TEMAS 11 Biologia Del Envejecimiento

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P.V.P. 1000 PTAS

Sumario La destrucción de los seres vivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Natalia López Moratalla

Suicidio celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Jean-Claude Ameisen

Control del ciclo celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 Andrew W. Murray y Marc W. Kirschner

Reparación inducible del ADN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Paul Howard-Flanders

El telómero humano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 Robert K. Moyzis

Telómeros, telomerasa y cáncer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 Carol W. Greider y Elizabeth h. Blackburn

Suicidio celular, en la salud y en la enfermedad . . . . . . . . . 54 Richard C. Duke, David M. Ojcius y John Ding-E Young

Biología c elular d el e nvejecimiento h umano. . . . . . . . . . . . . 64 Leonard Hayflick

Glucosa y envejecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4 Anthony Cerami, Helen Vlassara y Michael Brownlee

Restricción c alórica y envejecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Richard Weindruch

Envejecimiento cerebral y mental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Dennis J. Selkoe

Ancianos entre los ancianos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8 Thomas T. Perls

¿Por qué envejecemos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Ricki L. Rusting

Notas Ciclos letales y navajas suizas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Michael O. Hengartner

Cáncer. Enzima de inmortalidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 John Rennie

Control de la apoptosis en los mamíferos: . . . . . . . . . 47 genes reguladores de la muerte Natalia López Moratalla

También las plantas envejecen y mueren . . . . . . . . . . 62 Esteban Santiago

Sistema inmunitario y envejecimento . . . . . . . . . . . . . 73 Natalia López Moratalla

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La destrucción de los seres vivos Natalia López Moratalla

odos los organismos envejecen de forma natural como paso inexorable hacia la muerte. No existe ninguno que consiga eludir ese destino y hacerse inmortal. Sólo los seres más sencillos de la escala bioló-

T

duos de una especie concreta pasa de un número fijo de años de vida, unos tres para el ratón, unos ciento veinte para el hombre, por ejemplo? Al ser una peculiaridad característica parece claro que ha de estar ligada, como el

miento anormal de determinados órganos, de la intervención de agentes infecciosos o tóxicos, por la presencia de malformaciones congénitas que predispongan a fallos funcionales, etc. Se trataría en estos casos de muertes

gica, los como las bacterias, no unicelulares, envejecen. Pero cuando una bacteria se reproduce asexualmente, desaparece como tal al dividirse y dar paso a dos “hijas”, que perpetúan el mensaje genético, único y carente de marcas individuales, propio de la cepa bacteriana a la que pertenecen. El envejecimiento acompaña, en cambio, inexorablemente a la reproducción sexual, es decir, a la que se da cuando, entre los distintos tipos de células que constituyen el organismo, existe uno diferenciado, el de las células germinales. Los gametos femeninos y masculinos al fundirse en la fecundación darán srcen a un nuevo individuo. Pero el resto del organismo productor de los gametos sufrirá las consecuencias del paso del tiempo, sujeto a envejecimiento, destrucción y muerte; los materiales que lo integran no pasarán a los hijos, como tampoco su propio y peculiar mensaje genético. Con los gametos se transmite al nuevo ser el mensaje genético de la especie y una mezcla, a voleo, de las peculiaridades individuales paternas y maternas; el nuevo ser se construirá del mismo modo que se construyeron sus padres, al ponerse en marcha el programa genético que le es propio, programa que contiene las instrucciones necesarias tanto para la vida y el desarrollo del individuo, como para su destrucción y muerte. Parece que todo ser vivo, una vez que ha formado y madurado las células germinales, vive durante un espacio de tiempo que le permita transmitir la vida, contribuyendo así a mantener su especie, pero que, una vez cumplida esa función esencial, inicia un declive irreversible. La selección natural no parece haber encontrado justificación para mantener vivos a los seres no humanos durante mucho tiempo tras el agotamiento de su capacidad generativa. La edad máxima alcanzable, uno de los atributos propios de la especie, difiere mucho de unos organismos a otros. ¿Por qué ninguno de los indivi-

resto de los caracteres, la dotación genética. Deben existir,apor tanto, genes que pongan en marcha procesos que funcionen como auténticos relojes y que lleven la cuenta del paso del tiempo de la vida individual, desde el momento de la fecundación hasta la hora final. Suele aplicarse a estos genes el término de gerontogenes y también el de “genes de la muerte”. Suele distinguirse entre los procesos de senescencia y de envejecimiento, como dos etapas del camino hacia la desaparición de los seres vivos. El primero es un mecanismo controlado genéticamente, que lleva cuenta de la edad y que, pasado un tiempo fijo para cada especie, conduce a un declive corporal. El envejecimiento, en cambio, consiste en otros procesos degenerativos, que perturban el funcionamiento de órganos vitales y terminan provocando la muerte. Puesto que tanto el envejecimiento como la senescencia están bajo control genético es inevitable que existan individuos de la especie humana que padezcan enfermedades de envejecimiento prematuro o debidas a una destrucción temprana de determinadas células tras la alteración de algún gen. Hay enfermedades que causan la muerte de individuos jóvenes, o al menos en una edad anterior a la que marca el proceso de envejecimiento, como consecuencia del funciona-

accidentales enfermedad, es decir, no debidas a por los procesos naturales de destrucción que constituyen las últimas etapas de la vida individual. Pero sí que hay algunas enfermedades en las que las células de un órgano o tejido determinado se destruyen antes de lo normalmente previsto por la naturaleza, por fallo de los mecanismos naturales del proceso de envejecimiento. Así sucede, por ejemplo, con la destrucción neuronal provocada por ciertas enfermedades neurodegenerativas. Resulta llamativo que, por el contrario, algunos ancianos centenarios presenten características vitales, mentales y físicas propias de individuos bastante más jóvenes. Se diría que poseyeran rasgos genéticos que de alguna manera retardasen las limitaciones que suelen acompañar al proceso de envejecimiento y les pusiesen a cubierto de las enfermedades neurodegenerativas frecuentes en edades avanzadas. Además de estilos de vida saludables, práctica de deportes, alimentación equilibrada, etc., esta situación presupone haber heredado un tipo de alelos, de copias, de los genes de la longevidad claramente ven tajoso s. Cla udi o Fra ncesch i ha señalado que entre las características de estos individuos privilegiados destaca el hecho de que estén equipados con un eficaz sistema inmunitario de

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1. EL NUMERO DE CELULAS de diferentes tipos que integran un organismo pluricelular es el resultado de un equilibrio entre los procesos de duplicación y de suicidio celular. El óvulo fecundado produce millares y centenas de millares de células mediante una división espectacular e incesant e e inicia así la construcción, crecimiento y maduración del organismo. Varios relojes controlan el número de duplicaciones de cada tipo[–CH celular: el patrón de metilación de las citosinas (introducción de grupos metilo 3] en el anillo de las citosinas del ADN), la longitud de los telómeros y la expresión de genes necesarios para completar el ciclo de división celular (fos). Resulta paradójico que un número considerable de células tenga que morir durante el desarrollo embrionario y posteriormente para la renovación de los órganos y tejidos y como parte del sistema de defensa. Este suicidio celular, o apoptosis, se induce por carencia de factores de supervivencia, o por interacción con otras células o ligandos a través de moléculas de la membrana, que ponen en marcha el proceso de autodestrucción. El producto del gen bcl-2 es un inhibidor de la apoptosis; la disminución de su expresión desbloquea el suicidio a que toda célula está abocada y marca el momento de entrada en apoptosis.

TEMAS 11

ETAPAS TEMPORALES

VELOCIDAD DE DUPLICACION CELULAR

SUICIDIO CELULAR

FACTOR DE CRECIMIENTO

CIGOTO

SEÑAL

R

N IO C C U R T S N O C

RADICALES LIBRES

CASCADA DE SEÑALES Ca++

NUCLEO

p53

EMBRION Fos PROTEINA IMPLICADA EN LA DIVISION

ADN ALTERADO

CASCADA DE PROTEASAS

FETO DUPLICACION

DISMINUCION DEL VOLUMEN CELULAR ROTURA PROTUBERANCIAS MEMBRANA DEL NUCLEO

FRAGMENTACION ADN

A TERMINO

RELOJES DE LA DUPLICACION NUCLEO CELULAR

TIMO TRAQUEA TIMO

CH3

RELOJ DEL SUICIDIO

fos

PUBERTAD

APOPTOSIS PARCIAL

bcl-2 N IO C A R U D A M O T N E I M I C E R C

TELOMERO

SUCESIVAS DUPLICACIONES

NUCLEO

PERICARDIO LINFOCITOS CITOTOXICOS

CH3

CELULAS DAÑADAS CH3

fos SUCESIVAS DUPLICACIONES

PASO DEL TIEMPO

TIROIDES

bcl-2

NEURONAS

CH3 CH3

MADUREZ

CELULAS EPIDERMIS

fos bcl-2

NO DUPLICACION O T N E I M I C E J E V N E

N O I C C U R T S E D

ALTERACION LIPIDOS

CUERPOS APOPTOTICOS

ANCIANO Ca++

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

RADICALES LIBRES

CELULA ENVEJECIDA

NO REPARACION

DESTRUCCION DE TEJIDOS VITALES: MUERTE

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defensa, gracias a una óptima combinación de tipos de genes.

Destrucción celular: el “suicidio “ o muerte por apoptosis

A

lo largo de la vida, para la construcción y el funcionamiento correctos de los organismos, es imprescindible que se destruyan determinados grupos de células. Esta muerte parcial, que tiene una gran participación precisamente en las etapas iniciales del desarrollo, está también regulada como por los genes. Es proceso conocido apoptosis o el suicidio celular. Todas las células del organismo están programadas para destruirse por apoptosis, sea porque hubiesen realizado ya por completo sus funciones, porque hayan sufrido un daño en el material genético o en otros componentes celulares, o porque les falten las señales que las mantengan en plena actividad funcional. Las células normales “evalúan” el nivel de la lesión sufrida de acuerdo con sus características; si la lesión está por encima de sus posibilidades de reparación, provocan su propia destrucción por apoptosis. Las células también pueden morir accidentalmente, como consecuencia de agresiones físicas o químicas repentinas; se trata de un tipo diferente de destrucción, al que se da el nombre de necrosis. El sistema inmunitario de cada individuo aprende a reconocer lo que le es propio y a “tolerarse” en una fase precoz de la vida. Es decir, aprende al mismo tiempo a rechazar los elementos extraños, como mecanismo de defensa, y a no hacerlo con los de su propio cuerpo. Se ataca así a los agentes microbianos y a los tejidos trasplantados de otro organismo, e incluso se rechazan las células de un tumor, que son a la vez propias y extrañas, pero ese proceso de tolerancia exige la muerte de todas aquellas células que reaccionen contra lo propio, antes de que puedan alcanzar el torrente sanguíneo. Pues bien, en las enfermedades llamadas autoinmunes se produce un fallo en el sistema de tolerancia a lo propio y quienes las sufren son proclives a padecer la autodestrucción de determinados tejidos: el páncreas en los enfermos con diabetes mellitus, las articulaciones en los de artritis reumatoide, la vaina de mielina de las neuronas en los de esclerosis múltiple, etc. Otras muchas células se destruyen de forma programada durante la vida adulta; es el caso, por ejemplo, de las células de la piel. Comienzan su vida en

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las capas profundas y sufren apoptosis mientras emigran a la superficie, para formar la capa protectora de la piel. La destrucción celular también resulta necesaria para la supervivencia del organismo completo cuando ocurre una infección. La célula infectada muere normalmente por necrosis, es decir, rompiéndose la membrana y liberándose el contenido celular. En ocasiones es el mismo agente patógeno el que da la señal para que la célula infectada se suicide. La Shigella flexneri es una bacteria que produce la disentería humana. Los trabajos de Arturo Zychlinsky y Philippe

vías metabólicas, de tal forma que se pudiesen aprovechar los componentes del entorno para obtener de ellos la energía y los materiales con los que construirse, crecer y vivir. La vida pareció exigir, ya desde su inicio, un cierto umbral de velocidad de las reacciones bioquímicas. Y la información requerida para construir tales catalizadores quedaría guardada a su vez en forma de material genético, capaz de producir una replica de sí mismo y de cumplir así el otro requisito del ser vivo: transmitir la vida. Los seres vivos nacen, viven, se reproducen y mueren. Pues bien, esa

Sansonetti enenel1992 Instituto Pasteur demostraron que esta enfermedad se debe a que la bacteria obliga a los macrófagos a sufrir apoptosis, con lo que se libra de estas células especializadas en destruir agentes extraños. Aunque la causa fundamental de la tumoración sea generalmente la alteración no reparada de los genes de una célula, como resultado de la cual ésta pierde el control de su propia proliferación y se convierte en una célula inmortalizada, también puede deberse en otros casos a respuestas de rechazo o a deficiencias de los sistemas que provocan la autodestrucción por apoptosis. Las células se convierten entonces en cancerosas no porque proliferen anormalmente, sino porque han perdido la capacidad de autodestrucción. Se han identificado algunos genes que son necesarios para la apoptosis, genes que están a su vez implicados en la transformación tumoral. Inhibe la apoptosis la expresión del gen bcl2, un oncogén, al facilitar la supervivencia celular. Por el contrario, el producto del gen supresor del cáncer, la proteína p53, detiene la proliferación de la célula, a la vez que induce su apoptosis. A esta proteína se la denomina guardi án celu lar , ya que se expresa en aquellas células que han sufrido un cúmulo tal de alteraciones que los sistemas habituales de reparación resultan insuficientes.

muerte tiene, enLa cierto sentido, algo de vuelta atrás. desintegración de las estructuras que le han mantenido como organismo vivo pasa por un proceso final de envejecimiento en que se van destruyendo las moléculas producidas antes, proceso que se realiza precisamente por otras reacciones químicas, no bien controladas por enzimas, que srcinan radicales libres de oxígeno. Los animales dotados de un metabolismo lento, es decir, los que queman oxígeno despacio, tienen una vida larga, mientras que, a la inversa, los que consumen oxígeno rápidamente tienen una vida más corta. Los radicales libres son especies químicas que contienen uno o más electrones desapareados, por lo que son extremadamente reactivas. Actúan sobre diversos componentes celulares dañándolos y alterando la función celular hasta producir su destrucción. Las dianas de estas peligrosas moléculas son los ácidos poliinsaturados de las membranas, algunas proteínas y el material genético. Los organismos producen de forma continua radicales libres de oxígeno por diversas vías: como subproductos del metabolismo, como parte de las reacciones que los fagocitos usan contra los agentes invasores, etc. Estos radicales libres inician una serie de reacciones en cadena, que a veces los transforman en otros tipos de moléculas. Pero la mayoría de ellos se destruye merced a un conjunto de sustancias que constituyen el sistema antioxidante. Algunos componentes de este sistema son moléculas que captan radicales libres, como las vitaminas E y C. Otros son enzimas antioxidantes, que catalizan su conversión en moléculas menos nocivas o que impiden su formación; entre ellas destaca la superóxidodismutasa, capaz de transformar el radical superóxido en agua oxigenada. Hay otras moléculas que constituyen factores importantes en el proceso de envejecimiento, como sucede con la

Radicales libres y envejecimiento

L

a vida apareció sobre la Tierra cuando, tras un lentísimo proceso evolutivo, un conjunto individualizado de materia, separado del resto por una especie de membrana, albergó dentro de sí unas moléculas, las protoenzimas, capaces de catalizar o de acelerar las reacciones químicas, poniendo orden en los procesos de las

TEMAS 11

glucosa, que altera determinadas proteínas produciendo puentes intermoleculares que, a forma de grapas, tejen redes que endurecen los tejidos y dificultan su correcto funcionamiento. A lo largo de la vida se van reparando las lesiones que se van produciendo gracias a enzimas específicas, pero estos sistemas de defensa pierden potencia con la edad, a partir de un momento característico para cada especie. La destrucción del organismo resulta por tanto de una incapacidad progresiva para reparar las lesiones producidas en los componentes celulares de órganos cuyo funcionamiento

MITOCONDRIA ATP 2+

U Q H U Q

es vital para la coordinación de las diferentes partes del organismo. Llama la atención que la mayoría de los tumores aparezca en edades relativamente avanzadas; la incidencia del cáncer de colon, por ejemplo, aumenta diez veces entre los 40 y los 70-80 años y el de riñón unas ocho veces. Es curioso que cuanto más viejas son las células, y por tanto más deterioradas están, mayor es la probabilidad de que sufran una alteración que las convierta en inmortales.

3+

Fe Fe

e– O2

2+

Cu

O2 Fe o que Blo radical – . OH + OH hidroxilo Fe

Fe

Agua – oxigenada H2O2 + *O2 Radical oxígeno singlete

.–

O2

Anión superóxido

ATP

Ca++

3+

2+

Fe

.

NO

Ca++

El reloj de la vida: control del número de divisiones celulares

Fe

2+

2+

Procedente de la oxidación de sustratos

Fe 3+

Fe

Fe 3+

Fe

e–

2+

3+

Fe

2+

3+

2+

Fe

ADP+Pi

H2O

mo cro Cito idas+a x o Cu 3+ Fe

.

OH + NO2

–

Fe

Acido úrico + O2 + H2O2 Proteasa activada

2+

Fe

Xantina oxidasa activa

–

3+

.

