.1. Sirtuina 1 y su relación con el envejecimiento y el cáncer
La proteína SIRT1 muestra actividad desacetilasa dependiente de NAD,
similar a la de SIR2 de la levadura. En mamíferos SIRT1 puede actuar sobre
las histonas, principalmente sobre las posiciones H4-K16 y H3-K9, y
también sobre factores de transcripción claves, tales como la proteína
supresora de tumores p53, factores de transcripción forkhead (FOXO),
histona p300 acetiltransferasa, el supresor tumoral p73, el factor de
transcripción E2F1, la subunidad del antígeno de 70 kDa (Ku70) del factor
de reparación del DNA, el factor nuclear kappa B (NF-κB) y el receptor de
andrógenos (AR). La proteína SIRT1 está ampliamente expresada en la
mayoría de los tejidos y se inhibe en células senescentes y durante el
envejecimiento. La proteína SIRT1 se activa en carcinomas de pulmón,
linfomas y sarcomas de tejidos suaves de ratón, y en cáncer de pulmón,
cáncer de próstata y leucemia en humanos. Más importante aún, es que las
histonas objetivo de SIRT1, H4-K16 y H3-K9, están alteradas en varios tipos
de tumor. Las células cancerosas tienen un nivel más bajo de H4-K16
monoacetilada y la hipoacetilación de H3-K9 se asocia con mayor riesgo de
recurrencia en cáncer de próstata. Como SIRT1 puede desacetilar
específicamente estas posiciones, su regulación en tumorigenesis podría
contribuir al establecimiento del perfil específico de modificación de
histonas en cáncer. En el caso de la H4-K16 monoacetilada, SIRT1 se ha
329
Capítulo 11
descrito como activadora principalmente a nivel del promotor del gen. Así,
la influencia de las alteraciones de SIRT1 en la H4-K16 acetilada global
puede ser modulada. De hecho, una porción sustancial de las histonas
H4-K16 monoacetiladas, que se pierden en células cancerosas, puede
proceder de la acetilación de otras lisinas de la cola de histona y del
incremento de la cantidad de isoformas H4 poliacetiladas.
La activación de la proteína SIRT1 en algunos tipos de tumor y su
relación con la proliferación y esperanza de vida, sugiere que esta
desacetilasa dependiente de NAD, puede estar directamente implicada en la
tumorigenesis. El potencial oncogénico de SIRT1 es el resultado de su papel
en el control de varias moléculas cruciales. La relación más obvia con el
cáncer es probablemente su capacidad de desacetilar e inactivar los genes
supresores de tumores p53 y p73, aunque se ha implicado también en otros
mecanismos tales como la desacetilación de las histonas H4-K16 localizadas
dentro de los promotores de los genes supresores de tumores y otros factores
como E2F1, Ku70, FOXOs, el receptor de andrógenos y el NFκB.
8.2. Sirtuina 2 y progresión del ciclo celular
La proteína SIRT2 se conoció en un principio como tubulina
desacetilasa. Posteriormente se demostró su papel en el control de la
progresión del ciclo celular, particularmente a través de la desacetilación de
la H4-K16 a nivel global. La histona H4-K16 acetilada (H4-AcK16), se ha
observado que cambia durante el ciclo celular, sufriendo una caída
característica muy marcada durante la transición G2-M. Antes de la mitosis,
la cromatina necesita ser desacetilada en la histona H4-K16, probablemente
para conseguir el estado de fibra compacta de los cromosomas en metafase.
La proteína SIRT2 puede ser la responsable de gran parte de esta
desacetilación global de la histona H4-K16, para recuperar el status de la
cromatina en G1. Posteriormente, la histona H4-K16 necesita ser reacetilada
por histona acetiltransferasas específicas del dominio familiar MYST, tal
como hMOF (homólogo humano de MOF). Consistente con tal mecanismo,
la sobreexpresión de SIRT2 conduce a una disminución de la histona
acetilada H4-AcK16 y a la acumulación de las células en la transición en
G2-M. El RNA de interferencia (RNAi) y los knockouts de SIRT2 provocan
un incremento de H4-AcK16 y una parada del ciclo celular en G0–G1. El
RNAi del hMOF induce la pérdida de H4-AcK16 y la parada de ciclo en la
transición G2-M.
330
Capítulo 11
La pérdida de H4-AcK16 en células transformadas y proliferantes puede
estar asociada con la alteración de SIRT2, pero la alteración de esta
desacetilasa durante el envejecimiento y el cáncer permanece sin identificar.
De hecho, se ha descrito que SIRT2 se activa frecuentemente en gliomas
humanos. Por consiguiente, la actividad de SIRT2 dependiente de tubulina
se ha propuesto que supone un nuevo punto de chequeo mitótico que puede
prevenir la inestabilidad cromosómica. Así que, SIRT2 parece tener un doble
papel en el cáncer, dependiendo de su objetivo molecular primario y de la
situación ambiental y de estrés de la célula.
9. Envejecimiento y longevidad se asocian con cambios
epigenéticos
Los enzimas que añaden o eliminan grupos acetilo, las histonas
acetiltransferasas (HAT) y las histonas desacetilasas (HDAC)
respectivamente, determinan el nivel de acetilación de las histonas. En S.
cerevisiae, la inactivación de la histona desacetilasa, SIR2, acorta la
esperanza de vida de la levadura, mientras que la activación de SIR2 la
alarga. Los efectos anti envejecimiento de SIR2 en la levadura son, al menos
en parte, debidos a la traslocación de un complejo proteínico que contiene
SIR2, desde los telómeros a las repeticiones de DNA ribosómico (rDNA).
Estas repeticiones son propicias a la recombinación y forman círculos de
rDNA extracromosómicos (ERC), los cuales acortan la vida de la levadura.
A nivel de las repeticiones de rDNA, la desacetilación de las histonas
mediada por SIR2 y la consiguiente heterocromatinización por las proteínas
asociadas a SIR2, SIR3 y SIR4, previene la recombinación y formación de
ERC, lo cual hace que se alargue la vida. Así que, el envejecimiento de la
levadura se asocia con la redistribución nuclear de un enzima que modifica
las histonas y sus proteínas asociadas que se unen a la heterocromatina. Esta
redistribución epigenética contrarresta el envejecimiento del organismo.
Los ortólogos de SIR2 tienen funciones anti-envejecimiento en muchas
otras especies, incluyendo los nematodos y las moscas, aunque los
mecanismos no parece que implican los ERC en estos organismos. En este
aspecto, la disminución en la expresión del ortólogo de mamíferos más
cercano a SIR2, SIRT1, se relaciona con un prematuro envejecimiento en
ratones, con actividad incrementada en miembros de la familia p53. Además,
en ratones de tipo silvestre, la proteína SIRT1 disminuye con la edad en
tejidos mitóticos. Por tanto, la capacidad de las proteínas tipo SIR2 de
regular el envejecimiento, parece estar conservada a través de la evolución.
331
Capítulo 11
Sin embargo, como SIRT1 tiene también muchos sustratos no cromatínicos,
el que cualquier efecto sobre el envejecimiento de mamíferos sea
determinado epigenéticamente permanece sin aclarar. En mamíferos, la
metilación total del DNA, disminuye con la edad, y esta disminución ocurre
principalmente en las secuencias de DNA repetitivo características de los
dominios de heterocromatina constitutiva. Como la metilación del DNA
promueve la formación de heterocromatina silente, este cambio facilitará la
desheterocromatinización de estas regiones.
Sin embargo, aunque los niveles de metilación en el genoma de
mamíferos disminuyen con la edad en determinados sitios, hay una tendencia
hacia un incremento en la metilación del DNA en otros sitios. Esto ocurre en
los islotes CpG, alguno de los cuales se encuentra cerca o está en las
regiones promotoras de los genes. Los islotes CpG son secuencias ricas en
CG que normalmente no están metiladas, pero pueden metilarse en algún
momento. Además de la total abundancia de histona H4 metilada en lisina
20 (H4K20Me), se ha descrito que se incrementa con la edad, en riñón e
hígado de rata. Al igual que en la metilación del DNA, H4K20Me se conecta
con la represión transcripcional, lo que apoya la noción que la
heterocromatina se acumula con el envejecimiento de los tejidos al menos en
algunos sitios.
Las carabinas de las histonas son proteínas de unión a las histonas, que
colaboran en el ensamblaje de las histonas a los nucleosomas. De esta
manera, estas carabinas son determinantes clave de la estructura y función de
la cromatina. Al menos una de estas carabinas de histonas, HIRA se ha
demostrado que incrementa su expresión o sufre algún tipo de regulación en
piel de mandril viejo. Aunque la carabina HIRA puede tener algunas
funciones ligadas a la activación de la transcripción, tiene un papel
evolutivamente conservado en la formación de la heterocromatina.
Todas estas observaciones sugieren que el envejecimiento en los
mamíferos está también asociado con la remodelación de la estructura de la
cromatina. En particular, los análisis de los patrones de metilación del DNA
sugieren que el envejecimiento de los mamíferos se asocia con la
disminución total de la heterocromatina, pero con un incremento en sitios
específicos del genoma. Se concibe pues, que existe una "redistribución" de
la heterocromatina silenciadora de la transcripción a partir del DNA
repetitivo, que está normalmente empaquetado en heterocromatina
constitutiva, hacia regiones del genoma que se transcriben normalmente.
332
Capítulo 11
10. Evolución epigenética entre envejecimiento y cáncer
La señalización anormal epigenética juega un papel importante en la
tumorigénesis y además, los cambios epigenéticos pueden ser determinantes
importantes en la senescencia celular y el envejecimiento del organismo. Se
ha comentado anteriormente, que las modificaciones epigenéticas mejor
conocidas son la metilación del DNA y las modificaciones posttranscripcionales de las histonas, tales como metilación, acetilación,
ubiquitinación, ADP ribosilación, fosforilación, etc. Diversas alteraciones
epigenéticas, tales como la hipometilación global y la hipermetilación de los
islotes CpG, se acumulan progresivamente durante el envejecimiento y
contribuyen directamente a la transformación celular. Aunque el campo de
las modificaciones epigenéticas en cáncer ha sido intensamente estudiado en
los últimos 15 años, no ocurre lo mismo con el envejecimiento. La
epigenética del envejecimiento es una disciplina que en el momento actual se
encuentra en estado emergente, lo que hace concebir grandes esperanzas en
las revelaciones futuras, que han de presentar un enorme interés y ser de
gran utilidad por su gran repercusión a nivel patológico y social.
Interesa saber la significación biológica de las alteraciones epigenéticas
en términos de sus relativas contribuciones al desarrollo ontogénico, la
senescencia y la proliferación celular. También interesa conocer cuáles son
las alteraciones epigenéticas que se acumulan a lo largo de la vida y tienen
un papel directo en la transformación celular, y aquellas modificaciones
epigenéticas que muestran una clara evolución durante el envejecimiento,
que se invierten en cáncer. El ejemplo mejor conocido del primer caso, es la
pérdida global de metilación del DNA en envejecimiento y en cáncer y la
hipermetilación del promotor de genes con un doble papel en la supresión
tumoral y en la progeria, tales como WRN y LNMA. Uno de los ejemplos
más estudiados del segundo caso es probablemente la longitud telomérica
que puede ser controlada por modificaciones epigenéticas y decrece con la
edad, pero se eleva rápidamente después de la transformación. Más
recientemente se ha descrito que la actividad de varios miembros de la
familia de sirtuínas (desacetilasas dependientes del NAD), que actúan sobre
las colas de las histonas, disminuye durante el envejecimiento, mientras que
se eleva en células cancerosas. Como la familia de las sirtuínas se ha
propuesto como la conexión entre la dieta y la longevidad, considerando el
papel específico de varios miembros de esta familia en la tumorigénesis,
surge la posibilidad que las sirtuínas sean una de las conexiones perdidas
entre dieta y cáncer (Figura 4).
333
Capítulo 11
Figura 4. Evolución de los mecanismos moleculares relacionados con la epigenética
durante el envejecimiento y el cáncer (Fraga, Agrelo y Esteller 2007, modificado)
11. Cuestiones pendientes e implicaciones terapéuticas
Es aparente que la estructura de la cromatina cambia con la edad en
organismos tan diversos como la levadura y los mamíferos. Sin embargo,
con la excepción de SIR2 en levadura, la intensidad a la cual esto ejerce
impacto en el proceso de envejecimiento no ha sido aún definido. Aunque
nos encontramos al principio de las investigaciones sobre este campo, se
puede proponer que algunas alteraciones epigenéticas asociadas a la edad en
mamíferos, tal como la formación de SAHF, pueden influir sobre la
longevidad al suprimir las enfermedades asociadas al envejecimiento, tales
como el cáncer. Sin embargo, como inmersos en la hipótesis de la
pleiotropía antagónica, SAHF y otros eventos, que gobiernan la senescencia,
pueden en último lugar promover el envejecimiento disminuyendo la
capacidad renovadora de los tejidos. Se ha sugerido que un componente
estocástico no regulado, derivado de los cambios en la estructura de la
cromatina, puede conducir al gradual deterioro en la función de células y
tejidos. Por analogía con las alteraciones genéticas (daño al DNA), el
acumulo de los cambios epigenéticos puede considerarse como “daño a la
cromatina”. En resumen, los efectos de la cromatina sobre el envejecimiento
es probable que sean complejos y bidireccionales. Un prerrequisito para
conocer la contribución de la epigenética al envejecimiento es comprender
mejor los fenotipos senescentes específicos, tales como la osteoporosis,
sarcopenia, el declinar de la función del sistema inmune, alopecia, cáncer y
334
Capítulo 11
muchos otros. Entonces será posible analizar la contribución a cada fenotipo,
de los candidatos epigenéticos determinantes, tales como la hipometilación
global, la hipermetilación de los islotes CpG y la aparición de SAHF.
Hasta que esto llegue, se puede ya empezar a aplicar el conocimiento
adquirido. Por ejemplo, podemos ser capaces de usar las alteraciones
epigenéticas asociadas a la edad, como un medio de detección temprana y
estratificación del riesgo de enfermedades asociadas al envejecimiento.
Existe ya un considerable interés en el desarrollo de métodos para la
detección temprana del cáncer, basados en la hipermetilación de los islotes
CpG del promotor de genes supresores de tumores, en un número muy
pequeño de células cancerosas encontradas en sangre u otros fluidos
accesibles del organismo. Sin embargo, si la hipermetilación de CpG es un
evento frecuente preneoplásico asociado a la edad, ha de ser posible ampliar
esta tecnología al riesgo del cáncer, en base a la hipermetilación en tejidos
preneoplásicos. Igualmente, puede ser también posible usar los cambios
epigenéticos de la edad en células cardiacas o inmunes para la valoración del
riesgo o la detección temprana de enfermedad cardiovascular o pérdida de la
función inmune.
La meta última de la investigación sobre el envejecimiento es retrasar o
aliviar algunas de las enfermedades o achaques de la edad, prolongando la
vida de manera saludable. Para los aspectos del envejecimiento movidos por
alteraciones epigenéticas, esto puede ser un logro accesible, porque en
principio las alteraciones epigenéticas son más fácilmente reversibles que las
alteraciones genéticas. No solo pueden utilizarse las alteraciones
epigenéticas en la valoración del riesgo y en la detección temprana del
cáncer, sino que el revertir los cambios epigenéticos puede ser una estrategia
quimiopreventiva del mismo cáncer. Estas estrategias pueden también contar
en el caso de las enfermedades típicas de la edad, distintas del cáncer. Es un
hecho demostrado que la adición de un activador de SIRT1, el resveratrol, a
la dieta de ratones alimentados con dieta rica en grasas, prolonga la vida
saludable de estos ratones, simulando aparentemente la contribución bien
establecida de la restricción calórica de la dieta a la longevidad. Aunque
existen muchas cuestiones por resolver, estos estudios demuestran que existe
en la actualidad gran interés en profundizar en estos temas y un potencial de
estrategias quimiopreventivas que pueden ser utilizadas con éxito para
combatir los achaques el envejecimiento y el desarrollo del cáncer.
335
Capítulo 11
12. Conclusiones
Los organismos viejos tienen epigenomas modificados y el
envejecimiento es el factor de riesgo principal asociado con el desarrollo del
cáncer. Por tanto, puede sugerirse que la inactivación de los genes
implicados en “prevenir” el envejecimiento, es un hecho que ocurre en
células cancerosas. Los primeros ejemplos de este concepto lo proporcionan
los genes WRN y lamina A/C. Las modificaciones de las histonas, tales como
la pérdida de la trimetilación de la H4-K20 y de la monoacetilación de H4K16, y de los mismos modificadores de las histonas, tales como las sirtuínas,
señalan a la epigenética como un puente común entre el envejecimiento y la
tumorigenesis. Aunque un estudio relativamente reciente concluye que las
grandes diferencias en la metilación de los islotes CpG relacionadas con el
envejecimiento pueden no ser aparentes, el desarrollo de proyectos
comprensivos del epigenoma humano, utilizando individuos de diferentes
edades y distintos tipos de tejidos y secuencias de DNA, ha de
proporcionarnos una visión más completa de las conexiones entre la
metilación del DNA y las modificaciones de las histonas en el
envejecimiento y el cáncer.
13. Abreviaturas
CpG, secuencias ricas en CG; DNMT, DNA metil transferasas; E2F,
factor de transcripción; ERC, círculos de rDNA extracromosómico; FACE,
metaloproteasa implicada en la maduración proteolítica del precursor de la
lamina; FOXO, factor de transcripción de la familia forkhead; FRAP,
fluorescencia de fotoblanqueo (photobleaching); HAT, histona
acetiltransferasa; HDAC, histona desacetilasa; H4-K16, histona 4 acetilada
en lisina 16; HIRA, carabina molecular, proteína que se une a las histonas;
miRNA, microRNA, pequeño RNA de 22 nucleótidos; MOF, histona
acetiltransferasa; MYST, histona acetiltransferasa (leucemia monocítica);
MZ, monocigóticos, NFκB, factor nuclear kappa B; PEV, variegación por
efecto de posición; rDNA, DNA ribosómico; RNAi, RNA de interferencia;
SAHF, focos de heterocromatina asociados a la senescencia; SIRT1, sirtuína
1, desacetilasa dependiente de NAD+
336
Capítulo 11
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339
Capítulo 12
Capítulo 12. OSTEOPOROSIS. MECANISMOS QUE
REGULAN EL RECAMBIO ÓSEO.
1. Introducción
2. Generalidades del tejido óseo
3. Remodelación ósea
4. Cambios en la masa ósea dependientes del envejecimiento
5. Factores genéticos
6. Clases de osteoporosis
7. Diagnóstico
8 Tratamiento de la osteoporosis
9. Vitamina D y sus efectos sobre la calcificación ósea
10 Osteoporosis y cáncer
11. Aplicaciones clínicas
12. Consideraciones finales
13 Abreviaturas
14. Bibliografía
1. Introducción
La osteoporosis o hueso poroso, es una enfermedad del esqueleto
caracterizada por una disminución progresiva de la densidad ósea (masa ósea
por unidad de volumen), que acarrea un debilitamiento del hueso. Los huesos se
vuelven más delgados y frágiles y muestran una menor resistencia a los golpes.
La menor densidad ósea unida al deterioro estructural del tejido es causa de un
mayor riesgo de fractura. Son precisamente las fracturas los únicos síntomas
aparentes de esta enfermedad, por ello se conoce a la osteoporosis como la
“enfermedad silenciosa” ya que la pérdida ósea ocurre sin síntomas aparentes.
La densidad ósea se relaciona directamente con la resistencia de este tejido
de soporte en el organismo. La pérdida de la densidad y resistencia óseas se
debe a la reabsorción y solubilización del hueso y a la excreción de fosfato
cálcico por el torrente circulatorio.
La osteoporosis afecta generalmente a personas de edad avanzada, es
insidiosa y degenerativa y además de la pérdida del hueso, lleva unida
alteraciones en su microarquitectura. Una y otras son la causa del deterioro del
tejido, de la merma de su resistencia mecánica y de su mayor fragilidad. Las
causas y la velocidad de la pérdida ósea pueden ser de naturaleza diversa, pero
341
Capítulo 12
en la patogénesis de la osteoporosis juega un papel clave el desequilibrio entre
la destrucción y la formación. Las fracturas óseas debidas a la osteoporosis son,
en la mayoría de los casos, la causa principal de la morbilidad y la mortalidad
de la población senescente. La osteoporosis es uno de los problemas con los que
se enfrentan los astronautas que permanecen durante largos períodos de tiempo
en gravedad cero. Se ha observado que una permanencia de 8 meses en el
espacio en situación de ingravidez, produce una pérdida ósea similar a la que
padece un humano normal entre los 50 y 60 años. Son muchos los factores de
riesgo ambientales que se encuentran involucrados en la génesis de esta
enfermedad. Entre ellos, los factores de riesgo genéticos juegan un papel
importante como se refleja por la elevada transmisión por herencia de muchos
componentes de la formación ósea. La mayoría de fármacos utilizados en la
actualidad en el tratamiento de esta enfermedad se encaminan a prevenir o
tratar la osteoporosis en la menopausia y en la vejez, a pesar de que existen
otras formas de osteoporosis, como la inducida por glucocorticoides, y la
juvenil, las cuales han recibido hasta el momento muy poca atención y van a ser
en el futuro objetivos importantes de investigación. La regulación de la
homeostasis mineral ósea se encuentra regulada con el control intra y
extracelular de tres iones, calcio, magnesio y fósforo y con tres hormonas,
paratioridea, calcitonina y dihidroxi vitamina D, que actúan sobre tres órganos,
el hueso, el intestino y el riñón.
2. Generalidades del tejido óseo
El hueso es un tejido especializado que forma, junto con el cartílago, el
sistema esquelético de los vertebrados. Es un tejido dinámico que posee un
ritmo continuo de recambio a lo largo de la vida. El esqueleto posee su propio
sistema vascular y recibe el 10% del flujo sanguíneo del organismo. La
estructura del hueso está diseñada para proporcionar las funciones siguientes:
a. mecánicas tales como soporte rígido y anclaje muscular para la
locomoción y prehensión;
b. protectoras para órganos vitales tales como cerebro y médula ósea;
y
c. metabólicas como reservorio de calcio, fósforo, magnesio, sodio y
otros elementos esenciales para la vida.
342
Capítulo 12
Las propiedades del hueso dependen de su estructura química y de su
organización biológica. Los requerimientos mecánicos del organismo necesitan
que el hueso sea un tejido rígido, a la vez ligero, capaz de resistir el empuje
muscular. La combinación de hueso compacto y hueso esponjoso, reforzados en
los puntos que soportan mayor tensión, hacen al hueso un órgano ideal para sus
funciones. Aunque el hueso posee la resistencia del hierro fundido, es tres
veces más ligero que este elemento, diez veces más flexible y presenta una
elevada elasticidad. Estas propiedades del hueso provienen de su organización
extracelular que consiste en una fase inorgánica mineral, que ocupa los dos
tercios del peso del hueso, pequeñas cantidades de agua y una porción orgánica
que constituye la matriz ósea.
La matriz ósea formada por proteínas está compuesta principalmente por
colágeno (70% del peso seco), que constituye el 95% de las proteínas. El
colágeno es predominantemente del tipo 1, el cual consiste en tres cadenas de
polipéptidos dos α1 y una α2, que conforman su estructura helicoidal. La
secuencia de cada cadena contiene glicina-X-Y en trímeros repetidos, donde X
y Y son otros aminoácidos (los más comunes son la prolina y la hidroxiprolina).
Las fibras de colágeno son la matriz para el depósito del mineral.
Además del colágeno, se han identificado otras proteínas integrantes
también de la matriz orgánica. Entre ellas las más abundantes son la
osteonectina y la osteocalcina. La osteonectina es una glicoproteína de 32 kDa
que actúa como un complejo con la fosfatasa ácida que une colágeno, calcio e
hidroxiapatito. La osteocalcina, es una proteína GLA, de pequeño tamaño, 5,8
kDa, que contiene en su molécula tres residuos de γ-carboxiglutamato, que le
confieren afinidad por el calcio y capacidad reguladora durante la
mineralización. Los niveles séricos de osteocalcina son un indicador de la
actividad osteoblástica. Ambas osteocalcina y osteonectina están sintetizadas
por los osteoblastos. Otras proteínas son proteoglicanos, sialoproteínas y
fosfoproteínas. Algunas de ellas, como la glicoproteína α-2HS y la albúmina, se
sintetizan en el hígado, circulan por el plasma y se incorporan en la matriz ósea
recién formada. Se ha podido detectar que la cantidad de glicoproteína α-2HS
circulante se relaciona inversamente con la velocidad de formación del hueso,
mientras que la de osteocalcina lo hace directamente. La osteonectina y la
osteopontina se encargan de la adhesión celular.
