The Walking Dead Celular 2

En todas las circunstancias de la vida nos encontramos parejas con actividades similares, pero distinta fortuna o reconocimiento de su actividad: Edison y Tesla, Lord Byron y Polidori, Mozart y Salieri, Shakespeare y Marlowe, los Hermanos Calatrava, …

De manera similar, el proceso de muerte celular programada (o apoptosis) es un mecanismo de éxito instantáneo que goza de gran popularidad y reconocimiento desde su descripción; mientras que el proceso hermano, el de senescencia celular, arrastra una larga y penosa existencia, siempre a la sombra de la apoptosis.

Es muy probable que el lector (los hay así de frikis) haya oído en algún momento hablar de la apoptosis descrita como el suicidio que cometen las células de manera genéticamente controlada, obedeciendo señales que les llegan desde el exterior o generadas internamente, y que cumple importantes funciones en el organismo. Una excelente divulgadora como Esther “Shora” Samper escribió hace algún tiempo sobre este proceso en alguna entrada de su sensacional MedTempus.

Desde su identificación, la labor de multitud de laboratorios en todo el mundo ha llevado a un conocimiento cada vez más detallado de todos los mecanismos que operan en esta respuesta. La disponibilidad de buenos marcadores y ensayos que permiten identificar y medir el proceso ha sido sin duda determinante en su popularidad. Y es que hay que tener presente que existe, por supuesto, un importante sesgo en nuestro conocimiento derivado del hecho de que aquello que es susceptible de ser estudiado de una manera sencilla y precisa recibe mayor atención que aquellos otros procesos para los que desconocemos herramientas básicas que nos faciliten su estudio (fin de la disgresión).

Para los que hayan leído la entrada “hermana” a esta en la que hablamos de la senescencia celular, está claro que la senescencia es la pariente pobre, la pareja en la sombra, el hermano Calatrava feo, de la apoptosis. Ya en su descripción hace ahora poco más de medio siglo por Len Hayflick, la imposibilidad de volver a iniciar la división celular que caracteriza a la senescencia se atribuyó a la torpeza de los investigadores y su impericia con los sistemas de cultivo celular. Cuando el proceso de apoptosis fue descrito inicialmente por Kerr, Currie y Wyllie en 1972, muchos pensaron de nuevo que la muerte de las células en cultivo era consecuencia de la incompetencia de los investigadores en su mantenimiento. Sin embargo, pronto otros laboratorios consiguieron identificar los mismos cambios, las mismas características, en sus propios cultivos.

Los estudios sobre la apoptosis llevaron al Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 2002 a los investigadores Sydney Brenner, John Sulston y Robert Horvitz, por sus trabajos con el gusano Caenorhabditis elegans, que sirvió para identificar por primera vez los genes que controlan este proceso, genes conservados también en organismos superiores, incluidos los humanos. Se trata por tanto de un proceso que cuenta con su maquinaria propia inscrita en el genoma y conservada a lo largo de la evolución.

Pero sin duda, describir una funcionalidad clara al proceso de apoptosis fue clave para su reconocimiento. La apoptosis demostró pronto ser un mecanismo útil para deshacerse de células que podrían suponer un peligro para el organismo por hallarse dañadas. Multitud de perrerías que los investigadores hacen sobre las células en cultivo disparan las señales que conducen inexorablemente al suicidio celular. De hecho, los tumores llegan a ser lo que son porque escapan al control de la apoptosis y se asume que conseguir reactivar este mecanismo en las células tumorales es el objetivo deseable de toda terapia antitumoral. El propio envejecimiento celular por acortamiento de los telómeros (las estructuras en los extremos de los cromosomas que los protegen) pone en marcha la maquinaria que acaba con la vida de la célula sin dejar huella y con ello nuestros tejidos pierden propiedades. El sistema inmune hace limpieza masiva con este proceso y defectos en la maquinaria de apoptosis tienen consecuencias funestas en forma de enfermedades autoinmunes.