OH + OH Xantina + O2

¿C

ómo perciben las células que el organismo al que pertenecen va al ca nzan do el lí mite de ed ad máxima que puede vivir, es decir, que es senescente y que deben ir dejando de dividirse y empezar a envejecer? Se sabe que cada tipo celular se reproduce mediante divisiones realizadas un número máximo de veces, número que es fijo, por lo menos entre los mamíferos. El número de duplicaciones de cada tipo celular está definido, siendo diferente para cada especie de acuerdo con su longevidad. Desde hace años Leonard Hayflick estudió este proceso cultivando fibroblastos humanos procedentes de individuos de diferent es edades. Descubrió que el mecanismo que lleva el control y guarda memoria del número de divisiones realizadas corresponde al material genético. A partir de entonces comenzó a explorarse cuáles podrían ser esos “genes de la muerte” y cómo actuaban. Uno de estos genes es el que codifica la enzima telomerasa. En cada división celular, con la replicación del ADN, se produce un acortamiento del tamaño de los extremos de los cromosomas, llamados telómeros. Cuando se acortan más allá de cierto límite, la célula deja de dividirse. Las células de

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

2. LA MAYORIA DE LOS RADICALES LIBRES de oxígeno se forman en la mitocondria. La cadena respiratoria transporta los electrones procedentes de la oxidación de las moléculas biológicas hasta la citocromooxidasa, que los transfiere a una molécula de oxígeno y se reduce a agua. La energía se acopla a la síntesis de ATP. Si falta oxígeno o falla la citocromooxidasa, la transferencia de electrones se bloquea. Cuando se recupera el proceso de oxigenación la reducción del oxígeno conduce a la formación de radicales libres. La falta de ATP, a su vez, hace que el calcio, en lugar de salir, entre en la célula, donde a través de una proteasa activa la enzima xantinaoxidasa, que cataliza la formación de radicales libres en el resto de la célula.

la línea germinal expresan durante el desarrollo embrionario la enzima telomerasa, que corrige ese acortamiento de los telómeros, por lo que ellas se multiplican muchas veces; una vez que el organismo está construido, las diferentes células dejan de expresar esta enzima y dan comienzo a una especie de recuento de las divisiones que tiene como sistema de medida el acortamiento de los extremos de los diferentes cromosomas. Las células tumorales, precisamente porque expresan erróneamente la enzima telomerasa, no tienen este tipo de restricción y pueden inmortalizarse. También la expresión del gen c-fos, que codifica una proteína del núcleo

implicada en la regulación de la división celular, está controlada mientras dura la vida; cuando los fibroblastos dejan de duplicarse, la proteína fos ha dejado de expresarse. El gen c-fos es un oncogén que se expresa anormalmente en una buena parte de las células transformadas en cancerosas. Puede que haya otros procesos que contribuyan a llevar la cuenta del número de divisiones realizadas por cualquier célula diferenciada desde que surgió como tal durante el período de construcción del organismo. En la replicación del ADN, que precede a cada división o duplicación celular, se produce un cambio químico en las citosinas: una metilación catalizada por

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enzimas llamadas metilasas. La citosina es una de las bases nitrogenadas que integran la estructura del material genético y algunas de ellas se encuentran en las secuencias de ADN que preceden a cada gen. Estas secuencias, que constituyen el promotor del gen, son reconocidas por proteínas específicas y así pueden controlar que ese gen se exprese o permanezca silencioso. Pues bien, cuando la secuencia promotora de un gen contiene citosinas y alguna de ellas queda metilada se altera la regulación de la expresión de tal gen, puesto que la secuencia promotora ya no puede ser reconocida

también a lo largo de la vida. Es de suponer que, una vez alcanzado un número crítico de duplicaciones, el cambio progresivo del patrón de metilación permita que los promotores de determinados genes que gobiernan la senescencia reciban así la señal de expresarse o de reprimirse. Otro modo de contar el tiempo de la vida de un organ ismo reside en un órgano esencial del sistema inmunitario: el timo. Esta glándula, situada detrás del esternón, realiza una doble función: produce la hormona tímica y en ella se realiza la maduración de los linfocitos, a los que preserva del con-

paulatinamente hasta prácticamente desaparecer hacia los sesenta años. Este órgano, que al final de la vida fetal ha alcanzado su tamaño máximo, comienza a empequeñecer a partir del tercer lustro, de forma que hacia los cincuenta años su tamaño se ha reducido a la décima parte. Esta progresiva destrucción del timo marca también el ritmo de supervivencia. En resumen, la biología del envejecimiento y de la extinción de los seres vivos supone una serie de procesos que la investigación científica no ha hecho más que empezar a conocer. Aunque incipientes, estos conocimientos apun-

por esas patrón de proteínas metilaciónespecíficas. de citosinas,Elesto es, el número y la posición que ocupan las citosinas que han quedado metiladas, varía de forma precisa durante la construcción del organismo y varía

tacto consufre posibles órgano linfoide a lo antígenos. largo de laEl vida una involución. La producción de la hormona tímica se mantiene hasta los treinta años en la especie humana; sus niveles van luego disminuyendo

tan gerontogenes, hacia la existencia unos genes, los a losde que corresponde la decisión de que finalice la ejecución del programa genético cuya operación generó y mantuvo a su individuo portador.

Ciclos letales y navajas suizas Michael O. Hengartner

l citocromo c lleva una doble vida. Cuando una célula recibe la orden de que cometa el suicidio apoptótico, el citocromoc abandona su lugar habitual en la mitocondria y se instala en el citosol, donde contribuye a activar la infantería de la apoptosis —el conjunto de proteasas de la muerte conocidas con el nombre de cas pasas—. Aunque no se sabe cómo se las arregla el citocromoc para escapar de la mitocondria, está claro que hay ciertos elementos dentro de la jerarquía reguladora de la apoptosis que no están dispuestos a condonar ese comportamiento. En particular, la sobreexpresión de los supresores de la muerte celular, Bcl-2 y Bcl-xL, evita la salida del citocromo c, lo que indica que estas proteínas actúan curso arriba en el cauce del citocromoc por lo que respecta a la muerte celular. Pero dos equipos investigadores, dirigidos por B. Zhivotovsky y por T. Rossé, acaban de demostrar, cada uno por su lado, que el Bcl-2 puede proteger a las células de los efectos del citocromoc también curso abajo, es decir, después de que haya escapado de la mitocondria. Este hecho obliga a reconsiderar ideas que, aunque recientes, ya se habían convertido en dogmas. Sobre las caspasas recae la mayor parte del trabajo en el proceso de la apoptosis. Las caspasas se activan mediante procesos proteolíticos, hidrolizan un número limitado de substratos apoptóticos y de ellas depende directa o indirectamente la mayoría de los cambios característicos de la apoptosis. ¿Cómo se activan las caspasas? El homólogo de la caspasa CED-3 se activa en el gusano nematodo Caenorhabditis elegans por la interacción física entre la proCED-3 y la CED-4, proceso que parece ser el único mecanismo disponible para tal activación, ya que la muerte celular programada no se produce en los animales mutan-

E

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tes en el genced-4. En las células que han de sobrevivir, la CED-9 (que pertenece a la familia Bcl-2) se une a la CED-4 y la mantiene en una conformación inactiva, impidiendo por tanto la activación de la proCED-3 mediada por la CED-4. La capacidad de CED-9, CED-4 y CED-3 de formar un complejo multiproteico ha conducido al modelo del “apoptosoma” en la regulación de la muerte celular. Una serie de artículos de X. Wang y sus colaboradores ha descrito con elegancia la forma parecida en que se activan las caspasas de los mamíferos, al menos algunas. Purificaron, a partir de extractos de células humanas, tres proteínas que pueden activar la procaspasa-3 en presencia de dATP. La naturaleza molecular de dos de estos factores activadores de proteasas apoptóticas, o “Apafs” (del inglés apoptotic protease activating factors), encaja perfectamente dentro de esta idea: Apaf-3 ha resultado ser la caspasa-9, que tiene una estructura semejante a CED-3; y Apaf-1 es nada menos que el tan buscado homólogo de la CED-4 en los mamíferos. Como cabía esperar de las semejanzas que sus secuencias tienen con las de sus homólogos vermiformes, Apaf-1 se une a Apaf-3/caspasa-9 y promueve su activación proteolítica. Pero esta historia tiene dos pequeños detalles interesantes. El primero consiste en que, a diferencia de lo que ocurre con CED-4, Apaf-1 necesita un cofactor para unirse a la caspasa-9 y proceder a su activación. Este cofactor, el Apaf-2, ha resultado ser, para asombro general, el humilde citocromo c, que normalmente ocupa su lugar habitual en la superficie externa de la membrana mitocondrial interna. Es ahí donde realiza su función de transferir electrones entre los sistemas III y IV de la cadena transportadora de electrones de la mitocondria.

TEMAS 11

El otro se relaciona con el mecanismo de supresión de la muerte celular por la oncoproteína Bcl-2 (y sus homólogas). El supresor Bcl-2 interactúa con media docena de proteínas por lo menos (sin contar a otros miembros de la familia Bcl-2), aunque sigue sin estar claro cómo interfiere la muerte celular. Aunque resulte atractivo servirse de los datos de C. elegans para postular que la Bcl-2 haya de unirse a Apaf-1 y a otros adaptadores de su especie, la idea carece, lamentablemente, de apoyo experimental y las cosas parecen discurrir más bien por otros derroteros. Dos grupos investigadores demostraron el año pasado que los niveles elevados de Bcl-2 pueden evitar que el citocromo c salga de la mitocondria, dato que ofrece una base para asignar una atractiva función biológica, si no molecular, a la proteína Bcl-2. ¿Es posible que esta proteína haya asumido una nueva función, incitada tal vez por el

a BAX

CASPASAS CURSO ARRIBA CASCADAS DE CASPASAS CITOCROMO C

APOPTOSIS CASPASAS CURSO ABAJO

BCL-2 APAF-1

b BAX

reclutamiento de un nuevo enlos el límites caso dede lossumamíferos? ¿Habrá alcanzado C. factor elegans utilidad como modelo? Puede que no sea así. De los estudios mencionados de Rossé y Zhivotovsky surge un nuevo cuadro algo más complejo. A pesar de sus diferentes enfoques, ambos equipos han descubierto que los niveles elevados de Bcl-2 pueden retrasar la muerte celular, incluso cuando el citocromo c se haya desplazado ya al citosol. Rossé utilizó la transfección transitoria de Bax, un miembro pro-apoptótico de la familia Bcl-2, para causar la liberación del citrocromo c y la apoptosis. La co-transfección de Bcl-2 impidió la apoptosis inducida por Bax, a pesar de que el citocromo c se encontrase ya en el citosol. Vieron que niveles elevados de Bcl-2 bloquean la muerte celular en la mayoría de las células, lo que indica que Bcl-2 puede actuar curso abajo en el cauce del citocromo c. Según el modelo de la asociación CED-9/CED-4/CED-3 de C. elegans esto es precisamente lo que cabía esperar. Pero ¿cómo se explica que la misma proteína pueda bloquear la muerte en dos pasos distintos de la vía apoptótica? Una posibilidad es que el Bcl-2 disponga de gran variedad de recursos y realice simultáneamente diversas funciones, lo que podría llamarse el modelo de la “navaja suiza” (véase la figura a ). Pero también pudiera suceder que ambas actividades estuvieran vinculadas. Se sabe, por ejemplo, que Bcl-2 experimenta una serie de cambios conformacionales muy profundos que conducen a su inserción en membranas y puede que a la formación de canales de Bcl-2. Su inserción en la membrana permitiría la salida del citocromo c (¿obstaculizando la formación de heterodímeros Bcl-2/ Bax?) y evitaría que Bcl-2 se uniera a Apaf-1. Si no se insertasen todas las moléculas de Bcl-2, el resto de ellas podría unirse a Apaf-1 y evitar así la muerte celular. Este sería especialmente el caso si la vía apoptótica se estimulase curso abajo de la serie de procesos que habitualmente conducen a la inserción de Bcl-2 en la membrana.

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tra posibilidad es que Bcl-2 pudiese actuar, como parece suceder, tanto curso arriba como curso abajo con respecto a la liberación del citocromo c al participar éste en una vía cíclica. En efecto, no sólo el citocromo c estimula la activación de caspasas, sino que las caspasas activas promueven la liberación del citocromo c de las mitocondrias intactas. Esto hace pensar que la mitocondria tenga un substrato de caspasas que, al hidrolizarse, promueva la liberación del citocromo c. La mitocondria podría actuar así como un amplificador apoptótico, realimentando positivamente un ciclo de liberación de citocromo c y de activación de caspasas (figura b). Cualquier proceso que cebe este lazo —liberación de citocromo c, activación de caspasas, o al contrario— pondrá en marcha un “círculo BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

PROCASPASA-9 PROCASPASA-3

CASPASAS CURSO ARRIBA

“CICLO LETAL”

CASCADAS DE CASPASAS

CITOCROMO C APOPTOSIS CASPASAS CURSO ABAJO

BCL-2 APAF-1

PROCASPASA-9 PROCASPASA-3

MODELOS EXPLICATIVOS de la función del supresor Bcl-2 en la apoptosis.a() Modelo de “navaja suiza”: el Bcl-2 impide la salida del citocromo c y la activación de caspasas. b) Modelo ( de “ciclo letal”: el Bcl-2 bloquea la activación de caspasas, evitando la amplificación de las señales pro-apopotóticas.

vicioso de la muerte”, cuyo desenlace sería la activación masiva de caspasas y la muerte apoptótica. Para que el modelo del ciclo letal sea viable hace falta que exista un sistema amortiguador, pues, de lo contrario, la más ligera perturbación podría amplificarse y desembocar en una muerte extemporánea. Buenos candidatos para esta función amortiguadora son los inhibidores de la apoptosis (IAP), pertenecientes a una familia de proteínas que inhibe determinadas caspasas. El Bcl-2 podría tener también función amortiguadora, pues interrumpiría el ciclo al interferir el proceso de activación de las caspasas, si el modelo deC. elegans es correcto. Si el ciclo se interrumpiese tempranamente, como pudiera ocurrir con señales débiles, la liberación de citocromoc sería escasa y daría la impresión de que Bcl-2 estuviese actuando curso arriba. Bcl-2 debería evitar también, en teoría, las señales proapoptóticas intensas que se sitúen a nivel de liberación del citocromo c. Se produciría así una victoria sobre la muerte, aunque pírrica, por cierto, ya que la célula quedaría técnicamente viva, pero con unas mitocondrias laceradas y con su cadena transportadora de electrones tan perturbada que harían difícil su crecimiento y división. Ni Rossé ni Zhivotovsky comentan las perspectivas que tengan las células cuyo citocromo haya pasado al citosol, dejando abierta esta cuestión. De momento ambos modelos pueden explicar las observaciones conocidas. La proliferación de flechas que reflejan los esquemas dificulta por desgracia las verificaciones, limitando por tanto su valor predictivo. Lo más seguro que podemos hacer por ahora es quedarnos con la afirmación de que la apoptosis es un proceso complejo o, si se quiere, un proceso no lineal. O ambas cosas a la vez. 9

Suicidio celular Jean-Claude Ameisen Una célula está siempre en capilla. Su pervivencia depende de las señales que reciba de su entorno y se producen consecuencias patológicas diversas cuando estos mecanismos comunicativos no funcionan bien

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as eternas preguntas que la humanidad se ha hecho sobre las causas de la enfermedad, de la senectud y de la muerte empiezan a encontrar respuesta gracias al estudio de los mecanismos determinantes del destino de los miles de millones de células que integran cualquier ser vivo complejo. Se pensó durante mucho tiempo que la muerte de las células, ya fuese continua o esporádica y relativa a muchas o a pocas de ellas, no podía derivarse más que de agresiones externas, del paso del tiempo, de la enfermedad o de la vejez. El estudio de las fases iniciales de la vida ha ido arrumbando poco a poco tal dogma, ya que el desarrollo embrionario se caracteriza por fenómenos espectaculares e incesantes de multiplicación, de diferenciación y de migración celulares, cuyo resultado es la transformación del huevo srcinario, una célula individual, en un organismo multicelular complejo, dándose la paradoja de que durante este período se produzcan también episodios de muerte celular generalizada en ausencia de enfermedad ni envejecimiento algunos. Las primeras observaciones de tales fenómenos se realizaron a finales del siglo XIX, pero no se les concedió mucha importancia, considerándolos consecuencia inevitable de los errores concomitantes con la enorme producción de células característica del período embrionario. Pero resulta ser un hecho que se repite en todas las especies de organismos pluricelulares estudiados, que afecta a muchos órganos y que se produce en las mismas zonas y en los mismos momentos en todos los embriones de una misma especie. Hace medio siglo que estos datos llevaron a los biólogos a pensar que la muerte celular formase parte del programa normal de desarrollo embrionario, hipótesis que planteaba numerosos interrogantes relativos a

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su posible función, a sus mecanismos y a su regulación genética. Lo primero que quedó determinado es que la muerte celular modela la forma del embrión eliminando tejidos, como si fuese un escultor. Desaparecen así partes ancestrales, que ya no tienen ninguna función para la especie, como la cola del embrión humano o la cola y las branquias del renacuajo, que son útiles durante el desarrollo y desaparecen cuando se metamorfosea en rana. Es la muerte celular la que esculpe las patas de aves y mamíferos mediante la eliminación de los tejidos que unen los dedos, que surgen así en su individualidad; una atenuación del proceso srcina las patas palmeadas de las aves acuáticas. La muerte celular participa también en la abertura de los orificios del tubo digestivo, en la formación de los riñones, en la remodelación de huesos y cartílagos y en la diferenciación sexual. Se comprendió que la muerte programada podía ser desencadenada por señales emitidas por el propio organismo cuando se descubrió el papel esencial que ciertas hormonas desempeñan en la metamorfosis de insectos y batracios. Pero ha sido el estudio de la formación del sistema inmunitario y del cerebro, que son los órganos reguladores más elaborados que tienen las aves y los mamíferos, el que ha puesto de manifiesto la complejidad de los fenómenos de muerte celular, pues en este caso su cometido no es modelar una forma, sino permitir que aparezca una función.

Muerte celular y sistema inmunitario

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a sorprendente eficacia que tienen las defensas de nuestro organismo contra la plétora de agentes infecciosos que nos rodea se debe a la extraordinaria diversidad de los mecanismos de reconocimiento con

que cuenta el sistema inmunitario. Cada uno de los centenares de millones de linfocitos que lo componen tiene un receptor que le resulta propio, con el que puede reconocer un agente infeccioso que esté presente en las células del cuerpo. Esta diversidad se crea gracias a la formidable potencia del azar, es decir, permitiendo que un número limitado de genes se asocie de todas las formas posibles. La solución no carece, empero, de riesgos, puesto que un linfocito cuyo receptor resulte de tal lotería corre el

CELULA NORMAL

1. LAS CELULAS están siempre entre la vida y la muerte. Si una célula no recibe de su entorno señales que la mantengan viva, se suicida: el núcleo se condensa y se fragmenta, la membrana se arruga y el citoplasma se divide gotitas (los situacuerpos apoptóticos). Unaen célula en esta ción se ha fotografiado con el microscopio electrónico de barrido y se muestra en el extremo inferior derecho. La célula apoptótica presenta en su superficie moléculas que pueden ser identificadas por las células vecinas, que proceden entonces a absorber los cuerpos apoptóticos. Las células que sufren este proceso desaparecen sin dejar rastro.