343
Capítulo 12
El componente mineral está constituido principalmente por calcio,
magnesio y fosfatos. El calcio y los fosfatos se encuentran en forma de cristales
de hidroxiapatito [Ca10(PO4)6(OH)2]
El tejido óseo contiene diversas clases de células: osteoclastos y
osteoblastos. De los osteoblastos derivan las células de revestimiento óseo y los
osteocitos.
Los osteoclastos son células grandes multinucleares
diferenciadas terminales, responsables de la destrucción del hueso y aparecen
en los lugares de remodelación ósea. Proceden de la médula ósea y derivan de
células precursoras hematopoyéticas relacionadas con fagocitos mononucleares.
Están formadas por dos o más células que se fusionan por lo cual los
osteoclastos son células grandes que poseen varios núcleos, y su vida media es
de dos semanas. Estas células reabsorben el hueso insertándose en su superficie
mediante un anillo de proteínas contráctiles. El área que rodea el lugar de
unión, entre la célula y el hueso, adquiere un ambiente ácido necesario para la
solubilización de la fase mineral. Sistemas enzimáticos tales como la bomba de
protones ATPasa y la anhidrasa carbónica II son los responsables del
mantenimiento del pH ácido. Cuando el hueso se reabsorbe, los iones calcio y
fósforo se liberan de la fase sólida y pasan al fluido extracelular. Posteriormente
se destruye la matriz mediante la acción de proteasas que actúan también en
medio ácido.
Los osteoblastos son células linfoides que derivan de las
células precursoras del estroma de la médula, que tienen la misión de formar el
tejido óseo y funcionan sintetizando la matriz extracelular, depositándola en la
cantidad y orientación apropiadas e iniciando su mineralización. Los
osteoblastos poseen un solo núcleo y presentan la apariencia típica de células
activas sintetizadoras y secretoras con abundante retículo endoplásmico rugoso
(ribosomas) y un aparato de Golgi prominente. Estas células en su misión de
construir el hueso destruido por los osteoclastos, trabajan en equipo y rellenan
las lagunas producidas por efecto de los osteoclastos. La matriz ósea producida
344
Capítulo 12
por los osteoblastos se denomina osteoide, el cual está hecho de colágeno y
otras proteínas. A partir de aquí los osteoblastos controlan la deposición de la
parte inorgánica mineral. Los osteoblastos se encuentran en la superficie del
hueso nuevo y su supervivencia es de unos tres meses.
Cuando el equipo de osteoblastos ha terminado su operación
de relleno de la cavidad ocasionada por acción de los osteoclastos, las células
se vuelven aplanadas y tapizan la superficie del hueso. Estos viejos osteoblastos
pasan a denominarse células de revestimiento y su misión es la regular el
paso del calcio y responder a hormonas sintetizando proteínas específicas
activadoras de los osteoclastos.
Los osteocitos son células que proceden de los osteoblastos que
quedan incluidos en la matriz ósea, que una vez mineralizada los atrapa.
Quedan rodeadas por hueso nuevo y pierden su actividad como osteoblastos.
Estas células no quedan aisladas ya que emiten ramas largas que las conectan
con otros osteocitos y con las células del revestimiento. Su nueva misión es
detectar presiones o roturas en el hueso y emitir señales a los osteoclastos para
que actúen disolviendo y eliminando el hueso deteriorado.
La actividad de osteoblastos y osteoclastos está modulada por hormonas y
factores producidos localmente por otras células. La calcitonina actúa
inhibiendo la reabsorción ósea por actuación directa sobre los osteoclastos que
poseen receptores para esta hormona. La hormona paratiroidea (PTH) actúa
indirectamente sobre los osteoclastos a través de los osteoblastos y las células
del estroma que producen factor(es) activador(es) de la diferenciación de sus
células percursoras.
La mineralización del hueso es un proceso complejo cuidadosamente
orquestado en el cual la fase mineral inorgánica de fosfato tricalcico se deposita
de forma ordenada en relación con el desarrollo de la matriz orgánica. Para que
se verifique una mineralización óptima en la superficie del hueso en formación,
se necesita la acción coordinada de una serie de factores:
a. actividad de los osteoblastos,
b. síntesis de la matriz a una determinada velocidad y con una
345
Capítulo 12
determinada composición,
c. suministro de calcio y fosfato por el fluido extracelular,
d. pH aproximado a 7,6 en el lugar de la mineralización , y
e. control sobre los inhibidores de la calcificación.
Anatómicamente pueden distinguirse dos tipos de hueso: cortos (cráneo,
escápula, ilión, etc) y largos (tibia, fémur, humero), que se diferencian por su
osificación. En los cortos la osificación es intramembranosa sin fase
cartilaginosa, y en los largos la osificación es endocondral con fase
cartilaginosa. Existen, a su vez, dos clases de hueso en el adulto: hueso
esponjoso trabecular y hueso compacto cortical. El primero, forma el 20% de
la masa esquelética total del organismo, pero constituye el 70% de la superficie
ósea interna. Se localiza fundamentalmente en las vértebras y epífisis. Es
dinámicamente muy activo con una velocidad de recambio
(formación/destrucción) del 40% por año. El hueso cortical ocupa el 80% de la
masa esquelética total y un tercio de su superficie. Forma la parte externa de la
mayoría de los huesos, aunque la mayor parte del hueso cortical aparece en los
huesos largos. La velocidad de recambio del hueso cortical es menor que la del
hueso trabecular. En el adulto normal, el hueso esponjoso y el compacto tienen
una distribución topográfica exacta en las diferentes piezas del esqueleto
La zona cortical de los huesos largos se renueva completamente en un
período de 10 años, mientras que el hueso trabecular, que se encuentra en las
terminaciones de los huesos largos y en las vértebras, presenta un recambio más
rápido entre los 2 y 3 años. Por ello, la progresión de la osteoporosis se detecta
antes en el hueso trabecular que en el cortical.
3. Remodelación ósea
El hueso, al igual que otros tejidos del organismo, sufre un continuo
proceso de remodelación mediante el cual el hueso viejo se degrada y es
reemplazado por hueso nuevo, sin que ello implique cambios bruscos en la
forma y la cantidad del tejido. Este recambio no se realiza simultáneamente en
toda la superficie ósea sino únicamente en áreas predeterminadas, llamadas
unidades multicelulares de remodelación ósea (bone multicelular unit, BMU).
El proceso de recambio óseo tiene varias etapas: activación, reabsorción,
reversión, y formación. En primer lugar, las superficies óseas se recubren de
osteoblastos que, en respuesta a estímulos hormonales, van a liberar enzimas
proteolíticos, los cuales en contacto con la superficie ósea mineralizada, la
degradan permitiendo así su reabsorción por los osteoclastos. Este segundo paso
346
Capítulo 12
ha de ir precedido por la replicación de las células progenitoras de los
osteoclastos y su diferenciación en células maduras bajo el control de factores
hormonales. Una vez que los osteoclastos han reabsorbido y solubilizado la
mayor parte del componente mineral de la matriz, se inicia la fase de formación
en la cual, los osteoblastos rellenan las cavidades originadas por los
osteoclastos, con tejido óseo nuevo. De este modo, el esqueleto de un adulto se
regenera completamente en un período de 10 años. En la remodelación existe
una yuxtaposición de osteoclastos y osteoblastos incluidos en la BMU. En el
hueso cortical, la BMU labra un túnel a través del tejido, mientras que en el
hueso trabecular esta unidad se moviliza a través de la superficie formando un
surco. En ambas situaciones los componentes celulares de la BMU mantienen
una relación espacial y temporal bien organizada. Los osteoclastos se adhieren
al hueso y lo reabsorben por acidificación y digestión proteolítica. A medida
que la BMU avanza, los osteoclastos dejan de reabsorber hueso y los
osteoblastos se movilizan para cubrir el área excavada y comenzar el proceso de
formación ósea con la secreción de osteoide mineralizado. En sujetos adultos
sanos se generan entre 3 a 4 millones de BMU por año y casi 1 millón de ellas
actúa en cada momento.
Durante la remodelación, la actuación secuencial de los osteoclastos y los
osteoblastos en la superficie ósea, depende de factores locales tales como
citoquinas y factores del crecimiento, mediadores de la comunicación
célula-célula y célula-matriz extracelular, que juegan un papel importante en el
recambio del tejido óseo.
La reabsorción ósea por los osteoclastos consiste en una serie de procesos
que se inician con la diferenciación de los osteoclastos y su inserción en los
tejidos calcificados. Los osteoclastos multinucleados derivan de células
hematopoyéticas del linaje monocito-macrófago, que proceden, a su vez, de los
tejidos hematopoyéticos, médula ósea y bazo, y llegan al hueso vía torrente
circulatorio, donde proliferan y se diferencian en osteoclastos mediante
mecanismos que implican interacciones celulares con células del estroma
osteoblástico. Los osteoclastos poseen varias características específicas para la
reabsorción ósea, entre las que se encuentran los rebordes ondulados y zonas
despejadas en sus membranas. Las zonas despejadas le sirven para ponerse en
contacto con la superficie del hueso. El área a reabsorber bajo el reborde es
ácida, lo cual va a favorecer la disolución del mineral. Los protones son
suministrados por la anhidrasa carbónica II de los osteoclastos. En el reborde
de las membranas de los osteoclastos existe una ATPasa de tipo vacuolar. El
transporte de protones hacia la zona de reabsorción está mediado por este tipo
347
Capítulo 12
protónico de ATPasa. Los enzimas lisosómicos de los osteoclastos se segregan
para degradar la matriz orgánica del hueso. El colágeno del tipo I del hueso
desmineralizado se degrada en medio ácido por sistemas enzimáticos cisteina
proteasas, como la catepsina K y metaloproteasas (Figura 1).
Figura 1. Osteoclasto unido a la superficie del hueso a destruir. Acidificación de la laguna
de reabsorción., (Basle et al., 1990, modificado)
Las distintas etapas en la secuencia remodeladora de la BMU son las
siguientes:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Formación de una BMU después de una microlesión ósea
Reclutamiento de osteoclastos
Reabsorción
Reclutamiento de osteoblastos
Formación del osteoide
Mineralización
Maduración mineral
Reposo
Los componentes celulares de la BMU mantienen una relación espacial y
temporal bien orquestada. La vida media de una BMU es de 6 a 9 meses, mucho
más que la de las células ejecutoras, por tanto se requiere un continuo
348
Capítulo 12
suministro de nuevos osteoclastos y nuevos osteoblastos desde sus progenitores
respectivos.
Después de una microlesión ósea, se desencadena la producción de algunos
factores (PTH, IGF, IL1, IL6, PGE, calcitriol y TNF), y se forma la BMU. Las
células de revestimiento se activan, cambian de forma y segregan el ligando
RANK (RANKL) que permanece unido a la superficie celular. Los
preosteoclastos poseen receptores RANK en su membrana. Cuando RANKL se
une y activa a su receptor, las células se fusionan y se diferencian en
osteoclastos multinucleados maduros que desarrollan un borde arrugado y
reabsorben el hueso. Mientras tanto la osteoprotegerina (OPG), receptor
relacionado con la familia de los TNFR, circula libremente y puede unirse al
RANKL, previniendo así que active a su receptor específico RANK (receptor
activador del NFκB). Los osteoclastos maduros reabsorben el hueso, mientras
en la BMU se activan nuevos osteoclastos y continúan la reabsorción. En
alguno de los puntos de la superficie la reabsorción dura unas dos semanas. Una
vez finalizado el proceso de reabsorción, los osteoclastos sufren apoptosis, la
cual se retrasa en casos de deficiencia estrógénica. Los preosteoblastos se
diferencian en adipocitos u osteoblastos, para lo cual se necesita el factor de
transcripción Cbfa1. Las proteínas morfogenéticas óseas (BMP) inician la
osteoblastogénesis desde sus protegitores estimulando la transcripción del gen
que codifica un factor específico de osteoblastos Cbfa1 (core binding factor 1).
Este factor, a su vez, activa la expresión de osteopontina, sialoproteína ósea,
colágeno del tipo I y osteocalcina. Los osteoblastos son atraídos por factores
del crecimiento derivados del hueso y quizás por los residuos de los
osteoclastos autodestruídos. Los osteoblastos secretores activos fabrican capas
de osteoide y así van rellenando lentamente la cavidad ósea producida por los
osteoclastos. También estas células segregan osteopontina, osteocalcina y otras
proteínas. Cuando el osteoide posee unas 6 micras de grosor comienza la
mineralización. Este proceso está también regulado por los osteoblastos.
Durante meses después de que la cavidad fuera rellenada con hueso nuevo, los
cristales del mineral se van empaquetando cada vez más estrechamente con lo
cual se incrementa la densidad del hueso. Los osteoblastos, una vez finalizada
la misión de rellenar las cavidades con hueso nuevo, se convierten en células
de revestimiento las cuales participan minuto a minuto en la liberación del
calcio de los huesos. Algunos osteoblastos quedan retenidos en el hueso y se
convierten en osteocitos que se conectan entre ellos emitiendo largas
protuberancias que les sirven para detectar microalteraciones óseas.
En la morfogénesis y la remodelación del hueso, la molécula del ligando
349
Capítulo 12
de la osteoprotegerina (OPGL) es un factor clave para estimular la
diferenciación y actividad de osteoclastos y osteoblastos y es esencial para la
remodelación ósea y la movilización del calcio de los huesos. La inactivación
del gen opgl en ratón ha llevado a un completo bloqueo del desarrollo de los
osteoclastos produciendo una osteopetrosis severa. El OPGL ejerce su efecto
sobre los osteoclastos por unión con el receptor RANK (receptor activador del
NFκB) de la familia de los TNFR. La OPG es un receptor soluble que compite
con RANK por el RANKL (Figura 2).
Figura 2. Regulación de la función de los osteoclastos. Los factores que estimulan se
muestran en rosa y los que inhiben se muestran en azul. Los efectos (+) y (-) de los estrógenos se
muestran como E+ y E- (Vuori 1996 y Riggs 2000 modificado)
La BMP7 es miembro de la superfamilia del TGF-β. La unión de BMP a
su receptor en la superficie celular conduce a la activación de la quinasa del
receptor, que fosforila a SMAD1/5/8. SMAD1, 5, u 8, con Smad4, forma un
complejo que se trasloca al núcleo, donde se une a la secuencia DNA consenso
para regular la transcripción de numerosos genes osteogénicos. Estudios
genéticos en ratones y humanos han demostrado que BMP7 juega papeles
positivos en la homeostasis postnatal del hueso, expansión de los osteoblastos,
diferenciación y formación del hueso. Defectos en la señalización BMP-SMAD
causa alteraciones en la formación del hueso, osteoporosis y además juega un
papel importante en la tumorigénesis. Se ha comprobado que en muchos tejidos,
la vía señalizadora BMP-SMAD tiene una actividad supresora de tumores y
que BMP puede reprimir el crecimiento tumoral. Estos hallazgos sugieren que
la vía BMP-SMAD puede ser un objetivo potencial, no solo para la terapia de
350
Capítulo 12
la osteoporosis sino también para la del cáncer.
4. Cambios de la masa ósea dependientes del envejecimiento
En la infancia el metabolismo del calcio se encuentra influenciado por el
crecimiento. El contenido de calcio aumenta desde el 0,1 - 0,2% del peso
corporal de las etapas fetales más tempranas, hasta el 2% del peso del adulto.
En términos absolutos esto representa una subida desde 25 g en el momento del
nacimiento, hasta 1.300 g en la madurez. Se considera que desde la concepción
hasta el cierre epifisario se verifica un incremento progresivo de la masa ósea
cortical y trabecular que constituye el 90% del peso de la masa ósea total. A
este período de crecimiento le sigue el período de consolidación, de 5 a 10 años,
durante el cual la superficie trabecular aumenta de grosor y disminuye
gradualmente la porosidad cortical, alcanzándose en este momento el punto
máximo de contenido mineral. A partir de este momento se inicia el proceso de
pérdida ósea que depende de la edad.
En la mujer, el efecto de la edad sobre el metabolismo del calcio está
sujeto a cambios más dramáticos. Antes de la menopausia, las mujeres sanas
experimentan la misma pérdida en su masa ósea que los hombres, pero en las
proximidades de la menopausia el metabolismo del calcio cambia
considerablemente, superponiendo a la pérdida propia de la edad, un recambio
acelerado que va a originar una pérdida de hueso cortical del 2 al 3% por año.
La disminución de hueso trabecular axial comienza un poco antes que la del
hueso cortical. Se ha calculado que la pérdida del contenido mineral óseo
debido a la menopausia es del 10 al 15% en el hueso cortical (medido en el
radio) y del 15 al 20% en el hueso trabecular (medidos en la columna vertebral
y en la cabeza del fémur) (Figuras 3, 4, 5).
351
Capítulo 12
Figura 3. Secciones transversal y frontal de vértebras de pacientes normales y
osteoporóticos.
Figura 4. Detalle de un hueso con osteoporosis
352
Capítulo 12
Figura 5. Modelo de cambio en la masa ósea con la edad en mujeres y hombres de la raza
blanca.
Esta disminución de la masa ósea se produce por un balance positivo de la
reabsorción respecto a la formación del tejido óseo. Existen dos factores
determinantes para que se desarrolle osteoporosis: el primero se relaciona con el
máximo de masa ósea alcanzada en el período de consolidación, y el segundo
con el tanto por ciento de pérdida a partir de este punto máximo. La mayor
pérdida en la mujer se debe a que la insuficiencia estrogénica de la menopausia
juega un papel mucho más importante que el propio envejecimiento.
Un factor que influye de manera decisiva en la osteoporosis senil es la falta
de ejercicio físico, bien por sedentarismo o por ingravidez. El ejercicio físico a
cualquier nivel, moderado o intenso, incrementa la masa y la calidad óseas,
pero su rendimiento disminuye con la edad por el deterioro de las células
sensoras o efectoras. Los casos extremos de inmovilidad o de ingravidez hacen
que se pierda hasta la mitad de la masa ósea en pocas semanas.
5. Factores genéticos
La osteoporosis es un proceso complejo y multifactorial en el que se
encuentran involucrados muchos factores ambientales. El componente genético
juega un papel importante en el desarrollo de esta enfermedad como se refleja
por la transmisión hereditaria de muchos componentes de la resistencia ósea.
353
Capítulo 12
Estudios de Gennari et al., sobre diferentes familias han observado que los
factores genéticos juegan un papel importante en la regulación de la densidad
mineral del hueso (BMD). En algunas condiciones aisladas la osteoporosis
puede ser hereditaria por el patrón mendeliano, debido a mutaciones genéticas
aisladas, pero en la mayoría de los casos la osteoporosis ha de ser considerada
una enfermedad multifactorial poligénica en la cual los determinantes genéticos
se encuentran modulados por factores hormonales, ambientales y nutricionales.
Dado el importante papel que las hormonas esteroideas juegan en el desarrollo
de las células óseas y en el mantenimiento de la arquitectura normal del hueso,
se han investigado en los últimos años los polimorfimos genéticos en la
superfamilia de receptores de hormonas esteroideas/tiroideas, tales como el
receptor α de estrógenos (ERα) y el receptor de la vitamina D (VDR), y estos
genes parece que son importantes candidatos. La contribución individual de
estos polimorfismos genéticos a la patogénesis de la osteoporosis parece que
está confirmada universalmente y uno de los desafíos importantes en el futuro
ha de ser definir sus consecuencias funcionales a nivel molecular y como estos
polimorfismos interaccionan entre sí y con el ambiente para causar el fenotipo
osteoporótico. En el largo camino hacia el mejor conocimiento de las vías
moleculares que conducen a las alteraciones en la resistencia, la identificación
de los genes de susceptibilidad a la osteoporosis es uno los proyectos a
conseguir a corto plazo. Como todos los estudios en humanos, los avances
científicos en este área han de realizarse dentro de ambientes legales y éticos
para ser aceptados por el gran público. Una aplicación prometedora de estos
estudios genéticos en la osteoporosis viene de sus implicaciones
farmacogenómicas y de proporcionar una mejor orientación para los agentes
terapéuticos usados en el tratamiento de esta enfermedad o para identificar
moléculas diana para nuevos agentes terapéuticos.
6. Clases de osteoporosis
En una primera clasificación se pueden distinguir la osteoporosis primaria
y la osteoporosis secundaria.
La osteoporosis primaria se caracteriza por carecer de causa externa, ya
sea médica, quirúrgica o terapéutica y se divide en: involucional, idiopática
adulta e idiopática juvenil
A) Osteoporosis involucional
Es el tipo más frecuente y representa el 95% de los casos. Afecta
354
Capítulo 12
preferentemente a mujeres de raza blanca a partir de los sesenta años. Se
distinguen dos tipos:
Tipo I. Osteoporosis postmenopáusica. Aparece en mujeres en los 7 a 10
años posteriores a la menopausia. Se caracteriza por una gran pérdida de hueso
trabecular que causa frecuentes fracturas vertebrales globales.
Tipo II. Osteoporosis senil. Aparece en hombres y mujeres de más de 70
años. Se caracteriza por una pérdida proporcional de hueso trabecular y cortical
y causa fracturas vertebrales y de cadera.
B) Osteoporosis idiopática del adulto.
Es una forma poco frecuente de osteoporosis que afecta principalmente a
varones de edad media. Suele ser transitoria y evoluciona hacia la curación en
pocos años, de manera espontánea. Estos pacientes presentan un recambio óseo
acelerado con predominio de la destrucción sobre la formación
C) Osteoporosis juvenil idiopática.
Es agresiva y también poco frecuente y puede presentarse en adolescentes
de ambos sexos. Se resuelve espontáneamente en meses o años y se debe a un
recambio óseo acelerado.
La osteporosis secundaria se asocia con condiciones patológicas
reconocidas
Además de la menopausia y el envejecimiento, otras causas pueden
ocasionar osteoporosis como la deficiencia nutricional en calcio y vitamina D,
el tabaco, el alcoholismo y la inactividad. Se asocian también con la
osteoporosis una serie de enfermedades endocrinas, gastrointestinales y de los
tejidos conjuntivo y óseo, la terapia corticoidea y la anorexia nerviosa. Entre
estas es interesante destacar la osteoporosis originada por exceso de
glucocorticoides. La patogenia de la pérdida ósea por terapia corticoidea es
multifuncional, pero se conocen dos mecanismos implicados en esta patogenia
que juegan un importante papel. Los glucocorticoides actúan directamente
sobre los osteoblastos impidiendo la síntesis de colágeno y con ello la
formación de hueso nuevo. Inhiben también la formación de osteocalcina por
los osteoblastos maduros, por un efecto sobre el promotor del gen de la
osteocalcina. Los glucocorticoides inhiben directamente la absorción intestinal
de calcio, lo cual va a ejercer un efecto secundario sobre la hormona
paratiroidea (hiperparatioridismo) y una elevación de la reabsorción ósea por
355
Capítulo 12
los osteoclastos. Los glucocorticoides estimulan directamente la excreción renal
de calcio y disminuyen la producción de ciertos factores del crecimiento
implicados en la mineralización del esqueleto (TGFβ, IGF1, etc.), y altera el eje
hipotalámico, pituitario y gonadal, lo cual da lugar a un hipogonadismo
funcional. Muchos estados de enfermedad en los que se prescribe la terapia
corticoidea (artritis reumatoide, enfermedad inflamatoria intestinal y cirrosis
biliar primaria), se asocian con osteoporosis. Además de la terapia corticoidea
otras situaciones conducen a la osteoporosis, tales como: hipertiroidismo,
reemplazo inapropiadamente elevado de T4, vida sedentaria, afecciones
gastrointestinales y alcoholismo.
El tipo de osteoporosis asociada a la anorexia nerviosa afecta al hueso
trabecular y al cortical. Esta es una enfermedad que afecta al 1% de las mujeres
adolescentes, predispone a la osteoporosis por deficiencia hipotalámica que
origina una elevada concentración en el cortisol, deficiencia de estrógenos y
progesterona.