Y como guinda del pastel, la apoptosis participa en el desarrollo embrionario como mecanismo capaz de moldear distintas estructuras. Un ejemplo muy gráfico es el de la desaparición de las membranas interdigitales tras la muerte masiva de las células que forman esas uniones entre los incipientes dedos del embrión. O el clásico ejemplo del renacuajo que madura y pierde la cola. En todos ellos, la apoptosis es un mecanismo empleado por el organismo para deshacerse de las células que deben desaparecer de una determinada estructura en un momento preciso del desarrollo.

células “suicidas” versus células “zombies”

Pero el asunto de esta entrada era la senescencia celular y, de nuevo, la apoptosis intenta restarle protagonismo. Como indicamos en la entrada anterior a esta, la senescencia celular ha demostrado ser una respuesta que se establece en la célula cuando existe una situación de potencial peligro, es un eficiente mecanismo de control antitumoral y, probablemente, predomina durante el envejecimiento como resultado del agotamiento de la capacidad de división celular. Lo que le faltaba a la senescencia celular era demostrar su implicación también en el desarrollo embrionario.

Por eso hace ya años Manuel Serrano, con una mente siempre inquieta e imaginativa, se lanzó a investigar esta posibilidad. El desarrollo embrionario es un complejísimo proceso de fuerzas que dirigen la división, migración y diferenciación coordinada de multitud de células distintas en periodos de tiempo extraordinariamente cortos (si comparamos con el resto del periodo de vida de un organismo adulto). Podríamos decir que buscar células que estuviesen en ese estado de senescencia celular sería como buscar una aguja en un pajar. Sin embargo, se contaba con alguna pista en el laboratorio y por eso, Daniel Muñoz, investigador del grupo que dirige Manolo Serrano, orientó su mirada hacia una peculiar estructura, el mesonefros.

El mesonefros es un órgano excretor de vertebrados que sirve como riñón primitivo y que actúa de manera temporal durante el desarrollo. En peces y anfibios permanece en parte dando lugar al riñón adulto, pero en reptiles, aves y mamíferos se atrofia y desaparece casi en su totalidad, salvo algunas pequeñas partes que se “reciclan” para contribuir en la formación de estructuras de órganos genitales (sí, somos así de aprovechados).

Ese proceso de degeneración tiene lugar en un instante muy concreto del desarrollo, así que Dani se hizo con embriones de ratón de días consecutivos, abarcando momentos antes, durante y después de los correspondientes con el periodo esperado de desaparición del mesonefros. Cuando se analizaron esos embriones lo primero que llamó la atención fue que se podían detectar estructuras que estaban formadas por células que presentaban marcadores de senescencia, pero no correspondían con el mesonefros; o al menos no únicamente con el mesonefros.

En un lateral de la cabeza del embrión aparecía una estructura con forma de canal que claramente se teñía positiva con la reacción que detecta células senescentes. Esa estructura (tras mucho consultar y estudiar) resultó ser el saco endolinfático, parte del oído y encargado del drenaje de la endolinfa, el líquido del oído interno con una función esencial en el equilibrio.

Yendo más en detalle a la zona en donde se encuentra el mesonefros se pudieron identificar, como se esperaba, células senescentes formando parte de los túbulos mesonéfricos que, de acuerdo al estadio de desarrollo, se encontraban en regresión.

Esquemas que representan la estructura del mesonefros (arriba) y del saco endolinfático (abajo) (ilustraciones de Dani Muñoz)

En ambas estructuras, el saco endolinfático y el mesonefros, se podían observar células senescentes únicamente en un breve periodo de tiempo que se corresponde con un recambio de las células que forman parte de la estructura, en el caso del saco endolinfático, y con la atrofia de los túbulos, en el caso del mesonefros.

Existen otras zonas del embrión que también resultan positivas en la reacción de detección de células senescentes y de hecho otro grupo, dirigido por Bill Keyes en el CRG de Barcelona, observó de manera independiente este hecho y caracterizó más en detalle alguna otra área del embrión. Por ejemplo, centró su atención en la cresta ectodérmica apical, una fina línea celular que se encuentra en el ápice del esbozo de las extremidades en desarrollo.

El grupo de Manolo Serrano identificó una molécula que parece ser responsable de imponer este estado de senescencia celular tanto en el oído como en el mesonefros. Se trata de la proteína p21, producto del gen Cdkn1a y que ya había sido implicado en otras situaciones que derivan en senescencia celular. En el laboratorio se tienen ratones modificados genéticamente en los que el gen Cdkn1a ha sido eliminado, así que Dani repitió sus análisis en embriones que carecen de p21. El resultado es que ambas estructuras, saco y mesonefros, no muestran la inducción de senescencia que sí es visible en animales normales.