TEMAS 11

peligro de equivocarse de adversario y de atacar a los constituyentes del propio organismo. Es pues necesario que cada uno de los receptores linfocitarios distinga las moléculas que pertenecen al mismo individuo (las propias, que no deben provocar reacción inmune) de las de los agentes infecciosos (las ajenas, que sí deben provocarla), pues de ello depende la supervivencia del individuo. El embrión no dispone de ningún medio que le permita distinguir a priori entre los receptores concretos de lo propio y de lo ajeno. Lo que hace en cambio es someter a los linfocitos

enfermedad autoinmune, por lo que debe morir. Aquellos que, por el contrario, no detectan nada, tampoco podrán actuar sobre las células infectadas; son pues inútiles y también han de ser eliminados. Más del noventa por ciento de todos los linfocitos perecen durante esta selección. El organismo no tolera más que a los que pueden cumplir su función de supervivencia.

inmaduros aque una de selección obligatoria, sefase realiza durante el embarazo, al abrigo de las agresiones externas y de los agentes infecciosos, y en la que la muerte desempeña un papel esencial. El linfocito que reconoce demasiado bien determinados constituyentes del organismo resulta peligroso, pues pudiera atacar a sus propios tejidos y desencadenar una

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Vida y muerte de las neuronas ovioso. mismoLa sucede con el sistema nertremenda complejidad organizativa del cerebro resulta de un aprendizaje basado en el diálogo entre las células y castigado con la muerte. Las células nerviosas del embrión (las neuronas) se multiplican, se despla-

zan y emiten prolongaciones (los axones) que les permiten establecer conexiones (las sinapsis) con otras poblaciones celulares (musculares o nerviosas). Paso a paso se va formando así la red comunicativa gracias a la que funciona el sistema nervioso. Una de cada dos neuronas muere como promedio por doquier mientras se establecen estos contactos. Durante esta fase todas las neuronas están programadas para morir; su destino —morir o pervivir— depende de que establezcan o no contacto con su diana. El desencadenamiento del proceso de muerte se impide mediante una señal de cuando pervivencia que emiten otras células la neurona logra tal contacto. También se eliminan las

ABSORCION DE LOS CUERPOS APOPTOTICOS

SEÑALES DE PERVIVENCIA

CELULA NORMAL

CUERPOS APOPTOTICOS

CELULA NORMAL

CELULA EN PROCESO DE APOPTOSIS

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

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inflamaciones ni lesiones de los tejidos en los que tal ocurre. Durante el desarrollo embrionario, por ejemplo, muere diariamente casi un tercio de los timocitos, que son los precursores inmaduros de los linfocitos T, sin que el timo se resienta en lo más mínimo de tal desaparición. Es precisamente su carácter rápido y discreto lo que dificulta a veces la detección de la muerte celular programada. La célula que se suicida se separa de sus vecinas, desintegrándose luego de manera ordenada. El núcleo primero se condensa y luego se fragmenta; los cromosomas y el

a

b

GEN Ced-3

GEN Ced-9

c

d

2. CUANDO LOS GENES Ced-3 y Ced-9 de la lombriz Caenorhabditis elegansse expresan, las células sobreviven (a). Cuando no lo hace más que Ced-3, la célula se suicida (b). Si se activa Ced-9, pero no Ced-3, la célula sobrevive (c). La conclusión es que la expresión del gen Ced-3 provoca la muerte, mientras que la de Ced-9 la impide. Todas las células de los mutantes que no manifiestan ninguno de ambos genes sobreviven (d). La expresión de Ced-3 es necesaria, pero no suficiente, para provocar la muerte. neuronas inútiles, las que han establecido circuitos poco eficaces, en detrimento de los que lo son más, y las peligrosas, las que han establecido conexiones aberrantes con células que no son las destinatarias naturales y no liberan las señales imprescindibles para su supervivencia. Poco a poco los circuitos eficaces resultantes de estos diálogos elementales van formando múltiples redes efímeras, cuya estabilización determina que las neuronas sigan vivas. Así es como nace la estructura del sistema nervioso, formada por algunos miles de millones de neuronas especializadas, cada una de las cuales se relaciona con unos cuantos millares de congéneres. La cantidad de información que se necesita para elaborar los sistemas nervioso e inmunitario desborda la capacidad de almacenamiento del genoma. El programa genético supera este escollo por medio de unas reglas de juego estrictas y de un método drástico de corrección de errores. La obligación de cooperar impuesta a todas las células participantes hace que cada órgano se conforme a sí mismo, seleccionando de entre todas las configuraciones posibles la que mejor garantice el cumplimiento de su función. Resulta así que el destino de una célula concreta de un organismo pluricelular durante el desarrollo embrionario no está predeterminado, puesto

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que su pervivencia o su muerte dependen del lenguaje celular, de la emisión y la recepción de señales específicas. ¿Cuál es el mecanismo por el que el diálogo establecido entre los diferentes grupos de células en la fase embrionaria determina que éstas sigan viviendo o perezcan? ¿Y cómo mueren las células? Hace más de veinte años que John Kerr y Andrew Wyllie se dieron cuenta del carácter estereotipado de la muerte celular programada, tan distinta de la anarquía de la necrosis. Al describirla le dieron el nombre de apoptosis, palabra griega que alude a la caída de las hojas en otoño.

Necrosis y apoptosis

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a necrosis es una muerte celular espectacular y catastrófica, asociada a diversas enfermedades y conocida desde hace mucho tiempo. Las células, atacadas por un tóxico, por un agente infeccioso o por la carencia de oxígeno, se hinchan hasta que se rompe la membrana y se liberan las enzimas nocivas, que a su vez matan a las células circundantes. El proceso srcina una reacción inflamatoria y una cicatriz fibrosa, que deforman el tejido y el órgano afectados. La muerte celular programada es completamente diferente. Millones de células mueren en el espacio de unas cuantas horas sin que se produzcan

genoma se parten en trozosen regulares; el citoplasma se dispersa gotitas, que las células próximas absorben rápidamente. La superficie celular adquiere un aspecto vesiculado, pero no se rompe la membrana, de modo que no se dispersan los productos tóxicos. Las células circundantes y los macrófagos pueden identificar a la célula moribunda e ingerirla gracias a la expresión de determinadas moléculas de su membrana. Hace tres lustros que se demostró la posibilidad de frenar los procesos de apoptosis mediante productos químicos que impidan que la célula exprese sus genes y sintetice las proteínas correspondientes. Esta fue la prueba definitiva de que las células participan activamente en su propia destrucción, activando su programa de suicidio como respuesta a una señal dada. Actualmente se sabe que las armas de la autodestrucción se encuentran inactivas en gran cantidad de células, estando preparadas para su uso en cuanto se reciba la señal adecuada. La decisión de vida o muerte depende del entorno de la célula. Son las señales de pervivencia, de naturaleza cambiante en distintos períodos, las que impiden el inicio del suicidio. El destino de todas las células y el de todos los órganos depende continuamente del tipo de diálogo que mantengan con sus correligionarios, único modo de prolongar su existencia.

Los genes del suicidio celular l estudio de uno de los más diminutos organismos pluricelulares, el nematodo Caenorhabditis elegans, una lombricilla transparente, permitió hace unos diez años que Robert Horvitz y sus colaboradores proporcionasen la primera prueba de que son los genes los que gobiernan el suicidio celular. De las 1090 células que se producen durante el desarrollo

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TEMAS 11

3. LA MUERTE CELULAR RESULTA INDISPENSABLE para la formación del embrión. Tiene destacada participación en la modelación del cerebro, de los dedos y del sistema in muniembrionario de Caenorhabditis elegans mueren 131. Mediante el análisis de numerosos mutantes genéticos de Caenorhabditis elegans se han podido identificar los 14 genes que gobiernan todas las fases del suicidio celular, demostrando, aunque sin llegar al detalle de los acontecimientos moleculares, cuáles intervienen en que la célula tome o no la decisión de suicidarse, cuáles participan directamente en la autodestrucción y cuáles permiten que las células apoptóticas sean ingeridas por las circundantes. Dos son los genes que desempeñan un papel esencial en la regulación de la muerte celular: el Ced-3 , cuya expresión la provoca, y el Ced-9, cuya expresión la impide. Caenorhabditis elegans pierde 131 células durante su desarrollo embrionario normal porque el Ced-3 de estas células se expresa, mientras que Ced-9 permanece inactivo. Este último impide que el primero desencadene la muerte de las 959 células restantes. Todas las 1090 células sobreviven en los mutantes cuyo Ced-3 no se expresa, mientras que, a la inversa, todas mueren en aquellos casos en los que es Ced-9 quien no se expresa. En fin, si no lo hacen ni uno ni otro, no muere ninguna célula. Queda así claro que la acción de Ced-3 es necesaria, pero no suficiente, para desencadenar la muerte, pues no actúa más que en ausencia de la expresión de Ced-9 ( véase la figura 2). Ced-3 codifica una cisteína proteasa, es decir, una enzima que reduce a trocitos ciertas proteínas. Mientras resulta lógico

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

tario. Un embrión de varias semanas tiene los dedos unidos por una membrana ( izquierda), cuyas células se eliminan a sí mismas, dejando los dedos bien separados ( derecha).

que uno de los métodos fundamentales de autodestrucción celular sea la destrucción de proteínas, se ignora la forma en que Ced-9 ejercita su acción preventiva. Resulta pues que ciertos genes tienen la función de cortar prematuramente la vida de una célula, mientras que la de otros es permitir que sobreviva, teniendo estos últimos el papel predominante: los productos de los genes verdugos no implican la muerte más que en ausencia de las moléculas prescritas por los genes salvadores. ¿Qué genes regulan la muerte celular de los organismos más complejos que Caenorhabditis elegans ? Los seres humanos tenemos dos genes muy parecidos a los del nematodo, los llamados ICE y Bcl-2 . ICE codifica una cisteína proteasa, como Ced-3 , mientras que se ignora cómo actúa Bcl-2 . Se ha conseguido que un embrión de Caenorhabditis elegans expresase el gen Bcl-2, produciéndose el mismo efecto preventivo que con Ced-9 . Bcl-2 y Ced-9 actúan ambos sobre una misma diana, que se halla tanto en Caenorhabditis elegans como en los seres humanos. El grado en que la evolución ha conservado los genes que gobiernan el suicidio celular es, pues, notable, demostrándose así que desempeñan un papel esencial en el desarrollo embrionario de todas las especies. Se pensó durante mucho tiempo que estos programas de suicidio celular no serían eficaces más que durante el período del desarrollo embrionario, resultando inoperantes posteriormente. La idea se basaba en datos

experimentales (puesto que los fenómenos de muerte programada son difíciles de detectar cuando no se producen a gran escala) y, sobre todo, en factores psicológicos, pues a los biólogos les resultaba difícil admitir que las células del adulto tuviesen tal precariedad. Pero las investigaciones sobre los mecanismos de determinadas enfermedades, como el cáncer y el sida, han ido descubriendo poco a poco la importante función que los programas de suicidio celular continúan teniendo en la fase adulta.

Muerte celular entre los adultos

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l número de células que en cada momento posee cualquiera de las poblaciones celulares de un organismo es el resultado de un equilibrio entre los fenómenos de multiplicación y de suicidio celular. Las señales que aseguran la pervivencia de las células e impiden que se inicie el suicidio celular no son necesariamente factores de crecimiento, es decir, moléculas que provoquen la multiplicación celular. Todas las células de mamífero que se han estudiado hasta ahora se destruyen a sí mismas cuando se les priva de contacto con otras, con independencia de que provengan de un embrión, de un joven o de un adulto. La supervivencia de todas las células del organismo parece depender de la recepción, continua o a intervalos regulares, de señales al efecto emitidas por otras células, señales que impiden el des-

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SEÑALES

a

INTEGRACION DE LAS SEÑALES

DECISION

EJECUCION = APOPTOSIS

SEÑALES DE SUICIDIO

AUSENCIA DE FACTORES DE PERVIVENCIA SEÑALES DE MULTIPLICACION CELULAR

CENTRO DE DECISION

EXPRESION DE PROTOONCOGENES

ACTIVACION DE LAS ENZIMAS ICE

LIGANDO DE FAS

LIBERALIZACION DE GRANZIMAS

TNF

b

SEÑALES DE PERVIVENCIA FACTORES DE PERVIVENCIA

LINFOCITO VERDUGO

EXPRESION DE Bcl-2

4. DIVERSAS SEÑALES GOBIERNAN EL SUICIDIO CELULAR. Las principales son las de multiplicación celular, que provocan la actividad de los protooncogenes, si faltasen las señales de pervivencia. El mismo efecto producen las moléculas llamadas ligando de Fas y factor de necrosis tumoral ( TNF). La iniciación del suicidio se realiza activando las enzimas de la familia ICE (a). Los factores de supervivencia se oponen a la activación y a los efectos de estas enzimas motivando la expresión de genes como el Bcl-2 (b), pudiendo bloquear el suicidio de la célula. Los linfocitos verdugos (o citotóxicos) cortocircuitan todos estos mecanismos liberando enzimas (las granzimas), que penetran en la célula destinataria y activan directamente las enzimas ICE.

encadenamient o del programa de suicidio. Semejante modo de funcionamiento vincula muy estrechamente el destino de cada célula con el del organismo entero y permite que éste pueda ajustar con rapidez el tamaño de las poblaciones celulares según sus necesidades. Así, cuando se produce una infección, aumenta mucho el número de linfocitos, pero, una vez dominada, la situación vuelve a la normalidad mediante un suicidio celular en gran escala, al que no escapan más que un pequeño porcentaje de linfocitos específicos del agente infeccioso, encargados de garantizar la memoria inmunológica. El aumento y la disminución regulares de determinados órganos recurren al mismo fenómeno. La remodelación periódica del útero femenino, que se produce en ausencia de fecundación, es consecuencia de episodios regulares de suicidio celular ligados al descenso brutal de las hormonas sexuales que lo impiden durante veintiún días. La muerte celular progra-

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mada permite, en fin y como veremos, la eliminación de las células que se han tornado anormales y constituyen por ello un peligro para el organismo, ya sean células infectadas, con anomalías genéticas o en proceso canceroso. Que una célula concreta perezca o continúe viviendo depende, pues, de una combinación de factores internos (la naturaleza de los genes expresados) y externos (la de las señales recibidas). Determinadas señales aumentan la probabilidad de destrucción, mientras que otras la reducen.

La sentencia de muerte n qué forma está condicionada la vida de las células a las señales emitidas y recibidas? La expresión de determinados genes (ces-1 y egl-1, reaper y hid) suspende la sentencia en el caso de Caenorhabditis elegans y de la mosca del vinagre. No sabemos aún cómo se toma tal decisión en las células de los mamíferos. En cambio se conocen varias situaciones que aumen-

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tan la probabilidad de un suicidio celular. Ya nos hemos referido a la primera, que es cuando la célula pasa a recibir menos señales de pervivencia, por lo que disminuye la expresión de los genes inhibidores del suicidio, como Bcl-2. La segunda se produce cuando la célula recibe señales que desencadenan la multiplicación celular, es decir, la expresión de los genes llamados protooncogenes, como c-myc , c-fos y c-ras, que inician tal multiplicación, por un lado, y la activación de unas enzimas, las ciclinas, que garantizan el correcto decurso de las diversas etapas del ciclo celular, porsucesos otro. Resulta sorprendente que estos desencadenen también el suicidio celular, pero la célula receptora de las señales de multiplicación se autodestruye si no recibe, con anterioridad o al tiempo, señales de pervivencia, determinantes de la expresión de los genes del tipo de Bcl-2. Cuanto más implicada esté una célula en la vía de la multiplicación tanto más necesita de estas señales para no aniquilarse. Tan rígido control de la multiplicación celular, largo tiempo ignorado, es uno de los principales mecanismos que evitan el desarrollo de cánceres, como veremos en detalle luego. Hay una tercera categoría de señales que favorecen el desencadenamiento de la muerte. Son las moléculas superficiales, que actúan cuando las células entran en contacto o que son dispersadas en el medio para fijarlas desde lejos a los receptores superficiales de las células diana. Los miembros más estudiados de esta familia son dos moléculas generadas por las células del sistema inmune: el factor de necrosis tumoral, TNF, y el ligando del receptor Fas. Ambas provocan la muerte con mucha rapidez. La única posibilidad de resistir que tiene la célula afectada es la de haber sintetizado previamente sus “antídotos”. Para que la expresión del gen Bcl-2 impida el suicidio se requiere que preceda a la recepción de la señal. El destino de la célula no sólo depende del tipo de señales que reciba en cada instante, sino también de las que haya recibido antes; depende tanto de la situación actual como de su historia reciente. Hay, sin embargo, una excepción a esta regla y es que el sistema inmunitario siempre puede obligar a una célula a que destruya, cualesquiera que sean las circunstancias de expresión genética y de recepción de señales. Cuando los agentes infecciosos (virus, ciertas bacterias, numerosos parásitos) se multiplican en el interior

TEMAS 11

de las células del organismo, el sistema inmunitario los elimina sacrificando a las células infectadas. Y también actúa así frente a las células cancerosas. Para realizarlo, los linfocitos verdu gos (o cit otóxico s) segre gan determinado tipo de proteínas al entrar en contacto con las células que consideran anormales o infectadas. Estas proteínas (las granzimas y las perforinas) penetran en la célula destinataria. Escindiéndolos, las granzimas activan los precursores de las proteasas de la familia ICE de la célula anormal. Provocan así directamente la destrucción de la célula cortocircuitando los mecanismos res deltodos suicidio. El interésreguladode este método es considerable. Cuando el sistema inmunitario identifica a una célula anormal o infectada, la decisión sobre su muerte no le corresponde más que a él, sin que influyan las señales que la célula reciba de su entorno. Pero, como veremos luego, algunos virus han logrado encontrar maneras de esquivar este ataque. Con independencia de cuáles sean las circunstancias conducentes al suicidio celular, los mecanismos moleculares que dictan la sentencia de vida o muerte de las células de los mamíferos han resultado ser bastante más complicados de lo que el estudio de Caenorhabditis elegans permitiría sospechar. La familia de las proteasas ICE humanas, que ponen en marcha la maquinaria destructiva, cuenta por lo menos con seis miembros ( ICE, CPP32, ICH1, ICH2, MCH2 e ICE rel III). Parecen poder actuar de diversos modos: individualmente, conjuntamente y sucesivamente; puede que algunos ejerzan efectos activadores e inhibidores sobre los otros. No todas las células del organismo contarían con una dotación completa, dependiendo su participación en el suicidio de las células del tipo de población celular de que se trate. Son muchas las cosas que todavía se ignoran respecto de ellos: cuáles son las proteínas que segmentan cuando se activan; si la destrucción de algunas de estas proteínas forma parte directa del suicidio; si las proteasas ICE son los instrumentos últimos de la ejecución o si lo que hacen es poner en marcha algún otro tipo desconocido de maquinaria letal; y si desempeñan alguna otra función además de la de destruir la célula. Otras tantas preguntas plantea el funcionamiento de los genes de la familia Bcl-2 , los inhibidores de la muerte. Actualmente se conocen seis integrantes del grupo (Bcl-2, Bcl-XL, Bax, Bad, Bag y Bak ), pero la mayo-

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

GENES DE LA FAMILIABcl-2

Bcl-2

Bcl-XL

Bax

Bad

Bag

Bak

ACTIVACION DE LAS ENZIMASICE APOPTOSIS

ICE

CPP32

ICH1

ICH2

MCH2

ICE III rel

GENES DE LA FAMILIAICE

5. LAS FAMILIAS DE LOS GENES Bcl-2 e ICE se componen de seis miembros cada una. Bcl-2 y Bcl-XLfavorecen la pervivencia ( signo menos) impidiendo la activación o los efectos de las enzimas ICE. Por el contrario, Bax, Bad, Bag y Bak promueven el suicidio (signo más), oponiéndose a los efectos de sus dos congéneres y apoyando la actividad de las enzimas ICE.

ría de ellos tienen efectos antagonistas: algunos, como Bcl-2 y Bcl-XL , favorecen la supervivencia, mientras que otros, como Bax, ayudan al suicidio. Estas proteínas antagonistas se enlazan unas con otras, siendo su abundancia relativa la que determina el umbral de desencadenamiento del suicidio. No se sabe si Bcl-2 y Bcl-XL son inhibidores del suicidio cuyo efecto es bloqueado por Bax, o si Bax es un inductor del suicidio cuyo efecto bloquean Bcl-2 y Bcl-XL. Sí se sabe, en cambio, que la supervivencia de una población celular concreta viene asegurada en momentos diferentes de su existencia por la expresión de diferentes genes de la familia Bcl-2. La expresión de Bcl-XL es indispensable, por ejemplo, para la supervivencia de los linfocitos embrionarios, mientras que la de Bcl-2 lo es para la de los linfocitos adultos. Los linfocitos de los ratones que no tienen el gen Bcl-2 se desarrollan y perviven normalmente hasta el nacimiento, pero pocos días después de él desaparecen todos. A esta especialización de los genes reguladores de la muerte celular se superpone la diversidad de las reacciones que presentan las células ante determinada señal. Puesto que una misma señal puede provocar la expresión de diferentes genes en poblaciones celulares distintas, provocará la muerte de unas y la pervivencia de otras. La regulación genética y molecular del suicidio celular se presenta así tan complicada como la de la diferenciación y la multiplicación de las células. ¿Hay enfermedades cuya causa sea el desarreglo de los mecanismos de

suicidio celular? Yo sostuve en 1990 que las anomalías en el funcionamiento de los programas de suicidio celular producen diversas enfermedades caracterizadas por la desaparición de poblaciones celulares determinadas, como sucede especialmente en el caso del sida.