7. Diagnóstico
La masa ósea, que se incrementa durante la infancia y la adolescencia y
alcanza su máximo en el tercer decenio de la vida, comienza a decrecer, tanto
en el hombre como en la mujer, alrededor de la cuarentena, acelerándose la
pérdida durante la menopausia femenina (Figura 5). Son tres los medios que
dispone la clínica para efectuar el diagnóstico de la osteoporosis: medida de la
masa ósea y del contenido mineral del hueso, medidas bioquímicas en sangre y
orina y diagnóstico diferencial.
a) Medida de la masa ósea por densitometría y del contenido mineral
mediante absorción de rayos X de doble energía. Estos métodos permiten la
detección precoz y son convenientes para prevenir la aparición de fracturas con
un tratamiento adecuado. De acuerdo con estas medidas se puede clasificar la
osteoporosis en tres grados: pérdida ósea discreta u osteopenia, entre el 10 y el
20%; osteoporosis moderada, entre el 20 y el 30%; y osteoporosis severa
cuando el descenso en la masa ósea supera el 30% (Figura 6).
356
Capítulo 12
Figura 6. Definición de la osteoporosis en base a la densidad ósea. Las medidas de la
densidad ósea definen como hueso normal el que tiene una densidad de 833 mg/cm2, osteopenia
el que se encuentra entre 833 y 648 mg/cm2, osteoporosis con menos de 648 mg/cm2 y
osteoporosis severa cuando existe una fractura.
b) Medidas bioquímicas de la remodelación ósea. Se reconocen como
marcadores de formación ósea la actividad fosfatasa alcalina sérica total o de su
isoenzima óseo, la concentración sérica de osteocalcina y de los péptidos del
colágeno. Entre los marcadores de reabsorción ósea el más utilizados es la
evaluación en orina de las concentraciones de calcio e hidroxiprolina. Estos
marcadores ayudan a predecir el grado rápido o lento de pérdida de hueso en la
menopausia, así como permiten hacer un seguimiento del efecto del tratamiento
sobre el equilibrio degradación/formación óseas.
c) Diagnóstico diferencial. Se utiliza para caracterizar la osteoporosis
frente a otras alteraciones de deficiencia ósea, como la osteomalacia, la osteitis
fibrosa y la osteopenia difusa.
La osteomalacia se caracteriza por una deficiente mineralización del hueso
con un exceso de matriz orgánica. El único método de diagnóstico es el estudio
histopatológico de una biopsia ósea. La causa es un exceso de vitamina D o de
fósforo. La diferencia con la osteoporosis es que mientras que en ésta la
relación entre matriz orgánica y la fase mineral es normal, en la osteomalacia
sólo existe una deficiencia en el índice de mineralización. La osteitis fibrosa se
caracteriza por fracturas, disminución de talla, quistes óseos y reabsorción
superperióstica de los márgenes distales de las falanges. Está causada por
hiperparatiroidismo primario y el diagnóstico se establece por excesos de
357
Capítulo 12
calcio, fosfato y hormona paratiroidea en sangre. Un 75% de los pacientes que
sufren esta enfermedad son mujeres mayores de 60 años. En la osteopenia
difusa la pérdida ósea se debe a un aumento de la actividad osteoclástica
producida por la liberación de factores locales a partir de células neoplásicas.
El diagnóstico requiere una exploración física cuidadosa, inmunoelectroforesis
en sangre y orina, detección de cadenas ligeras libres en orina (proteinuria de
Bence Jones) y gammagrafía en casos dudosos. Esta alteración de deficiencia
ósea se presenta en casos de mieloma, neoplasias linfoproliferativas y algunos
tumores sólidos.
8. Tratamiento de la osteoporosis
El objetivo principal en el tratamiento de la osteoporosis es la prevención
de la pérdida ósea para evitar el riesgo de fracturas debidas a la mayor
fragilidad y a una menor resistencia óseas. Otros objetivos no menos
importantes de dicha terapia son la recuperación de la masa ósea una vez
perdida y aminorar el dolor y las molestias que puedan surgir de las fracturas
óseas en pacientes con osteoporosis declarada.
Los fármacos que se utilizan en la prevención y tratamiento de la
osteoporosis se clasifican como antireabsortivos y anabólicos, perteneciendo la
mayoría de ellos a la primera categoría (Tabla 1). El efecto predominante de los
agentes antireabsortivos es prevenir la pérdida ósea, pero pueden también
originar incrementos en la masa ósea como resultado del relleno del espacio
remodelado o de una mineralización secundaria. Es cierto que la efectividad de
estas drogas es mayor cuando se utilizan en la prevención, antes de que ocurra
la pérdida y la disrupción de la microestructura ósea esponjosa. Por otra parte,
parece ser que los agentes anabólicos que tienen la capacidad de incrementar
significativamente la masa y de restaurar la arquitectura ósea, son más propios
para pacientes con pérdida ósea avanzada.
Tabla 1. Agentes usados en la prevención y tratamiento de la osteoporosis
358
Capítulo 12
Terapia de reemplazo hormonal (HTR)
La deficiencia estrogénica postmenopausica produce un desequilibrio entre
los procesos de reabsorción y formación óseas, que conduce a una pérdida de la
masa ósea. Albright et al., postularon en 1941, que la deficiencia estrogénica
estaba implicada en el desarrollo de la osteoporosis. Hasta no hace mucho
tiempo se consideraba que esta enfermedad era una consecuencia inevitable del
envejecimiento y que no había tratamiento para ella. Hoy con el mayor
conocimiento de la fisiología del hueso, se ha llegado a la conclusión que la
emergencia de la osteoporosis, tanto en mujeres como en hombres, se debe a
una serie de factores, entre los que hay que destacar:
1.
2.
3.
4.
la deficiencia de calcio y vitamina D,
la vida sedentaria,
la deficiencia hormonal, y
los genéticos.
Es un hecho bien demostrado que la terapia de reemplazo hormonal
(estrógenos + gestágenos) (HRT) es la terapia más eficaz para la prevención de
la pérdida ósea en mujeres durante y después de la menopausia. Para preservar
la densidad ósea es recomendable que dicha terapia comience al inicio de la
menopausia y se mantenga durante períodos de siete a diez años. Existe un
rechazo muy extendido a la HRT debido a la reaparición de la hemorragia
menstrual ocasionada por la administración secuencial de estrógeno y
gestágeno. En mujeres con el útero intacto la administración de estrógenos
puede incrementar el riesgo de hiperplasia y cáncer de endometrio, lo cual se
evita con la adición simultánea del gestágeno. En una revisión de Manson se
comentan las distintas opiniones controvertidas que rodean a esta terapia.
El estrógeno unido al progestágeno se recomienda como tratamiento de
rutina para prevenir la pérdida de la masa ósea y las fracturas osteoporóticas.
El resultado de la HRT, claramente favorable en lo que se refiere a la
osteoporosis y a afecciones cardiovasculares, frente a su menor asociación con
el cáncer uterino o mamario, ha hecho que la opinión general vaya
gradualmente encaminándose hacia su uso. Otro de estos efectos beneficiosos
de la terapia estrogénica se manifiesta en la prevención de la
hipercolesterolemia.
Hoy no se duda que la deficiencia de estrógeno es la que causa las dos
formas de osteoporosis, temprana y tardía, en mujeres postmenopausicas y
contribuye a la osteoporosis de los hombres ancianos. Esta deficiencia se asocia
359
Capítulo 12
con una mayor reabsorción ósea causada por un mayor número de osteoclastos
activos, cuya función está regulada por citoquinas. Las siguientes citoquinas:
IL-1, IL-6, TNFα, PGE2 y M-CSF, aceleran el ritmo de reabsorción ósea
incrementando el número de precursores de osteoclastos en la médula ósea. El
estrógeno ejerce una influencia negativa sobre estas citoquinas. Por otro lado el
estrógeno estimula la expresión del TGFβ un inhibidor de la reabsorción ósea,
que actúa directamente sobre los osteoclastos disminuyendo su actividad e
incrementando su apoptosis. Ha sido ya identificado el efector paracrino de la
diferenciación de los osteoclastos, derivado de los osteoblastos, el ligando
RANKL, que se expresa en células del estroma del linaje de los osteoblastos.
El contacto entre estas células osteoblásticas y las células del linaje
osteoclástico permite a RANKL unirse a su receptor fisiológico, RANK, lo cual
ejerce un potente estímulo sobre la función de los osteoclastos siempre que
exista un determinado nivel de M-CSF. Las células del estroma del linaje
osteoblástico segregan también el receptor soluble, la osteoprotegerina (OPG)
que neutraliza a RANKL. Parte del efecto del estrógeno sobre este sistema
señalizador debe ser indirecto, actuando a través de intermediarios sensibles a
estrógenos. Ciertas citoquinas IL-1 y TNFα elevan la concentración de
RANKL, OPG y M-CSF, mientras que la PGE2 eleva la del ligando RANKL y
disminuye la del receptor OPG. No se ha demostrado aún que el estrógeno
regule a RANKL directamente. Cenci et al han observado la capacidad que
posee el estrógeno para obligar a las células T a suprimir su producción de
TNFα. Éste podría ser un mecanismo clave mediante el cual el estrógeno
actuaría previniendo la reabsorción ósea por los osteoclastos. La
osteoclastogénesis se encuentra estimulada por M-CSF y por RANKL.
En la Figura 2 se muestran la intervención de una serie de citoquinas en la
regulación de la función de los osteoclastos y la intervención positiva o
negativa del estrógeno en la modulación de dicha regulación.
Falahate-Nini et al han observado que el estrógeno es también la hormona
esteroidea dominante en la regulación de la reabsorción ósea en el
envejecimiento del hombre. Ambos estrógeno y testosterona juegan papeles
importantes en el mantenimiento de la formación ósea, pero es la deficiencia de
estrógeno la causa principal de la pérdida de hueso en la vejez en ambos sexos y
es el estrógeno la hormona clave para el mantenimiento de la masa ósea. El
estrógeno se requiere para alcanzar el pico máximo de masa ósea en ambos
sexos, aunque la acción adicional de testosterona, al estimular la aposición
periosteal, es la que hace que los huesos del esqueleto adulto masculino
360
Capítulo 12
alcancen mayor tamaño. A lo largo de los años la mujer sufre dos fases de
pérdida ósea, una rápida del hueso trabecular que se inicia con la menopausia y
prosigue 4 a 8 años después, y otra más lenta que continúa indefinidamente. La
fase acelerada es consecuencia de la perdida de los efectos de los estrógenos
sobre el recambio óseo, una acción mediada por el receptor de estrógenos sobre
osteoclastos y osteoblastos. En la fase lenta, la velocidad de pérdida del hueso
trabecular disminuye, pero la pérdida de hueso cortical se mantiene e incluso
incrementa. Esta fase lenta está mediada por hiperparatiroidismo secundario que
resulta de la perdida de la acción de estrógeno sobre el metabolismo del calcio
extraesquelético. El desequilibrio de la función de los osteoblastos debido a la
deficiencia de estrógeno, envejecimiento o ambos, contribuye también a la fase
lenta de pérdida ósea. Aunque tanto la biodisponibilidad de estrógeno como de
testosterona, declinan en hombre senescente, es la del estrógeno la responsable
principal de su pérdida ósea. Así que, ambos esteroides son importantes para el
desarrollo del pico de masa ósea, pero la deficiencia de estrógeno es el
determinante más importante de la pérdida de masa ósea en el envejecimiento
en ambos sexos.
Moduladores selectivos del receptor de estrógeno (SERM)
Los SERM actúan como agonistas o antagonistas de los estrógenos. Los
mecanismos moleculares que tratan de explicar la acción moduladora selectiva
de estos compuestos implican todos los pasos de la cascada fisiológica que
conduce a la expresión de los genes inducidos por la unión del 17β-estradiol a
su receptor. Dentro de estos moduladores selectivos el raloxifeno es una nueva
alternativa para el tratamiento de la osteoporosis en la etapa postmenopausica.
El raloxifeno es un benzotiofeno que inhibe competitivamente la acción
estrogénica frente al endometrio y el tejido mamario y actúa como agonista
sobre el metabolismo lipídico y óseo. En los inicios de la menopausia el
raloxifeno previene la pérdida de la masa ósea en todo el esqueleto, reduce los
marcadores del recambio óseo a sus valores premenopáusicos y reduce la
concentración de colesterol en suero y su fracción LDL sin estimular el
endometrio. Este compuesto permite tratamientos más prolongados que la HRT
con ausencia de efectos sobre el aparato reproductor. El raloxifeno no altera la
función cognitiva en la postmenopausia e incluso retrasa el deterioro de la
memoria verbal y la atención. En raras ocasiones se ha detectado un incremento
en tromboembolia venosa similar a lo que ocurre con HRT. En resumen, el
raloxifeno estaría indicado para la prevención y el tratamiento de la
osteoporosis en mujeres postmenopáusicas con más de 2 años de amenorrea y
en lo posible sin síntomas vasomotores, dado que el raloxifeno los puede
incrementar. Especialmente indicada en pacientes con contraindicación de uso
361
Capítulo 12
de estrógenos. Como beneficio extra, el raloxifeno se asocia con una reducción
del riesgo de cáncer de mama, situación que está siendo estudiada intensamente.
Otro esteroide sintético, la tibolona, muestra simultáneamente actividad
estrogénica, androgénica y progestágena, evita la proliferación del endometrio y
con ello el riesgo de cáncer. Este esteroide se ha propuesto para el tratamiento
de los síntomas climatéricos y su eficacia se ha comparado con la de la HRT
convencional, oral o transdérmica. Así, se administró tibolona a 140 mujeres
posmenopáusicas durante un período de 2 años, en dosis orales de 2,5 mg/día
frente a la de estrógeno oral (2 mg/día) o transdérmica (parche de 50 μg),
adicionadas estas dos últimas con 10 mg/día de dihidroprogesterona durante 14
días del ciclo. La densitometría ósea de la porción lumbar de la columna
vertebral y de la cabeza del fémur se llevó a cabo por medida de la absorción de
rayos X de doble energía a los 6, 12, 18 y 24 meses del tratamiento. Se observó
que los tres tratamientos ejercían un efecto preventivo de la pérdida ósea
cuando se compararon con controles no tratados. Este estudio demuestra que la
tibolona puede ser considerada como una terapia alternativa, frente a la
estrogénica convencional, en el tratamiento de la osteoporosis menopáusica.
Bisfosfonatos
Los bisfosfonatos son una clase de fármacos que poseen la capacidad de
detener la degradación ósea menopausica o senil. Son potentes inhibidores de
la reabsorción ósea, reduciendo el reclutamiento y activación de los osteoclastos
e incrementando su apoptosis. Estos compuestos se caracterizan por poseer dos
enlaces carbono-fósforo (P-C-P), localizados en el mismo carbono y por poseer
actividad sobre la mineralización del esqueleto. Esta estructura permite un gran
número de variaciones, especialmente en las dos cadenas laterales sobre el
carbono. La figura 7 muestra la estructura de los dos bisfosfonatos más
frecuentemente utilizados, el etidronato y el alendronato.
Los bisfosfonatos son fármacos diseñados sobre la base del pirofosfato. El
pirofosfato se observó que prevenía la calcificación de los tejidos debido a que
la fosfatasa alcalina hidrolizaba la molécula e impedía su acceso al colágeno
del hueso. Al sustituir un oxígeno del pirofosfato por un carbono se consiguió
un compuesto resistente a la acción de la fosfatasa alcalina que podía insertarse
en el hueso. El primer bisfosfonato utilizado fue el etidronato (Figura 7). La
posterior modificación de las cadenas laterales ha permitido lograr una serie de
compuestos con mayor capacidad de inhibición de la reabsorción ósea.
362
Capítulo 12
Figura 7. Formulas estructurales de los ácidos pirofosfórico, etidrónico y alendrónico.
Los bisfosfonatos, como análogos no hidrolizables del pirofosfato, se unen
a las moléculas de hidroxiapatito del hueso merced a su estructura molecular e
inhiben la degradación del tejido óseo. Los aminobisfosfonatos están entre los
agentes más potentes de este grupo. La potencia antireabsortiva de estos agentes
es variable como resultado de sus diferentes mecanismos de acción celular. Los
bisfosfonatos pueden también inhibir la mineralización, propiedad ésta que
varía según el derivado y no se relaciona con la propiedad antireabsortiva. El
tejido óseo presenta una elevada afinidad por estos compuestos y se ha
observado que después de la administración de una dosis oral, una gran parte de
la fracción absorbida (20 - 60%) se incorpora al esqueleto y el resto se excreta
por orina. La vida media de estos compuestos en el esqueleto es larga y a ello se
debe su acción prolongada sobre el hueso. La absorción gastrointestinal de los
bisfosfonatos es baja cuando se administran por vía oral y se reduce aún más en
presencia de alimento, suplementos de calcio, leche o jugos de frutas. Los
pacientes deben tomar estos compuestos dos o más horas antes de la comida.
363
Capítulo 12
Los bisfosfonatos más utilizados para el tratamiento de la osteoporosis,
son los ácidos etidrónico y alendrónico. El etidronato se administra en régimen
cíclico intermitente: dosis de 400 mg/día durante dos semanas, seguido por
dosis de calcio durante 76 días. El alendronato posee una potencia
antireabsortiva mucho más elevada que etidronato. Se administra de manera
continua en dosis de 10 mg/día, no incluyendo el calcio en este tratamiento y
recomendándose en pacientes con un contenido bajo de calcio en sus dietas.
Ambos compuestos, administrados de la forma anteriormente mencionada,
evitan la pérdida de hueso en la columna vertebral de mujeres con osteoporosis
menopáusica. Se ha observado que después de 3 años de tratamiento los
bisfosfonatos son capaces de reponer la masa ósea espinal perdida. En vista de
su prolongada vida media en el esqueleto, no se recomienda que sean
administrados indefinidamente.
Los bisfosfonatos suelen ser bien tolerados, aunque algunos, como los
aminobisfosfonatos pueden producir efectos adversos gastrointestinales, y en
algunos casos de administración de alendronato se ha detectado una esofagitis
erosiva. Por tanto, estos compuestos están contraindicados en pacientes con
afecciones esofágicas y deben ser usados con precaución en casos de dispepsia
o disfagia. Deben ingerirse con un mínimo de 200 ml de agua al levantarse por
la mañana y se aconseja a los pacientes no acostarse en los 30 minutos
siguientes a la ingestión.
El risendronato es el tercer fármaco utilizado del grupo de los
bisfosfonatos. Es un agente bien tolerado, incluso en pacientes con alteraciones
gastrointestinales, que no muestra efectos secundarios cuando se le comparó
con un placebo. Es el único fármaco que ha mostrado efectos positivos frente a
la osteoporosis asociada a los glucocorticoides.
Potencia antireabsortiva de los bisfosfonatos
Etidronato + calcio (Didronel PMO)
1
Clodronato
10
Tiludronato
100
Pamidronato
1000
Alendronato (Fosamax)
5000
Risedronato (Actonel)
10000
Ibandronato
50000
364
Capítulo 12
Estatinas
Las estatinas son inhibidores de la 3-hidroxi-3-metilglutaril coenzima A
(HMG-CoA) reductasa, enzima de la vía del mevalonato. El mevalonato es, a su
vez, un inhibidor fisiológico de la expresión del gen de la proteína
morfogenética ósea (BPU) y precursor del colesterol. La BMP-2 es un factor de
crecimiento óseo que estimula la actividad de los osteoblastos. Mundy et al
observaron un incremento en la expresión de la proteína morfogenética ósea
(BMP) en células expuestas a estatinas. Garret y Mundy demostraron que las
estatinas actúan por una doble vía, bloqueando la acción de los osteoclastos y
activando los osteoblastos. La misma droga ejerce ambos efectos.
La lovastatina, estatina derivadade una cepa de Aspergillus terreus
(Mevacor, Merck USA) y la simvastatina (Zocor) bloquean la HMG CoA
reductasa y con ello la producción de lípidos que atacan a proteínas
señalizadoras implicadas en la síntesis de la BMP-2. El efecto de estos fármacos
sobre la densidad mineral ósea y el riesgo de fracturas, demuestra la existencia
de una dirección nueva y prometedora que ha de permitir éxitos futuros en la
terapia de la osteoporosis.
Calcio
El equilibrio del calcio en el organismo es función de los flujos integrados
a través del hueso, intestino y riñón que cambian continuamente y están
afectados por muchos factores, tales como vitaminas, oligoelementos y
hormonas. Las hormonas que afectan el metabolismo del calcio en el hueso se
pueden dividir en: hormonas reguladoras del calcio, y hormonas que influyen
sobre el calcio. Entre las primeras cabe citar la hormona paratiroidea, la
calcitonina y los metabolitos de la vitamina D, y entre las segundas la hormona
tiroidea, la hormona del crecimiento y los esteroides adrenales y gonadales.
Está demostrado que el suplemento de calcio a la dieta ejerce efectos
beneficiosos sobre la masa ósea, tanto en niños como en adultos. Estos
beneficios se observan en el hueso cortical apendicular y son menos evidentes
en hueso espinal lumbar, donde los efectos parece que son transitorios. Los
suplementos de calcio en la dieta son menos efectivos en los años cercanos y
posteriores a la menopausia, que es cuando se hace más patente la carencia de
estrógenos y pueden ser beneficiosos en hombres y mujeres de más edad. Esto
se hace patente en casos de deficiencia de calcio en la senectud que van
acompañados de hipertensión, ya que en estos casos existe un incremento en la
excreción urinaria de calcio.
365
Capítulo 12
No se ha establecido aún con claridad la influencia de la vitamina D en
respuesta al calcio ingerido, pero se sabe que el genotipo que posee el receptor
de vitamina D (VDR), puede determinar los efectos de los suplementos del
calcio sobre el esqueleto. A este respecto se ha demostrado la efectividad del
calcio administrado en forma de carbonato, gluconato y lactato, aunque no
existe hasta el momento una evidencia definitiva de que el calcio por sí sólo
suponga una terapia que reduzca el riesgo de fracturas vertebrales o no
vertebrales. Sin embargo, el suplemento de calcio a la dieta unido a otros
tratamientos puede considerarse efectivo en pacientes con ingesta baja en
calcio. En lo posible ha de aconsejarse una ingesta en calcio entre 1 - 1,5 g/día.
Casi todo el calcio y fosfato residen en el organismo en forma insoluble en
la fase mineral del hueso, la cual es la determinante principal de las propiedades
mecánicas del esqueleto. Para la mineralización normal del hueso es necesaria
una adecuada disponibilidad de calcio y fosfato en el fluido extracelular. En
casos en que esto no ocurra, la disminución crónica de ambos iones lleva
inevitablemente a la pérdida del contenido mineral del hueso y a un incremento
en el riesgo de fracturas.
El control hormonal de la absorción intestinal del calcio integrante de la
dieta, es similar a la del fosfato y ambos se liberan durante la destrucción ósea.
Como la solubilidad del fosfato tricálcico es aproximadamente la mitad de la
máxima en fluidos extracelulares, extremos en la concentración de un ión puede
afectar la concentración del otro por efectos fisicoquímicos recíprocos. A pesar
de ello existen muchas diferencias entre calcio y fosfato respecto a su
distribución extra e intracelular, la precisión con la que se regulan sus
concentraciones extracelulares, etc.
La concentración de calcio en el fluido extracelular, es un factor
importante, no sólo en la formación del hueso, sino también en la coagulación
sanguínea y en la función muscular. El calcio presenta también un considerable
interés como segundo mensajero para los reguladores extracelulares, para los
mecanismos de señalización extracelular y como coordinador de la actividad
metabólica celular. De esta manera, los flujos de este elemento a través de la
membrana y la concentración citosólica del calcio en respuesta a la
despolarización de la membrana o al acoplamiento ligando-receptor, modulan la
actividad de una serie de sistemas reguladores intracelulares críticos, mediante
interacciones con la calmodulina, la proteina quinasa C, la fosfolipasa C,
proteína fosfatasas y otros efectores celulares. Estas acciones directas del calcio
intracelular implican interrelaciones complejas con los fenómenos que
366
Capítulo 12
dependen del calcio como el AMP cíclico, los fosfatidilinositoles, el ácido
araquidónico, etc.