Lógicamente, en una situación así, cualquier investigador espera poder observar un defecto funcional derivado de la falta de la molécula que lleva a cabo el proceso. Así que gracias a la colaboración de expertos del IIB (CSIC-UAM) y de la UCM de Madrid se analizó la audición y el equilibrio de animales que carecen de p21, tanto jóvenes como adultos. Pero los animales no muestran ninguna anomalía. Cuando se analizó qué ocurre en el caso del mesonefros la situación fue algo similar, aunque en este caso sí se pudieron observar unos pequeños defectos en los órganos sexuales femeninos que parecen estar causados por la falta de senescencia durante el desarrollo de los animales que carecen de p21.

Quizás resulte sorprendente y hasta decepcionante para muchos. No faltarán fans de la apoptosis que ufanos proclamarán la superioridad del suicidio celular. Pero hay que tener en cuenta que el desarrollo embrionario es probablemente el periodo más finamente controlado en la vida de un organismo, puesto que cualquier mínimo detalle que escapase al control férreo que se ejerce en el embrión tendría unas consecuencias fatales que perdurarían en el adulto. De hecho, si se suprimen mediadores de apoptosis en modelos animales, tampoco el fallo en los procesos controlados por suicidio celular resulta en ningún defecto grave, y solo alterando gran número de vías podemos llegar realmente a poner de manifiesto la relevancia de ese control.

En el caso de los embriones con defecto en senescencia celular por falta del mediador p21, lo que Dani pudo observar es que esas estructuras se apañan para terminar cumpliendo con el plan previsto empleando un mecanismo de reserva, la apoptosis.

Esto que con torpeza he intentado explicar aquí, supondrá a partir de la publicación de este artículo del grupo de Manolo Serrano un nuevo capítulo a añadir a los libros de texto de biología, uno más de los que este investigador nos desvela gracias a su trabajo.

Artículo original:

Muñoz-Espı́n et al., Programmed Cell Senescence during Mammalian Embryonic Development. Cell (2013). http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2013.10.019

Daniel Muñoz-Espín, primer autor del artículo en Cell, recomienda Naukas#3

NOTA: Esta entrada apareció originalmente en el blog Naukas (naukas.com)

 

The Walking Dead Celular

Célula «zombie» senescente

La posibilidad de adaptar y mantener en crecimiento en placas de laboratorio células vivas obtenidas a partir de tejidos animales o de humanos supuso un enorme avance para el estudio de la biología y la medicina. Pese a las evidentes limitaciones que tiene obtener conocimiento sobre el funcionamiento de un organismo complejo a través del estudio detallado de sus componentes más simples, las células, el desarrollo de la tecnología de cultivo celular ha permitido atisbar los secretos del funcionamiento de la vida, además de habernos aportado una herramienta muy útil para el desarrollo biotecnológico.

Hace ahora medio siglo que uno de los pioneros del cultivo celular, Leonard “Len” Hayflick, realizó un estudio minucioso sobre las características y propiedades de las células humanas en cultivo. Sus precisas anotaciones reflejaban que las células humanas se adaptaban correctamente a las placas de plástico de laboratorio y los medios nutritivos en los que Hayflick cultivaba las células permitían su robusta y continua división. Sin embargo, invariablemente, los cultivos de células humanas de Hayflick derivaban con el tiempo (con las divisiones celulares en realidad) en unos cultivos de células que cambiaban de aspecto y frenaban su proliferación hasta detenerse por completo. Las placas que acogían células que llevaban un número elevado de divisiones celulares (y siempre rondaba aproximadamente el mismo número) se llenaban de células más grandes, con depósitos internos y que eran incapaces de volver a dividirse para dar lugar a células hijas. Las células estaban vivas, eran metabólicamente activas, pero eran incapaces de volver a dividirse. Podríamos decir que eran auténticas células zombies.

Leonard “Len” Hayflick, pionero del cultivo celular y el primero en definir el proceso de senescencia celular. Para él, la senescencia era la base celular del envejecimiento.

La difusión de esa observación a través del cauce habitual, la publicación de los resultados en revistas especializadas bajo revisión anónima por otros científicos especializados en el mismo área, le resultó muy difícil a Hayflick. Un eminente científico, el premio Nobel Peyton Rous, actuando como editor de la revista Journal of Experimental Medicine a la que Hayflick había enviado sus conclusiones contestó de manera destemplada prácticamente que lo que ocurría era que Hayflick no tenía ni idea de cómo cultivar células y por eso sus cultivos cesaban de dividirse.