Apoptosis, sida y cáncer l número de linfocitos T CD4 disminuye conforme avanza el sida, así como el de neuronas cerebrales (que el virus no infecta), lo que produce una deficiencia inmunitaria y, en determinados casos, atrofia cerebral y demencia. Las células del hígado (los hepatocitos) desaparecen rapidísimamente cuando se producen hepatitis víricas; la destrucción del tejido hepático es otras veces más lenta y aparece una cirrosis, como la que produce el alcoholismo crónico. Y hay muchas enfermedades debidas a la pérdida de determinadas poblaciones de neuronas, como la amiotrofia medular infantil, que causa parálisis, y las numerosas enfermedades degenerativas del sistema nervioso (de Alzheimer, Creuztfeldt-Jakob y Parkinson), que comportan un envejecimiento cerebral prematuro. Las investigaciones actuales indican que la pérdida excesiva de células que se produce en todos estos casos está vinculada con fenómenos anormales de suicidio celular y se está empezando a saber cómo funcionan algunos de estos mecanismos. Los productos de la expresión de determinados genes del virus del sida ( gp120 y Tat) puede que favorezcan el inicio del

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LESION GENETICA

EXPRESION DEL GEN p53

GEN p53 INACTIVO

LESION GENETICA

SUICIDIO CELULAR

MULTIPLICACION DE LAS CELULAS LESIONADAS

los procesos que dota a los cánceres de gravedad. Una célula normal que emigre a un órgano que no es el suyo está perdida, puesto que allí no recibe las señales necesarias para impedir que actúe su programa de autodestrucción. Pero una célula cancerosa, cuyo programa de suicidio está fuera de juego, puede seguir viviendo en ausencia de las señales apropiadas, colonizando nuevos órganos y formando metástasis. Se dan todos los grados intermedios entre los tumores cuyas células mueren en grandes cantidades, pero se multiplican todavía más deprisa, y aquellos cuyas células se

multiplican sin tasa, que son los más nocivos. 6. EL GEN p53 ES UN GUARDIAN DE LA INTEGRIDAD CELULAR. Si una célula También en el caso de las enfermesufre una lesión genética, p53 se manifiesta y provoca su destrucción ( arriba). Pero, dades infecciosas desempeña un si está inactivo, las células alteradas se multiplican en exceso y sufren modificacio- papel importante el desarreglo de los nes cromosómicas que no se eliminan. Una mutación ha inactivado el gen supresor programas de suicidio celular. El de tumores p53 en el caso de muchos cánceres humanos. mecanismo de defensa ancestral de la mayoría de los organismos tras la suicidio celular, mientras que ciertas expresan también otros genes que penetración de un agente infeccioso enfermedades neurovegetativas se impidan el suicidio celular. Tal inhi- consiste en la provocación del suicidio deberían a mutaciones inactivadoras bición es, por tanto, una etapa esen- de las células infectadas y de sus vecide los genes que normalmente impi- cial de la cancerización. nas, estrategia de “tierra quemada” den el suicidio de las neuronas ( NAIP, que impide que la infección se adueñe ALG3). del hospedador. Pero son muchos los Si así fuese, la muerte anómala de El gen p53 virus que han contr aatacado por determinados conjuntos de células medio de la expresión de genes que que llevan consigo estas enfermedaa transformación cancerosa está impiden el suicidio de las células que des no se debería a fenómenos de desrelacionada a veces con la inacti- infectan. Esto es lo que hace el virus trucción celular, como se pensaba vaci ón anómala de otra familia de de Epstein-Barr, causante de la monohasta ahora, sino a la falta de expre- genes, los antioncogenes o genes nucleosis infecciosa, al expresar los sión de los genes que normalmente supresores de tumores, que normal- dos genes BHRF1, parecido a Bcl-2 y impiden el desencadenamiento del mente frenan la multiplicación celu- productor de los mismos efectos, y suicidio celular. Hay otras enfermeda- lar. Uno de ellos, p53, cuya inactiva- LMP1 , iniciador de la expresión de des que, a la inversa, se deben a un ción por mutación es muy frecuente Bcl-2 en la célula infectada. El papicrecimiento anormal del tamaño de en los cánceres humanos, participa en lomavirus, causante de varios cáncedeterminados conjuntos de células, lo el inicio del suicidio celular. Al igual res genitales, expresa el gen E6, que que sería consecuencia de un exceso que sucede con la activación de Bcl-2, degrada la proteína codificada por de multiplicación celular o de una la inactivación de p53 favorece la per- p53 . El adenovirus expresa el gen insuficiencia de suicidio celular. Se vivencia anormal de las células. Este E1A, que provoca la multiplicación de sabe ahora que el bloqueo excesivo de gen vela por la integridad del genoma la célula infectada, pero también el los programas de suicidio celular des- celular y obliga a la célula a interrum- suicidio celular (como los protooncoempeña un papel notable en este tipo pir su multiplicación y a reparar la genes), y el gen E1B, que desactiva de enfermedades, sobre todo en los lesión genética cuando ésta se prop53 e impide el suicidio. Estas acciocánceres. duce. Si la lesión es demasiado impor- nes conjuntas permiten que el virus Se creyó durante mucho tiempo que tante, p53 desencadena el suicidio de se propague al srcinar la pervivenla única causa de que una célula se la célula. Las mutaciones que dejan cia y la multiplicación de la célula transformase en cancerosa era la inactivo a p53 tienen como consecuen- infectada. Hay otros virus, como el del expresión anormal de protooncogenes, cia que las células alteradas puedan sida, que expresan genes que les perlos genes que desatan la multiplica- seguir multiplicándose y sufrir nue- miten provocar el suicidio de linfocición celular. Pero dos descubrimien- vas transformaciones genéticas favo- tos no infectados y perturbar las reactos sucesivos cuestionaron tal creen- rables a la tumoración. El efecto de ciones inmunitarias. También las cia. En primer lugar, el gen Bcl-2 , casi todos los tratamientos anticance- bacterias y los parásitos pueden cuya expresión anómala srcina los rosos, de la radioterapia a la quimio- entorpecer los programas de suicidio cánceres linfocitarios humanos más terapia, es forzar a las células cance- celular, tanto en las células infectacomunes, inhibe el inicio del suicidio rosas a su propia destrucción, aunque das como en los linfocitos que no lo celular, pero no posee efecto alguno la acumulación de alteraciones gené- estén. La activación y la inhibición de sobre la multiplicación de las células. ticas produzca a veces resistencia con- los fenómenos de suicidio celular En segundo término, la expresión tra tales tratamientos. determina, pues, la persistencia o la anormal de protooncogenes basta por El bloqueo anormal de los progra- eliminación de los agentes infecciosí sola para desencadenar el suicidio mas de suicidio celular participa tam- sos, por lo que debería ser una nueva celular. Estos genes no producen la bién en la diseminación de las células meta en el tratamiento de este tipo de multiplicación celular más que si se cancerosas por el organismo, uno de enfermedades.

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Puede incluso que los programas de suicidio celular estén relacionados con el envejecimiento, esa frontera última y desdibujada entre la salud y la enfermedad. No sabemos si el envejecimiento se debe solamente a la acumulación aleatoria de errores a lo largo del tiempo o si está genéticamente programado, al menos en parte, ni si el envejecimiento celular conduce al suicidio de la célula. El envejecimiento de la mayoría de los órganos va

P L A NT A S

EUCARIOTAS PLURICELULARES

A NI MA L E S

LEVADURAS CROMOFITOS

TETRAHYMENA DINOFLAGELADOS

EUCARIOTAS UNICELULARES

ALGAS ROJAS DYCTIOSTELIUM

AMEBAS TRIPANOSOMAS

ción de la célula, es decir, simultáneo a la aparición de la primera de ellas. La evolución seleccionaría al tiempo los mecanismos perturbadores del suicidio de las células, para aumentar su eficacia multiplicadora, y los favorecedores del mismo, para eliminar las células que tuviesen alteraciones genéticas y optimizar la adaptación de la colonia a su medio. En una época y en unas sociedades como las nues-

EUGLENOIDES

acompañado de unadedisminución del número células y el suicidio celular excesivo pudiera tener algo que ver en los fenómenos naturales concomitantes con el paso del tiempo.

tras, en las que suele ocultarse y rechazarse todo lo relacionado con la muerte, el estudio del suicidio celular PROCARIOTAS revela que, en lo más íntimo EUBACTERIAS de cada uno de los seres ARQUEOBACTERIAS vivos, los genes mantienen una relación activa, extraña 7. ARBOL FILOGENETICO de evolución de los seres vivos. y compleja con la muerte, Diversas formas de muerte celular programada se presenApoptosis y evolución que es parte integrante de tan en varias de sus ramas ( en negrita). Se considera que la nuestra vida. Ya se trate de aparición de las bacterias se produjo hace entre dos mil y l descubrimiento de que tres mil quinientos millones de años, la de los tripanosomas la pervivencia de las células todas las células del o de la ampliación de su proentre mil quinientos y dos mil de millones de años y la de organismo están programa- los organismos pluricelulares hace unos setecientos millopia vida, la capacidad nes de años. das para su propia destruchumana para alejar estas ción y de que su pervivencia fronteras dependerá de la depende continuamente de medida en que se logre comla represión de tal programa realizada eucariotas unicelulares, especialprender los mecanismos moleculares por las señales del entorno no sólo ha mente en los parásitos causantes de que gobiernan la muerte y no sólo del modificado profundamente la concep- graves enfermedades humanas. La deseo de hacerle frente. Si se confirción biológica de la salud y de la enfer- existencia de programas de suicidio mase que la perturbación de los promedad, sino que también ha transfor- celular y de una regulación social de gramas de suicidio celular desempeña mado las ideas sobre la evolución del la pervivencia de las células parece ser un papel esencial en muchas enfermemundo viviente. así una componente esencial y ances- dades, desde los cánceres hasta el Los primeros seres vivos, nacidos tral de la adaptación de los seres vivos sida, pasando por las enfermedades hace aproximadamente tres mil millo- a su entorno. Formas más primitivas neurodegenerativas, la elaboración de nes de años, eran organismos unice- de muerte programada existirían métodos terapéuticos que pudieran lulares procariotas de la familia de las entre las bacterias, lo que les permi- modificar tales programas sería uno bacterias. Luego aparecieron los euca- tiría defenderse de las infecciones de los objetivos principales de la mediriotas, organismos unicelulares más vír icas y util iza rlas en las luch as cina del mañana. complejos, hace unos dos mil millones entre colonias diferentes por la obtende años. Y por último surgieron los ción de recursos. La formulación de primeros organismos pluricelulares, medicamentos desencadenantes del hace unos setecientos millones de suicidio de los agentes infecciosos años. constituiría un nuevo tratamiento de BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA ¿Cuándo aparecieron los primeros las enfermedades de este tipo. FROM AIDS TO PARASITE INFECTION: genes reguladores de la autodestrucEs probable que la función inicial PATHOGEN-MEDIATED SUBVERSION OF ción de la célula? La mayoría de los de los genes determinantes de la PROGRAMMED C ELL DEATH AS A M Ebiólogos pensaba que el srcen de los muerte de los organismos unicelulaCHANISM FOR IMMUNE DYSREGULATION. J.-C. Ameisen, J. Estaquier y T. programas de suicidio celular, que son res fuese la lucha contra otras espeIdziorek en Immunological Reviews , una forma de regulación social del cies. Serían genes especificadores de vol. 142, págs. 9-51, 1994. destino de las células, habría de ser toxinas y de los antídotos contra ellas. MECHANISMS AND GENES OF CELLULAR simultáneo al de los organismos plu- Los organismos unicelulares habrían SUICIDE. H. Steller en Science , vol. ricelulares. Dicho de otra forma, utilizado luego estos genes para regu267, págs. 1445-1449, 1995. cuando las células se condenaron a lar su propia supervivencia y para eliAPOPTOSIS IN THE PATHOGENESIS AND vivir junta s es cuando surgir ían la minar las células menos eficaces. TREATMENTOF DISEASE. C. B. Thompson en Science , vol. 267, págs. 1456precariedad y el altruismo celulares. Yo he propuesto una hipótesis dife1462, 1995. Pero los datos obtenidos por diversos rente, según la cual la autodestrucA POPTOSIS IN A UNICELLULAR EUKARgrupos investigadores, entre ellos el ción de la célula la provocan genes que YOTE. J.-C. Ameisen et al. en Cell nuestro, apuntan a un srcen mucho participan en la multiplicación celuDeath and Differentiation, vol. 2, págs. más antiguo de los programas de sui- lar. El srcen del suicidio celular sería 285-300, 1995. cidio celular, pues ya funcionan en los tan antiguo como el de la multiplicaMICROSPORIDIOS

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Control del ciclo celular Andrew W. Murray y Marc W. Kirschner Aunque se conocían los procesos que desembocan en el nacimiento de las células, tan sólo ahora comenzamos a entender su regulación. Una proteína es la encargada principal de ese menester en casi todos los organismos

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n 1900 estaban acotados ya los procesos fundamentales del ciclo celular: el crecimiento y división de una célula en dos hijas. Sin embargo, hasta hace muy poco, se desconocía la regulación de dicho ciclo, que en el hombre es vital para la reproducción, el crecimiento, la reparación de los tejidos y la función inmunitaria, entre otras muchas operaciones. Dos líneas de investigación del problema que seguían enfoques distintos convergieron en un sorprendente hallazgo no hace muchos años. Por lo que se ve, la regulación del ciclo celular en los eucariotas (todos los organismos, salvo virus y bacterias) depende, en buena medida, de cambios en la actividad de una sola molécula, la proteína cdc2. No se trataba de un descubrimiento menor. Amén de resolver un problema que se había convertido en pesadilla de los biólogos celulares durante decenios, el entendimiento de la regulación del ciclo celular tendrá profundas repercusiones médicas. Por una parte, podrán abordarse nuevos métodos para inducir la proliferación celular que se precisa en la terapia de lesiones orgánicas o hísticas, incluida la reparación de neuronas maduras, que no pueden dividirse. El descubrimiento podría contribuir además a cortar la reproducción desenfrenada de las células cancerígenas. La historia reciente de la investigación sobre el ciclo celular nos trae a la memoria la construcción del primer ferrocarril transcontinental norteamericano: dos equipos, encargados de sendas partes independientes del tendido, acoplaron sus raíles con un “clavo de oro” en Promontory Point, estado de Utah, en 1869. Por lo que a la célula respecta, bioquímicos y fisiólogos (empleando huevos como material de investigación) y genéticos (trabajando con levaduras unicelulares) llegaron a unas mismas conclusiones,

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veinte años después de haber iniciado líneas de investigación distintas. Cuando empezaron sus trabajos sobre el ciclo celular, los dos grupos partían de una base común de conocimientos, cuyas raíces se remontaban al siglo XIX, en que microscopistas y citólogos habían establecido las dos fases fundamentales: la interfase y la mitosis. En la interfase, el núcleo de la célula permanece invariable. Conforme la célula crece, y lo hace sin cesar, va almacenando material suficiente para dos células. Duplica, además, sus cromosomas momentos antes de la mitosis. Los cromosomas, que constituidos por ADN contienen los genes, se alojan en el núcleo. a mitosis consiste en la formación de dos núcleos a partir de uno inicial. Comienza por rasgarse la membrana que encierra al núcleo; los cromosomas duplicados se unen al huso mitótico. Este separa entonces los cromosomas, asegurando que cada núcleo hijo posea un juego de ellos. La membrana nuclear se recompone luego en torno a cada conjunto de cromosomas. El resto de la célula, citoplasma incluido, se divide después para formar dos células hijas, genéticamente idénticas a la célula madre. A veces el proceso de meiosis sustituye a la mitosis. Durante la reproducción sexual y por fusión del ovocito con el espermatozoide, se srcinan nuevos individuos. Por tanto, si las células de sucesivas generaciones de un organismo presentan el mismo número de cromosomas que la célula madre, el ovocito y el espermatozoide deben aportar cada uno sólo la mitad de ese número. Esta división por dos en el número de cromosomas se alcanza con la meiosis; en cuya virtud las células precursoras del ovocito y del espermatozoide sufren dos rápidos procesos de segregación cromosómica sin que se dé replicación de los mis-

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mos. En los machos, la célula precursora se divide simétricamente y produce cuatro espermatozoides. En las hembras, la célula precursora se divide asimétricamente y produce un ovocito de gran tamaño junto con tres pequeñas células, que se eliminan. Veinte años atrás se era ya consciente de la exquisita regulación que gobernaba el ciclo celular. Un aspecto de la misma concierne al control del tamaño celular. Las nuevas células somáticas (es decir, no sexuales) que se han constituido poseen al final de la mitosis el mismo tamaño que tenía la célula de la que se srcinaron. Diríase que la célula madre ordena la división cuando ella ha doblado ya su tamaño. Cumple también a las células coordinar varios procesos del ciclo. Por ejemplo, deben retrasar el inicio de la mitosis o meiosis hasta que se hayan replicado sus cromosomas; un error en la espera puede producir células menguadas en un cromosoma, alteración capaz de provocar la muerte celular o quizás el cáncer. Pero no se sabía de qué modo las células coordinaban la duplicación y segregación de cromosomas, ni cómo acoplaban estos procesos con su desarrollo. Yoshio Masui y L. Dennis Smith dieron un gran paso adelante en 1971. Cada uno por su cuenta identificó una substancia que parecía controlar el inicio de la mitosis y de la meiosis de los huevos de rana.

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ara comprender sus descubrimientos resulta obligado tener una noción general del desarrollo embrionario de esos huevos. Los ovocitos, o células precursoras de los huevos, se src inan en el ovario. Muy pequeñas en el comienzo, duplican allí sus cromosomas y aumentan, en varias veces, su tamaño srcinal sin dividirse. Quedan “congeladas” en este estado de forma indefinida, hasta que las active una señal hormonal.

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Bajo la influencia de la hormona, pasan por los estados iniciales de la meiosis y salen del ovario convertidas en ovocitos. Si un espermatozoide las fecunda, completan la meiosis y pronto empieza la sucesión de los ciclos celulares mitóticos. Masui y Smith descubrieron que los ovocitos de rana que sufrían la meiosis contenían una substancia capaz de inducir ese proceso divisor en ovocitos

inmaduros; son éstos los que, a pesar de su formación acabada, no han recibido la señal hormonal para empezar la meiosis. Teniendo en cuenta que la meiosis solía relacionarse con la maduración, Masui denominó a esta substancia factor promotor de la maduración (FPM). Otros investigadores corroboraron luego la actividad de ese factor en todas las células mitóticas estudiadas,

desde las levaduras a los mamíferos pasando por los invertebrados marinos. Por consiguiente, el factor FPM, que no se aisló hasta 1988, aparecía como el regulador principal de la mitosis y la meiosis. Puesto que mitosis y meiosis implican numerosos cambios en el núcleo (formación del huso, entre ellos), parecía razonable atribuir a éstos alguna función en el mecanismo responsable

1. CULMINA EL CICLO CELULAR con la reproducción de céludel diez por ciento en la mayoría del resto de las células.) El las. Abarca dos fases características: interfase, durante la cual ciclo incluye a menudo dos puntos de transición finísimamente la célula se desarrolla, y mitosis, en cuyo transcurso el núcleo regulados. En el de ARRANQUE, así se llama uno, la célula se y después el resto de la célula se dividen. (En razón del tiempo decide sobre la replicación de su ADN. En el otro, la célula deinvertido, la mitosis ocupa cerca del cuarenta por ciento del cide cuándo iniciar la mitosis. La proteína cdc2 es el principal ciclo en las células de los primeros estadios del embri ón y menos regulador para transitar por esos dos puntos.