La ingestión diaria de calcio oscila entre los 300 mg a 1,5g. El calcio se
transporta a través del epitelio intestinal, como ión libre que debe ser liberado
de complejos con otros constituyentes de la dieta, antes de la absorción. Los
ácidos del estómago facilitan esta disociación. La menor solubilidad del calcio a
pH neutro o alcalino puede contribuir a la menor eficiencia de la absorción por
segmentos intestinales alejados del duodeno. La biodisponibilidad del calcio
puede modificarse por diversos componentes de la dieta. Las dietas ricas en
fibra pueden desequilibrar la absorción del calcio, ya que poseen compuestos
tales como los ácidos urónicos y fítico (inositohexafosfórico) y la celulosa, que
poseen capacidad de unirse al calcio. El oxalacetato, presente en vegetales de
hoja verdes, se une también al calcio.
Calcitonina
La calcitonina es una hormona de 32-aminoácidos que inhibe la
reabsorción osteoclástica, y por lo tanto la destrucción ósea. Su administración
para el tratamiento de la osteoporosis incluye las calcitoninas porcinas y las
sintéticas humanas, de salmón y de anguila. La administración de calcitonina
de salmón, por vía nasal, ha hecho posible contar con un agente de potencia
comparable a la de los estrógenos frente a los marcadores del recambio y del
metabolism óseo y en suprimir la velocidad de destrucción del hueso. La
calcitonina de salmón debe ser considerada como una terapia alternativa a la de
HRT en todos los pacientes, ya que el efecto máximo de este fármaco sobre el
recambio óseo se observa a las ocho semanas de iniciar el tratamiento. La
inocuidad de la calcitonina se ha demostrado clínicamente desde los años
setenta, cuando se aprobó la primera formulación inyectable en diversos países
europeos. La administración por vía nasal ofrece la ventaja de la facilidad de su
administración y dosificación. En pacientes con fracturas vertebrales la acción
analgésica de la calcitonina proporciona un beneficio terapéutico adicional.
Todo esto unido a que no se han descrito interacciones con otros fármacos,
justifica la conclusión que la calcitonina, proporciona una terapia apropiada y
efectiva para el tratamiento de la osteoporosis en cualquiera de sus formas.
Ranelato de estroncio
El ranelato de estroncio está compuesto por ácido ranélico unido a dos
átomos de estroncio estable no radiactivo. Se ha observado que este agente
cuando se adiciona a cultivos celulares enriquecidos en osteoblastos, eleva la
síntesis del colágeno y de otras proteínas componentes de la matriz ósea. Estos
367
Capítulo 12
efectos han sido confirmados comprobar su efecto activador sobre la replicación
de las células progenitoras de los osteoblastos. Estos datos proporcionan una
importante evidencia de la acción del ranelato de estroncio como inductor de la
formación de hueso. El efecto inhibidor de este compuesto sobre la reabsorción
ósea ha hecho que se considere un agente antireabsortivo con acción similar a la
de la calcitonina.
Fluoruro sódico
El fluoruro sódico es una sustancia, clasificada entre los anabolizantes
óseos, que estimula la formación del hueso y produce incrementos en la masa
ósea mayores que los observados con agentes antireabsortivos. Se ha usado en
el tratamiento de la osteoporosis desde 1966, ya que se observó que las
comunidades con niveles elevados de FNa en el agua de bebida, presentaban
elevadas incidencias de deformaciones óseas debidas a incremento en la
formación de hueso. A pesar de haberse detectado incrementos de un 5% anual
en la densidad mineral del hueso de la columna vertebral, existe aún
controversia acerca de los efectos de este agente químico sobre la resistencia
ósea y el riesgo de fracturas. Utilizando dosis bajas de este compuesto (50
mg/día), se ha observado una reducción significativa en las fracturas de
vértebras en mujeres con osteoporosis menopáusica. Sin embargo, otros
estudios con dosis más elevadas no han observado ningún beneficio y parece
ser que la administración continuada de fluoruro sódico produce a
debilitamiento óseo e incremento del riesgo de fracturas en sitios no vertebrales.
Esta terapia presenta una serie de complicaciones, debidas por una parte a la
acción del fluoruro sobre la mucosa gástrica (dolor, nauseas, etc.) y por otra,
por ejercer un efecto colateral en tratamientos a largo plazo, que da lugar al
"síndrome de dolor en las extremidades" debido a formación abundante de
hueso poco mineralizado. El fluoruro sódico actúa incrementando el
reclutamiento de los osteoblastos y con ello la formación de la matriz
extracelular, sin efectos sobre la reabsorción ósea. Por todo ello, y a pesar de
sus efectos claramente anabolizantes, el futuro de este tratamiento permanece
aún en debate.
Esteroides anabólicos
Estos compuestos, que incluyen la nandrolona, el estanozolol y la
testosterona, actúan predominantemente impidiendo la reabsorción ósea. La
testosterona es útil en el tratamiento de la osteoporosis en hombres con
deficiencias gonadales. El uso de estos agentes en mujeres se encuentra limitado
por los efectos adversos que incluyen virilización, retención de sodio y
disfunción hepática.
368
Capítulo 12
Hormona paratiroidea (PTH)
Esta hormona es la reguladora inmediata de la concentración de calcio en
el fluido extracelular. Su producción se estimula en casos de disminución del
calcio sanguíneo. Sus acciones principales son incrementar la liberación de
calcio del hueso y reducir el aclaramiento de calcio renal. Otra acción
secundaria es la de aumentar la absorción intestinal del calcio de la dieta
mediante la estimulación del la actividad 1-hidroxilasa renal, enzima
responsable de la producción del metabolito de la vitamina D [1, 25
(OH)2-vitamina D3 o calcitriol]. La secreción de la hormona paratifoidea se
inhibe en casos de elevación del calcio plasmático (Figura 8).
Figura 8. La hormona patatiroidea actúa directamente sobre receptores en el hueso y en
el riñón e indirectamente, mediante la vitamina D, sobre el intestino, para elevar la concentración de calcio en el fluido extracelular, la cual ejerce un control negativo sobre la glándula.
Durante años se ha considerado la hormona paratiroidea como un agente
catabólico para el esqueleto. Sin embargo, ya en 1929 Bauer y Albritch
observaron que el extracto peptídico de esta glándula podía ejercer un efecto
anabolizante sobre el hueso. Se ha observado que a dosis pequeñas la hormona
paratiroidea estimula la actividad de la adenilato ciclasa. Se considera que esta
hormona podría clasificarse entre los agentes terapéuticos prometedores para el
tratamiento de la osteoporosis, por su acción estimuladora de los osteoblastos y
con ello de la formación del hueso. Se ha demostrado que la administración
369
Capítulo 12
intermitente de dosis de extracto paratiroideo ejercen un efecto anabólico sobre
animales sanos y osteopénicos. En el riñón, la hormona paratiroidea estimula la
hidroxilación de la vitamina D. Este metabolito dihidroxilado actúa facilitando
la absorción intestinal de calcio y fósforo, elementos necesarios para la
mineralización del hueso. Ambas sustancias, la hormona paratiroidea y el
metabolito dihidroxilado de la vitamina D, pertenecen al grupo más importante
de reguladores del recambio óseo. Regulan, por un lado, la diferenciación de los
osteoclastos a partir de sus precursores hematopoyéticos mononucleares y por
otro las funciones y actividad osteoblásticas.
La hormona paratiroidea, cuando se administra intermitentemente eleva la
formación del hueso y con ello la masa y la densidad ósea. Se desconoce el
mecanismo exacto de este proceso, pero se sabe que esta hormona influye sobre
el efecto favorecedor de la vitamina D sobre la absorción intestinal del calcio y
eleva la diferenciación de las células osteoprogenitoras. La acción de esta
hormona se transduce al interior de la célula mediante su unión a péptidos
receptores relacionados con la hormona que contienen 7 dominios
transmembrana, acoplados a proteinas G. La ocupación del receptor por la
hormona paratiroidea origina la activación de la vía de la adenilato ciclasa y la
fosfolipasa C, que originan la acumulación de múltiples transductores de
señales como el AMP cíclico, los inositol fosfatos, un incremento transitorio en
la concentración de calcio intracelular y la activación de la proteína quinasa C.
Por otro lado, como reguladora crucial del calcio sanguíneo, la hormona
paratiroidea activa la reabsorción ósea, la reabsorción tubular renal y la
activación de la vitamina D. El calcio, a su vez, actúa sobre las células de la
glándula paratifoidea a través de un sensor recientemente caracterizado,
disminuyendo la síntesis y secreción de la hormona. Estos mecanismos de
regulación llevan a considerar que la misión principal de esta hormona es el
mantenimiento de la concentración de calcio en sangre y para ello puede utilizar
el calcio del hueso. No sorprende, por tanto, que en estados de
hiperparatiroidismo, el hueso se debilite por exceso de reabsorción de su fase
mineral. Con esta perspectiva, la observación de que la administración
intermitente de hormona paratiroidea conduzca al incremento de la masa ósea
tiene, al parecer, poco sentido. Para resolver esta paradoja se requiere
comprender mejor la complejidad de la regulación de las células implicadas en
el recambio óseo.
Una parte de esta resolución se deduce de la observación de que los
precursores de los osteoblastos y osteoclastos segregan una proteína relacionada
370
Capítulo 12
con la hormona paratiroidea, prPTH, un factor paracrino que en el hueso puede
tener papeles no relacionados con la homeostasis del calcio. A pesar de las
misiones fisiológicas diferentes de la hormona paratiroidea y la prPTH, muchas
de las acciones de ambas están mediadas por un receptor común que
interacciona con las regiones aminoterminales de cada ligando. Este receptor se
encuentra en osteoblastos y osteoclastos.
En un estudio sobre la PTH en 1637 mujeres post menopáusicas se ha
demostrado que esta hormona reduce las fracturas. La incidencia de fracturas
vertebrales en estas mujeres disminuyó en un 65% y en las no vertebrales en un
50%.
9. Vitamina D y sus efectos sobre la calcificación ósea.
La vitamina D se encuentra ampliamente distribuida en la naturaleza y se
fotosintetiza en la mayor parte de tejidos animales y vegetales expuestos a la
luz del sol. Su misión principal en animales vertebrados es elevar la absorción
del calcio y fosfatos para la mineralización del esqueleto. En la infancia, en
casos de deficiencia de vitamina D, el cartílago no se calcifica y se produce
raquitismo. En el estado adulto la matriz ósea recién formada por los
osteoblastos, el osteoide, no se mineraliza convenientemente y ocasiona una
patología denominada osteomalacia.
Esta vitamina se forma en la piel después de la exposición a rediaciones
ultravioleta (UV) y también se absorbe por la dieta. Se hidroxila en el hígado a
25, hidroxi vitamina D y se hidroxila otra vez en riñón a 25, dihidroxi vitamina
D o calcitriol, que es la vitamina D en su forma activa. En los años pasados se
ha encontrado que una serie de tejidos contienen receptores para este metabolito
activo de la vitamina D, el calcitriol (VDR), y responden a esta hormona con un
cambio en sus funciones. Los tejidos clásicos, hueso, riñón e intestino,
responsables del mantenimiento de la homeostasis mineral ósea en respuesta a
la vitamina D, son ahora parte de una lista que incluye varias docenas de tejidos
entre los que se incluye elementos del sistema hematopoyético e inmune,
cardiaco, esquelético, muscular, neural, hepático y endotelial. La forma más
activa de la vitamina D en cuanto a estimular el transporte intestinal de calcio,
movilizar el calcio del hueso, elevar el calcio extracelular y remediar el
raquitismo, es el calcitriol. Esta molécula tiene tres grupos hidroxilo dos de los
cuales se encuentran en el anillo A en lados opuestos al plano del anillo, en
posición 1 y 3 y el tercero en posición 25 en la cadena lateral (Figura 8). Los
OH en posición 1 y 25 son críticos para unirse al receptor VDR.
371
Capítulo 12
Figura 9. Metabolismo de la vitamina D en el organismo
Está bien establecido el uso de la vitamina D y sus metabolitos para el
tratamiento de deficiencias óseas. Sin embargo, los nuevos conocimientos del
papel del calcitriol en la diferenciación de los osteoblastos y los osteoclastos
ofrecen una explicación razonable para el uso de estas sustancias en el
tratamiento de la osteoporosis. Los osteoblastos contienen receptores VDR y los
osteoclastos no. Los osteoblastos son los responsables de la formación ósea,
pero el papel de la vitamina D en este proceso no está claro. A pesar de que los
osteoclastos no tienen VDR y no responden al calcitriol directamente, el
calcitriol es un regulador importante de su diferenciación, ya que promueve su
formación a partir de precursores hematopoyéticos que tienen VDR. Por tanto,
el calcitriol es probable que juegue un importante papel en la remodelación
ósea, no sólo por su capacidad para suministrar las cantidades adecuadas de
calcio y fosfato para la mineralización, sino también por influir en la secreción
de citoquinas por células linfoides que van a activar la diferenciación de las
células óseas.
Otro tema importante es que la acción del calcitriol está mediada, en parte,
por las vías de transducción de señales a través de la membrana, especialmente
372
Capítulo 12
aquellas que implican al calcio extracelular. Esta hormona está involucrada en
la activación de canales de calcio por mecanismos que incluyen el metabolismo
de fosfolípidos y la proteína quinasa C.
10. Osteoporosis y cáncer
Es un hecho indiscutible que la incidencia de osteoporosis y cáncer
incrementan con el envejecimiento, y también que estos dos diagnósticos son a
menudo hechos en el mismo individuo. Tanto el envejecimiento como el
hipogonadismo asociado a la edad, unido a las terapias del cáncer, conducen a
la pérdida de masa ósea y al riego mayor se fragilidad ósea y fracturas. La edad
avanzada lleva consigo una asociación con la elevada incidencia del cáncer. Por
tanto, el cáncer y sus terapias pueden predisponer al individuo a la osteoporosis
y su morbilidad y mortalidad.
La relación entre la osteoporosis y el cáncer se puede considerar en un
doble sentido. Algunas neoplasias malignas se encuentran entre las causas de
osteoporosis secundaria y, además, se ha descrito un aumento en la mortalidad
por cáncer en pacientes con osteoporosis. Por otra parte, la detección de
secuelas tardías entre los supervivientes de distintos procesos oncológicos, ha
ido aumentando en los últimos años al mejorar los esquemas terapéuticos y
conseguirse mayores y más prolongadas tasas de remisión tumoral. Entre las
secuelas que pueden aparecer tras la curación de un tumor cabe mencionar la
osteoporosis. Por lo tanto, existen razones fundadas para pensar en la
intervención de los procesos cancerosos en el desarrollo de la osteoporosis.
Algunas guardan relación con el propio tumor y otras con el tratamiento
antitumoral.
Al margen de la inmovilidad y la malnutrición que con frecuencia
presentan los enfermos de cáncer, y que colaborar al desarrollo de osteoporosis,
algunas neoplasias hematológicas (mieloma, leucemia, mastocitosis sistémica),
pueden causar osteoporosis por mecanismos específicos. Desde hace algunos
años se sabe que los tumores inducen la liberación de algunas citoquinas que
intervienen en el proceso de remodelación ósea modulando el sistema
RANK/RANKL/OPG. El TNFα, IL-1, IL6 y la linfotoxina estimulan el proceso
de resorción ósea y serían los responsables de la pérdida de hueso local, e
incluso generalizada, que puede apreciarse en algunos tumores.
El caso más típico es el del mieloma. Aunque en esta enfermedad son
posibles también otras alteraciones óseas, es ya clásico observar que con
373
Capítulo 12
frecuencia cursa con una osteoporosis indistinguible de la idiopática. Si bien la
afirmación es cierta, ya que entre un 10-25% de los pacientes con mieloma
presentan una osteopenia difusa y en más de una tercera parte se observan
fracturas vertebrales, la posible coexistencia de pequeños focos líticos puede
determinar diferencias sustanciales. Otra hemopatía maligna que debe tenerse
en cuenta como causa de osteoporosis es la leucemia, especialmente en el niño.
La pérdida de masa ósea suele ser difusa y puede afectar incluso a los huesos de
las manos y de los pies. Los aplastamientos vertebrales, presentes hasta en el 12% de los pacientes, pueden ser un poco atípicos, en razón de que asientan
sobre un hueso no desarrollado plenamente. En tercer lugar debe señalarse la
mastocitosis, aunque puede cursar con otros patrones de alteración ósea,
lesiones focales escleróticas, líticas o mixtas, la osteopenia difusa es,
probablemente, el rasgo más típico. La afectación ósea se da en el 70% de los
casos.
Algunas intervenciones quirúrgicas pueden tener una repercusión sobre el
hueso, como sucede con la gastrectomía y otros tipos de cirugía digestiva, la
orquiectomía o la ovariectomía. Los efectos de la radioterapia sobre la
actividad osteoblástica suelen ser transitorios, sin embargo, el daño vascular
puede reducir el aporte sanguíneo al hueso, dificultando los procesos de
reparación y aumentando con ello su fragilidad. Además, la radioterapia puede
resultar perjudicial de forma indirecta. Por ejemplo, la radiación craneal que
suele utilizarse en el tratamiento de los tumores cerebrales o de la leucemia
linfoblástica, puede dañar el eje hipotálamo-hipofisario, dando lugar a un déficit
en la secreción de GH y de gonadotropinas. Este déficit hormonal parece ser el
responsable de la menor masa ósea que presentan los pacientes que sufrieron
una leucemia linfoblástica durante su infancia. La radioterapia craneoespinal,
además de dañar a la hipófisis, puede afectar al tiroides, las gónadas y la propia
columna. La irradiación gonadal utilizada en pacientes con recidiva testicular de
una leucemia linfoblástica suele ser perjudicial especialmente en niños. En estos
casos el déficit gonadal se establece antes de que finalice el período de
crecimiento por lo que la repercusión sobre el esqueleto es aún mayor. Las
mujeres premenopáusicas con cáncer de mama que reciben irradiación ovárica
también presentan una pérdida acelerada de hueso.
En cuanto al tratamiento quimioterápico, tanto los fármacos citotóxicos,
como las hormonas, y desde luego los glucocorticoides, facilitan el desarrollo
de osteoporosis. Los agentes citotóxicos pueden alterar la actividad
osteoblástica y la función gonadal. La insuficiencia ovárica es una complicación
frecuente en las mujeres premenopáusicas con cáncer de mama que reciben
374
Capítulo 12
quimioterapia adyuvante. El principal responsable de este trastorno es la
ciclofosfamida, agente capaz de lesionar las células de la capa granulosa del
ovario. La disfunción gonadal, que está presente en la mayoría de las mujeres al
finalizar el tratamiento con este fármaco, puede persistir de manera indefinida
dependiendo de la edad y de la dosis y duración del tratamiento. La pérdida de
masa ósea en las mujeres premenopáusicas tratadas con quimioterapia por
cáncer de mama llega a alcanzar el 10% anual.
Algo similar sucede con las mujeres con enfermedad de Hodgkin que
reciben poliquimioterapia. En estos casos, la ciclofosfamida, la mecloretamina y
la procarbazina serían las responsables de la afectación gonadal y, como
consecuencia, de la pérdida de masa ósea. Sin embargo, la administración de
estrógenos frena la pérdida de hueso en estas mujeres. En los hombres, los
agentes alquilantes y la procarbazina lesionan las células germinales, pero no
suelen dañar las células de Leydig, por lo que la afectación ósea no suele ser
muy relevante. Algo similar ocurre en los pacientes con cáncer testicular
tratados con dosis altas de cisplatino. Además de los efectos de la quimioterapia
sobre la función gonadal, los agentes quimioterápicos afectan al hueso a través
de otros mecanismos. Las dosis altas de metotrexato utilizadas en el tratamiento
de diversos tumores provocan un aumento de la resorción ósea y una inhibición
de la formación del hueso que conducen a la pérdida de masa ósea (osteopatía
por metotrexato). La ciclofosfamida y la doxorrubicina actúan también
directamente sobre el hueso y las dosis altas de ifosfamida (utilizadas
generalmente en niños con tumores sólidos, como el osteosarcoma) pueden
lesionar el túbulo proximal determinando la aparición de osteomalacia
hipofosfatémica.
El tratamiento hormonal puede ser también perjudicial para el hueso. Los
análogos de los factores de liberación de las gonadotropinas (GnRH), se han
utilizado en ambos sexos como alternativa a la castración quirúrgica. En los
varones con adenocarcinoma prostático se ha generalizado su uso en los últimos
años en detrimento de la cirugía. En estos pacientes se observa una disminución
en la DMO en la columna lumbar cercana al 7% anual, cifra similar a la que se
observa tras la orquiectomía. La pérdida de hueso es más intensa cuando se
administran conjuntamente con antiandrógenos, mientras que la adición de
estrógenos parece prevenir este trastorno.
En las mujeres premenopáusicas con cáncer de mama avanzado, el
tratamiento con análogos de los GnRH provoca también una pérdida
significativa de hueso. Los inhibidores de la aromatasa, fármacos utilizados en
375
Capítulo 12
las mujeres postmenopáusicas con cáncer de mama para impedir la conversión
periférica de los andrógenos en estrógenos, resultan también perjudiciales para
el esqueleto. Por el contrario, el tratamiento adyuvante con algunos
moduladores selectivos de los receptores estrogénicos (SERM), como el
tamoxifeno o el toremifeno, ha demostrado que previene la pérdida de la masa
ósea en mujeres postmenopáusicas con cáncer de mama.
En los pacientes con antecedentes tumorales debe realizarse una detallada
historia clínica que preste una especial atención al tratamiento recibido y a las
posibles consecuencias del mismo, especialmente en la esfera gonadal. Debe
realizarse una densitometría ósea siempre que existan datos de hipogonadismo,
cuando el propio tumor pueda contribuir al desarrollo de la osteoporosis
(mieloma, leucemia linfoblástica), o cuando el paciente haya recibido
tratamiento con dosis altas de glucocorticoides, metotrexato o ifosfamida. Lo
ideal sería realizar la densitometría antes y después de finalizar el tratamiento
oncológico. Se debe insistir en las medidas generales: ejercicio físico, ingesta
adecuada de calcio y vitamina D, corrección de los factores de riesgo. Los
pacientes con hipogonadismo deben recibir tratamiento hormonal sustitutivo
siempre que el tumor no sea hormonodependiente (cáncer de mama o de
próstata). En estos casos puede recurrirse a los bisfosfonatos, que se han
utilizado con éxito para prevenir la pérdida de masa ósea en pacientes con
cáncer de mama (clodronato y risedronato) y de próstata (pamidronato).
Además, algunos de estos compuestos (pamidronato, zoledronato) parecen
dificultar el desarrollo de las metástasis óseas. Los bisfosfonatos también serían
los fármacos de primera elección en otras situaciones distintas del
hipogonadismo. Los más utilizados hoy son el alendronato y el risedronato.
Además, en las mujeres postmenopáusicas pueden utilizarse los moduladores
selectivos de los receptores estrogénicos (tamoxifeno, toremifeno, raloxifeno),
especialmente si han padecido un cáncer de mama. En el carcinoma prostático
se puede también sustituir los antiandrógenos por estrógenos. Finalmente, en
los niños que sobreviven a una leucemia linfoblástica o a una tumoración
cerebral, conviene realizar un estrecho seguimiento para descartar la existencia
de una deficiencia de GH o de hormonas sexuales con objeto de realizar el
adecuado tratamiento hormonal sustitutivo.
11. Aplicaciones clínicas
En el diagnóstico de la osteoporosis se distinguen claramente dos
poblaciones: la que muestra una predisposición o tendencia a padecerla y la
que ya se encuentra ya padeciendo una pérdida ósea establecida.
376
Capítulo 12
Frente a la población con predisposición hay que evitar, en lo posible, los
factores de riesgo. El tamaño y masa del esqueleto se encuentran programados
genéticamente y está claro que los factores de riesgo genéticos no pueden
eludirse, pero sí se puede actuar sobre los otros tipos de factores. En términos
generales deberá evitarse el tabaco, el consumo elevado de café y alcohol, las
dietas muy ricas en proteínas y en fibra, y la vida sedentaria (existen ejercicios
recomendados para prevenir la pérdida de masa ósea). Se recomienda también
que las dietas vayan suplementadas con calcio y vitamina D.