Hay que ponerse en contexto, puesto que el dogma en aquel momento era que, efectivamente, las células en cultivo eran inmortales. A dicha conclusión se había llegado tras los estudios que se habían realizado utilizando células derivadas de tumores humanos durante la primera mitad del siglo pasado. E incluso a partir de datos ampliamente difundidos a principios de siglo por un investigador de enorme prestigio y de polémica personalidad y profesionalidad, el premio Nobel francés Alexis Carrel, quien había asegurado ser capaz de mantener durante más de 20 años cultivos de células procedentes de embriones de pollo establecidos en 1912. Aquellos cultivos en realidad se mantenían gracias a la adición de medios de crecimiento que procedían también de extractos de embriones de pollo y en los que nuevas células frescas encontraban su camino hacia el cultivo establecido, por error … o no.

Alexis Carrel, cirujano y premio Nobel, insistía en la importancia de mantener unas estrictas condiciones asépticas para el cultivo de células, y en cubrir absolutamente todo de negro (?!).

En cualquier caso, en la mente de todos los científicos que trabajaban con células a mediados del siglo pasado, los organismos eran mortales, pero las piezas básicas que los forman eran esencialmente inmortales, siempre y cuando se les cuidase y aportasen los medios nutritivos correctos. Las observaciones de Hayflick contradecían esta idea y el investigador postulaba que en realidad sus resultados constituían un reflejo del proceso de envejecimiento mostrado por las células en cultivo, y por ello a este fenómeno lo denominó “senescencia celular”.

En realidad hoy sabemos que, como casi siempre, algo de razón había en ambos bandos. Las células que cultivaba Hayflick eran “primarias”, que es como se denomina a las células que se ponen en cultivo directamente desde un tejido sano, sin haber sufrido ninguna modificación en su genoma. Las células inmortales cuyo crecimiento desaforado en cultivo observaban el resto de investigadores procedían de tumores y, por tanto, habían sufrido durante el proceso de conversión en célula tumoral todo tipo de aberraciones genéticas. Entre estas alteraciones que toda célula tumoral que se precie debe portar, se encuentran aquellas que impiden este proceso de senescencia celular, puesto que si algo caracteriza universalmente a las células tumorales es precisamente su capacidad indefinida de proliferación. Que este proceso que impide la división celular ilimitada en cultivo sea un reflejo del envejecimiento a nivel celular es algo que incluso hoy en día no está del todo claro, aunque muchos lo den por sentado.

Tumores experimentales en pulmón de ratón mostrando tinción de células senescentes. La tinción es positiva (azul) en los tumores benignos y negativa en los malignos.

Que la respuesta de senescencia celular constituye una barrera frente al crecimiento tumoral fue propuesto inicialmente en 1997 por un científico español referente mundial, el investigador del CNIO Manuel Serrano. Lo que Manolo propuso en aquel momento es que las células responden ante situaciones potencialmente peligrosas para su integridad genómica mediante senescencia celular como método seguro de impedir que los errores que pudieran generarse por la situación a la que las células se estén enfrentando se perpetúen y expandan. Impedir la división, entrando en ese estado zombi, asegura que la cosa no vaya a más.

Las visiones críticas con esta propuesta, que surgieron, se apaciguaron cuando varios laboratorios, y entre ellos de nuevo el de Manolo Serrano, demostraron que esta respuesta de senescencia celular se podía verificar dentro de los tumores en modelos experimentales de cáncer usando ratones, así como en muestras humanas de pacientes de cáncer. Lo que en aquel momento quedó claro es que esta respuesta existe y se da en los inicios de procesos tumorales. Gracias (en parte) a ella, estamos protegidos del cáncer y nuestras células se aseguran que en caso de sufrir algún daño genético que active un oncogén, la desatada actividad frenética de ese oncogén activo se verá contrarrestada con la parada impuesta por la maquinaria de senescencia celular. Algunos investigadores han propuesto que activar esta respuesta dentro de los tumores mediante nuevos fármacos podría ser una estrategia efectiva en el control del cáncer. Estaríamos hablando de zombificar a las células tumorales para impedir su avance, como vía alternativa o complementaria a la de inducir su muerte. Sin embargo, existen dudas sobre la conveniencia de utilizar esta medida, puesto que siempre estaríamos expuestos a la llegada de una potencial señal “resucitadora” que invitase a la célula tumoral a levantarse y andar.