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celular, la actividad del ciclo factor FPM. incluida Koki Hara, Peter Tydemann y uno de los autores (Kirschner) dieron con la prueba que avalaba la sospecha. La duda se planteó al abordar la causa de la fuerte contracción que experimentaban los ovocitos de rana en el momento de entrar en mitosis. Creíase que la contracción acontecía en razón de la división celular; mas, para nuestra sorpresa, proseguía a intervalos regulares aunque se bloqueara la mitosis. No se detenía la cadencia periódica de la contracción por más que evitáramos la formación del huso o impidiéramos la división del núcleo. Con estos datos por delante, dedujimos que el control del ciclo celular de los ovocitos de rana no correspondía a episodios que se desarrollaran en el núcleo. Antes bien, el proceso era dirigido por un oscilador autónomo: un conjunto de reacciones químicas citoplasmáticas que, con regularidad cronométrica, provocaba contracciones periódicas del huevo y, presumiblemente, controlaba también otros aspectos de la mitosis. ¿Dependía de este oscilador, o “reloj”, la actividad del factor FPM? John C. Gerhart, Michael Wu y Kirschner demostraron que sí. Observaron que la actividad de FPM fluctuaba: el factor podía detectarse siempre durante la mitosis, pero nunca durante la interfase. Además, la actividad oscilaba aun cuando se interrumpieran los procesos nucleares. La investigación ulterior dio con la clave de la regulación del factor FPM. En los primeros pasos de los experimentos se demostró ya que los ovocitos recién fecundados habían acumulado de antemano material suficiente para replicar el ADN y construir el huso mitótico. Los ovocitos no producían, pues, esos materiales durante los primeros ciclos mitóticos subsiguientes a la fecundación. A pesar de estas reser vas, las células debían sintetizar ciertas proteí-

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2. DOS TIPOS DE CICLOS CELULARES se suceden en la formación de las ran as. Los ovocitos, células que se convertirán en huevos, nacen en el ovario, replican luego su ADN y crecen. Más tarde una señal hormonal pone en marcha la meiosis: forma especial de división que produce células portadoras de la mitad de la dotación cromosómica normal. Los ovocitos se dividen asimétricame nte. Así, la mitad de los cromosomas comienza por dirigirse hacia el polocito, o corpús-

nas en el citoplasma durante la interfase, si la mitosis iba a comenzar de nuevo. Experimentos paralelos mostraron que en células detenidas en la interfase por inhibición inducida de la síntesis proteica, la inyección de un extracto fresco de factor FPM activo orillaba la exigencia de producción de proteína y desencadenaba la mitosis. Estos últimos descubrimientos consolidaban la hipótesis según la cual el factor FPM era el inductor normal de la mitosis. Indicaban, además, que determinadas proteínas sintetizadas en el citoplasma durante la interfase eran esenciales para la activación de dicho factor.

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ientras los biólogos celulares acumulaban pruebas de que la alternancia de interfase y mitosis estaba dirigida por reacciones químicas autogeneradas en el citoplasma, los especialistas en genética ordenaban las suyas para obtener una visión del problema bastante diferente. A tenor de sus datos el ciclo celular se asimilaba a una cadena de montaje precisa en su regulación. La terminación de un proceso (verbigracia, la replicación del ADN en el núcleo) era condición necesaria para acometer el proceso siguiente (por ejemplo, la iniciación de la mitosis) en tal sistema de encabalgamiento lineal, a imagen de lo que sucede con una hilera de fichas de dominó que, para que caiga una, debe caer la precedente. Ambas argumentaciones, la teoría del reloj y la teoría del dominó, parecían incompatibles. El tiempo se encargaría de explicar sus contradicciones. Leland H. Hartwell inició la línea genética de investigación del ciclo

celular hace ya un cuarto de siglo. Trabajaba con levadura de cerveza, Saccharomyces cerevisiae, organismo unicelular que se distingue de otras células en que no se multiplica por división. Después de empezar a replicarse el ADN en la interfase, brota una yema; comienza entonces la mitosis. Estas yemas, que crecen continuamente hasta alcanzar el tamaño de la célula parental, se separan luego, lo que señala el fin del ciclo en la levadura. Hartwell empezó por identificar formas mutantes de la levadura que se estancasen en momentos específicos del ciclo celular. Atribuyó la alteración celular de cada mutante a la correspondiente modificación de un gen cuyo producto resultaba indispensable para proseguir en el ciclo. (Cada gen porta instrucciones para la síntesis de una proteína.) Estos genes cruciales forman el grupo de lo que actualmente se conoce por genes del ciclo de división celular (cdc). Por ordenación de los mutantes de acuerdo con el punto donde se hallaba bloqueado el ciclo celular, Hartwell estableció la secuencia normal de intervención de los genes cdc . Demostró también que el comienzo de ciertos pasos dependía del cumplimiento de una o varias fases previas. A él se debe, por ejemplo, haber descubierto que la culminación de la mitosis dependía de la composición del huso. Inspirados por los descubrimientos de Hartwell, Paul Nurse y otros investigadores realizaron estudios similares con la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe, cuyo ciclo celular se aproxima mucho más al de las células somáticas de los mamíferos. Sus células cilíndricas crecen hasta doblar su longitud srcinal durante la

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culo polar, célula pequeña que se desecha. El ovocito inicia entonces una segunda tanda de divisiones y, transformado en huevo, se libera del ovario. Si queda fecundado, completa la meiosis, desechándose un segundo corpúsculo polar. Prosigue la sucesión de ciclos mitóticos que habrán de resultar en la formación de una rana. Mitosis y meiosis se hallan sujetas al control de las mismas moléculas.

interfase. Al final de la mitosis se dividen en otras dos de igual tamaño. Como Hartwell había hecho antes, Nurse identificó mutantes que habían quedado bloqueados en determinados puntos del ciclo. Y luego descifró la secuencia normal de activación de los genes cdc asociados a dichos mutantes. De esos genes, el cdc2 revestía particular interés. Su intervención parecía decisiva para el arranque de la mitosis. Ciertas mutaciones inducidas en él determinaban la síntesis de una versión inactiva de la proteína e impedían, por ende, el comienzo de la mitosis. Otras mutaciones determinaban, por contra, la síntesis de una forma de la proteína que lanzaba las células hacia una mitosis precoz. El producto del gen cdc2 constituía un buen candidato para convertirse en el principal regulador de la mitosis. ¿Era acaso el propio FPM? Este factor no se había aislado todavía; por eso Nurse no pudo determinar si se trataba de la proteína cdc2 con otro nombre. Aun así, ratificó la importancia del gen cdc2 en otras células, lo que abonaba

la hipótesis de su posible función de regulador universal de la mitosis.

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urse y David H. Beach se dedicaron a experimentar con genes de levadura de gemación con el propósito de averiguar si alguno de ellos lograba activar la levadura de fisión atascada en la interfase por bloqueo del gen cdc2. La introducción de uno de estos genes posibilitaba que la levadura de fisión acometiera la mitosis. Ese gen recuperador resultó ser uno que Hartwell había identificado ya adscribiéndolo a la familia cdc de levaduras de gemación. Nurse se decidiría luego por un experimento más ambicioso: insertar segmentos de ADN humano en células de levaduras de fisión que portaban genes cdc2 inactivos. La inserción de cierto fragmento de ADN humano indujo la mitosis; probábase así que hasta las células humanas poseían su propia versión del gen cdc2. Cuando en 1987 se consiguió cartografiar la secuencia de aminoácidos de las proteínas determinadas por los genes cdc2 de los seres humanos y de las

levaduras, descollaba notable parecido. Mil millones desu años de evolución habían conservado esta proteína crucial, introduciendo sólo pequeños cambios en su estructura y ninguno en su función. Hoy sabemos que ese polipéptido ocupa un lugar central en la mitosis de los eucariotas. Todas las versiones se denominan proteínas cdc2, con independencia del organismo en que se encuentren. A las proteínas cdc2 se las incluye por su estructura química entre las quinasas, enzimas que transfieren grupos fosfato del ATP (adenosín trifosfato), un portador importante de energía, a las proteínas. Durante los últimos años se ha ido comprobando que la adición y eliminación de fosfatos constituye el medio principal de regular la actividad de las proteínas celulares. De la eliminación se ocupan otras enzimas, las fosfatasas. La investigación del factor FPM progresaba pareja con el avance de la genética. Tal era el contexto en el que Manfred J. Lohka y James L. Maller se esforzaban por purificar el factor. Muchos que lo habían intentado antes fracasaron. Pero ellos consiguieron aislar una pequeña cantidad en 1988 y determinar que la substancia constaba de dos moléculas proteicas. Por aquel entonces se desconocía la secuencia aminoacídica de las dos pro-

3. OVOCITO DE RANA, que se contrae y aumenta su altura alextirpemos el núcleo, lo que pone de manifiesto que, en ciertos empezar la mitosis a( y c). La contracción desaparece luego, ovocitos por lo menos, el ciclo celular se regula por un osciladurante la interfaseb( y d), pero torna a presentarse aunque dor autónomo.

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patrón parecido en todos los organismos eucariotas. La convergencia no lo resolvió todo. El descubrimiento de que la proteína cdc2 formaba parte del FPM no explicaba por qué este factor actuaba durante la mitosis y no intervenía durante la interfase.

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e sabía que, en todos los tipos celulares estudiados, la concentración de la molécula cdc2 permanecía constante durante todo el ciclo celular. Esta constancia denunciaba la existencia de algo, tal vez el segundo componente del FPM, que activaba y des-

activaba cdc2 y regulaba asípresumir, su actividad. Sustancia que, cabía se sintetizaría de nuevo durante cada interfase. Recuérdese que la síntesis proteica se había considerado antes esencial para activar el FPM. Semejante línea argumentativa constituía un sustrato racional para avanzar en la investigación de la activación del factor. Pero la identificación de la 4. REPRODUCCION DE LA LEVADURA DE CERVEZA por gemación (arriba). Ciermolécula impulsora debióse a una tas cepas mutantes de la levadura, sensibles a la temperatura, no acaban una etapa observación casual realizada algunos particular del ciclo celular después de haberlas calentado a 37 grados centígrados. años antes de que se viera que la proPoseen un gen defectuoso, que es decisivo para superar dicha etapa. Por mor de ejemplo, el mutante que aparece en los dos diagramas inferiores suspende su ciclo teína cdc2 era parte integrante del en un punto específico de la int erfase, sin que importe en qué momento del cicloFPM. se aumentó la temperatura. El estudio de esos mutantes conduj o a la identificación Tim Hunt daba su acostumbrado de los genes del ciclo de división celular ( ), una familia que tiene por misión cdc curso anual de fisiología a principios controlar el curso del ciclo celular. de los años ochenta en el laboratorio de biología marina de Woods Hole, Massachusetts. Estaba trabajando en teínas, pero indicios de diversa índole vidad de la proteína cdc2 durante la la razón de los notables cambios que señalaban que una de ellas era cdc2; mitosis, en cultivos de células huma- los erizos de mar experimentan en los por ejemplo, el peso molecular de la nas. Otros equipos de investigación, niveles de síntesis de proteína a raíz proteína cdc2 venía a coincidir con el con métodos dispares, confirmaron de la fecundación de sus ovocitos. de uno de los componentes del FPM; independientemente que la proteína Descubrió con sus alumnos que la asimismo, el componente de marras cdc2 era un componente del FPM. cantidad de casi todas las proteínas era reconocido por un anticuerpo espe- Hallazgo que vino a ser el auténtico recién sintetizadas después de la cífico contra las proteínas cdc2 de “clavo de oro” que engarzó los estudios fecundación aumentaba continualevaduras y humanos. sobre ranas y levaduras y planteó la mente, aunque había una que desapaBeach y sus colaboradores demos- posibilidad de que la regulación fun- recía bruscamente en cada mitosis, traron por las mismas fechas la acti- damental del ciclo celular siguiera un para volverse a acumular de nuevo durante la interfase. Hunt le puso el nombre de ciclina a sustancia tan insólita. El grupo se dispuso a demostrar que la ciclina se producía a una tasa constante a lo largo de todo el ciclo. Desaparecía al final de la mitosis porque se degradaba en seguida; se acumulaba en la interfase porque tardaba mucho más en degradarse que en sintetizarse. Tal fluctuación sugería la posibilidad de que la ciclina fuera la molécula que regulaba la actividad del FPM. Los experimentos realizados en 1986 por Joan V. Ruderman prestaron respaldo a esa idea. Trabajaba con 5. OSCILACIONES del nivel de ciclina, descubiertas en ovocitos de erizo de mar. almejas. Extrajo ARN mensajero conLa concentración de la proteína subía durante la interfase y caía durante la mit osis. cerniente a la ciclina: copias de ARN El hallazgo de que la ciclina era la única proteína que fluctuaba durante el ciclo del gen de la ciclina, que sirve de celular indujo a pensar en su papel controlador del inicio de la mitosis. La ciclina molde para la síntesis de la proteína. es, en efecto, un regulador: influye en la actividad de la proteína cdc2, que, junto Inyectó ese ARN mensajero en ovocicon la ciclina, conduce las células hacia la mitosis.

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6. EXTRACTOS OBTENIDOS DE HUEVOS DE RANA ( ), obligados a realizar arriba el ciclo celular en un tubo de ensayo. La validez del método para el estudio del ciclo celular es evidente, si miramos las fotografías tomadas de un núcleo ( compo) mientras un extracto atravesaba la interfase sición de fotogramas de la derecha y varias etapas de la mitosis en esas imágenes; los cromosomas se ilustran en blanco y azul. El huso mitótico, que separa los cromosomas durante la mitosis, aparece en rojo.

tos inmaduros de rana. Los ovocitos sufrieron la meiosis, lo que significaba dos cosas: la traducción del ARN en ciclina y la capacidad real de la proteína para intervenir en la regulación del ciclo celular. (Hoy sabemos ya que la ciclina es el segundo componente del FPM y que participa en la activación de la proteína cdc2 y, por tanto, del FPM.) Quedaba por conocer su misión exacta en el ciclo celular.

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ara avanzar en la investigación sobre la ciclina hubo que facilitar el acceso de las técnicas de manipulación al dominio del ciclo celular. Sería el año 1987 cuando nosotros, por un lado, y Christopher C. Ford y sus colaboradores, por otro, diseñamos un método para ello. Cada grupo produjo extractos de ovocito de rana que experimentaban diversos ciclos celulares completos en el tubo de ensayo: replicación del ADN, mitosis y las oscilaciones asociadas a la actividad del FPM. Si la regulación del ciclo celular era tan simple que la ciclina constituía la única proteína que oscilaba, debía sintetizarse de nuevo en cada ciclo para mantenerlo en funcionamiento. Para corroborarlo tenían que satisfacerse dos hipótesis; primera: el ciclo proseguiría aun cuando quedara bloqueada la síntesis de todas las proteínas, ciclina excluida; segunda, de sentido opuesto: bastaría impedir la síntesis de ciclina para detener el ciclo celular en la interfase. Para someter a ensayo la primera hipótesis, destruimos el ARN mensajer o de los extractos de ovocito de rana. Puesto que las proteínas se fabricaban de acuerdo con ese molde, el sistema dejaba de sintetizarlas y la célula quedaba incapacitada para entrar en mitosis. Se trataba entonces de comprobar si bastaba con el restablecimiento de la síntesis de ciclina para reanudar la mitosis. Hunt nos regaló ARN mensajero de

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ciclina de erizo de mar. Tras introducirlo, pudimos asistir a la mitosis que experimentaba el núcleo, prueba de que el ARN se había traducido en proteína y de que ésta había inducido la mitosis en los extractos hasta entonces bloqueados. Cuanto más ARN de cic lin a se aña día, más se incrementaba la síntesis de dicha proteína y se acortaba la duración de la interfase. Hunt y su grupo se encargaron de someter a ensayo la segunda hipótesis, según la cual un error en la síntesis de la ciclina impediría la mitosis. La hipótesis se confirmó. Cuando inhibieron la síntesis de ciclina, pero no la de otras proteínas del extracto de ovocito de rana, el extracto en cuestión se detenía en la interfase. Habíamos visto a lo largo de nuestra investigación que, tal como se comprobó en los ovocitos de erizo de mar de Hunt, la ciclina se acumulaba durante la interfase, para destruirse al final de la mitosis. Ante tan brusca degradación, pensamos que tal vez las células debían aguardar a que desapareciera la ciclina para terminar la mitosis. Si provocábamos que los ovocitos de rana o nuestros extractos fabricaran una versión incompleta de ciclina, capaz de inducir la mitosis pero imposible de degradar, los ovocitos y extractos perdían la capacidad de completar la división nuclear y quedaban detenidos en la mitosis. Los experimentos realizados en 1989 dejaban así pocas dudas de que la degradación de la ciclina era importante para el desarrollo de la mitosis y que la proteína debía sintetizarse de nuevo en cada interfase para activar el FPM, inducir la mitosis y dirigir el ciclo celular. ¿Cómo activa la ciclina al FPM? Preguntado con mayor propiedad, ¿cómo activa a la fracción cdc2 del FPM? La mera unión de ciclina y proteína cdc2 no basta, por sí sola, para poner en función el complejo. Han de producirse otras reacciones que modi-

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fiquen la fracción cdc2 y la ciclina para que el FPM entre en operación. Conocemos el comportamiento genético y la estructura bioquímica de las proteínas implicadas en el control de esas modificaciones. Revistió particular interés la molécula cdc25, descubierta por métodos genéticos. A su acumulación se debía, y no a la de ciclina, el establecer cuándo ciertas células han de proceder a la mitosis; por ejemplo, las levaduras de fisión y las células de fases tardías en el desarrollo de embriones de mosca. La síntesis de ciclina sigue siendo necesaria, pero lo que estimula la acción de cdc2 es la de acumulación cdc25, no la detasa ciclina; constituye, de por consiguiente, el “factor de nivel límite” para regular el arranque de la mitosis. Este descubrimiento plantea una cuestión importante. Aun cuando la cdc2 quinasa sea el regulador central del ciclo celular en los eucariotas y las moléculas que modifican la proteína cdc2 sean manifiestamente las mis-

mas en todas las células, los pormenores de la regulación de la quinasa var ían de un org anismo a otr o, e incluso de una célula a otra dentro de un mismo organismo. En algunos casos, cdc25 podría controlar la activa ción del comp le jo cic lina -c dc2 , mientras que en otros sería la propia ciclina quien pudiera encargarse de la activación, y en unos terceros la clave pudiera estar quizás en moduladores que desconocemos. o puede describirse todavía con detalle la regulación del ciclo celular en todos los organismos. Pero

cula de cdc2 en una suerte de preFPM. Esta forma de FPM no es funcional todavía, es decir, ni transferirá grupos fosfato a las proteínas ni podrá inducir la mitosis. El pre-FPM se convierte en FPM activo en presencia de enzimas como la cdc25. Una vez estimulado, el factor desempeña la doble función de “humilde asistente” y “vigía omnipresente” que inicia, directa o indirectamente, todos los procesos de la mitosis; como botón de muestra, se ha encontrado FPM promoviendo la rotura de la membrana nuclear. En cuanto asistente, el FPM fosforila

sí nos es dado, lo menos, proponer un modelo parapor el caso más simple: el ovocito de rana recién fecundado. La proteína cdc2 mantiene en todo momento un nivel constante. La síntesis de ciclina no se interrumpe, si bien su concentración aumenta durante la interfase, para caer en la mitosis. Por acumularse en la interfase, la ciclina se combina con la molé-

directamente las lamininas, proteínas de dicha envoltura. En cuanto “vigía omnipresente” obliga a las demás moléculas a que cumplan con su misión: desencadena una cascada de interacciones que culminarán con la transferencia de grupos fosfato a las lamininas. La fosforilación provoca la disociación de estas proteínas y la desintegración de la membrana.