Es un hecho reconocido que la terapia estrogénica se presenta como la
más indicada en casos de menopausia. Los beneficios del reemplazo hormonal
no se discuten: a corto plazo mejoran la calidad de vida y a largo plazo
previenen la osteoporosis. La calcitonina y los bisfosfonatos pueden ser
utilizados como alternativa a la terapia estrogénica y pueden aplicarse también a
la normalización de estado andropáusico. Todos estos tratamientos detienen la
reabsorción ósea suprimiendo la actividad de los osteoclastos sin estimular el
crecimiento del hueso nuevo. Es importante el potencial de un agente que puede
incrementar el tejido óseo y revertir el defecto de los pacientes con
osteoporosis, y más aún si además de incrementar la masa ósea repara la
microarquitectura dañada. Los agentes utilizados normalmente, estrógenos y
calcitonina, actúan primero estabilizando la masa ósea mediante la prevención
de futuras pérdidas. Este incremento no es un efecto anabólico verdadero, pero
se relaciona con efectos temporales sobre el recambio óseo en el cual la
reabsorción decrece y una vez estabilizada la masa ósea se verifica también una
reducción en la formación.
Frente a una pérdida ósea que conlleva un estado de osteoporosis ya
establecida, la efectividad terapéutica es menor. La mayoría de los fármacos son
antireabsortivos: estrógenos, calcio, metabolitos de la vitamina D, calcitonina,
difosfonatos, etc. Estos tratamientos van dirigidos a las distintas etapas de la
remodelación ósea. Las terapias que estimulan la formación incluyen el fluoruro
sódico (en dosis bajas), esteroides anabolizantes y hormona paratiroidea
intermitente. En los tratamientos secuenciales la acción va dirigida a las
distintas etapas del remodelamiento óseo. Entre estos tratamientos el régimen
ADFR (A = activación; D = depresión; F = formación; R = repetición), presenta
un prometedor futuro. Se inicia el tratamiento con activadores de la
remodelación (por ejemplo, hormona paratiroidea), con ello se acelera el
recambio óseo, tanto la reabsorción como la formación. Posteriormente se
deprime la reabsorción (con calcitonina o bisfosfonatos). Al deprimir la
reabsorción por los osteoclastos se mantiene el proceso de formación del hueso
377
Capítulo 12
por los osteoblastos durante un período libre, y se repite tantas veces como sea
necesario. Esta terapia se desarrolla en ciclos de unos 90 días y los resultados
obtenidos hasta la fecha muestran gran eficacia en casos de osteoporosis
declarada en los que no ha habido respuesta o ha habido muy poca frente a los
tratamientos preventivos.
12. Consideraciones finales
Como consecuencia del incremento de la esperanza de vida media, la
osteoporosis constituye actualmente uno de los mayores problemas de salud
pública en los países industrializados. Se estima que el 15% de la población
mundial padece este mal y su frecuencia se eleva considerablemente a partir de
los 50 años. La osteoporosis es la "plaga silenciosa de nuestra época".
Un cierto grado de pérdida de la masa ósea es inevitable a medida que
transcurre la edad. Para prevenir un exceso en dicha pérdida, es aconsejable
conocer qué factores pueden acelerarla. Los factores causales han sido
localizados en su mayor parte en investigaciones epidemiológicas, aunque
pocos de ellos, exceptuando la deficiencia estrogénica, han sido comprobados
experimentalmente. Si se conocen los riesgos podría indicarse aquellos que son
susceptibles de estudio diagnóstico y de una terapia preventiva. La Tabla 3
muestra un resumen de los factores de riesgo que conllevan a la osteoporosis.
Dadas las consecuencias de la osteoporosis en la salud pública, la primera
atención médica ha de dirigirse, no sólo a educar al segmento de la población
senescente, respecto a la inevitable pérdida de su masa ósea, sino también
promocionar activamente la profilaxis y la terapéutica a seguir entre aquellos
pacientes con tendencia hacia la osteoporosis o a aquellos pacientes con pérdida
378
Capítulo 12
ósea severa y riesgo de fracturas.
En 1995 Manolagas propuso que eran los cambios en el número de células
en el tejido óseo y no los cambios en la actividad de las células individuales las
causantes de las bases patogénicas de la osteoporosis y que un exceso de
osteoclastogénesis unido a una inadecuada osteoblastogénesis eran los
responsables del desacoplamiento entre la reabsorción y la formación óseas.
Desde entonces este paradigma ha sido la base de numerosos estudios que han
originado importantes descubrimientos que reafirman la relevancia de las
células y su número en la fisiología y fisiopatología del hueso. Estos
descubrimientos proporcionan una nueva panorámica para la evaluación crítica
de los conocimientos actuales sobre las estrategias terapéuticas dirigidas a las
enfermedades óseas. Es un hecho claro que las células óseas tienen que ser
continuamente reemplazadas y que el número de dichas células en un momento
dado, depende de su ritmo de generación, reflejo de la frecuencia de división
celular de sus progenitores, y de su supervivencia. Los mecanismos que
intervienen en el reemplazo de osteoblastos y osteoclastos han de encontrarse
estrechamente coordinados y orquestados a nivel de progenitores. Así que,
cualquier alteración en los ritmos de generación o muerte de las células óseas
ha de ocasionar la osteoporosis causada por deficiencia esteroidea o por
envejecimiento. La atenuación del ritmo de apoptosis de los osteoblastos puede
ser un mecanismo clave utilizado por los agentes anabólicos como la PTH.
El hecho importante de que sea el estrógeno la hormona juega un papel
central en la regulación de la masa ósea en ambos sexos, nos lleva a una serie
de preguntas.
¿Por qué son las hormonas sexuales esteroideas en vez de las
calciotrópicas los principales reguladores de la masa ósea? ¿Por qué es el
estrógeno la hormona más importante frente a la regulación de la homeostasis
externa del calcio? ¿Por qué es el estrógeno, en vez de la testosterona, el
principal regulador de la masa ósea en hombre?
En las últimas décadas las investigaciones de grupos de bioquímicos y
biólogos moleculares han hecho una enorme contribución al conocimiento de
los mecanismos de acción implicados en el recambio óseo. Estos estudios están
permitiendo establecer unos objetivos terapéuticos que han de jugar un
importante papel en el descubrimiento y desarrollo y nuevos fármacos Aunque
los resultados de los estudios en curso han de continuar para expandir el
conocimiento básico del tratamiento médico primario de la osteoporosis, estos
379
Capítulo 12
datos han de servir como guía al clínico en el desarrollo de un régimen
terapéutico óptimo que trate de resolver las necesidades del paciente que sufre
del desolador problema de la osteoporosis debida principalmente a la
menopáusia y/o al envejecimiento.
13. Abreviaturas
BMD, densidad mineral del hueso; BMP7, proteína morfogenética del
hueso 7; BMU, unidad multicelular básica; Cbfa1 (core binding factor 1),
factor de transcripción específico de osteoblastos; DMO, densidad mineral ósea;
FCE, factor de crecimiento del esqueleto; FRDO, factor de resorción derivado
de los osteoblastos; HTR, terapia de reemplazo hormonal; IGF, factor de
crecimiento insulínico; IL-1, interleuquina-1; IL-6, interleuquina-6;
Linfoquinas, citoquinas segregadas por los linfocitos; M-CSF, factor
estimulador del crecimiento de colonias de macrófagos; Osf2, factor de
transcripción específico de osteoblastos o Cbfa1; OPGL, ligando de la
osteoprotegerina; RANKL, polipéptido de membrana de 316 aminoácidos
ligando del receptor RANK; PTH, hormona paratifoidea; RANK, proteína de
membrana de 616 aminoácidos, se expresa en osteoclastos; SERM,
moduladores selectivos del receptor del estrógeno; SMAD, factor de
transcripción: TGFβ, factor transformante del crecimiento beta; TNFR, receptor
del factor transformante del crecimiento; TNF, factor de Necrosis Tumoral;
VDR, receptor de la vitamina D.
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384
Capítulo 13
Capítulo
13.
ESTRÉS
OXIDATIVO
ENFERMEDAD DE ALZHEIMER
Y
1. Introducción
2. Marcadores patológicos de la enfermedad de Alzheimer
3. Producción del péptido β-amiloide, procesamiento del APP y formación
dependiente de nucleación
4. Proteína tau, microtúbulos y formación de marañas neurofibrilares
5. Especies activas de oxígeno (ROS) y enfermedad de Alzheimer
5.1. Estrés oxidativo y muerte celular. Excitotoxicidad del glutamato
5.2 Transporte electrónico mitocondrial
5.3. Daño oxidativo al DNA y mutaciones en el DNA mitocondrial
6. Procesos inflamatorios, microglia y óxido nítrico
7. Antioxidantes y neuroprotección
8. Estrategias terapéuticas
9. Conclusiones
10. Abreviaturas
11. Bibliografía
1. Introducción
Es cada vez más evidente el papel ubícuo que juega el estrés oxidativo en
las enfermedades neurodegenerativas, aunque hay que distinguir entre la
situación de estrés oxidativo que ocurre en los primeros estadios de la
enfermedad de aquella que es una manifestación secundaria de la degeneración
neuronal. Esta perspectiva subraya el papel del estrés oxidativo en las
enfermedades de Alzheimer, Parkinson y Huntington, esclerosis lateral
amiotrófica y esclerosis múltiple, y enfermedades neurodegenerativas y
neuroinflamatorias, donde se ha demostrado la contribución primaria del estrés
oxidativo en la muerte neuronal, en oposición a otras enfermedades donde el
estrés oxidativo juega un papel secundario.
La enfermedad de Alzheimer es una enfermedad degenerativa crónica y
progresiva, descrita por Alzheimer en 1907. Los síntomas de la enfermedad de
Alzheimer fueron identificados por Emil Kraepelin y la neuropatología
característica fue observada por primera vez en 1907 por Alois Alzheimer, que
trabajaba en el laboratorio del primero. Asi pués, la enfermedad en su conjunto,
fue descubierta por ambos científicos, pero, dada la importancia que Kraepelin
daba a las bases neurológicas de desórdenes psiquiátricos, decició nombrar la
385
Capítulo 13
enfermedad en honor a Alzheimer. Esta enfermedad se describió entonces como
una entidad clínico-patológica que se presenta con progresivo deterioro de la
memoria, la orientación, el habla, y otras funciones relacionadas con la
personalidad y la capacidad visual-espacial. Esta demencia neurodegenerativa,
se caracteriza por fallo en la consciencia en combinación con amiloidosis
cerebral, cambios fibrilares intraneuronales, pérdida neuronal y sináptica y
deficiencias en los neurotransmisores. La enfermedad suele tener una duración
de 10 a 12 años, dependiendo de las caracteristicas de cada paciente y el índice
de incidencia se incrementa con la edad siendo del órden del 3 % entre los 6570 años y del 69 % a los 90 años de edad. Hasta los pasados sesenta se
consideró que la enfermedad de Alzheimer era una consecuencia de la
aterosclerosis cerebral, pero a partir de este momento se profundizó en la
ultraestructura de las lesiones de la corteza cerebral y en las deficiencias en
neurotransmisores específicos y se llegó al reconocimiento de la enfermedad de
Alzheimer como una entidad. A final de los setenta y principio de los ochenta
los estudios se enfocaron en la búsqueda de una lesión neuroquímica, en
particular con respecto al sistema colinérgico pensándose que la enfermedad se
debia a una disminución de la síntesis del neurotransmisor acetilcolina. Esta
hipótesis no ha tenido demasiada relevancia por el hecho de que los
medicamenteos que tratan deficiencias colinérgicas no tienen gran efecto sobre
el curso de esta enfermedad. Otra hipótesis propuesta se relaciona con el
acúmulo de proteinas β-amiloide y tau en los pacientes con esta ennfermedad.
En un pequeño número de casos la enfermedad de Alzheimer se produce por la
aparición de mutaciones de los genes PS1, PS2 y el APP localizado en el
cromosoma 21. En este último caso la enfermedad aparece en pacientes con
síndrome de Down (trisomía en el cromosoma 21) y suele ser transmitida
genéticamente. Posteriores estudios de biología molecular y otras tecnologías
han ofrecido la posibilidad de conocer las alteraciones moleculares de esta
enfermedad. En los últimos años el interés por profundizar en su conocimiento
es cada vez mayor debido a su elevada incidencia en la población de más de 65
años y al requerimiento de cuidados a largo término, que hace que sea urgente
encontar una terapia adecuada.
2. Marcadores patológicos de la enfermedad de Alzheimer
La enfermedad de Alzheimer implica la muerte neuronal regionalizada
unida a la acumulación extra e intracelular de agregados proteicos filamentosos
que forman lesiones denominadas marañas neurofibrilares, placas amiloides
neuríticas o seniles y amiloidosis cerebrovascular. Como factores primarios
responsables de esta patogénesis, se han propuesto diversos parámetros
386
Capítulo 13
independientes que incluyen: el metabolismo anormal de la proteína amiloide
causante de las placas amiloides que forman conglomerados extracelulares, la
hiperfosforilación de las proteínas tau del citoesqueleto que se ensamblan
formando las marañas neurofifrilares en el interior de las neuronas (Figura 1) y
el genotipo de la apolipoproteína E. El β-amiloide es un fragmento proteico que
proviene de una proteína de mayor tamaño denominada APP (Proteína
Precursora de Amiloide) Esta proteína es necesaria para el crecimiento y
supervivencia de la neurona. En la enfermedad de Alzheimer, mediante un
proceso no bien conocido, esta proteína se desdobla en varios fragmentos por
acción de enzimas proteolíticas. Uno de estos fragmentos es el β-amiloide que
se deposita fuera de las neuronas. La enfermedad de Alzehimer se considera
también como una taupatía, debida a la agregación anormal de la proteína tau.
Esta es una proteína que estabiliza los microtúbulos, estructuras conductoras de
nutrientes y otras moléculas desde el cuerpo neuronal a la terminación
nerviosa y viceversa. Cuando los microtúbulos se desestabilizan falla esta
función fisiológica de la neurona, dando lugar a su muerte. Sin embargo,
ninguna teoría explica totalmente las numerosas facetas bioquímicas y
patológicas de la enfermedad. Se considera que la situación de estrés oxidativo
inherente a la edad y la glicoxidación proteica pueden, de manera individual,
explicar aspectos de esta enfermedad.
La enfermedad de Alzheimer implica también una deficiencia en
neurotransmisores múltiples. La alteración más consistente en los
neurotransmisores de la corteza cerebral de estos enfermos es la pérdida de
marcadores colinérgicos, colina acetiltransferasa y acetilcolinesterasa. Además,
existen deficiencias en serotonina, noradrenalina, somatostatina y en factores
que liberan corticotropina.
En pacientes con enfermedad de Alzheimer familiar de iniciación
temprana, se han encontrado mutaciones en el gen que codifica la proteína
precursora del amiloide, que se ubica en el cromosoma 21. El genotipo
apolipoproteina E4 aparece como factor de riesgo en la enfermedad familiar de
iniciación tardía y en la esporádica. También aparecen mutaciones múltiples en
los genes de la presenilina 1 y la presenilina 2. Es importante definir los
factores de riesgo como vía para prevenir esta enfermedad tales como: la edad,
la presencia de alelos de apolipoproteína E4, historia familiar, lesión cerebral y
alteraciones en el habla en la infancia.
En el cerebro de esta clase de enfermos se observan dos anomalías
características: una abundancia de depósitos amiloides extracelulares,
387
Capítulo 13
denominados placas seniles o neuríticas, y depósitos de proteina fibrilar en el
interior de las neuronas, conocidos como marañas neurofibrilares, que
aparecen predominantemente en los lóbulos frontal y temporal (Figura 1).
Figura 1. Neuronas de cerebro normal y de cerebro de enfermo de Alzheimer. El péptido
β -amiloide polimeriza y forma las placas amiloides o neuríticas, que se acumulan en el espacio
extracelular. La proteína tau al sufrir la fosforilación se separa de los microtúbulos y polimeriza
en filamentos helicoidales emparejados y posteriormente en marañas neurofibrilares en el
interior de las neuronas
Las placas seniles están constituidas por depósitos extracelulares
insolubles formados por varios compuestos, siendo el más abundante el péptido
β amiloide. Este péptido, como ya se comentó antes, deriva, por procesamiento
proteolítico, de una proteína de mayor tamaño, la proteína precursora del β
amiloide (APP). Las placas pueden describirse como difusas o clásicas. Las
difusas son agregados amorfos de β amiloide que no se asocian con neuronas
distróficas o neuritas anormales. Las placas neuríticas clásicas contienen densos
agregados fibrilares del β amiloide insoluble rodeados de neuritas distróficas,
astrocitos activos y microglía activa, que se asocian con degeneración y pérdida
neuronal. Las marañas neurofibrilares son agregaciones intracelulares que se
generan cuando la proteína tau se hiperfosforila, se disocia de los microtúbulos
y forma, espontáneamente por polimerización, filamentos helicoidales
388
Capítulo 13
apareados que más tarde ocasionarán las marañas neurofibrilares visibles por
microscopía electrónica en el interior de neuronas distróficas.
Las placas seniles producen reacción inflamatoria alrededor de los
depósitos de β amiloide. Los terminales nerviosos en degeneración en las placas
contienen también proteína tau. A medida que estos procesos celulares se
desarrollan, las neuronas van muriendo en el hipocampo y la corteza. Se
desconoce hasta el momento cual es el primer factor que causa la enfermedad
de Alzheimer, las placas seniles o las marañas neurofibrilares.
Como ya se ha indicado anteriormente, los marcadores patológicos de la
enfermedad de Alzheimer incluyen cambios neuroanatómicos. El examen
microscópico muestra marañas neurofibrilares intracelulares que alteran el soma
neuronal, ocupando gran parte del citoplasma con estructuras filamentosas de
10 nm de diámetro, que se encuentran enrolladas una sobre otra con una
amplitud helicoidal de 800 nm formando filamentos helicoidales emparejados.
En los vasos del hipocampo y la corteza, se observa la existencia de numerosas
placas seniles neuríticas. Las placas neuríticas consisten en agrupamientos de
axones degenerados y terminaciones dendríticas con un núcleo que contiene
filamentos lineales extracelulares formados por el péptido β amiloide. El β
amiloide consiste en un péptido de 38 a 42 aminoácidos plegado en β, que
forma fibras insolubles de conformación plana derivadas de su propia
polimerización.
En los depósitos amiloides de las placas seniles y en los vasos sanguíneos
de la corteza cerebral se encontró un fragmento β amiloide, cuya secuencia de
aminoácidos proporcionó las bases para clonar el gen que expresa el β amiloide.
Este gen codifica la proteína APP, que por proteolisis origina fragmentos de 38
a 42 aminoácidos, el β amiloide. En familias con enfermedad temprana se ha
llegado a identificar un lugar en el brazo largo del cromosoma 21 en la región
duplicada en el síndrome de Down, cercana al gen que codifica APP. La
proteína APP es una glicoproteína del tipo 1 de la superficie celular, que
contiene de 695 - 770 aminoácidos. Consiste en una estructura transmembrana
con un dominio extracelular glicosilado y un dominio corto citoplasmático. La
proteína APP se encuentra implicada en la señalización de la adhesión celular,
crecimiento de neuritas y contacto sináptico. Las formas tempranas de la
enfermedad afectan la expresión y el procesamiento de este precursor (Figura2)
.
389
Capítulo 13
Se han encontrado siete mutaciones en este gen, las cuales elevan la
producción del β amiloide 1- 42, que conlleva las agregaciones fibrilares
neurotóxicas. Sin embargo, en la mayoría de las familias con enfermedad de
Alzheimer temprana, la enfermedad no se relaciona con el cromosoma 21 y
estas mutaciones del gen que codifica la APP cuentan en menos del 1 % de los
casos de enfermedad temprana. Un segundo lugar de mutación, en el
cromosoma 14q, codifica la presenilina 1 (PS1), y se ha estimado que causa un
50% de los casos de enfermedad. Un tercer lugar de mutación, en el
cromosoma 1, codifica la presenilina 2 (PS2), y apareció en dos familiares con
enfermedad temprana familiar. Un cuarto lugar, en el cromosoma 19q, es
importante en la enfermedad tardía. Un gen candidato en esta región codifica la
apolipoproteína E, identificada por su papel en el transporte de colesterol.
Aunque no se han encontrado mutaciones en el gen que codifica la
apolipoproteína E, una de sus tres variantes genéticas la apoE4, aumenta el
riesgo de enfermedad de Alzheimer. La aparición de la enfermedad de
Alzheimer se adelanta 10 - 20 años en personas homozigóticas para los alelos
de la apoE4.
Se ha confirmado que las PS (PS1 o PS2) son, al menos en parte,
esenciales para que la aspartil-proteasa γ-secretasa actúe sobre el APP en el
proceso de liberación del β-amiloide. Los resultados dejan poca duda que las PS
posean actividad γ-secretasa, ya que la ausencia de las PS elimina esta
actividad. No obstante puede ser un co-factor necesario para su actividad.
Recientes estudios atribuyen a la PS1 el papel de subunidad catalítica del
complejo enzimático γ-secretasa.
La apolipoproteína E se produce predominantemente por los astrocitos y se
introduce en las neuronas a través del receptor de las lipoproteínas de baja
densidad. Una vez dentro se une a las marañas neurofibrilares. Las tres
isoformas de apolipoproteína E humana (apoE2, apoE3 y apoE4) varían en su
afinidad por el β-amiloide. El alelo E3 es el que se encuentra más ampliamente
distribuído. Los homocigotos apo E4 presentan un riesgo mayor que los apo E3
de contraer la enfermedad de Alzheimer temprana. Los homocigotos apoE2
son raros y se encuentran protegidos frente a la enfermedad de Alzheimer.
La identidad de otras proteínas indica que las placas seniles son
estructuras complejas que contienen diversas proteínas que incluyen el βamiloide, la proteína tau, la ubiquitina, α1-antiquimotripsina, apolipoproteína E,
presenilinas 1 y 2 y α2-macroglobulina. Se han encontrado deleciones en un gen
390
Capítulo 13
candidato que codifica la α2-macroglobulina, un inhibidor de la proteasa sérica,
en un 30 % de pacientes con enfermedad de Alzheimer. Otro gen que puede
elevar la susceptibilidad a esta enfermedad, es el que codifica el receptor de las
lipoproteinas de baja densidad, ya que este receptor se une a la apolipoproteina
E y a la α2-macroglobulina.
La mayoría de las formas dominantes transmitidas por herencia de la
enfermedad de Alzheimer familiar de aparición temprana, están causadas por
dos genes muy homólogos, el gen de la presenilina 1 en el cromosoma 14 y el
de la presenilina 2 en el cromosoma 1, ambos son miembros de una familia
genética evolutivamente muy conservada. El analisis de su secuencia predice
que la PS1 (467 aminoácidos) y la PS2 (448 aminoácidos), son proteínas que
contienen siete dominios transmembrana, una porción carboxiterminal y otra
amino terminal corta compuesta por aminoácidos hidrofílicos. Se expresan por
todo el cerebro y se localizan principalmente en el retículo endoplásmico, en el
complejo de Golgi y en la membrana celular. Las mutaciones en las
presenilinas, que producen la enfermedad de Alzheimer familiar, no afectan la
codificación de las proteínas, sino que las alteraciones se verifican a nivel posttranscripcional. El mecanismo mediante el cual estas mutaciones promueven la
degeneración neuronal no está del todo esclarecido, sin embargo, estudios in
vitro e in vivo sugieren que actúan promoviendo la deposición del β amiloide
particularmente la forma β amiloide 42. Se ha observado in vitro que la
mutación en PS1-L286V (sustitución de leucina por valina en el codon 286) o
la mutación PS2-N141L (sustitución de asparagina por isoleucina en el codon
141), elevan la susceptibilidad a la apoptosis. En un modelo de mutación de la
PS1-E280A (sustitución de ácido glutámico por alanina), se ha demostrado que
se altera el proceso proteolítico del APP a nivel de secretasas, lo que induce la
superexpresión del β amiloide y la formación de placas. Se ha demostrado
también que el estrés oxidativo y la elevación en el calcio intracelular,
inducidos ambos por estímulos apoptóticos se encuentran exacerbados en
células que expresan mutaciones en estos genes. Estas observaciones sugieren
que las mutaciones en las PS1 y PS2, comparten mecanismos comunes que
inducen la apoptosis por interacción con las neuronas sensibilizadas por el βamiloide que, a su vez, promueve la generación de radicales libres y estrés
oxidativo y alteran la homeostasis del calcio. Con estos datos se llega a la
conclusión que la patología de la enfermedad de Alzheimer familiar (5% de los
casos) se relaciona con la deposición de β amiloide, mutaciones en PS1, estrés
oxidativo y la muerte celular.