¿Cómo de frecuente es la respuesta de senescencia celular? ¿Podemos verla? En un ejemplo muy gráfico, el investigador holandés Daniel Peeper del NKI de Amsterdam, demostró que los nevus de la piel, esos lunares que todos conocemos y que se van acumulando con el paso de los años, son el resultado de mutaciones potencialmente cancerosas producidas en unas células especializadas de la piel, los melanocitos encargados de producir la melanina que nos protege de los rayos ultravioleta (y nos pone morenos). Estos melanocitos en los que se ha producido una activación oncogénica se dividen inicialmente hasta formar un pequeño grupo de células de color pardo negruzco (que forman el nevus o lunar) hasta que las células imponen la senescencia celular y consiguen frenar el avance de la proliferación que podría culminar en un tumor. De hecho, una lesión similar en la que la senescencia celular no actúa controlando la división es lo que constituye un terrible y mortífero tipo de cáncer, el melanoma.

Quizás ahora, cuando observes al espejo tu piel al desnudo y te encuentres con todos estos nevus, suspires de agradecimiento a la senescencia celular.

«culo-o-codo» con nevus

Referencias recomendadas:

The serial cultivation of human diploid cell strains. Hayflick L, Moorhead PS. Exp Cell Res. 1961 Dec;25:585-621.

Cellular senescence in cancer and aging. Collado M, Blasco MA, Serrano M. Cell. 2007 Jul 27;130(2):223-33.

Senescence in tumours: evidence from mice and humans. Collado M, Serrano M. Nat Rev Cancer. 2010 Jan;10(1):51-7.

NOTA: Esta entrada apareció originalmente en el blog Naukas (naukas.com)

Las Claves del Envejecimiento

Todos los que alguna vez hayan tenido algo que ver con el estudio de la biología molecular y celular del cáncer se habrán topado más tarde o más temprano (y normalmente de manera repetitiva) con la conocida revisión “The Hallmarks of Cancer”, de Bob Weinberg y Doug Hanahan, lo que podríamos traducir como “Las Claves del Cáncer”, aparecida originalmente en la (muy) prestigiosa revista Cell en enero del año 2000 y que se ha convertido en un clásico contemporáneo de la literatura científica. Dicha revisión ha sido citada miles de veces y figura en toda presentación que pretenda explicar el conocimiento actual de la biología molecular y celular del cáncer. El éxito de esta revisión se basa en desentrañar cuáles son las características fundamentales que definen a la célula tumoral, puesto que se entiende que el cáncer es una enfermedad de células dañadas cuya biología alterada confiere características propias que la definen y que están detrás del estado patogénico establecido por el tumor.

Más recientemente, en un intento de actualizar el conocimiento derivado de una década de intensa investigación, los mismos autores realizaron una nueva versión de su artículo, al que añadieron en el título “The Next Generation” (“La Siguiente Generación”). Además de incorporar el nuevo conocimiento y redefinir algunos aspectos, una adición muy interesante consistió en revisar y proponer posibles estrategias terapéuticas derivadas del conocimiento básico que tenemos de la célula tumoral, una aproximación que está en la base del esfuerzo en I+D tal y como se entiende hoy en día.

Siguiendo esa exitosa estela que emergió de esta revisión surge ahora un “The Hallmarks of Aging” (“Las Claves del Envejecimiento”), también en Cell y con prestigiosos autores, como Carlos López-Otín (del IUOPA de Oviedo), María Blasco y Manuel Serrano (del CNIO de Madrid), además de Linda Partridge (del IHA de Londres y el Max Planck de Biología del Envejecimiento de Colonia, Alemania) y Guido Kroemer (del INSERM de Francia).

La revisión parte de la enumeración de nueve características fundamentales que definen, al entender de los autores, el envejecimiento celular. Estas serían: la inestabilidad genómica, el acortamiento telomérico, las alteraciones epigenéticas, la pérdida de la proteostasis, la desregulación de los sistemas de detección de nutrientes, la disfunción mitocondrial, la senescencia celular, el agotamiento de las células madre y la alteración de la comunicación intercelular.

De manera similar a esa segunda parte de la revisión de las claves del cáncer en la que los autores proponían posibles estrategias terapéuticas basadas en cada una de esas características que definen a la célula tumoral, los autores de “The Hallmarks of Aging” terminan exponiendo intervenciones para las cuales existe alguna prueba de concepto en laboratorio de su posible utilidad, al menos en ratones, alargando lo que se denomina healthspan, que vendría a equivaler al periodo de vida saludable, que a fin de cuentas es a lo que aspira la investigación sobre las bases moleculares del envejecimiento, a disminuir el impacto de las enfermedades asociadas al envejecimiento.