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y activaría las enzimas degradadoras de la ciclina. Destruida 7. MODELO DEL CONTROL DE LA MITOSIS en ovocitos de rana. De acuerdo con el mismo, habría una forma de ciclinaésta, desaparecería el factor y suspenderían su actividad las que se acumularía durante la interfase y se asociaría con laenzimas degradadoras de ciclina. Esta proteína tornaría a proteína cdc2 para integrar el preFPM, versión inactiva delacumularse de nuevo. En otros muchos tipos de células, el factor promotor de la maduración (FPM). Las enzimas trans-paso por ARRANQUE se encuentra también sometido a una finísima regulación por cdc2 y una segunda forma de ciclina. formarían el complejo en FPM activo, que dispararía la mitosis

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TEMAS 11

El factor FPM activo, amén de controlar los procesos que desembocan en la división física del núcleo y del resto de la célula —la formación del huso es uno de esos procesos—, activa también las enzimas que degradan la ciclina. La mitosis acaba cuando los niveles de ciclina caen por debajo de cierto umbral. Sin ciclina no puede mantenerse activa la proteína cdc2 (ni consiguientemente el FPM). A medida que el FPM va perdiendo fuerza, las fosfatasas ganan la partida y eliminan los grupos fosfato que el factor hubiera añadido a las proteínas durante la mitosis. En el caso de las

que interrumpiera la acumulación de ciclina, de cdc25 o de otra molécula cdc afín. En esa misma línea hipotética podríamos suponer que la unión incorrecta de los cromosomas al huso durante la mitosis produciría una señal de parada temporal en la degradación de la ciclina. Semejante retroalimentación reguladora y la bioquímica subyacente no son los únicos complementos a incorporar en un modelo acabado de control del ciclo celular. Sabemos ya que, en células somáticas y en embriones avanzados, la decisión de replicar el ADN en la interfase se halla sujeta a

el crecimiento y la división celular, así como la diferenciación en células especializadas resulta crucial para el desarrollo ordenado del embrión, para la salud y, en último término, para la supervivencia del organismo. El progreso alcanzado por la investigación durante los últimos años merece calificarse de extraordinario. Los reguladores del ciclo celular de ovocitos de rana y de levaduras — cdc2, ciclina y moduladores del estilo de cdc25— se nos manifiestan constituyendo los reguladores básicos del ciclo en todas las células eucariotas. Cierto es que las células que han

proteínas la lámina, la remoción de los gruposde fosfato facilita la recomposición espontánea de la membrana nuclear. Las fosfatasas reprimen también las enzimas activadas por el FPM, incluidas las que degradan la ciclina. La anulación de esas enzimas degradadoras de la ciclina, sumada a la síntesis incesante de ésta, permite que vuelva a acumularse en la interfase y que el ciclo empiece de nuevo. Los cambios de los niveles de ciclina en los ovocitos de rana se dan al margen de cualquier acontecimiento que se desarrolle en el núcleo. Por ese motivo la investigación acometida con ovocitos apoya la existencia de un oscilador autónomo que constituiría la fuerza directriz del ciclo celular. Ahora bien, los estudio s genéticos apuntan a que esos episodios nucleares sí modulan, en la mayoría de las demás células, los que acontecen en el ciclo celular. Tanto las levaduras como las células somáticas de organismos pluricelulares poseen mecanismos para retrasar la entrada en mitosis hasta que no se replique el ADN y se repare cualquier lesión que haya sufrido. En esa misma línea, las células mencionadas no empiezan a separar sus cromosomas durante la mitosis hasta que cada uno de éstos no se ha prendido correctamente del huso mitótico y guarda con él una perfecta alineación. Tenemos así que ambas teorías, la del reloj y la de las fichas de dominó, son correctas, según el tipo celular que examinemos. La teoría del dominó parece más apropiada en el caso de las células somáticas. Dicho de otra manera, el oscilador que regula por sí mismo el ciclo celular en los ovocitos de rana ha estado sujeto a un elaborado sistema de control y análisis. Podemos imaginarnos de qué forma los acontecimientos que ocurran en el núcleo condicionarían quizá la actividad del factor FPM en dichas células. La replicación completa del ADN en interfase podría generar una señal

una finísima regulación, como sucede también con la decisión de iniciar la mitosis. En un modelo cabal debe entrar el mecanismo en virtud del cual se acometa esta segunda decisión.

aportado mayor información revisten ciertas peculiaridades. Los ovocitos de rana son virtualmente inmunes a los controles extracelulares que operan en los ciclos de otras células. Las levaduras son, en sí, organismos completos. Las investigaciones tendrán que trascender estos sistemas simples si queremos conocer mejor la forma en que cdc2, ciclina y otros moduladores interactúan con las señales extracelulares en organismos pluricelulares. Sólo entonces podremos avanzar en el dominio del cáncer y otras enfermedades en las que los reguladores no cumplen su misión. Hay otra prioridad en los planes de investigación: sacar a la luz la intervención del complejo ciclina-cdc2 en distintas etapas del ciclo celular. ¿Cómo opera exactamente? ¿Facilita la composición del huso o lo suyo es condensar los cromosomas? ¿Qué enzimas estimula este complejo? ¿En qué se ocupan éstas durante la mitosis? ¿Qué señales regulan el comportamiento del complejo cuando se produce algún fallo en el núcleo mitótico? Con un poco de suerte, sabremos la respuesta de esos interrogantes en la próxima rendición de cuentas de la investigación en el campo del ciclo celular.

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ue Hartwell quien descubrió ese segundo control. Le llamó transición de ARRANQUE. Y demostró, con levaduras de gemación, que es durante esa transición cuando la célula valora si ha crecido bastante y puede proceder sin miedo a la replicación del ADN y, por tanto, a la mitosis. (Cuando las células carecen de nutrientes, suelen suspender el ciclo en el punto de ARRANQUE.) El paso por el punto de ARRANQUE está tan controlado como el paso por la mitosis. La continuación depende de la activación de la proteína cdc2, en manos, a su vez, de la acumulación de ciclina. Ahora bien, la ciclina implicada en el ARRANQUE no es la misma que la de la mitosis. Lo cierto es que existen dos clases de ciclina: la que regula la entrada en mitosis y meiosis y la que, de estructura similar, controla la replicación del ADN. El paso a través de ARRANQUE se halla también sometido al control de nutrientes, hormonas y factores de crecimiento. Estos agentes se encargan de cuidar la acumulación de ciclina antes del ARRANQUE. A diferencia de lo que se observa en los ovocitos de rana, donde la norma “por omisión” es que acabado un ciclo mitótico se acometa otro ciclo de división, la mayoría de las células salen del ciclo celular en interfase a no ser que reciban instrucciones del exterior para pasar a ARRANQUE de nuevo. No debiera sorprendernos una regulación tan estratificada del control del ciclo en la mayoría de las células. Los organismos pluricelulares, en particular, deben mantener controles y análisis para coordinar las diferentes etapas del ciclo celular y armonizarlas con las exigencias generales del organismo. La capacidad para regular

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Reparación inducible del ADN Paul Howard-Flanders La lesión del material hereditario desencadena la “respuesta SOS”, en la que varios sistemas enzimáticos actúan coordinadamente. Dos proteínas, RecA y LexA, desempeñan múltiples funciones en la reparación del daño

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a vida de un organismo y su continuidad de generación en generación dependen de la estabilidad a largo plazo de la información genética cifrada en la doble hélice de ADN. Estabilidad que no debe traducirse por invulnerabilidad a las lesiones. El ADN, sea de una célula bacteriana o de los millones de células que componen un ser humano, se muestra muy sensible a los daños producidos por las radiaciones perjudiciales y por los agentes químicos presentes en el medio ambiente. Su estabilidad y la precisión de su replicación están protegidas por enzimas que continuamente reparan las lesiones genéticas. En concreto, las lesiones importantes de la molécula de ADN pueden inducir una respuesta de emergencia mediante la cual se sintetizan mayores cantidades de enzimas reparadoras, que actúan en perfecta coordinación. Durante mucho tiempo se vino observando y estudiando varios sistemas de reparación del ADN, pero ha sido en los dos últimos años cuando han empezado a comprenderse los pormenores de la naturaleza de algunas de las respuestas inducidas y los sistemas reguladores que las controlan. Tanto la vulnerabilidad a las lesiones como la susceptibilidad a la reparación van implícitas en la misma estructura del ADN. Las cadenas de la doble hélice son una sucesión de moléculas de azúcar y grupos fosfato. De este esqueleto sobresalen una serie de grupos químicos llamados bases. La unidad constitutiva real del ADN son los nucleótidos, cada uno de los cuales consta de una base, un azúcar y un grupo fosfato. Las bases son de cuatro tipos: dos purinas, adenina ( A) y guanina (G), y dos pirimidinas, citosina (C) y timina ( T). Las bases de una cadena se unen por enlaces de hidrógeno a las bases de la otra cadena, para formar el ADN bicatenario. Además, las bases son complementarias:

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se aparea sólo con T, y G sólo con C. Se sigue de ello que las dos cadenas son complementarias y que, efectivamente, cada una de ellas es un molde de la otra: si una cadena tiene la secuencia TGACCGCTTA , la otra cadena deberá leerse ACTGGCGAAT. La complementariedad constituye el fundamento de la replicación del ADN, de su expresión en forma de proteína y de su recombinación. Durante la replicación, cada cadena sirve de molde para fabricar una cadena “hija”. En la expresión, la información hereditaria cifrada en la secuencia de bases de una de las cadenas que componen un gen se transcribe en una secuencia complementaria de una cadena de ARN, que posteriormente se traducirá a proteína; cada tres bases, un codon, determinan uno de los aminoácidos que integran la cadena de proteína. En la recombinación genética, las cadenas de ADN se rompen y las regiones homólogas se unen para dar lugar a nuevas combinaciones de genes. Según esto, la incorporación en el ADN de una base incorrecta o alterada, así como la presencia de una lesión que distorsione la doble hélice o impida el perfecto apareamiento de las bases, obstaculizarán la replicación, la síntesis de proteínas y la recombinación. A menos que se repare satisfactoriamente la lesión causada al ADN puede sobrevenir la muerte de la célula; parece que en las células de mamífero tales lesiones pueden a veces iniciar un proceso que conduce al cáncer. De muchas maneras se puede atentar contra la integridad del ADN. Sin embargo, la lesión cuya reparación ha sido objeto de mayor atención es el dímero de pirimidina, producido por la exposición a radiaciones ultravioleta. Se forma un dímero cuando dos bases pirimidínicas (timinas o citosinas) adyacentes en una cadena se unen para constituir un anillo de cua-

tro carbonos. Las dos bases que forman el dímero pierden la alineación correcta, rompiéndose los enlaces de hidrógeno que las unen a las bases complementarias y distorsionando el esqueleto del ADN; esto impide, a su vez, el apareamiento debido de dos bases a cada lado del dímero. Basta la presencia de un solo dímero de pirimidina para interrumpir la transcripción y la replicación. Los conocimientos fundamentales sobre el proceso de reparación del ADN proced en, en gra n par te, de experimentos genéticos realizados con células bacterianas, expuestas a radiaciones ultravioleta, y de estudios bioquímicos sobre la replicación y reparación del ADN y de las enzimas que participan en esos procesos. En este artículo se repasará cronológicamente la historia de algunos de los descubrimientos, advirtiendo al lector (y esperando que lo comprenda) que los sistemas biológicos complejos no suelen resolverse en su totalidad de una sola vez, ni siquiera en una progresión lógica. Por el contrario, es normal que se acumulen observaciones y datos sin una relación obvia o una significación inmediata; los datos van adquiriendo valor y, gradualmente, las piezas encajan y empiezan a cobrar sentido.

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finales de la década de 1950 se sabía que la bacteria intestinal sobrevivía, en general, a exposiciones moderadas de radiaciones ultravioleta y que había una estirpe mutante de la bacteria particularmente sensible o vulnerable a tales radiaciones. ¿Por qué era así? Posiblemente la bacteria normal tuviera una enzima o sistema de enzimas capaces de reparar las lesiones causadas al ADN por las radiaciones ultravioleta, incrementando la tasa de supervivencia, mientras que la bacteria sensible habría perdido dicha capacidad. Ya que las enzimas, como las Escherichia coli

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demás proteínas, están determinadas por genes, el autor, junto con sus colegas de la Facultad de Medicina de la Universidad de Yale, realizó en 1961 varios experimentos genéticos cuya finalidad era encontrar los genes responsables de la síntesis de enzimas reparadoras. Se aprovechó el hecho de que las células de E. coli intercambian genes mediante conjugación, una forma primitiva de cruzamiento entre células macho y hembra. Se utilizó la estirpe convencional de laboratorio E. coli K12 porque era relativamente resistente a las radiaciones y porque se conocía bastante bien su mapa

violeta, a los rayos X, o a ambos, se halló que dicha sensibilidad era una propiedad estable y heredable, que podía transmitirse de unas células a otras vía cruzamientos. Con métodos genéticos se identificaron los genes mutantes y se cartografiaron en el cromosoma de E. coli . Algunos de los mutantes sensibles a las radiaciones ultravioleta tenían mutaciones en genes que denominamos uvrA, uvrB y uvrC; otros mutantes, sensibles tanto a las radiaciones ultravioleta como a los rayos X, llevaban mutaciones en un gen que se llamó lexA. Se comprobó que los genes uvr determinaban la sín-

hallaban implicados los genes uvr ? Richard B. Setlow y William L. Carrier, del Laboratorio Nacional Oak Ridge, y Richard P. Boyce, Lee Theriot y el autor, en Yale, estudiaron la aparición de dímeros de pirimidina en el ADN de E. coli normal y en mutantes sensibles a ultravioleta que eran uvr–, es decir, deficientes en alguno de los genes uvr. A tal fin, se expusieron las células a radiaciones ultravioleta y se buscaron dímeros de pirimidina en sus respectivos ADN. Los dímeros, como se esperaba, persistían en el ADN cromosómico intacto de las células uvr–, pero no en el ADN cromosó-

genético:genes se sabía localización de muchos en lalamolécula de ADN bicatenario circular que constituye el cromosoma bacteriano. En la búsqueda de mutantes deE. coli sensibles a las radiaciones ultra-

tesis que de enzimas reparadoras, mientras el gen lexA determinaba un tipo diferente de proteína, cuya naturaleza se habría de conocer mucho más tarde. ¿En qué mecanismo bioquímico se

mico de las Sin embargo, losbacterias dímeros resistentes. no habían desaparecido de las células resistentes. Se encontraban en segmentos de ADN unicatenario de sólo unas pocas bases de longitud. Se acababa de descubrir

1. RECOMBINACION mediada por la proteína RecA, base de uno de los mecanismos de reparación del ADN. La micrografía electrónica, realizada por Era Cassuto y Stephen C. West, en el laboratorio del autor, muestra una de las etapas del proceso de recombinación. Como se indica en el dibujo de la micrografía ( ), dos izquierda copias de un plásmido de ADN (pequeña circular bicatenaria) se aparean en un “punto de contacto”; es ésta una demolécula las etapas iniciales de la recombinación. Uno de los plásmidos es una molécula circular intacta de ADN bicatenario, como demuestra su forma “superenrollada”. El plásmido con el que se aparea es idéntico a él, pero en éste se ha eliminado enzimáticamente un pequeño segmento de una de sus cadenas. El hueco resultante permite que el plásmido se “relaje”. Sólo se han observado parejas de este tipo al incubar plásmidos intactos con otros similares, aunque con un hueco de cadena sencilla, en presencia de RecA y ATP (la principal fuente de energía de la célula). Las parejas siempre incluían, al menos, una molécula relajada. Cabe presumir que RecA se une a la región de cadena sencilla opuesta al hueco y la alinea con una región homóloga de una cadena del plásmido intacto.