391
Capítulo 13
Se desconocen hasta el momento, los efectos celulares de las mutaciones
en el gen del cromosoma 14 que codifica la presenilina1 y en el gen del
cromosoma 1 que codifica la presenilina 2, pero en base a la estructura
transmembrana de la secuencia de estas proteínas, se ha propuesto que las
presenilinas pueden estar implicadas en el tráfico intracelular de proteínas tales
como el APP. Alternativamente, estas proteínas pueden acoplarse a las
proteínas G o actuar cono canales iónicos implicados en la homeostasis del
calcio. Una serie de estudios independientes han llegado a proponer que las
presenilinas contribuyen a la maduración de la proteína APP. Las mutaciones
en el gen de la presenilina1 son responsables de las formas agresivas de
aparición temprana de la enfermedad de Alzheimer que conducen a una elevada
formación del las especies patogénicas del péptido β amiloide.
3. Producción del péptido β-amiloide, procesamiento del APP y
formación dependiente de nucleación
Una de las características de la enfermedad de Alzheimer es la formación
en el cerebro de placas seniles neuríticas. El mayor componente de esas placas
es el péptido β amiloide, producto de la proletolisis del APP. El gen que
codifica al APP da lugar a cuatro formas alternativas o isoformas con 695, 714,
751 y 770 aminoácidos, todas ellas amiloidogénicas. El APP puede hidrolizarse
en tres puntos por tres enzimas proteolíticos. La α-secretasa hidroliza al APP en
la región del β amiloide, impidiendo con ello la formación del amiloide y
segregando una proteína extracelular de 90 - 100 kDa. En un proceso
alternativo el APP puede hidrolizarse en otros dos lugares diferentes; uno de
ellos transmembrana (γ-secretasa) y el otro extracelular (β-secretasa), dando
lugar al β-amiloide soluble, precursor de las placas amiloides. Por tanto, la
formación del péptido β amiloide requiere de la actividad proteolítica de dos
enzimas, la β-secretasa que hidroliza al APP en la zona aminoterminal y la γsecretasa que verifica la hidrolisis en la zona carboxiterminal transmembrana
(Figura 2).
El interes en el péptido amiloide se elevó al máximo al descubrirse una
mutación en el gen que codifica APP en una forma familiar de esta enfermedad.
Esto llevó a creer que la acumulación de β-amiloide en forma de placas
extracelulares como resultado del metabolismo alterado del precursor por
mutación genética, trisomía 21 o factores ambientales, conducía a una cascada
de eventos que incluían la propia maduración de la placa, la formación de
marañas neurofibrilares en el interior de las neuronas, lesión neuronal y los
392
Capítulo 13
sístomas clínicos de demencia.
Tal lesión neuronal podía ser resultado de la neurotoxicidad directa del β
amiloide o de una sensibilización de las neuronas a la agresión excitotóxica,
inducida por el β amiloide. En apoyo de estas teorías se demostró que una
patología de características similares a la enfermedad de Alzheimer podía
observarse en ratones transgénicos que sobreexpresaban la isoforma de 751
aminoácidos del precursor del β amiloide, el homólogo murino del APP y en
aquellos que expresaban las mutaciones del APP. Desde este descubrimiento, se
identificaron un número de casos de enfermedad de Alzheimer familiar
causadas por las mencionadas mutaciones en un gen del cromosoma 14 que
codifica la presenilina1 y en un gen del cromosoma 1 que codifica la
presenilina 2.
Figura 2. Diagrama que muestra la proteína precursora del β-amiloide (APP). Se
muestran los sitios de rotura por las secretasas α, β y γ. La acción secuencial de la secretasa β y
la secretasa γ origina el péptido β amiloide. Los números se refieren al aminoácido donde se
verifica la rotura en la variante de precursor de 770 aminoácidos
El procesamiento del precursor APP y sus alteraciones juegan un papel
importante en la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer, por varias
razones:
(i) Receptores del glutamato. La estimulación de los receptores
metabotrópicos del glutamato puede acelerar la rotura del APP mediante la
generación de diacilglicerol y activación de la proteína quinasa C. De esta
forma se generan derivados solubles no amiloidogénicos. Por ello, la activación
de los receptores del glutamato inhibe la apoptosis neuronal inducida por el
péptido β-amiloide. Como las neuronas glutamaérgicas en la corteza y el
393
Capítulo 13
hipocampo están lesionadas en la enfermedad de Alzheimer, la producción del
amiloide en estas regiones puede encontrarse elevada por deficiencia de la
neurotransmisión glutamaérgica.
(ii) Activación transcripcional del gen que codifica al APP. El péptido
β-amiloide puede acumularse también en cerebro de pacientes afectados con
síndrome de Down, que poseen copias extra de los genes del cromosoma 21
que codifica al APP, y esta debe ser la causa que estos indivíduos padezcan la
enfermedad de tipo temprano. La superexpresión de este gen puede ser un
factor que contribuya al procesamiento aberrante de esta proteína precursora.
(iii) Superexpresión del APP y deficiencias en el metabolismo energético.
El promotor del gen APP contiene elementos de respuesta al choque térmico,
sugiriéndose que la expresión de este gen puede tener un papel de respuesta a la
lesión. Algunos componentes de las placas amiloides se han identificado como
proteínas de respuesta al estrés. Otra hipótesis sugiere que la superexpresión del
gen APP causa anormalidades mitocondriales estructurales y disminuye la
actividad del complejo IV de la cadena de transporte electrónico.
Alternativamente, los inhibidores del metabolismo oxidativo energético elevan
notablemente la rotura proteolítica del APP y predisponen a una producción
incrementada del β-amiloide en cerebro con enfermedad de Alzheimer
El amiloide se ha definido como un agregado fibroso de proteínas
insolubles con afinidad por rojo Congo y tioflavina T. Los procesos de
agregación proteica ordenada se verifican por vías de polimerización
dependientes de nucleación. Ejemplos de esta agregación son tan diversos como
la formación de microtúbulos, el ensambaje de la cubierta de los virus, la
formación de flagelos y la formación de fibrillas en células falciformes. Estos
procesos se caracterizan por:
(a) una fase lenta de nucleación en la cual la proteína sufre una serie de
reacciones desfavorables de asociación, que van a dar lugar a un núcleo
oligomérico ordenado,
(b) una fase de crecimiento en la que el núcleo crece rápidamente para
formar grandes polímeros y,
(c) una fase de estabilidad en la cual el agregado y el monómero se
encuentran en equilibrio.
Las características típicas de la polimerización dependiente de nucleación
394
Capítulo 13
son las siguientes:
1. no ocurre agregación a concentraciones proteicas por debajo de una
concentración crítica;
2. a concentraciones proteicas que exceden muy poco la concentración
crítica, existe un lapso de tiempo antes de que se verifique la
polimerización; y,
3. durante este lapso de tiempo la adición de un núcleo exógeno o
gérmen, da lugar a una inmediata polimerización.
En un modelo típico de polimerización, el polímero no se detecta hasta que
la concentración de monómero excede un nivel crítico. Por debajo de este nivel
predomina la concentración del monómero, pero a medida que se eleva va
predominando la del polímero, mientras que la del monómero permanece. El
fenómeno de concentración crítica refleja la cooperatividad de la formación del
núcleo, lo que implica una serie de equilibrios desfavorables, aunque sea muy
favorable la constante de equilibrio, que caracteriza la fase de crecimiento (Kg
>> Kn) (Figura 3).
Figura 3. El modelo más simple de mecanismo dependiente de la nucleación muestra una
serie de equilibrios de asociación desfavorable proteína - proteína (Kn) que origina un núcleo
inestable, seguido de una serie de equilibrios favorables (Kg) que culminan en la formación de la
fibrilla. La concentración crítica resulta del cambio entre ambos equilibrios (Harper 1997).
La concentración crítica es equivalente a la constante de equilibrio del
crecimiento (Kg) y describe la solubilidad de la proteína en condiciones
normales. Las consecuencias fisiológicas de este mecanismo de agregación
395
Capítulo 13
ordenada que sigue a la vía dependiente de la nucleación, significa que la
concentración de proteína y el tiempo son dos factores importantes en la
determinación del estado de agregación. Como la concentración intrínseca
crítica del β-amiloide medida in vitro puede ser 3 o 4 órdenes de magnitud
superior a la encontrada in vivo, ha de tener lugar un mecanismo de
supersaturación local, para que el núcleo de β-amiloide se forme y crezca. La
supersaturación se puede retrasar, retrasandose así el proceso al cual la proteína
está normalmente expuesta. En estas condiciones un débil incremento en la
concentración del β-amiloide puede inducir una inmediata agregación. Han de
tenerse en cuenta al menos otras dos variables, resultantes de las características
del mecanismo dependiente de la nucleación:
(1) El tiempo durante el cual la proteína está localmente supersaturada, es
crítico. La liberación de la proteína del estado supersaturado antes de la
formación del núcleo, puede ocurrir en los momentos inicales y eso explica
por qué no se forma la placa de amiloide en condiciones normales. Sin
embargo, si la dilución del β-amiloide ocurre después de la nucleación la
agregación continuará. Aunque la formación de la fibrilla amiloide esté lejos de
su concentración crítica, la lentitud de su desagregación permite que la fibrilla
sea irremediablemente atrapada o fijada con la formación de la placa amiloide.
Las moléculas endógenas pueden ejercer efectos que retrasen la desagregación,
aceleren la fijación o ambas cosas. Es también importante identificar los
mecanismos de supersaturación local, que favorecen la nucleación. Una vez
que estos mecanismos sean identificados será importante conocer los factores
que controlan la duración de la supersaturación local. Alguno de estos factores
es sensible al envejecimiento, el mayor factor de riesgo para la enfermedad de
Alzheimer (Figura 4).
396
Capítulo 13
Figura 4. La formación del amiloide in vivo implica la supersaturación local para que
ocurra la formación de la placa. Esta etapa es parte de un proceso celular normal que se
prolonga anormalmente en la enfermedad de Alzheimer. La duración del estado supersaturado
debe ser lo suficiente corta para que la nucleación no tenga la posibilidad de ocurrir (flecha A).
Si este tiempo se prolonga en la enfermedad entonces se producirá la nucleación (flecha B)
(Harper 1997).
(2) El otro mecanismo se basa en que la formación de amiloide se
desencadene por internalización de una fibrilla preformada (núcleo exógeno),
en un compartimento supersaturado, lo cual induce una inmediata agregación.
En el caso de la agregación del β-amiloide en la enfermedad de Alzheimer, las
fibrillas internalizadas actuan como núcleos de polimerización del amiloide
recientemente producido. Alternativamente fibrillas de componente no βamiloide pueden inducir la polimerización heterogénea del β-amiloide, tal y
como se indica en la Figura 5.
397
Capítulo 13
Figura 5. La polimerización del β−amiloide promovida por núcleo exógeno tiene que
verificarse en un medio localmente supersaturado. El núcleo exógeno puede ser homogéneo
(gris) o heterogéneo (negro) (Harper 1997).
4. Proteína tau, microtúbulos y formación de marañas
neurofibrilares
La proteína tau es una proteína neuronal localizada mayoritariamente en el
axón, y en menor grado en los cuerpos celulares y está casi ausente en las
dendritas. Se encuentra asociada a microtúbulos y su presencia no es esencial
para el desarrollo debido a la redundancia funcional y a la presencia de otras
proteínas asociadas a microtúbulos. Sin embargo, en situaciones patológicas,
tau puede hiperfosforilarse y ensamblarse consigo misma de manera aberrante
(Figura 6). Estas modificaciones conducen a alteraciones neurológicas,
principalmente demencias que se conocen con el nombre de taupatias.
Los microtúbulos son componentes esenciales del citoesqueleto celular y
tienen una gran importancia en la formación de los axones y dendritas y de sus
contactos específicos. Son responsables de la formación y mantenimiento de la
morfología celular y de sus conexiones específicas. Las proteínas asociadas a
398
Capítulo 13
los microtúbulos contribuyen a la estabilidad de éstos, a la regulación de su
dinamismo, y son esenciales para su funcionamiento.
Las proteínas tau son una de las dos clases principales de proteínas
asociadas a microtúbulos que se encuentran en cerebro. Por unión simultánea a
diversas moléculas de tubulina no polimerizadas, estas proteínas aceleran el
proceso de nucleación en la polimerización de la tubulina. Las proteínas tau
modificadas se encuentran implicadas en la formación de las marañas
neurofibrilares de la enfermedad de Alzheimer. La molécula de tau comprende
cuatro dominios: región aminoterminal, dominio rico en prolina, región unida a
los microtúbulos (tubulina) y dominio carboxiterminal.
Figura 6. Esquema que muestra la formación de filamentos helicoidales apareados y
marañas neurofibrilares. Cuando la proteína tau no está unida a microtúbulos puede sufrir la
fosforilación y la formación de filamentos helicoidales, que se agregan para formar las marañas
neurofibrilares. Tanto la formación de filamentos helicoidales como la despolimerización de los
microtúlulos ocasionan disfunción neuronal y muerte de las neuronas. (Ávila et al., 2004)
La región aminoterminal contiene secuencias ácidas y su tamaño es
variable. Esta región se encuentra implicada en la unión a cationes (metales).
Contiene un motivo KKXK, que se ha propuesto como sitio de unión a la
399
Capítulo 13
heparina. La región rica en prolina, contiene una gran cantidad de residuos con
capacidad para ser fosforilados, algunos de ellos seguidos de un residuo de
prolina y otros dentro de los motivos PPXXP y PXXP, que son secuencias
relacionadas con las interacciones de tau y proteínas con dominios SH3. Esta
región rica en prolina desempeña una misión importante de unión a los
microtúbulos. La región de unión a los microtúbulos contiene copias de una
repetición de 31-32 residuos similares, pero no idénticos, que contiene una
secuencia conservada de 18 aminoácidos ácidicos y una menos conservada de
13-14 residuos, conocida como la región inter repeticiones. Esta región posee
un sitio adicional de unión a la heparina, y se ha identificado un motivo
presente en la proteína serpina. La proteína tau muestra una estructura plegada
al azar con una forma terciaria no globular. Sin embargo, se ha propuesto una
estructura en lámina beta en la región de unión a los microtúbulos. Finalmente,
la región carboxiterminal de la proteína tau presenta también una región rica en
prolina con residuos que pueden fosforilarse y una región ácida hacia el COOH
terminal. Además, esta región contiene un motivo parecido al de la subunidad β
de la piruvato deshidrogenasa (VVSPWNS).
La modificación de tau por fosforilación disminuye su afinidad por los
microtúbulos y afecta a su capacidad para agregarse o interaccionar con otras
proteínas. Su localización intracelular es citoplasmática. La localización de la
proteína tau en el cerebro de enfermos de Alzheimer es notablemente anormal y
puede contribuir a la disfunción neuronal. En enfermedad de Alzheimer, la
proteína tau y los neurofilamentos, se transforman en filamentos helicoidales
apareados tau positivos. Esto va unido a un cambio post-traduccional en la
proteína por hiperfosforilación catalizada por una serie de proteína quinasas.
La fosforilación está íntimamente ligada al estrés oxidativo a través de la vía
MAPK y de la activación del NFκB. Las neuronas piramidales del hipocampo
que sufren la degeneración muestran mayores niveles de carbonilos libres,
aductos de peróxidos lipídicos y nitrotirosina. La proteína tau in vitro es un
sustrato para una multitud de proteína quinasas, entre las que se incluyen la
CAM quinasa II, la caseína quinasa II y las PKA, ERK2 y GSK3. La quinasa
dependiente de ciclina 5 en conjunción con su activador específico de neuronas
p35 (cdk5/p35), es otra proteína quinasa implicada en la hiperfosforilación de
tau. La rotura proteolítica de la unidad reguladora p35 por la calpaina, produce
p25 que se acumula en el cerebro de los enfermos de Alzheimer. Esta rotura
proteolítica se induce por el péptido β-amiloide en neuronas corticales. Otra
proteína quinasa implicada en la fosforilación de tau en la enfermedad de
Alzheimer es la MARK, que fosforila preferentemente los motivos KXGS en
400
Capítulo 13
los dominios de unión a los microtúbulos. La MARK fosforila la proteína tau
en la serina 262, aunque también pueden ser fosforiladas las serinas en 293, 324
y 356. De hecho, parece ser que la fosforilación de la serina 262 es un evento
inicial que contribuye a la disfunción de tau y a la formación de filamentos
helicoidales apareados tau positivos y a las marañas neurofibrilares. Los
filamentos helicoidales están fosforilados al menos en 19 sitios de los cuales 9
tienen un motivo serina-treonina-prolina (figura 7).
Una consecuencia significativa de la hiperfosforilación de la proteína tau,
en la enfermedad de Alzheimer, es la disminución de la capacidad de unirse a
los microtubulos y promover su ensamblaje. La proteína tau hiperfosforilada
contribuye a una desestabilización del entramado microtubular, a la alteración
del transporte axonal y por último a la formación de marañas neurofibrilares y
a la muerte celular. Es suficiente la fosforilación de tau en pocos sitios dentro
de las regiones de unión a los microtúbulos (ser262, ser356 y en menor grado
ser293 y ser324), para disminuir su capacidad de unión a los microtubulos.
Otro hecho interesante es que la proteína tau hiperfosforilada es mucho más
resistente a la degradación por la calpaina, una proteasa activada por calcio.
Esto puede ser resultado de la autoasociación de la proteína tau que ocurre en
todos los dominios de unión a los microtubulos, por lo cual se reduce la
accesibilidad de la calpaina a estos sitios. La autoasociación de la proteína tau
se potencia cuando el ambiente está más oxidado. Otra consecuencia
significativa de la mayor agregación de tau en un medio oxidado es la glicación
(adición no enzimática de azucares reductores a una proteína). Esto ocurre sobre
residuos de lisina y da origen a las bases de Schiff. Los filamentos helicoidales
apareados de tau glicados e hiperfosforilados muestran una capacidad de unión
a los microtubulos todavía menor que la de la proteína tau soluble
hiperfosforilada pero no glicada. El entrecruzamiento oxidativo hace a las
proteínas más resistentes a ser eliminadas por proteolisis al inhibir la actividad
del proteosoma. Por tanto, el entrecruzamiento oxidativo puede contribuir de
manera significativa al acúmulo de conjugados de ubiquitina en las marañas
neurofibrilares. Se han detectado niveles elevados de ubiquitina en muchas
enfermedades degenerativas.
La polimerización de la proteína tau se verifica en presencia de una
elevada concentración de proteína. Una serie de factores favorecen la
polimerización tales como: la desaminación con formación de isoaspartato, los
sulfoglicosaminoglicanos (facilitan en ensamblaje) y la oxidación con
implicación de metales.
401
Capítulo 13
Figura 7. Estructura de la proteína Tau y mecanismos que conducen a su fosforilación,
autoensamblaje de tau fosforilada, formación de filamentos helicoidales emparejados (PHF) y
marañas neurofibrilares (NTF). CKII, caseina quinasa; cdk5, quinasa dependiente de ciclina 5;
GSK3, glucógeno sintasa quinasa 3; MAPK, proteína quinasa activada por mitógenos; PDPK,
proteína quinasas dirigidas a prolina; no PDPK, proteína quinasas no dirigidas a prolina;
PIN1, prolil isomerasa (carabina); PKA, proteína quinasa A; PKC, proteína quinasa C; PP1 y
PP2A, proteína fosfatasas; TMAO, N-oxi-trimetilamina; WNT, ligando que se une al receptor
Frizzled e inicia una cascada de reacciones. (Sánchez, Alvarez-Tallada y Ávila, 2001)
Estudios
de
la
polimerización
de
tau
inducida
por
sulfoglicosaminoglicanos han indicado que la región más pequeña necesaria
para que tau pueda agregarse está presente en el motivo de unión a la tubulina.
La acumulación de las marañas neurofibrilares sucede de una forma
ordenada con seis etapas de evolución en la destrucción de la corteza cerebral
comenzando por la corteza transentorrinal y entorrinal hasta llegar a la
isocorteza. En la enfermedad de Alzheimer la patología de tau se realiza con la
fosforilación de la proteína, la pérdida de la capacidad de unión a los
microtúbulos y la formación de marañas neurofibrilares. La fosforilación de tau
se eleva en presencia de:
402
Capítulo 13
•
•
•
proteína quinasas dirigidas a prolina, como la GSK3, que fosforilan
principalmente la región rica en prolina y la región C-terminal;
proteína quinasas no dirigidas a prolina, como la PKA y la PKC, que
fosforilan la región de unión a los microtúbulos; y
las MAP quinasas y otras quinasas (caseina quinasa) que fosforilan la
región N-terminal.
Figura 8. A: Fosforilación y ensamblaje de Tau. Tau puede ser fosforilada por diferentes
quinasas. La GSK3 (glucógeno sintasa quinasa 3) juega un papel importante en la fosforilación.
La actividad GSK3 se regula por factores extracelulares como la insulina, β-amiloide, WNT, etc,
o por fosforilación de otras quinasas tales como proteína quinasa A (PKA). Por otro lado, la
desfosforilación se realiza por diferentes fosfatasas, aunque la PP2A (proteína fosfatasa) parece
jugar un papel importante y está regulada por una variedad de factores intracelulares. B: la
proteína Tau fosforilada puede ensamblarse en presencia de HNE (hidroxinonenal) derivado de
la oxidación de los ácidos grasos (peroxidación). Otros factores que facilitan la polimerización
incluyen mutaciones específicas que aparecen en Tau de pacientes de Parkinson con demencia
frontotemporal ligada al cromosoma 17 (FTDP-17), la presencia de sGAG
(sulfoglicosaminoglicanos), otros polianiones y acidos grasos (Avila et al., 2004, modificado).
La hiperfosforilación de tau afecta a la estructura y función de la molécula,
aumenta la resistencia a la proteolisis y disminuye la afinidad por los
403
Capítulo 13
microtúbulos, favoreciendo la dimerización de tau y su interacción con otras
proteínas. Estos cambios en la fosforilación de tau se observan en otras
enfermedades, las taupatías, como resultado de isquemia cerebral, apoptosis o
estrés celular.
Lesiones neurofibrilares tau positivas, que se forman en el interior de las
células nerviosas de la corteza cerebral y del hipocampo y de dendritas apicales
y distales, son las que se relacionan con la demencia. Las células nerviosas van
degenerando y mueren debido a esas lesiones neurofibrilares. Las lesiones
aparecen como marañas neurofibrilares en las células nerviosas. En las neuritas
anormales aparecen, a veces, asociadas a las placas amiloides.
Los filamentos tau sufren glicación y oxidación no enzimática que van a
dar lugar a los productos terminales de glicación avanzada (AGE). La
formación de los AGE ocurre cuando las proteínas de vida larga, ricas en lisina,
(como tau), se encuentran frente a elevadas concentraciones de aldosas o fosfato
de aldosas. En los filamentos de proteína tau se encuentran presentes AGE
modificados y productos Amadori helicoidales. Como consecuencia de la
glicación la proteína tau genera ROS y estrés oxidativo en neuronas, lo que
conduce a la activación de la transcripción vía NFκB. Cuando el estrés
oxidativo deriva de elevados niveles de ROS, ocasiona lesión y muerte
celulares, sin embargo, concentraciones moderadas de ROS afectan a las vías
señalizadoras. De esta manera, el NFκB se activa por las ROS y las ROS,
generadas por la proteína tau, inician el mecanismo que origina la traslocación
al núcleo del complejo p50/p65. También como consecuencia de la glicación, la
proteína-tau ejerce impacto sobre la expresión de genes neuronales,
especialmente de citoquinas. Se ha observado la activación transcripcional de la
interleuquina 6 (IL-6) en el lugar NFκB del promotor IL-6.
5. Especies activas de oxígeno y enfermedad de Alzheimer
Las ROS se forman como subproductos de la respiración y metabolismo
oxidativo en todos los organismos aerobios. El oxígeno es necesario para todas
las células aerobias para generar energía, pero tiene el inconveniente de generar
pequeñas cantidades de especies reactivas que pueden causar lesiones en las
macromoléculas. El estrés oxidativo se refiere a las consecuencias
citopatológicas del desequilibrio entre la generación de ROS y la capacidad de
la célula para defenderse de ellos.
404
Capítulo 13
Una hipótesis unificada propone que los procesos oxidativos intervienen, a
nivel individual o sinérgico, en el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer.
