II Visión general de la morfología y los eventos moleculares de la apoptosis
La muerte celular apoptótica puede dividirse en cuatro etapas secuenciales: iniciación, decisión de morir, ejecución y engullimiento. Una serie de tensiones celulares pueden iniciar la apoptosis mediante la activación de vías de señalización intracelular o la liberación de segundos mensajeros. Algunos ejemplos de desencadenantes de la muerte celular son la radiación ionizante, los fármacos quimioterapéuticos, la hipertermia y la privación de factores de crecimiento. Las moléculas presentadas por otras células, como el ligando Fas (FasL) y el factor de necrosis tumoral (TNF), también pueden inducir la apoptosis en las células que tienen los receptores adecuados. Una célula puede recibir una variedad de señales simultáneamente, incluyendo señales de proliferación y de muerte celular. En respuesta a estas señales, una célula debe evaluar su situación y decidir si se suicida por apoptosis. Las moléculas reguladoras clave en esta fase son los miembros de la familia de proteínas Bcl-2 (White, 1996; Yang y Korsmeyer, 1996), aunque el mecanismo de su acción no se conoce del todo. Una vez que la célula ha tomado la decisión de morir, se activan las moléculas que actúan como ejecutoras. En todos los tipos de apoptosis estudiados, en una variedad de organismos multicelulares, los ejecutores incluyen proteasas citosólicas, la mayoría de las cuales pertenecen a una familia llamada caspasas (Nicholson y Thornberry, 1997; Alnemri, 1997). Estas proteasas atacan a proteínas celulares específicas, lo que provoca la destrucción irreversible de procesos y estructuras celulares críticas. En la etapa final de la apoptosis, los restos de la célula moribunda son reconocidos, engullidos y degradados, ya sea por una célula vecina o por un macrófago que se encarga de la limpieza.
Los cambios morfológicos asociados a la apoptosis son distintos y están bien caracterizados (Wyllie, 1987; Darzynkiewicz et al., 1997). Las células que sufren apoptosis se encogen y condensan rápidamente, alejándose de las células vecinas. Como resultado de la pérdida de volumen citoplásmico, la membrana plasmática forma ampollas y protuberancias, dando a la célula un aspecto ampollado. También suele observarse un rápido aumento de la concentración intracelular de iones de calcio (Schwartzman y Cidlowski, 1993). La membrana nuclear se redondea y la cromatina se condensa y agrega en formas densas, similares a una media luna, cerca de la membrana nuclear. La condensación de la cromatina se asocia a la escisión de la doble cadena del ADN por una o más endonucleasas nucleares (Wyllie et al., Montague y Cidlowski, 1996) y a la degradación de la lámina nuclear por proteasas (Lazebnik et al., 1995).
La degradación del ADN durante la apoptosis se produce en un patrón preciso y reproducible (Wyllie et al., 1992; Montague y Cidlowski, 1996). Inicialmente, el ADN cromosómico se escinde en grandes segmentos de unas 50-300 kilobases (Oberhammer et al., 1993). En la mayoría de los casos de apoptosis, aunque no en todos, estos dominios se digieren posteriormente en fragmentos más pequeños mediante la escisión entre nucleosomas. La separación del ADN de los núcleos apoptóticos mediante electroforesis en gel de agarosa produce un patrón característico de estos fragmentos mono u oligonucleosómicos en múltiplos de 185-200 pares de bases (pb), descrito como una escalera de ADN (Tilly y Hsueh, 1993). Las endonucleasas responsables de esta fragmentación del ADN no han sido identificadas de forma convincente, aunque se han sugerido varios candidatos (Montague y Cidlowski, 1996). Algunos estudios han sugerido un papel para la DNasa I o II, pero estas enzimas no se localizan normalmente en el núcleo. Tal vez un mejor candidato sea una endonucleasa de 18 kD dependiente de Ca2 +/Mg2 + llamada NUC18 que fue aislada de extractos nucleares apoptóticos y que se encontró que era altamente homóloga a la ciclofilina A. NUC18 puede ser responsable del corte del ADN en fragmentos de 50 kD. Además, se ha identificado una nueva endonucleasa de 95 kD dependiente de Ca2 +/Mg2 + que está activa durante la apoptosis (Pandey et al., 1997). También se ha aislado de células HeLa una proteína denominada factor de fragmentación del ADN (DFF) que parece activar la(s) endonucleasa(s) apoptótica(s) (Liu et al., 1997).