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la “reparación por excisión”. El ADN unicatenario que llevaba los dímeros había sido eliminado, presumiblemente, por la acción de uno o más enzimas, determinados por uno o varios genes uvr. Supusimos que la reparación del ADN debía completarse con

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la acción de las enzimas polimerasa y ligasa del ADN, los cuales reemplazarían los nucleótidos eliminados y unirían de nuevo el esqueleto de azúcarfosfato, respectivamente; la cadena complementaria intacta serviría de molde. Al poco tiempo, David E. Pet-

tijohn y Philip C. Hanawalt, de la Universidad de Stanford, ofrecieron pruebas directas de este tipo de síntesis reparadora. La reparación por excisión resultó ser uno de los sistemas fundamentales de corrección del ADN, no sólo en

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bacterias sino también en células de mamíferos (hombre incluido), pues además de eliminar dímeros de pirimidina actúa sobre otros tipos de lesiones del ADN. Boyce y el autor vieron al poco tiempo que este sistema reparaba, por ejemplo, las lesiones causadas por la mitomicina C, que induce la “soldadura” de las dos cadenas de la doble hélice. Que la mitomicina C fuera una droga anticancerígena (porque provoca lesiones en el ADN) y tambié n car cinogé nic a en células animales (por idéntica razón) era un indicio de que la información que pudiese obtenerse de los estudios

recA tenía algo que ver con un proceso

de reparación del ADN en bacterias gozaría de amplias aplicaciones.

producto gendescubrimos , cualquiera que fuese. Endel 1968 la reparación posreplicativa, que actúa sólo después de la replicación del ADN dañado por la radiación ultravioleta. En una célula que ha estado expuesta a radiación ultravioleta, los segmentos de las cadenas parentales de ADN que no han sufrido alteración se replican con normalidad. Cuando la horquilla de replicación (el punto donde las dos cadenas parentales están desenrolladas y expuestas a las enzimas reparadoras) llega a un dímero de pirimidina que no se ha eliminado, el apareamiento de las bases de la cadena dañada resulta imposible. Se interrumpe entonces la síntesis de una cadena nueva, y se reinicia en algún punto de la región no dañada del ADN que sirve de molde, más allá del dímero. Aparecen así “huecos posreplicativos” en las cadenas hijas. El sistema de reparación por excisión no puede actuar sobre estos huecos, ya que requiere una cadena complementaria intacta; la reparación debe basarse en un mecanismo diferente. La secuencia de bases, efectivamente, se pierde en las dos cadenas de una de las dos moléculas hijas del ADN bica-

de reparación todavía desconocido. Se comparó la sensibilidad a los ultravioleta de células uvrA o recA– con la de los dobles mutantes, células con defectos en ambos genes. Los dobles mutantes resultaron ser 50 veces más sensibles que las células uvrA– o las recA–, lo que constituía una señal clara de que estaban implicados dos sistemas de reparación muy diferentes. Para simplificar la situación estudiamos la síntesis de ADN en bacterias uvrA–, que no podrían realizar la reparación por excisión, aunque conservasen presumiblemente el sistema basado en el

tenario formadas en la replicación: una cadena tiene un hueco y la otra un dímero. Hay que buscar algún modo de recuperar la información que falta, si se quiere reparar correctamente el hueco. Nos dimos cuenta de que la secuencia de bases necesaria para ello se hallaba muy cerca, en la otra doble cadena hija formada en la misma horquilla de replicación. ¿Podría un proceso de recombinación sustituir las bases que faltaban en el hueco posreplicativo por una de las cadenas de la molécula bicatenaria “hermana”, y de esta forma conseguir una cadena de ADN que tuviera,

recA

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l descubrimiento de una segunda forma importante de reparación del ADN, muy diferente de la reparación por excisión, ocurrió por vía indirecta. En 1965, A. John Clark y Anne D. Margulies, de la Universidad de California en Berkeley, realizaban estudios de recombinación genética, proceso que permite reunir genes pertenecientes a cromosomas distintos, como acontece, por ejemplo, durante la conjugación bacteriana. Clark aisló mutantes de E. coli cuyo ADN no recombinaba en la forma esperada después de la conjugación, y atribuyó la falta de recombinación a una mutación en un gen que llamó recA. Al ensayar la resistencia de las células recA– a las radiaciones, se encontró con la sorpresa de que eran extremadamente sensibles a las lesiones causadas por las radiaciones ultravioleta y los rayos X. W. Dean Rupp y el autor quedaron perplejos ante la aparente relación entre una deficiencia en la recombinación y la sensibilidad a la radiación. Quizá significara que el producto de

frente al dímero, la secuencia de bases correcta? Para detectar esta reparación por recombinación, Rupp y el autor marcaron el ADN con isótopos que permitían distinguir las cadenas parentales de las hijas en razón de su diferente densidad. Pudimos contar el número de huecos posreplicativos y el número de intercambios entre cadenas hermanas. Había, aproximadamente, el mismo número de intercambios que de huecos. La existencia de reparación por recombinación posreplicativa se confirmó al descubrir Ann K. Ganesan, de Stanford, que los dímeros de pirimidina no se localizaban exclusivamente en las cadenas irradiadas con ultravioleta, sino que se distribuían tanto por las cadenas “nuevas” como por las “viejas”, a medida que se replicaba el ADN.

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a reparación posreplicativa complementa perfectamente a la reparación por excisión. La reparación por recombinación “rellena” los huecos srcinados, en las cadenas hijas, por los dímeros (u otro tipo de daño) que alcanzan la horquilla de replicación antes de haber sido eliminados. La reparación por excisión elimina el dímero (u otro daño) que 2. MOLECULA DE ADNizquierda ( ), formada por dos cadenas de nucleótidos. Cada queda en la cadena parental. uno de éstos contiene un azúcar gris ( ), un grupo fosfatocírculos ( vacíos ) y una base El estudio de la inducción lisogénitrogenada color ( ). Las bases, que pueden ser purinas (adenina, A, y guanina,G) o nica, un fenómeno aparentemente no pirimidinas (timina, T, y citosina,C), sobresalen del esqueleto de azúcar-fosfato, lo que posibilita la unión de las cadenas de nucleótidos por puentes de hidrógeno líneas ( relacionado con la reparación posreplicativa, aportó un mayor conocia trazos) entre bases complementarias: A sólo puede aparearse con T y G sólo conC. La información genética está impresa en la secuencia de bases. Las dos cadenas tienen miento del papel de recA. Se dice que polaridades opuestas; la secuencia de bases se lee, convencionalmente, en el sentido una bacteria es lisogénica cuando, al de 5’ a 3’. En el dibujo, la doble hélice se muestra desenrollada; el plano de las bases, ser infectada por un bacteriófago (un que en realidad es perpendicular al eje de la hélice, se ha girado 90 grados para mosvirus bacteriano), el ADN de éste se trar la estructura química. Los dímeros de pirimidina, las lesiones más estudiadas en integra en el cromosoma bacteriano las investigaciones sobre la reparación del ADN, se srcinan por exposición a lacomo ra- profago, en vez de multiplicarse. diación ultravioleta. Se forma un dímero abajo ( ) cuando los dobles enlaces entre los (La átomos de carbono 5’ y 6’ de dos pirimidinas adyacentes se abren y constituyen unmultiplicación conduce a la formaanillo de cuatro carbonos, aproximando las dos bases y rompiendo sus puentes de de nuevas partículas de fagos y ción hidrógeno con las bases complementarias de la cadena opuesta; la consiguientemata dis- la célula.) El fago lambda es uno torsión del esqueleto impide la formación de puentes de hidrógeno en dos bases a virus “temperados”, que infecta de esos cada lado del dímero. Los dímeros más frecuentes se formanentre timinas adyacentes estirpes lisogénicas de E. coli. El ADN de una misma cadena, pero también se pueden forma r entre dos citosinas o entre una timina y una citosina. Un modelo esquemático del ADN derecha ( ) muestra la disposi- del fago lambda puede permanecer “inactivo” en la bacteria, replicándose ción de las dos cadenas de azúcar-fosfato en la est ructura de doble hélice. Los detalles con el cromosoma bacteriano por del apareamiento de las bases nitrogenadas se aprecian con menor claridad.

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muchas generaciones. Cuando la bacteria se expone a radiación ultravioleta o algún otro agente que lesione el ADN, el profago “se induce”. Su ADN deja el cromosoma, se replica y dirige la síntesis de proteínas víricas; se producen cientos de nuevas partículas de virus, y la célula estalla, liberándolos. En l967, Clark, que había descubierto recA, junto con Israel Hertman y Salvador E. Luria, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, observaron que las células lisogénicas recA– no se inducían, es decir, lambda permanecía como profago inactivo aunque la célula se expusiera a los ultravioleta.

y la división celular, de tal modo que la célula se alargaba en vez de dividirse y formar dos células hijas; también se incrementaba la tasa de mutagénesis y se estimulaba la síntesis, en grandes cantidades, de cierta proteína, por aquel entonces conocida por proteína X. Todas estas respuestas (y otras que no citamos) parecían ser reacciones a una situación de emergencia; Miroslav Radman, de la Universidad Libre de Bruselas, les dio el nombre colectivo de “respuesta SOS”.

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En otras se demostró que el gen recA palabras, era necesario para la inducción lisogénica. No es éste el único proceso en el que está implicado el gen recA. A mediados de la década de los setenta se llegó al conocimiento de que los mismos acontecimientos que precipitaban la inducción lisogénica en una célula irradiada inducían la síntesis de enzimas reparadoras del ADN; además, interrumpían la replicación del ADN

Investigación en Biología Molecular de París, advirtieron que cierta mutación recA actuaba a modo de interruptor que desencadenaba la respuesta SOS, incluso en ausencia de radiación ultravioleta. Trabajaron con una cepa lisogénica de E. coli, portadora de una mutación sensible a la temperatura, recA441, que era letal para la bacteria si se alcanzaban los 42 grados Celsius. Descubrieron que la muerte celular podía evitarse mediante una

n 1975, Jacqueline George y Marc Castellazzi, del Instituto para la

segunda mutación en uno cualquiera de los genes su1A o su1B. Habiendo logrado que las células recA441 sobreviviesen a 42 grados Celsius, George y Castellazzi demostraron que todas las funciones SOS se disparaban a esa temperatura, aun en ausencia de radiación ultravioleta. Si una mutación en recA podía desencadenar la respuesta SOS, dicha respuesta debía de depender (al menos en parte) del gen recA. Casi al mismo tiempo, Jeffrey W. Roberts, de la Universidad de Cornell, investigaba el mecanismo responsable de la inducción del profago por

radiación ultravioleta. Se sabía que el profago lambda permanecía inactivo por la acción de una proteína reguladora llamada represor, que impedía la transcripción de todos los genes del fago (excepto la del que determinaba la síntesis del represor). El represor se adosaba a la región del “operador” en el ADN del fago, impidiendo la unión de la polimerasa del ARN, que de otro modo podría transcribir los genes del fago en ARN. En la búsqueda del mecanismo por el cual la radiación ultravioleta eliminaba al represor de lambda, Roberts y sus colaboradores descubrieron que, durante la inducción, el represor desaparecía. El represor se desprendía del ADN del profago porque se cortaba en dos. Los investigadores de Cornell identificaron y purificaron la enzima responsable del corte: una proteasa (enzima que corta proteínas) con un peso, molecular de 38.000. Después de irradiar, detectaban cantidades elevadas de la proteasa en las células de tipo silvestre, pero no así en los mutantes recA–. ¿Acaso era la proteasa el producto del gen recA? (En las células lexA– tampoco se detectaron cantidades elevadas de la enzima.) Roberts y sus colaboradores encontraron que la proteasa que purificaban a partir de mutantes recA441 (aquellos en los que las funciones SOS están siempre conectadas a 42 grados) era más activa que la proteasa de células de tipo silvestre; por otra parte, un mutante que no llevaba a cabo la inducción del profago, ni siquiera tras la irradiación, carecía de la actividad necesaria para cortar el represor. 3. VARIOS TIPOS DE LESIONES DEL ADN. Como se indica en el esquema de la Análisis posteriores demostraron que doble hélice arriba ( ), las bases pueden alterarse químicamente por alquilación, hidroxilación, etcétera1(), o pueden incluso eliminarse2). ( Unas veces se forma un esa proteasa era algo poco común. complejo químico por adición de una molécula voluminosa 3), (otras, se forman Actuaba muy lentamente, sus blancos dímeros de pirimidina4(), se “sueldan” químicamente las cadenas 5)(o se adhiere específicos eran represores (como el una proteína a una de las cadenas. Puede romperse una cadena 6) o( ambas (7). La represor de lambda) y su actividad mayoría de estas lesiones alteran el apareamiento de las bases o la continuidad del dependía de la presencia de ATP molde, e interfieren el funcionamiento normal del ADN. La replicación y la trans(fuente principal de energía bioquícripción dependen del apareamiento de las bases para la síntesis de dos nuevas mica) y de ADN unicatenario. Aunque cadenas hijas de ADN, o de una cadena de ARN mensajero; también la mayoría de Roberts sospechaba que su proteasa los procesos de recombinación dependen del apareamiento para la alineación correcta de las regiones homólogas de ADN. era en efecto el producto del gen recA,

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la confirmación de que no se trataba sólo de un componente minoritario de su preparación no podía obtenerse hasta alcanzar un grado más elevado de purificación.

L

a identificación final del producto del gen recA y su purificación en cantidades interesantes supuso un avance importante. Además de Roberts y sus colaboradores, lo logró un numeroso grupo de investigadores: Peter T. Emmerson y Stephen C. West, en la Universidad de Newcastle upon Tyne, Lorraine J. Gudas y David W. Mount, de la Universidad de Ari-

zona, John W. y D. G. Kleid, en el Instituto de Little Investigación de Stanford, Kevin McEntee, de la Universidad de Chicago, y Hideyuki Ogawa y Tomoko Ogawa, de la Universidad de Osaka. En 1977 se demostró que la proteína X, observada por primera vez, en 1971, en células irradiadas por Masayori Inouye y Arthur B. Pardee, de la Universidad de Princeton, y que Gudas halló que faltaba o estaba alterada en los mutantes lexA– y recA, era en efecto la proteína RecA. Se abría con ello el camino a los estudios bioquímicos de la proteína y del mecanismo de la reparación posreplicativa. Mientras tanto, seguían investigándose otros aspectos de lo que empezaba a conocerse como “fenómeno rec-lex”. En 1973, Mount, en Arizona, y K. Brooks Low, en Yale, estudiaron un diploide parcial de E. coli: células con un pequeño segmento extra del ADN cromosómico, lo que determina que algunos genes estén presentes en dos versiones. Observaron que los mutantes lexA– eran genéticamente dominantes, es decir, una célula portadora de un gen lexA silvestre y de un genlexA– mutante expresaba las características de la célula mutante, incluida la sensibilidad a los daños inducidos por rayos X. La dominancia en un gen mutante suele indicar que el gen tiene algo que ver con la regulación genética. Ciertas mutaciones en el genlacI de E. coli, gen que determina la síntesis del represor que controla la expresión de los genes involucrados en el metabolismo de la lactosa, son dominantes. Cabía, pues, que el gen lexA determinase una proteína represora que regulase ciertas enzimas de la reparación del ADN. Mount razonó que los mutantes lexA – eran sensibles a la radiación porque fabricaban un represor defectuoso, que no se liberaba después de la irradiación. (Ello explicaría la dominancia de lexA – . Aun cuando hubiera en la célula moléculas normales de represor, que se liberasen del ADN, la prot eína lexA – defectuosa

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

4. LA REPARACION POR EXCISION elimina los dímeros de pirimidina y restaña otras lesiones del ADN en un proceso de “corte y remiendo”. En este proceso intervienen tres enzimas especiales, determinados por los genes uvrA, uvrB y uvrC, junto con la polimerasa I del ADN y la ligasa del ADN. Primero, las proteínas uvrA y uvrB se unen al sitio dañado1(). A continuación, y quizá con la ayuda de la proteína uvrC, realizan una incisiónflecha ( de color) en el extremo 5’ de la región dañada (2). En presencia de la proteína uvrC, la polimerasa del ADN se coloca en el lugar de la incisión y añade nucleótidos al extremo 3’, siguiendo las reglas del apareamiento de bases. La polimerasa realiza una segunda incisión en la cadena para eliminar la región dañada3); ( la polimerasa continúa “digiriendo” nucleótidos y reemplazándolos al mismo tiempo por otros nuevos, desplazándose l a incisión un poco más a la derecha 4(). La ligasa del ADN termina la reparación, uniendo la cadena en el lugar de la incisiónflecha ( gruesa).

continuaría uniéndose y reprimiendo las enzimas reparadoras.) A partir de una estirpe portadora de una mutación lexA–, denominada lexA3, Mount buscó células que fueran de nuevo resistentes a la luz ultravioleta. Encontró una que aún llevaba la mutación srcinal y, además, una nueva mutación designada lexA51 , que situó en el locus lexA , o muy próxima a él. Aparentemente, esta mutación afectaba a la función lexA de tal forma que los genes antes reprimidos por la proteína de lexA podían ahora expresarse, se sintetizaban las enzimas reparadoras y se restañaban los daños producidos por la radiación

ultravioleta. Se seguía de ello que los mutantes lexA51 fabricaban un represor incapaz de unirse correctamente al ADN; por consiguiente, la síntesis de enzimas reparadoras y todas las demás funciones SOS, sin excluir el aumento de la síntesis de RecA, estarían siempre “conectadas”, incluso en ausencia de radiación ultravioleta u otro agente lesivo para el ADN. Se demostró así que la respuesta SOS no dependía sólo de recA, sino también de lexA, con una alta probabilidad de que el producto de este último gen fuese una proteína represora que controlase todos los genes implicados en la respuesta SOS.

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5. REPARACION POSREPLICATIVA. Actúa sobre un dímero de pirimidinaA)( que bloquea la replicación; por ésta se entiende el proceso a lo largo del cual las cadenas parentalesnegras ( ) se desenrollan en la horquilla de replicación y se sintetizan dos cadenas hijas ( ) (1); color otros dímerosB( y C) se eliminan mediante la reparación por excisión. El dímero A impide el apareamiento de bases en un segmento de una de las cadenas parentales, produciendo un hueco posreplicativo frente a una región de ADN de cadena sencilla (2). La proteína RecA color ( claro) se une a la región de cadena sencilla ( 3) y sitúa frente a ella la región homóloga de la molécula bicatenaria hermana. Cuando se consigue el apareamiento homólogo, una enzima corta la molécula bicatenaria 4(). La proteína RecA enfrenta el extremo libre de la cadena parental de la molécula bicatenaria con el hueco, produciéndose un intercambio de cadenas (5). La polimerasa del ADN puede ahora reparar el heterodúplex superior. Con la secuencia correcta situada en frente del dímeroA y con la proteína RecA liberada, las enzimas de la reparación por excisión pueden entonces eliminar el dímeroA (6). Finalmente, una enzima practica dos cortes en el lugar del intercambio de cadenas7),( terminando el proceso de recombinación con un saldo de dos moléculas heterodúplex enteras.

tico papel represor de LexA la sometieron a la acción de la proteasa de recA. Su descubrimiento fue trascendental: la proteína RecA rompía LexA. Además, esta rotura ocurría con más rapidez que la del represor de lambda, lo que vino a sugerir que LexA era el sustrato primario de la proteasa. Mark Ptashne y Roger Brent, de la Universidad de Harvard, demostraron que la proteína LexA reprimía al gen lexA: el gen sufría represión por su propio producto, como ocurre con el gen del represor de lambda y con algunos otros genes.

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El paso siguiente consistía en identificar la proteína codificada por lexA. Little (por entonces en Arizona) y Mount lo consiguieron, utilizando para ello técnicas de ADN recombinante. Aislaron el gen lexA, lo unieron a un plásmido (pequeño trozo circular

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de ADN cromosómico que se replica autónomamente en la célula bacteriana), insertaron el plásmido recombinante en E. coli y lograron identificar y purificar la proteína: la así llamada LexA tenía un peso molecular de 24.000. Para confirmar el hipoté-

i LexA es un represor, ¿a qué otros genes inhibe, además del propio? Cynthia J. Kenyon y Graham C. Walker, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, idearon un ingenioso experimento para determinar qué genes de E. coli se expresaban en respuesta a un daño inferido a su ADN. Aplicaron un método desarrollado por Malcolm J. Casadaban y Stanley N. Cohen, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford, para insertar aleatoriamente el gen lacZ en el cromosoma de una estirpe que carecía de todos los genes que controlan el metabolismo de la lactosa. Después, buscaron células que sólo metabolizaran la lactosa en presencia de un agente capaz de atentar contra el ADN (así la mitomicina C). En dichas

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células, pensaron, algunos de los genes que normalmente se encontraban reprimidos se expresarían ahora en respuesta a una lesión del ADN. Sin embargo, la función normal del gen se había perturbado por la inserción de lacZ, y era lacZ lo que se expresaba. Cuando se identificaron los genes que se activaban en estas condiciones (por la pérdida de su función normal), resultaron ser los genes uvrA y uvrB, genes que determinan la síntesis de enzimas reparadoras, y el gen umuC, relacionado con el aumento de la mutagénesis que sigue a la irradiación con ultravioleta. El experimento había aparentepermitido identificar varios genes mente reprimidos por la proteína LexA. Barry M. Kacinski, Aziz Sancar y Rupp emprendieron la búsqueda de pruebas directas de esta regulación. Encontraron que el mutante lexA51 de Mount, en el que las funciones SOS se encontraban siempre activadas, pues no había represión por LexA, exhibía mayor actividad uvrA y uvrB sobre el ADN dañado que las células normales. El incremento de actividad estimulaba la reparación del ADN: Jeffrey Auerbach, trabajando en el laboratorio del autor, detectó una mayor supervivencia en los mutantes lexA51 que en las células de tipo silvestre, debido posi blem ente a una mayor actividad uvrA y uvrB en la estirpe mutante. Si la proteína LexA es realmente un represor de un grupo de genes implicados en la reparación del ADN debe unirse a regiones operadoras cercanas al comienzo de cada uno de estos genes, por lo que cabría esperar que dichas regiones presentasen secuencias de nucleótidos similares. La secuencia nucleotídica del gen recA ha sido determinada por Toshihiro Horii y los Ogawa, en Osaka, y por Sancar y Rupp; la secuencia de la región operadora de lexA, por el grupo de Osaka y por Little y Mount, y por Sancar y Rupp, parte de los genes uvrA y uvrB. En la región operadora de estos genes hallamos una secuencia muy similar, de unos 20 nucleótidos; esta “caja SOS” tiene (en diferente grado, según los genes) la forma de secuencias simétricas invertidas, característica de los sitios de unión del represor. En particular, el gen lexA posee dos secuencias adyacentes, casi idénticas, análogas a los múltiples sitios de unión presentes en el operador del fago lambda. Tanto Little y Mount como Brent y Ptashne han purificado la proteína LexA y han demostrado que se une específicamente a las cajas SOS de recA y lexA.