Las evidencias de estrés oxidativo en cerebro de estos enfermos proceden de
estudios que demuestran peroxidación lipídica, elevación de los carbonilos
proteicos y en la tasa de oxidación del DNA mitocondrial. El estrés oxidativo
da lugar a compuestos reactivos derivados de los lipoperóxidos, tales como el
malondialdehido (MDA) y el 4-hidroxinonenal (4-HNE), los cuales inducen un
espectro de modificaciones en las proteínas por entrecruzamiento o no. El
estrés oxidativo interviene en la formación de las neurofibrillas, ya que se han
encontrado proteínas oxidadas en dichas formaciones intracelulares (Figura 9).
Las pruebas evidentes de estrés oxidativo en la enfermedad de Alzheimer se
basan en los siguientes aspectos:
1. elevada vulnerabilidad del cerebro a la oxidación debido al elevado
requerimiento de oxígeno y a los bajos niveles de GSH
2. evidencias post mortem en zonas cerebrales de enfermos de Alzheimer
de elevada concentración de productos finales de oxidación, elevados
niveles de proteínas modificadas por oxidación (AGE), de aumentos
en la oxidación del DNA y de lípidos de membrana y modificaciones
oxidativas en las marañas neurofibrilares.
3. procesos inflamatorios en áreas del cerebro afectadas por enfermedad
de Alzheimer,
4. generación directa o indirecta de ROS por los agregados de βamiloide.
El mecanismo mediante el cual el β-amiloide causa degeneración neuronal
permanece aún poco claro y una teoría que emerge cada vez con más fuerza es
que el β amiloide se encuentra en casos de microambientes de estrés oxidativo.
Inicialmente se demostró que el propio péptido β amiloide era capaz de
promover toxicidad en células nerviosas en cultivo. En dicha toxicidad se
encontraba implicada la generación de ROS y estrés oxidativo, ya que se ha
observado que la vitamina E protegía a las células de sufrir lesión.
Posteriormente se encontró que también el β amiloide generaba ROS en medio
acuoso, por un mecanismo dependiente del oxígeno, pero independiente de
metales y que el β amiloide era un iniciador muy poderoso de la peroxidación
lipídica. El peróxido de hidrógeno (H2O2) media la toxicidad del β amiloide y
405
Capítulo 13
además este péptido induce la actividad del factor de transcripción NFκB a
través de estrés oxidativo. Se ha observado, también, que la catalasa y los
reactivos que inhiben las flavina oxidasas bloquean la producción de H2O2 y la
toxicidad del β amiloide.
Figura 9. Mecanismo que conduce a la muerte neuronal en enfermedad de Alzheimer. Las
ROS promueven la peroxidación de los ácidos grasos poliinsaturados de la membrana y la
formación de aldehidos tales como malondialdehido y 4-hidroxinonenal (HNE), que son capaces
de alterar las ATPasas de membrana y elevar el calcio intracelular que inicia una cascada de
eventos que a su vez generan ROS y muerte de la neurona (Martín 1999, modificado).
Como se comentó con anterioridad, los AGE son una familia de productos
complejos que surgen por modificación post traduccional de las proteínas y se
deben a la reacción de los azúcares reductores con los grupos amino de las
proteínas, vía la reacción de Maillard. Aunque los AGE se han estudiado
principalmente por su implicación en la diabetes, está cada vez más claro que
la glicación de las proteínas ocurre in vivo en indivíduos no diabéticos. El
estrés oxidativo, además, incrementa la frecuencia de autooxidación de los
lípidos insaturados de la membrana, inducida por el radical hidroxilo y la
fragmentación de los lípidos hidroperóxidos resultantes, mediada por metales
reducidos, y libera aldehidos reactivos que pueden modificar las proteínas de
una manera similar a lo que ocurre en los AGE. Estas modificaciones ejercen un
mayor efecto en proteínas ricas en lisina con neutralización de su carga y la
consiguiente alteración de las interacciones electrostáticas entre proteínas y
ocasionalmente con entrecruzamientos intra e intermoleculares.
406
Capítulo 13
Aunque la formación de AGE o la situación de estrés oxidativo pueden
individualmente conllevar a modificaciones patológicas de las proteínas
neuronales, estos dos factores juntos pueden actuar de manera sinérgica y
acelerar la alteración de las proteínas.
La formación de aductos y la evolución de los AGE, se acelera en
presencia de oxígeno en un proceso denominado glicoxidación (glicación y
oxidación). La condensación de azúcares reductores con los grupos amino de
las proteínas y el subsiguiente reordenamiento en la reacción de Amadori, antes
citada, conduce a un equilibrio entre el enediol y la enolamina que puede
catalizar la reducción, dependiente del NADPH, del O2 a anión superóxido. Tal
acción redox origina lesión en los lugares específicos de la proteína donde se
inserta el azúcar, y un ejemplo de esto es que las proteínas glicadas contienen
invariablemente modificaciones oxidativas. Además, la glicación de los lípidos
de las membranas puede ser el mecanismo iniciador de la peroxidación lipídica.
La evidencia de este panorama es que el malondialdehido (MDA), producto de
la peroxidación lipídica, cuya concentración se encuentra elevada en las
marañas neurofibrilares, se induce por los AGE en líneas celulares en cultivo.
En resumen, la modificación de proteínas por oxidación, glicación y los
productos de la peroxidación lipídica pueden tener lugar por mecanismos
aditivos y sinérgicos.
Se ha revelado un incremento significativo en la oxidación de proteínas en
el polo frontal y occipital de humanos ancianos normales comparados con
controles jóvenes. Otras regiones del cerebro revelaron que el contenido en
carbonilos proteicos se incrementa en cerebelo de pacientes con enfermedad de
Alzheimer en un 42% en el hipocampo y en un 37% en el lóbulo parietal
inferior, cuando se establecieron comparaciones con controles sanos de la
misma edad. Estos y otros estudios han demostrado que en cerebro de pacientes
con enfermedad de Alzheimer las proteínas están más oxidadas que en controles
sanos y se encuentran en mayor proporción en regiones que contienen
alteraciones histopatológicas severas. La oxidación del DNA es tres veces
superior en el DNA mitocondrial en la corteza parietal, mientras que el DNA
nuclear muestra incrementos menores aunque significativos.
En la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer han de considerarse
diversas vías que promueven el estrés oxidativo. En primer lugar, se ha
observado que el hierro, elemento que cataliza la generación de las ROS
(reacción de Fenton), se encuentra en concentraciones más elevadas de lo
normal en las neuronas que acarrean marañas neurofibrilares. Dicho incremento
407
Capítulo 13
origina modificaciones en las proteínas cuya reacción con azúcares reductores
se encuentra catalizada por iones metálicos. En segundo lugar, la microglia se
activa e incrementa el número de sus células en enfermedad de Alzheimer y
representa una de las mayores fuentes de radicales libres. En tercer lugar, el
aluminio se encuentra también en concentraciones elevadas en neuronas que
poseen marañas neurofibrilares, y este elemento se sabe que ejerce un efecto
estimulador sobre la peroxidación lipídica inducida por hierro. Además, las
alteraciones en la membrana que se observan en neuronas y neuritas en
degeneración, quizás como resultado de la peroxidación lipídica, conducen a un
influjo de calcio que puede desestabilizar el citoesqueleto y activar enzimas
específicos. Una nueva hipótesis respecto a los radicales libres y la enfermedad
de Alzheimer, propone que los fragmentos del β amiloide forman
espontáneamente radicales libres de péptidos por un mecanismo independiente
de metales, e induce la acumulación de ROS en cultivos de neuronas y
sinaptosomas. (Figura 9).
La hipótesis del estrés oxidativo en la enfermedad de Alzheimer se basa en
lo siguiente:
1. La neurotoxicidad del β amiloide mediada por peróxidos y por
peroxidación de los lípidos de la membrana, que conduce a la muerte
celular.
2. El β amiloide recluta y activa las células de la microglia (células
inflamatorias) las cuales, a su vez, generan grandes cantidades de ROS.
Algunos inhibidores de proteasas (α1-tripsina, trombina, catepsinas B y D)
se encuentran en asociación con las lesiones patológicas de la enfermedad de
Alzheimer y este desequilibrio proteolítico se ha hecho también responsable de
muchas de las características de esta enfermedad. Tal desequilibrio puede
originarse debido a la inactivación de la α1-antitripsina, que surge de la
oxidación de la metionina del centro activo, en un mecanismo patogénico
similar al descrito en el enfisema.
Existe una asociación estrecha entre los elevados niveles de enzimas
antioxidantes, superóxido dismutasa y hemooxigenasa y las anormalidades en el
citoesqueleto que aparecen en la enfermedad de Alzheimer. Aparentemente, las
neuronas normales no muestran incrementos en los marcadores antioxidantes, lo
que parece indicar que existe una estrecha relación entre las anormalidades del
citoesqueleto y el estrés oxidativo. Esta observación hace pensar en una
408
Capítulo 13
respuesta de la célula frente al estrés oxidativo, aunque la elevación de la
actividad superóxido dismutasa puede no ser necesariamente protectora si no va
acompañada de un incremento concomitante de la catalasa. La oxidación
enzimática del hemo por la hemooxigenasa-1 para generar la biliverdina, un
potente antioxidante, indica también una respuesta celular al estrés oxidativo,
ya que este enzima se induce por estrés oxidativo y por choque térmico. Se han
detectado incrementos en la inmunoreactividad a la hemooxigenasa en neuronas
con marañas neurofibrilares y en astrocitos de cerebros con enfermadad de
Alzheimer. Por otro lado, esta reacción da lugar a la producción
estequeométrica de monóxido de carbono que posee propiedades
neurotransmisoras que han de considerarse por sus posibles efectos
farmacológicos
5.1. Estrés oxidativo y muerte celular. Excitotoxicidad del glutamato,
El estrés oxidativo se ha asociado con ambas formas de muerte celular,
apoptosis y necrosis. El estrés oxidativo puede inducir la necrosis ya que la
agresión de las ROS a los lípidos puede alterar los gradientes iónicos de
membrana y producir ruptura de la membrana plasmática y lisis celular. Por
ejemplo, las neuronas de una línea celular hipotalámica, sufren necrosis al
exponerse al sulfóxido de sulfoximina, un agente que depleciona el GSH. Las
neuronas corticales cuando se cultivan en medio pobre en cisteina, aminoácido
precursor del GSH, mueren por apoptosis. La inhibición de la superóxido
dismutasa induce también la apoptosis. La lesión oxidativa del DNA es uno de
los desencadenantes de la apoptosis. El DNA oxidado produce la activación de
un enzima nuclear, la poli (ADP-ribosa) polimerasa, que se encuentra
involucrada en la reparación del DNA. La proteolisis de esta enzima impide su
acción en los lugares de lesión del DNA.
Es muy poco lo que se conoce acerca de los factores específicos que
determinan los mecanismos mediante los cuales el estrés oxidativo puede ser el
mediador de la apoptosis de las neuronas. Sin embargo, se sabe que estos
procesos juegan un papel importante en el fenotipo celular, la ubicación de la
lesión oxidativa y la intensidad de la agresión. Si esta última es elevada el
resultado es necrosis, y si es baja se produce la apoptosis.
La vulnerabilidad selectiva de los sistemas neuronales es una de las
características notables de las alteraciones degenerativas dependientes de la
edad. En el mecanismo que desencadena la muerte neuronal interviene el
estimulo excesivo de los receptores ionotrópicos del glutamato. El glutamato y
409
Capítulo 13
los aminoácidos acídicos relacionados son los mayores neurotransmisores
excitatorios en el cerebro y pueden ser utilizados por el 40% de las sinapsis. De
esta manera, existen dos mecanismos convergentes, el estrés oxidativo y la
activación excesiva de los receptores ionotrópicos del glutamato. Ambos
representan procesos secuenciales que interaccionan proporcionando una vía
final común para la vulnerabilidad celular en cerebro. La amplia distribución de
los procesos que regulan el estrés oxidativo y median la transmisión
glutamaérgica, puede explicar la variedad de alteraciones en las que los dos
mecanismos se encuentran implicados.
Existen tres subtipos de receptores ionotrópicos del glutamato que se
denominan en base a sus agonistas: el N-metil-D-aspartato (NMDA), el
quiscualato/ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiónico (AMPA) y
el ácido kaínico (KA). El clonaje de los genes que codifican los polipéptidos
que forman los diversos receptores del glutamato, revela una gran
heterogeneidad molecular, diversidad farmacológica, y variación biofísica. El
cambio post transcripcional de los mRNA transforma los receptores no NMDA
de tal forma que permiten el paso al Ca2+ y mantienen sólo el Na+ circulante
(Figura 10).
Figura 10. Excitotoxicidad del glutamato y receptores α-hidroxi-glutamaérgicos
ionotrópicos. Vías intracelulares que contribuyen al estrés oxidativo en neuronas. PLA2 =
fosfolipasa A2; PL = fosfolípidos; AA = ácido araquidónico; PKC, proteína quinasa C; NO,
óxido nítrico; NOS, óxido nítrico sintasa; O2.-, radical superóxido; OONO-, peroxinitrito; SOD,
superóxido dismutasa.
410
Capítulo 13
La excitotoxicidad se refiere a la excesiva activación de los receptores
ionotrópicos del glutamato que conlleva a la muerte celular. La excitotoxicidad
es importante en la degeneración neuronal después de agresiones agudas como
hipoxia, isquemia y trauma y juega un papel importante en las enfermedades
neurodegenerativas. Aunque el influjo del sodio a través de los canales iónicos
dependientes del glutamato, puede mediar formas agudas de degeneración
neuronal, el calcio también es crítico a la hora de intervenir en la muerte celular
inducida por activación de los receptores NMDA y no NMDA.
Es un hecho aceptado que el estrés oxidativo se encuentra involucrado en
la muerte celular por excitotoxicidad. Después de la activación de los receptores
NMDA y KA, el número de radicales libres se eleva y se registran alteraciones
oxidativas en los lípidos. Los eventos ligados a los receptores del glutamato,
pueden activar vías intracelulares generadoras de radicales libres, desacoplantes
del transporte electrónico mitocondrial, que deprimen los sistemas
antioxidantes. Además, los mismos radicales libres pueden elevar la liberación
del glutamato o disminuir su eliminación de las crestas sinápticas, lo que
conlleva a una elevación de la concentración de glutamato en la hendidura
sináptica. Esto conduce a un círculo vicioso que se perpetúa a si mismo, en el
cual la activación de los receptores del glutamato produce una elevación en la
tasa de ROS, la cual origina una posterior activación de los receptores del
glutamato.
La pérdida de las neuronas del hipocampo por apoptosis es una
característica prominente de la enfermedad de Alzheimer. Un factor que
contribuye a la susceptibilidad de la muerte celular prematura surge de los
efectos citotóxicos de la deposición del β amiloide en los lugares cercanos a la
degeneración neuronal. Al mismo tiempo, las neuronas que sufren apoptosis
generan especies tóxicas derivadas del β-amiloide. La patogénesis de la
enfermedad de Alzheimer implica la formación y deposición del β-amiloide,
que ocurre como consecuencia genética (15% de los casos) o de otros factores
(85% de los casos), lo cual provoca la activación parcial de las vías apoptóticas
en neuronas susceptibles. Las células sensibilizadas producen, a su vez,
elevadas cantidades del β amiloide, lo que lleva a exacerbar un ciclo que
culmina en la pérdida neuronal progresiva. Durante la apoptosis la caspasa-3,
además de intervenir en la rotura del DNA dando lugar a la apoptosis, actúa
sobre el APP y lo hidroliza. El lugar predominante de acción proteolítica de la
caspasa es en el dominio citoplasmático del APP y ocurre principalmente en las
neuronas del hipocampo, en condiciones de excitotoxicidad aguda o lesión
411
Capítulo 13
cerebral isquémica. La hidrólosis del APP por la caspasa influye en la
formación del β amiloide. Por tanto, la caspasa tiene un doble papel: proteolisis
del APP con la consiguiente elevación del β amiloide y apoptosis y muerte
neuronal
5.2 Transporte electrónico mitocondrial
Entre las vías intracelulares específicas que directa o indirectamente
contribuyen al estrés oxidativo en las enfermedades degenerativas se
encuentran: el transporte electrónico mitocondrial, la xantina oxidasa, la
activación de las células de la microglia y las vías asociadas al óxido nítrico
(NO), el metabolismo del ácido araquidónico y la activación de proteasas. Entre
ellas juega el papel más importante el transporte electrónico mitocondrial por
ser la mitocondria la fuente intracelular primordial en la generación de ROS. La
dispersión de electrones a lo largo de la cadena electrónica, genera ROS. Esta
producción se eleva en presencia de factores que estimulan la respiración, tales
como concentraciones bajas de sustratos dependientes del NAD+, succinato,
ADP y oxígeno. Las mitocondrias son críticas en amortiguar el calcio
intracelular y el secuestro mitocondrial del calcio puede desacoplar la
respiración y producir acidosis metabólica. Está demostrado que las
mitocondrias intactas producen ·OH cuando se exponen a concentraciones
patológicas de calcio y ADP.
Las mitocondrias son importantes en la inducción del estrés oxidativo por
excitotoxinas. La activación de los canales iónicos dependientes del glutamato
pone a la mitocondria en un doble peligro de generar ROS:
(a) la despolarización de las membranas, activa el metabolismo oxidativo
neuronal, con el objeto de proporcionar el ATP necesario que ha de
utilizarse en las bombas de sodio;
(b) al elevarse el calcio intracelular, el secuestro de dicho elemento
desacopla la respiración mitocondrial.
La elevada generación de ROS puede lesionar proteínas, lípidos y DNA,
lo que conlleva a una posterior producción de ROS, unida a un descenso en los
niveles energéticos de la mitocondria. Existen evidencias que demuestran que
las deficiencias en el metabolismo energético mitocondrial pueden causar
neurodegeneración. Tambien se ha demostrado que la excitotoxicidad se
encuentra involucrada en la muerte celular inducida por descensos de la energía
412
Capítulo 13
mitocondrial
La reducción de los depósitos de energía celular causan variaciones en el
potencial de membrana, lo cual elimina el bloqueo por Mg2+ de los receptores
NMDA, permitiendo la activación persistente del estos receptores por el
glutamato endógeno. En apoyo a esta hipótesis está el hecho demostrado que
los antagonistas del glutamato aminoran la muerte neuronal inducida por
toxinas mitocondriales. Estas y otras evidencias posteriores, sugieren que las
ROS generadas por la cadena de transporte electrónico y/o por vías
intracelulares ligadas a la activación del receptor del glutamato, son la causa de
la degeneración de las neuronas.
5.3. Daño oxidativo al DNA y mutaciones en el DNA mitocondrial
Son muchas las evidencias que apoyan un papel para la lesión oxidativa al
DNA en el envejecimiento y en las enfermedades neurodegenerativas
incluyendo la enfermedad de Alzheimer. El ataque al DNA por las ROS,
particularmente por el radical hidroxilo, da origen a roturas de la cadena DNA–
DNA, entrecruzamientos DNA-proteína y formación de más de 20 bases
modificadas por aductos. Además los subproductos insaturados α, βaldehídicos de la peroxidación lipídica, el 4-hidroxinonenal y la acroleína,
interaccionan con las bases del DNA y producen aductos exocíclicos. La
modificación de las bases por interacción directa con las ROS o con aldehidos
origina mutaciones y síntesis proteica alterada. Algunos estudios sobre estas
bases modificadas por aductos en cerebro de enfermos de Alzheimer muestran
elevadas concentraciones de 8-hidroxiguanina, 8-hidroxiadenina, 5hidroxicisteína y 5-hidroxiuracilo, un producto de la degradación de la citosina,
en DNA nuclear y DNA mitocondrial aislado de regiones vulnerables de
cerebro. También se han detectado incrementos de guanina modificada por
aductos acroleína en el hipocampo de pacientes con enfermedad de Alzheimer.
Por otro lado, los mecanismos de reparación por excision de bases muestran una
disminución en la reparación de la 8-hidroxiguanina en las regiones vulnerables
del cerebro. También se han encontrado niveles elevados de 8-hidroxiguanina,
8-hidroxiadenina y 5,6-diamino-5-formamidopirimidina en DNA nuclear y
mitochondrial aislado de regiones vulnerables de cerebro de pacientes con
desequilibrios cognitivos débiles, la manifestación clínica más temprana de la
enfermedad de Alzheimer, lo que sugiere que el daño oxidativo al DNA es un
evento temprano en la enfermedad y no es un mero fenómeno secundario.
El cerebro necesita producir grandes cantidades de ATP a través de la
413
Capítulo 13
fosforilación oxidativa mitocondrial. En tejido cerebral con enfermedad de
Alzheimer se ha demostrado que existe un desacoplamiento parcial de esta vía,
y también una reducción sustancial en la actividad citocromo c oxidasa en la
corteza cerebral, lo cual se relaciona con la formación de las marañas
neurofibrilares. En el mecanismo responsable de estas alteraciones a nivel de la
fosforilación oxidativa mitocondrial, han de estar implicadas mutaciones en el
DNA mitocondrial, las cuales causan severas deficiencias en la cadena de
transporte electrónico, que van a dar lugar a fenotipos degenerativos tales como
la sordera sensorineural, ataxia, cardiomiopatía y la propia enfermedad de
Alzheimer. Se ha demostrado que existe un incremento en las mutaciones del
DNA mitocondrial, que aparece en una serie de tejidos del organismo, entre los
que se incluye el cerebro, y se ha observado que este acúmulo de mutaciones se
encuentra acelerado en casos de enfermedad de Alzheimer. Sin embargo, no
está claro el papel de estas mutaciones en la patogénesis de esta enfermedad, ya
que no parecen ser la causa primaria, aunque pueden contribuir a su inicio.
Figura 11. Estrés oxidativo y enfermedad de Alzheimer. Esquema que muestra las
interacciones de las especies reactivas de oxígeno, las placas seniles y las marañas
neurofibrilares. βA, beta amiloide; cdc5, quinasa dependiente de ciclina; p35 activador
específico de neuronas que por acción de la calpaína produce p25; cdc5/p35 complejo, es otra
proteína quinasa implicada en la fosforilación de tau; ROS, especies reactivas de oxígeno; PKC,
proteína quinasa C, ERK2, quinasa activada por señales extracelulares; Src virus del sarcoma
de Rous; RTK, receptor tirosina quinasa.
414
Capítulo 13
6. Procesos inflamatorios, microglia y óxido nítrico
El cerebro se ha considerado como privilegiado desde el punto de vista
inmunológico. La existencia de una barrera hemato-encefálica, la ausencia de
drenage linfático convencional y su insólita respuesta al tejido trasplantado, han
reforzado este concepto. Tampoco el cerebro muestra dolor e hinchazón típicos
de otros tejidos periféricos. Sin embargo, se ha observado, por medios
histoquímicos y de biología molecular, que el cerebro posee un sistema inmuno
endógeno muy activo y que en casos de patologías cerebrales, la inflamación
crónica juega un papel importante en la muerte neuronal progresiva en muchas
enfermedades degenerativas. Estos descubrimientos han llevado a proponer que
la medicación antiinflamatoria podría ser una terapia adecuada para retrasar el
progreso degenerativo. El sistema inmune del cerebro, como el de otros tejidos
está diseñado como mecanismo de defensa para eliminar extraños invasores y
eliminar resíduos. Cualquier proceso de inflamación crónica puede lesionar el
tejido sano, y el cerebro, en lugar de ser el órgano privilegiado
inmunológicamente, al que antes aludíamos, puede más bien ser
particularmente vulnerable ya que las neuronas como células postmitóticas, no
pueden ser fácilmente reemplazadas. La microglia, el sistema cerebral
representativo de macrófagos y fagocitos, juega un papel clave en la
neurodegeneración.
Es un hecho demostrado en el shock séptico, como también en otras
patologías del sistema nervioso central (CNS), que cantidades excesivas de
citoquinas tales como el factor de necrosis tumoral α (TNFα), la interleuquina 1
(IL1), ROS y NO, se encuentran implicadas en la la enfermedad de Alzheimer.
También se sabe, y se ha citado anteriormente, que son varias las vías de
generación de ROS en el CNS: (1) la cadena de transporte electrónico
mitocondrial; (2) el estallido respiratorio de las células de la microglia activa;
(3) la xantina oxidasa; (4) la autooxidación de las catecolaminas; (5) el
metabolismo de los eicosanoides, etc. De todas estas vías juega un importante
papel la que se refiere a la producción de ROS por el sistema fagocitario en el
CNS. Los macrófagos y monocitos infiltrados unidos a las células de la
microglia residentes, pueden generar grandes cantidades de anión superóxido,
peróxido de hidrógeno y NO. La existencia de la microglia en cerebro formada
por leucocitos que se generan fuera del CNS, fue descubierta por Del Rio
Ortega en 1932. Las células de la microglía se generan en la médula ósea,
después entran en la circulación como monocitos y migran al cerebro durante la
última fase de la vida embrionaria, estableciendo allí su residencia permanente.