Los cambios en las mitocondrias de las células apoptóticas preceden a la condensación celular y a la desintegración nuclear y pueden ser un acontecimiento temprano esencial en la apoptosis (Petit et al., 1996; Kroemer, 1997). Las mitocondrias muestran una despolarización del potencial de membrana (Δψm) (Marchetti et al., 1996; Zamzami et al., 1995b; Zamzami et al., 1996), que parece deberse a la apertura de los poros de transición de permeabilidad mitocondrial (MPT) (Zoratti y Szabo, 1995). Las proteínas liberadas de las mitocondrias apoptóticas al citoplasma justo antes o después de la MPT son capaces de inducir la condensación de la cromatina y la fragmentación del ADN (Liu et al., 1996; Susin et al., 1996; Zamzami et al., 1996).
La célula moribunda se rompe en varios trozos redondos encerrados en la membrana llamados cuerpos apoptóticos que son fagocitados y degradados por las células fagocíticas (Savill et al., 1993; Hart et al., 1996). Las células epiteliales, las células endoteliales y los fibroblastos adyacentes a los sitios de apoptosis pueden engullir los cuerpos apoptóticos. Varios estudios también demuestran que los macrófagos «profesionales» son reclutados en los lugares de muerte celular y son responsables de gran parte de la fagocitosis de los cuerpos apoptóticos (Hopkinson-Woolley et al., 1994; Camp y Martin, 1996). Este engullimiento evita una respuesta inflamatoria por la fuga de restos celulares en los espacios intercelulares. Las células apoptóticas muestran una serie de señales para atraer a los fagocitos, incluyendo cambios en las moléculas de la superficie celular como azúcares, lípidos y proteínas. Aunque el reconocimiento fagocítico de las células apoptóticas es un proceso crítico y un campo de investigación activo, los detalles de este acontecimiento final de la apoptosis están fuera del alcance de esta revisión.
Los acontecimientos celulares de la apoptosis contrastan con los de la necrosis, aunque ambos acaban provocando la muerte de la célula (Darzynkiewicz et al., 1997). La necrosis, o muerte celular accidental, se caracteriza por la muerte rápida y casi instantánea de una célula debido a una lesión catastrófica. Las células necróticas se hinchan hasta alcanzar un gran volumen, mostrando un aumento espectacular del volumen mitocondrial. La membrana plasmática se rompe y el contenido celular se libera, produciendo normalmente una respuesta inflamatoria que daña a las células vecinas. A veces se produce la degradación del ADN durante la necrosis; sin embargo, los sitios de escisión son aleatorios, lo que da lugar a una amplia gama de tamaños de fragmentos. Los casos de muerte celular a menudo pueden distinguirse claramente como necróticos o apoptóticos, pero en algunos casos una célula moribunda presenta características de ambos procesos.
El término muerte celular programada (PCD) se utiliza comúnmente para describir la desaparición de las células durante el desarrollo normal de un organismo. En la mayoría de los casos, pero no en todos, la PCD procede por el mismo proceso estereotipado que la apoptosis; por lo tanto, los términos apoptosis y PCD se utilizan a menudo indistintamente. Una práctica alternativa es definir el término apoptosis como descriptivo de uno de los mecanismos de la PCD. A lo largo de este capítulo, utilizamos el término apoptosis para describir la muerte celular inducida por tensiones extracelulares anormales y el término PCD para indicar la muerte celular apoptótica que está predestinada por el desarrollo y que ocurre normalmente.