415
Capítulo 13
Las células de la microglia son una de las principales fuentes de ROS, las
cuales actúan sobre las macromoléculas celulares, originando la
lipoperoxidación de las membranas, modificaciones oxidativas de las proteínas,
y rotura de las cadenas del DNA. La activación de la microglia en las patologías
cerebrales da lugar a lesión neuronal y neurodegeneración. De manera similar a
lo que ocurre con los macrófagos de otros tejidos, cuando se activan liberan un
gran número de productos secretorios que producen inflamación y lesiones
subletales o letales al CNS. Estos productos son citoquinas, factores de
coagulación factores del complemento, derivados del ácido araquidónico,
proteasas, ROS y NO·. Como ciertas áreas del cerebro son ricas, tanto en
microglia como en hierro, el radical superóxido producido por las primeras,
puede actuar sobre la ferritina obligándola a liberar el hierro. El hierro liberado
en forma bivalente (Fe2+), se combina con el peróxido de hidrógeno para formar
el peligroso radical el ·OH, que iniciará múltiples lesiones celulares. La
microglia activa produce también grandes cantidades de NO· que puede
reaccionar con el radical superóxido para formar peroxinitrito (OONO-), un
poderoso oxidante que oxida los grupos SH de las proteínas, los lípidos,
proteínas y DNA. El peroxinitrito no actúa por sí solo sino a través de su
descomposición en la cual libera el radical ·OH.
La modulación de la generación de radical superóxido puede ayudar a
preservar los niveles fisiológicos de ROS que son necesarios para que la
microglia ejerza su función defensiva en cerebro y los antioxidantes fisiológicos
como la SOD pueden, en un momento determinado, ser incapaces de prevenir
la formación rápida de peroxinitrito en las patologías cerebrales donde la
formación de NO· es muy elevada. Aunque el tratamiento con antioxidantes es
ciertamente un tratamiento potencial para combatir la elevada generación de
ROS por la microglia activa, el reducir la generación de las ROS
específicamente inhibiendo el sistema oxidasa dependiente de NADPH del
estallido respiratorio, ha de ser útil en aquellas condiciones en las que la
microglia sea la fuente principal de ROS. Se espera que la combinación de estos
dos procedimientos terapéuticos: antioxidantes e inhibidores de la NADPH
oxidasa puedan mejorar aquellas patologías cerebrales en las que se encuentran
implicadas la microglia y la generación de ROS.
Las evidencias de reacción crónica inflamatoria en la enfermedad de
Alzheimer y en otras enfermedades degenerativas, las han proporcionado los
elevados niveles de citoquinas inflamatorias y sus receptores en células
cerebrales. Se han detectado interacciones de dichas citoquinas y los
componentes de las placas seniles. Se cree que cualquier agresión, complicada
416
Capítulo 13
quizás por alteraciones genéticas, causa una lesión neuronal inicial con la
deposición de resíduos que la microglia puede encontrar dificiles de digerir. Las
células de la microglia se activan e inician su cascada de reacciones. Los
productos tóxicos segregados conllevan a una mayor muerte celular, la cual,
incita a la reacción inflamatoria. Esta reacción es una fuerza autodestructiva en
la cual el ataque fagocítico lesiona irreversiblemente a las expectantes neuronas.
Se desencadena un círculo vicioso de agresiones que se sostiene por las células
gliales localizadas. Todo el cúmulo de evidencias de reacciones crónicas
inmunes en cerebro con Alzheimer ha llevado a proponer que el tratamiento con
agentes antiinflamatorios puede hacer más lento el desarrollo de la enfermedad
o retrasar su aparición. Es importante tener en cuenta que esta terapéutica es
diferente de los intentos para reemplazar la pérdida de actividad colinérgica con
fármacos como la tacrina, o los encaminados a estimular el metabolismo
cortical con nootrópicos. Tales terapias no intentan retrasar la destruccion de las
neuronas corticales, lo cual es la mayor causa del deterioro mental. Se ha
propuesto un tratamiento antiinflamatorio unido a antioxidantes, vitamina E,
estrógenos, selegilina y una mezcla de mesilatos ergoloides. Los fármacos
antiinflamatorios y la nicotina se aplican por sus efectos neuroprotectores o
amplificadores de neurotransmisores. También se propone el tratamiento con
tacrina unida a la desferroxamina, quelante del hierro y aluminio, como
antioxidante.
En la enfermedad de Alzheimer, las células de la microglia aparecen
arracimadas sobre las placas neuríticas. Estas células fagocíticas cuando se
asocian con las placas muestran una elevada actividad que se detecta por la
intensa inmunoreactividad debida a las citoquinas, la cual se relaciona con el
estado de activación de estas células. La microglia en su estado activo produce
radical superóxido y NO·, principales mediadores de la neurotoxicidad. La
inducibilidad de la expresión de la Mn-superóxido dismutasa, en la vecindad
de las placas amiloides, da buena cuenta de la elevada producción del radical
superóxido en estas células.
Se han identificado interacciones del β amiloide con la membrana celular,
que pueden explicar como el β amiloide lesiona las neuronas y las células
endoteliales vasculares y activan las células de la microglía. Estas últimas
pueden internalizar microagregados de β-amiloide, vía un receptor scavenger y
pueden degradar el β-amiloide adicionado a un medio de cultivo. Ello hace
pensar, que la incorporación del β-amiloide por la microglia, vía ese receptor,
puede jugar un papel en el aclaramiento del amiloide, que se produce
417
Capítulo 13
continuamente en cerebro de enfermos de Alzheimer. Este receptor no se
expresa en los astrocitos, neuronas o estructuras asociadas a los vasos. En casos
de enfermedad de Alzheimer existe una elevada expresión de este receptor en
las células activas de la microglia en la vecindad de las placas amiloides,
Receptores scavengers de la clase A median la adhesión de las microglias a
superficies cubiertas de fibrillas de amiloide lo que conduce a la producción de
ROS y a la inmovilización celular. Las células de la microglía se adhieren a la
fibrilla de amiloide mediante sus receptores scavengers de la clase A, quizás en
un intento de eliminarlas del medio extracelular. La elevada densidad de los
ligandos del receptor scavenger, presentes en esos depósitos amiloides causa la
inmovilización de las células de la microglia que se ponen en contacto con
ellas, y las inducen a segregar citoquinas, ROS y especies nitrogenadas que
lesionan a las células vecinas. En otro tipo de experimentos se ha evidenciado
que el β-amiloide se une a un receptor de membrana RAGE (receptor de AGE)
en la superficie de neuronas, células endoteliales vasculares y de la microglia.
Esta unión desencadena reacciones que generan estímulos oxidativos
citotóxicos que pueden enfocar sus efectos sobre estas células.
En la enfermedad de Alzheimer las células activas de la microglía son la
conexión entre la deposición del β-amiloide y la degeneración neuronal. Una
respuesta respiratoria inducida en la microglía por el amiloide, puede ser otra de
las fuentes de equivalentes oxidativos que hay que considerar en relación con
las alteraciones proteicas asociadas a las placas. Se han propuesto otros
mecanismos para explicar la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer, en los
cuales las células de la microglía activadas por el β-amiloide producen una
gran cantidad de NO y pueden causar la muerte celular. La capacidad de los
inhibidores de la NOS (óxido nítrico sintasa) y de la hemoglobina como
atrapadora del NO, de interferir la cascada de reacciones que conducen a la
muerte celular, asignan un papel clave para el NO en estos procesos.
Como las células de la microglía activas, se encuentran alrededor de las
placas amiloides, es lógico pensar que estas placas han de ser sitios de
inflamación crónica. Se ha descrito que el β-amiloide puede activar la microglía
y desencadenar la producción de mediadores proinflamatorios y citotóxicos.
Entonces el β-amiloide intensifica la liberación de IL-1 por la microglía y
potencia la secreción de citoquinas por los astrocitomas activados por la IL-1β.
Se ha descrito también un efecto sinérgico entre el β-amiloide y el interferón γ
(IFN γ) en el desencadenamiento de la producción de intermediarios reactivos
de nitrógeno y TNFα por la microglia.
418
Capítulo 13
7. Antioxidantes y de neuroprotección
Aunque esta enfermedad fué descrita por primera vez hace más de cien
años (Alzheimer, 1907), la patogénesis no está aún totalmente esclarecida. Se
han emitido numerosas hipótesis, entre las que cabe destacar: la deficiencia de
neurotransmisores/acetilcolina, la deficiencia del metabolismo energético, la
cascada del β amiloide y el estrés oxidativo
Son muchas las evidencias obtenidas por histopatología clásica y por
biología molecular, que apoyan el concepto que la lesión molecular infligida
por las ROS, juega un papel en la muerte celular asociada a la enfermedad de
Alzheimer. Al descubrirse que la vitamina E protege a las neuronas de las
reacciones tóxicas asociadas a esta enfermedad, ha hecho que se traslade a la
clínica el tratamiento con esta vitamina, la cual se ha observado que actúa
retrasando los acontecimientos patológicos y puede ser un medio beneficioso en
pacientes con un grado moderado de enfermedad de Alzheimer.
En estudios histopatológicos de la enfermedad de Alzheimer, se han
encontrado muchas signos de reacciones oxidativas. Uno de los responsables de
la creación del microambiente oxidativo en las células nerviosas es el
β amiloide de las placas seniles en las áreas cerebrales afectadas por la
enfermedad. La neurotoxicidad del β amiloide se debe a que genera H2O2, el
cual llevará a la peroxidación de los lípidos de la membrana y de aquí a la lisis
de las neuronas. Como se indicó anteriormente, la vitamina E, agente lipofílico
atrapador de radicales libres, al igual que los estrógenos, protegen a las
neuronas de la toxicidad oxidativa del β-amiloide y de otros agentes
oxidativos. Aunque los antioxidantes actúan en las neuronas como protectores
inespecíficos, ya que no se conoce que tengan un objetivo en la secuela de
acontecimientos patológicos que conducen a la enfermedad de Alzheimer, su
efectividad está demostrada y es necesario profundizar en su actividad para que
su aplicación en clínica resulte más efectiva. Es un hecho indiscutible que cada
vez se conocen con más detalle las respuestas celulares a la agresión oxidativa
que conducen a la muerte celular. Por ello, interesa investigar cómo los
antioxidantes antes citados interfieren con vías de transducción de señales que
modifican los programas genéticos. El estudio de los mecanismos moleculares
de neuroprotección mediada por antioxidantes, puede llevarnos al
descubrimiento de otros más específicos o de mejorar la aplicación clínica,
preventiva o terapéutica, de los ya conocidos.
419
Capítulo 13
Para la transferencia de señales extracelulares las células utilizan las vías
de transducción y los factores de transcripción nucleares. El NFκB ha sido el
primer factor de transcripción descubierto que responde directamente al estrés
oxidativo inducido por ROS. Este factor, fue identificado inicialmente como
una proteína linfoide específica, que se une al gen κ del intensificador intrónico
de la cadena ligera y aparece como una proteína heterodimérica. Como se ha
visto que la mayoría de estímulos que inducen la actividad del NFκB inducen
también la formación de ROS, este factor de transcripción ha ganado interés por
jugar un papel en la patogénesis de las enfermedades neurodegenerativas
asociadas al estrés oxidativo. Además, las neurotoxinas como el amiloide y el
glutamato activan el NFκB. Más interesante aún, el haloperidol, un fármaco
neuroléptico frecuentemente utilizado en casos de psicosis, induce la actividad
de enlace al DNA y la actividad transcripcional del NFκB en células del
hipocampo. La preincubación de estas células con vitamina E, bloqueó casi por
completo la actividad del NFκB, sugiriéndose que este factor ha de jugar algún
papel en la muerte celular inducida por el haloperidol. Estos y otros resultados
han llevado a la conclusión de que la acción protectora de los antioxidantes
puede reflejarse a dos niveles: (1) atrapando los radicales libres y preveniendo
la peroxidación lipídica, y (2) suprimiendo la activación de factores de
transcripción implicados en la muerte celular de las neuronas inducida por
estrés oxidativo.
Recientemente ha recibido un gran interés la propiedad neuroprotectora de
los cannabinoides como medio de mitigar los sintomas neurodegenerativos.
Ciertos cannabinoides ejercen efecto protector frente a los deletereos efectos
del β amiloide y son capaces de reducir la fosforilación de tau. La propensión
de los cannabinoides de reducir el estrés oxidativo y la neurodegeneración
provocados por el β amiloide, y la estimulación de la neurogénesis con la
expresión de neurotropina, son propiedades interesantes que pueden ser
beneficiosas en el tratamiento de la enfermedad. El Δ9-tetrahidrocannabinol
inhibe la acetilcolinesterasa y limita la amiloidogénesis lo cual producirá
mejoría en la transmisión colinérgica y retrasará la progresión de la enfermedad.
Los receptores de cannabinoides CB2 se asocian con la microglia activa
localizada dentro de la placa, por lo que se sugiere que tal receptor puede ser un
objetivo prometedor para la enfermedad, merced a su capacidad para frenar la
cascada neuroinflamatoria característica de la enfermedad. Los agonistas CB2
ofrecen la ventaja de no presentar efectos psicoactivos, pero presentan efectos
colaterales tales como la inmunosupresión. Por tanto, los cannabinoides ofrecen
facetas múltiples para el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer al
420
Capítulo 13
proporcionar neuroprotección y reducir la neuroinflamación, con simultáneo
apoyo a los mecanismos intrínsecos de reparación al aumentar la expresión de
neurotropina e intensificando la neurogénesis.
8. Estrategias terapéuticas
En los últimos años se ha realizado un esfuerzo considerable dirigido hacia
el descubrimiento de la causa de la enfermedad de Alzheimer, con la esperanza
de encontrar un tratamiento farmacológico eficiente e inocuo. De acuerdo con
todo los anteriormente expuesto, las estrategias terapéuticas que han permitido
con mayor o menos éxito en un principio, hacer frente a esta enfermedad se
basaron en el estrés oxidativo (Figura 11), la inflamación y la deficiencia de
neurotransmisores colinérgicos.
Entre las varias hipótesis para explicar el desarrollo y etiología de la
enfermedad de Alzheimer, la hipótesis del estrés oxidativo fue una de las más
convincentes, pues hoy no se duda de la implicación de las ROS en las
enfermedades neurodegenerativas. Por ello que en muchas investigaciones se
haya estudiado el papel de los antioxidantes como agentes neuroprotectores.
Entre los antioxidantes, se propuso que la vitamina E y los estrógenos poseían
acción protectora y actúaban retrasando los signos de la enfermedad. Otro
grupo de antioxidantes estudiado fueron los quelantes del hierro debido a que la
eliminación de este elemento evitaba la formación de ROS e inhibía la
peroxidación lipídica. La administración sostenida de desferroxamina,
quelante del hierro trivalente, a enfermos de Alzheimer, retrasó la progresión de
la enfermedad.
La inflamación es otro de los síntomas de la enfermedad de Alzheimer
producida principalmente por la activación de la microglia y la muerte
neuronal. Se observó que la administración de antiinflamatorios no esteroideos
podía retrasar la progresión de la enfermedad. El principal efecto de estos
antiinflamatorios era disminuir la actividad de las ciclooxigenasas, lo cual
inhibía la síntesis de protaglandinas o aminoraba la excitotoxicidad del
glutamato y con ello la generación de ROS. También se describió que las
células de la microglia activadas inducían cascadas de transducción de señales
que producen la liberación transitoria del calcio y la activación de la PKC. La
toxicidad producida en estas reacciones podría evitarse por tratamientos con
inhibidores específicos dirigidos hacia enzimas de estas vías de transducción de
señales unida a la respuesta inflamatoria.
421
Capítulo 13
Un gran número de observaciones han apoyado la hipótesis que la
deficiencia en acetilcolina puede ser la causa de la iniciación de la enfermedad
de Alzheimer. La inervación colinérgica en esta enfermedad se encuentra
reducida en áreas del cerebro implicadas en el procesamiento de la información.
La disminución de colina acetil transferasa1, enzima encargado de síntetizar
acetilcolina, se relaciona con el número de placas de β-amiloide y con la
función cognoscitiva en los pacientes de Alzheimer. Por ello, se han
desarrollado diversas estrategias para elevar la neurotransmisión colinérgica,
tales como: precursores de la acetilcolina, intensificadores de la liberación de la
acetilcolina, inhibidores de la acetilcolinesterasa y agonistas del receptor. Entre
todos ellos los inhibidores de la colinesterasa se han considerado los más
prometedores, a pesar de que la tacrina (tetrahidro aminoacridina), el primer
inhibidor de la colinesterasa registrado y aprobado para el tratamiento
(comercializado en España en 1998), posee problemas de tolerabilidad debido a
su marcada hepatotoxicidad.
Los inhibidores de la colinesterasa son, en el momento presente, el
tratamiento más utilizado en estos pacientes. Como la enfermedad de Alzheimer
es una patología heterogénea, el rango de las respuestas es variable y el
tratamiento individualizado. El aumento de la función colinérgica con perfiles
favorables respecto a los efectos colaterales, puede crear una mejora potencial
de la memoria y la cognición. A la acción de los inhibidores de la colinesterasa
se han unido una serie de fármacos antiinflamatorios y antioxidantes como los
estrógenos, el α-tocoferol y el ginkho biloba.
Los medicamentos, denominados antidemenciales, principalmente
utilizados, la tacrina, el donopezilo (Aricept) y la rivastigmina (Exelon y
Prometax), además de muchos otros como la galantamina (Reminyl), el
metrifonato, la fisostigmina y la eptastigmina, pueden frenar algo la evolución
de la enfermedad, porque elevan la disponibilidad del neurotransmisor
acetilcolina en el cerebro. Otros, como la memantina, un antagonista del
receptor de NMDA del glutamato, normaliza la transmisión de señal afectada
del glutamato. Otros en investigación, entre los que se encuentra el desarrollo
de una vacuna contra el Alzheimer, que produce una sensibilización
inmunológica al β-amiloide (AN1792), no han sido todo lo esperanzadores que
cabría esperar, por producir en algunos pacientes meningoencefalitis. También
la aplicación de células madre adultas, tal como ofrece el XCell-Center, no
puede garantizar a los pacientes una mejoría del cuadro de la enfermedad.
422
Capítulo 13
Los fármacos aprobados hasta la fecha sólo tratan el síntoma de la
debilidad de memoria y ofrecen una mejora moderada cuya duración no llega a
los dos años, pero ninguno de estos fármacos puede cambiar el curso de la
enfermedad. La búsqueda de medicamentos capaces de desacelerar el deterioro
se centra hoy en la placa. En algunos casos, laboratorios farmacéuticos como
Wyeth, están haciendo pruebas en seres humanos con varios tratamientos que
intentan anular la causa biológica del Alzheimer. El laboratorio Essne tiene
como principal compuesto un anticuerpo sintético que desarrolló junto a la
firma irlandesa Elan, que ataca al β-amiloide.
En el 8th International Springfield Symposium sobre Avances en la
terapia del Alzheimer, que se presentó en Montreal en 2004, se presentaron
resultados alentadores, con datos positivos, sobre el uso de un nuevo
medicamento en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer. Se trataba del
Alzhemed (tramiprosato), producto de la investigación de los laboratorios
canadienses Neurochem, con el que, según los datos presentados, 9 pacientes de
un total de 11 con enfermedad de Alzheimer leve, se estabilizaron y mejoraron
su función cognitiva. A diferencia de los tratamientos actuales, que no tratan
más que los síntomas de la enfermedad, Alzhemed actúaba sobre la causa que
produce la enfermedad. Diseñado para cruzar la barrera hematoencefálica,
Alzhemed es un antagonista del β-amiloide. Previene la formación y deposición
de amiloide en el cerebro y así modifica el curso de la enfermedad. Los efectos
colaterales más frecuentes son gastrointestinales, nauseas, vómitos y diarrea. El
tramiprosato desgraciadamente fracasó en la demostración de eficacia en
pruebas clínicas de la fase III de mejora cognitiva a largo plazo y en Noviembre
de 2007, Neurochem anunció que interrumpía su desarrollo como medicamento.
Aunque la prueba de la fase III se interrumpió, todos los pacientes que
completaron esta prueba clínica continuaron recibiendo el tramiprosato hasta la
conclusión del estudio. De acuerdo con Neurochem, Alzhemed no estará a
disposición de los participantes de las investigaciones interrumpidas en las
pruebas europeas.
Respecto a Alzhemed el rechazo del FDA a las pruebas preclínicas III se
debe a que se ha demostrado que solo una pequeña cantidad de Alzhemed
alcanza el cerebro de los pacientes más receptivos que sufren de esta misteriosa
enfermedad, lo que ha clasificado las pruebas como no concluyentes respecto
a la eficacia. Como el término no concluyente es relativo, ya que el FDA ha
comunicado que no aprobará Alzhemed como medicamento a menos que
Neurochem vuelva a repetir las pruebas, lo cual supone un elevado coste. Ante
esta situación Neurochem ha considerado que los resultados han sido lo
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Capítulo 13
bastante concluyentes como para actuar dando a Alzhemed un nuevo nombre,
Vivimind, y una nueva misión como "nutraceutico". Un nutracéutico es un
producto "natural" tal como los omega-3, ginkgo biloba o multivitaminas, que
presentan efectos beneficiosos, a pesar de carecer de evidencias sólidas.
Vivimind, como producto natural diseñado para proteger la memoria,
comercializado por Neurochem, saldrá al mercado en breve.
Otra de las últimas esperanzas son los llamados moduladores de la γ
secretasa, complejo aspartil-proteasa, dependiente de la PS1, que genera βamiloide, de 38 a 42 aminoácidos. En la carrera por hallar una terapia para el
Alzheimer se han probado fármacos que inhibían completamente la actividad de
la γ-secretasa, pero resultaron excesivamente tóxicos. La inhibición total de
una enzima provoca efectos colaterales no deseados, porque estos catalizadores
actúan sobre muchos sustratos y tienen funciones biológicas necesarias. Kukar
et al han estudiado el funcionamiento de los GSM (γ-secretase modulators).
Mediante varios experimentos in vitro, han observado que estos compuestos no
se unían al complejo enzimático γ-secretasa, ni a un receptor, sino al APP y
han conseguido la disminución selectiva del β-amiloide de 42 amino ácidos con
moléculas pequeñas moduladoras de la γ- secretasa. Los GSM, familia de
fármacos antiinflamatorios no esteroideos, a la que pertenecen compuestos tan
conocidos como el ibuprofeno, son capaces de unirse al precursor del
β-amiloide, el APP, e impedir con ello la formación del β-amiloide. Los GSM
inhiben la síntesis del β-amiloide largo, bloquean su unión y aumentan la
producción de β-amiloide corto e inhiben también la agregación. La diferencia
con otros tratamientos, es que los GSM son una estrategia terapéutica hacia la
causa que origina el mal de Alzheimer, la acumulación y agregación del
péptido β-amiloide. Los GSM están en la actualidad en estudio, a punto de
entrar en la última fase de los ensayos clínicos. Los ensayos con uno de estos
fármacos, el tarenflurbil (Flurizan de Myriad) se encuentran en fase III, y
pronto se harán públicos los resultados de la primera parte, en la que
participaron 1.600 pacientes.
9. Conclusiones
Las evidencias presentadas a lo largo de esta revisión sugieren que las
modificaciones en las proteínas que se acumulan en la enfermedad de
Alzheimer por efecto de las ROS, azúcares, y productos de la peroxidación
lipídica, juegan un papel directo en la etiología y patogénesis de la enfermedad.
Por tanto, además del perfil patogenético comunmente aceptado en la
enfermedad de Alzheimer, que incluye hiperfosforilación, genotipo de
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Capítulo 13
apolipoproteína E y mutaciones del precursor de la proteína β amiloide, deben
añadirse ahora mecanismos estocásticos de lesión y entrecruzamiento proteicos
inducida por glicación y oxidación. Además, todas estas hipótesis son
importantes para el estudio de aspectos específicos en la patogénesis de la
enfermedad de Alzheimer y por tanto, han de ser cons