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

6. REGIONES OPERADORAS próximas a los cuatro genes controlados por la proteína represora LexA. Tienen una secuencia similar, de aproximadamente 20 pares de bases; estas secuencias comunes son los sitios de unión del represor. (Hasta ahora, la unión sólo se ha demostrado en los casosrecA de y lexA.) Se señalan en color los pares de bases de los operadores lexA, uvrA y uvrB que son idénticos a los del operador recA; los pares de bases que difieren aparecen en neg ro. Todos los sitios de unión, llamados “cajasSOS”, incluyen secuencias repetidas e invertidas, o palindrómicas ( flechas), que se leen idénticamente en el sentido 5’ 3’ de ambas cadenas. Una característica común es la presencia de las secuencias CTG y CAG ( fondo coloreado ) separadas por 10 bases. El gen lexA tiene dos cajas SOS casi idénticas.

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odemos ya describir, en líneas generales, la serie de fenómenos interrelacionados que se dan cita en la respuesta SOS y en su regulación. En una célula en crecimiento, que no ha sufrido daño alguno, los genes reparadores del ADN se encuentran casi totalmente inhibidos por LexA; ello no obsta para que se sintetice suficiente cantidad de represor destinado a ocupar las regiones operadoras, y suficiente proteína uvr que lleve a cabo esporádicas reparaciones por excisión. Cuando las células se exponen a una dosis significativa de radiación ultravioleta, los dímeros de pirimidina que no pueden reparar las pocas moléculas de proteína uvr presentes en el estado no inducido srcinan huecos posreplicativos. Las proteínas RecA que en aquel momento haya en la célula se unen al ADN unicatenario que queda frente a los huecos; el ADN estimula la actividad proteasa de RecA y se induce la respuesta SOS. La proteína RecA destruye a los represores LexA, levantando la represión arecA y a los otros

genes regulados de la misma forma; se sintetizan grandes cantidades de proteína RecA, que se unen al ADN unicatenario todavía libre y, posteriormente, a regiones bicatenarias contiguas. En estas condiciones, la proteína LexA se destruye en cuanto se sintetiza y los genes regulados permanecen activos mientras haya ADN unicatenario en la célula para estimular la actividad proteasa de RecA. Cuando la reparación posreplicativa termina y todo el ADN se encuentra en forma bicatenaria, RecA deja de actuar como proteasa. La proteína LexA recién sintetizada no se destruye y puede cumplir su función represora; la célula vuelve al estado no inducido. La respuesta SOS estimula la reparación eficaz del ADN, pues aumenta la disponibilidad de enzimas para la reparación por excisión y abre la vía de la reparación posreplicativa. Las enzimas determinadas por uvrA, uvrB y uvrC actúan conjuntamente en la reparación por excisión, reconociendo las bases dañadas e iniciando el pro-

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ceso de excisión. Puesto que las células sobreviven a miles de lesiones de este tipo, y aunque el proceso sea lento, las células deben de disponer de grandes cantidades de enzimas. Rupp y sus colaboradores han demostrado que, normalmente, una célula no dañada tiene sólo 10 o 20 moléculas de la enzima determinada por uvrA; el aumento de la síntesis que sigue a la inducción SOS permite que se disponga de suficiente enzima para ablacionar eficazmente un gran número de dímeros. Se está estudiando actualmente en varios laboratorios el mecanismo exacto de acción de las tres enzimas, y para incrementar elgenes nivel de su síntesis se han clonado los que determinan las enzimas en plás-

midos presentes en las células con un alto número de copias. Además, el método de la “maxicélula”, desarrollado por Sancar y Rupp, permite identificar y purificar enzimas, aun cuando no se disponga de ensayos funcionales para detectar las proteínas.

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l lector habrá notado que RecA desempeña dos funciones muy diferentes: actúa de proteasa en su papel regulador y es una enzima de recombinación, capaz de manipular cadenas de ADN. Su primera función en la recombinación, como ocurre en la reparación posreplicativa, consiste en estimular el

secuencias de bases complementarias para permitir el intercambio de cadenas. En 1979, McEntee, en Chicago, George M. Weinstock e I. Robert Lehman, en la Facultad de Medicina de Stanford, y Takahiko Shibata, Chanchal DasGupta, Richard P. Cunningham y Charles M. Radding, en Yale , demostrar on que la prote ína RecA podía inducir apareamientos homólogos entre un ADN unicatenario y otro bicatenario. El grupo de Radding y Era Cassuto y West, en el laboratorio del autor, encontraron que la proteína inducía apareamientos homólogos entre dos moléculas bicatenarias

apareamiento homólogo entre dos de circulares, que una de ellas moléculas de ADN, es decir, alinear portara unasiempre región unicatenaria equiforma adecuada las regiones con valente a un hueco posreplicativo, pero

7. EL SISTEMA REGULADOR basado en lexA y recA está “en frente al hueco, se activa su actividad proteasa y degrada al reposo” durante el crecimiento normal en ausencia de dañosrepresor al LexA. Libres del represor funcional, los genes controADN (arriba). El represor LexA, unido a los operadores lexA de , lados por LexA se “conectan” y aumenta la velocidad de síntesis recA, uvrA y uvrB y algunos otros genes más, mantiene la síntede proteínas. (Aunque se sintetiza más LexA, éste se degrada sis del ARN mensajero y proteínas al bajonivel característico de mientras la proteína RecA esté activada por la presencia de ADN las células no inducidas. Un daño en el ADN, suficiente para unicatenario.) Terminada la reparación del ADN, RecA no deproducir un hueco posreplicativo, activa la respuesta SOS (aba- grada ya al represor; la proteína LexA recién sintetizada se une jo). La proteína RecA se une al ADN unicatenario que queda otra vez a los operadores y la célula vuelve al estado noinducido.

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8. LA METILACION de una guanina por el agente químico nitrovoca la rotura de los puentes de hidrógeno que unen a la guanina soguanidinaMNN ( con la citosina. La reparación corre a cargo de una proteína que G) se repara mediante un nuevo proceso, que pone de manifiesto una respuesta adaptativa a la lesión del ADN. se sintetiza, por adaptación, cuando la célula se expone a una La nitrosoguanidina coloca grupos metilo en diversos pun- concentración baja de nitrosoguanidina. Una cisteína de la pro3) (CH tos del ADN, por ejemplo, en el átomo de oxígeno que está en teína la actúa como aceptor de grupos metilos: incorpora el grupo posición número 6 de la guanina izquierda ( ). La metilación pro- metilo y devuelve la guanina a su estado srcinal derecha ( ).

no lo inducía en el caso de que ambas proteína RecA se “pega” y se “despega”, moléculas bicatenarias estuvieran degradando al propio tiempo ATP. intactas. Una vez que las moléculas de ADN establecen contactos relativos a la o se conoce aún el mecanismo complementariedad en una región exacto del apareamiento; parece determinada, RecA promueve el interprobable, sin embargo, que la molécula cambio de cadenas. Utilizando molébicatenaria con un hueco unicatenario culas bicatenarias con las regiones se alinee de forma inespecífica con la unicatenarias adecuadas, West ha molécula que permanece entera y, demostrado que RecA realiza un interluego, por mediación de la proteína cambio recíproco entre dos regiones RecA, se desplacen las moléculas bicatenarias; resulta de ello la formahasta enfrentar a las bases comple- ción de dos heterodúplex en los que las mentarias. El estudio del requericuatro cadenas tienen las parejas miento energético de este proceso cambiadas. El proceso discurre aporta un poco de luz a la cuestión. El mediante un cruzamiento entre cadeATP constituye el suministrador vero- nas sencillas, hecho éste que fue prosímil de energía. Se observó que las puesto en 1965, como una estructura regiones unicatenarias y las bicatena- intermedia en la recombinación, por rias con un hueco de cadena sencilla Robin Holliday, del Instituto Nacional estimulaban la hidrólisis del ATP de Investigaciones Médicas de Lon(para recabar la energía necesaria) dres. En presencia de ATP, RecA mediada por RecA; mas las moléculas dirige el intercambio de cadenas a bicatenarias intactas no ejercían tal medida que el lugar donde ha ocurrido estímulo. Evidentemente, la proteína el entrecruzamiento avanza a lo largo adoptaba una configuración activa en de la molécula, proceso llamado “movilas moléculas bicatenarias con huecos miento de ramas”. Para completar la de cadena sencilla. El apareamiento reparación se necesitan otras enzihomólogo necesita grandes cantidades mas, además de RecA: una nucleasa de proteína RecA (una molécula por que corte las cadenas en diversas etacada cinco pares de bases); éstas con- pas del intercambio, una polimerasa fieren a la cadena que presenta el del ADN que “rellene” los huecos con hueco una estructura fibrosa de nuevas bases, una ligasa para unir el soporte que permite poner en contacto esqueleto de azúcar-fosfato, y quizás a las moléculas de ADN, de forma que alguna otra enzima más. se muevan una sobre otra hasta estaCon anterioridad se ha mencionado blecer los contactos complementarios. que el aumento de la mutagénesis Este movimiento recuerda al de una parece ser uno de los aspectos de la resoruga: el ADN que lleva los huecos se puesta SOS. Hace algunos años, Jean alarga y se contrae a medida que la J. Weigle, del Instituto de Tecnología

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BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

de California, estudiando la mutagénesis inducida por los ultravioleta en el fago lambda, descubrió que la frecuencia de mutación y la supervivencia de los fagos irradiados aumentaban cuando éstos infectaban a células que habían sido a su vez irradiadas unos 30 minutos antes. Evelyn M. Witkin, de la Universidad Rutgers, y Jun-ichi Tomizawa, que trabaja actualmente en el Instituto Nacional de Artritis, Metabolismo y Enfermedades Digestivas, encontraron que no se daba inducción de mutaciones por radiación en las bacterias recA– o lexA–. Witkin ha sugerido que un tipo especial de reparación “con tendencia al error” sería el responsable del incremento en la supervivencia y la mutagénesis en las bacterias de tipo silvestre irradiadas. Radman y ella propusieron que la respuesta SOS induciría la aparición de una polimerasa del ADN especial, particularmente tolerante con las mutaciones presentes en el ADN “molde” y capaz de replicar ADN, observando las reglas de apareamiento de bases de una forma menos estricta que la polimerasa normal. Una polimerasa con tendencia al error aumentaría el nivel de supervivencia a expensas de una mayor frecuencia de mutación. Stuart M. Linn, David Lackey y Sharon W. Krauss, de Berkeley, han detectado cantidades muy pequeñas de una polimerasa del ADN con tendencia al error en células donde se ha inducido un aumento en la síntesis de RecA. La mutagénesis, en particular por ultravioleta, comprende

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una serie de complejos mecanismos que sólo ahora empiezan a ponerse de manifiesto. La reparación por excisión y la reparación posreplicativa parecen ser dos mecanismos fundamentales y necesarios para restañar los daños del ADN, pero hay mecanismos más específicos cuando se trata de lesiones circunscritas. Así, bases individuales incorrectas o alteradas se eliminan mediante ciertas enzimas, las glicosilasas, muy específicas para determinados tipos de bases dañadas. De particular interés resulta un sistema de reparación descubierto

la respuesta adaptativa parece inducirse cuando se ve afectado el átomo de oxígeno designado por O6; el grupo metilo insertado sobresale de lo que se conoce como “surco mayor” de la doble hélice de ADN. Mientras que la mayoría de las bases alteradas se eliminaban del ADN por acción de enzimas reparadoras adecuadas, que las reemplazaban, Lindahl encontró que en este caso la guanina permanecía en su lugar y que era el grupo metilo lo que se eliminaba. El trabajo corría a cargo de una proteína especial, sintetizada en abundancia sólo durante la respuesta adaptativa, que actuaba como

recientemente. su atracción su mecanismo, Radica poco usual, y en elen hecho de que parece representar una segunda clase de respuesta inducida por las lesiones genéticas, bastante distinta de la respuesta SOS. Se llama respuesta adaptativa; aligera la gravedad del daño producido al ADN por la metilación (adición de un grupo CH3) de una base guanina.

aceptor de metilos. característica del proceso era la Una limitación de su capacidad de acción. Cuando un aminoácido (la cisteína) de una molécula de proteína reparadora aceptaba un grupo metilo (formándose S-metilcisteína), la capacidad reparadora de la molécula se agotaba. Quedan aún por determinar todas las ramificaciones de la respuesta adaptativa. Muchos aspectos de la enzimología de la respuesta SOS y los detalles de su control por LexA son hoy objeto de análisis. Sin duda han de descubrirse más sistemas reparadores inducidos. El estudio de estos sistemas en bacterias, que aglutina la labor de muchos laboratorios, está aún lejos de haberse cerrado. La propia investigación científica está empeñada, en no pocas de sus líneas de trabajo, en el desentrañamiento de las enzimas reparadoras de ADN y de la respuesta a los daños genéticos en organismos superiores, mamíferos incluidos. La razón de ese afán es obvia: los indicios cada vez más firmes de que los daños inferidos al ADN y su reparación son factores a tener en cuenta en el cáncer humano y quizás en otras enfermedades, así como en el proceso de envejecimiento.

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a respuesta adaptativa fue descubierta en 1977 por Leona Samson y John Cairns, a la sazón en los laboratorios de la Fundación Imperial de Investigación sobre el Cáncer, en Londres. Investigaban los posibles efectos de una exposición prolongada a bajas concentraciones de sustancias químicas potencialmente carcinogénicas. Estudiaron el efecto, en E. coli , de exposiciones prolongadas a bajas concentraciones de un potente mutágeno llamado N-metil-N’-nitro-nitrosoguanidina (nitrosoguanidina oMNNG), de uso común en el laboratorio. Sorprendentemente, bastaban dos horas de incubación con sólo un microgramo de nitrosoguanidina por cada mililitro de medio de cultivo para que las bacterias adquiriesen una fuerte resistencia a un tratamiento posterior con una concentración de la droga cientos de veces más elevada. Esta respuesta adaptativa, que se atribuyó a un gen denominado ada, duraba una o dos horas. A lo largo de ese intervalo, el nivel de mutagénesis y de letalidad celular que resultaba de la metilación era mucho más bajo que en células no adaptadas. En las células adaptadas, la sensibilidad a los daños inducidos por radiación ultravioleta no se veía afectada, por lo que la respuesta adaptativa no podía considerarse mera peculiaridad de la respuesta SOS. Thomas Lindahl y sus colaboradores, en la Universidad de Göteborg, analizaron los mecanismos bioquímicos responsables de la respuesta adaptativa. Aunque la nitrosoguanidina metila las bases en varias posiciones,

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BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA RECA

P ROTEIN PROMOTES HOMOLOGOUS-

PAIRING AND

S TRAND -EXCHANGE R EAC-

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págs. 4199-4203; julio, 1981.

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Cáncer. Enzima de inmortalidad John Rennie

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as células cancerosas remedan viejas glorias del cine, corroídas por dentro y milagrosamente bendecidas con un vigor eterno. Investigadores de California y Ontario están convencidos de haber identificado el secreto de esa inmortalidad. Parece deberse a cierta enzima, ausente en la mayoría de los tejidos normales, que permite la división ilimitada de las células. Si algún día pudiéramos

Salvo en los testículos del varón, que usan la telomerasa, eso se supone, para reconstruir los telómeros de los espermatocitos. De los experimentos realizados en cultivos de células humanas transformadas por virus tumsrcénicos se desprende que los tumores cuentan, a su vez, con la colaboración de la telomerasa. Calvin B. Harley y Carol W. Greider

bloquear proteína, significaría que hemos dado con una nuevaesa terapia que dejaría indemnes a los pacientes. La inmortalidad es norma entre células tumorales y organismos unicelulares. Si disponen del medio adecuado, se reproducen sin tasa. Por contra, las células normales del organismo tienen una esperanza de vida limitada; tras dividirse unas cuantas docenas de veces, acaban deteniéndose y muriendo. Muchos biólogos celulares atribuyen la causa de ese destino a la erosión de los telómeros. Los telómeros, segmentos de ADN muy repetitivos y dotados de una gran especialización, residen en los extremos de los cromosomas, extremos que estabilizan para evitar que se adhieran entre sí o degeneren. Debido a una peculiaridad de la maquinaria replicativa, cada vez que una hebra del ADN se duplica durante la mitosis, se pierden unas cuantas subunidades de uno de sus extremos; con cada tictac del reloj mitótico, desaparece una nueva rebanada del telómero. Así, vamos perdiendo fragmentos con los años. ¿Pierden las células su capacidad de dividirse cuando, por las mermas, los telómeros no alcanzan ya cierta longitud umbral? Las células tumorales y los organismos unicelulares estabilizan sus telómeros. Eso quizá las hace inmortales. A mediados de los ochenta, se demostró que los protozoos sintetizaban telomerasa, enzima que añade secuencias nuevas a los telómeros y mantiene su longitud. Las células humanas poseen también el gen de la telomerasa, pero la mayoría de ellas no lo expresan después del nacimiento.

observaron, hace dos años, que las crecían sin control y presentaban loscélulas signostransformadas característicos de células tumorales. Pero sólo unas cuantas de esas células anormales poseían actividad telomerasa, justamente las que se habían hecho inmortales. En la Universidad McMaster, Harley y Silvia Bacchetti han comprobado que las células del carcinoma de ovario expresa la telomerasa. No sucedía así en los extractos de las células normales. Los telómeros de las células cancerosas, aunque más cortos que los de las células normales, eran estables —un hecho coherente con la hipótesis según la cual la mutación activante de la telomerasa había tenido lugar en algún momento después de que se iniciaran los cambios tumsrcénicos. Si la telomerasa es la enzima inmortalizante en los tumores y falta en la mayoría de las células normales, quiere decir que encierra un tesoro por lo que respecta a la terapia anticancerosa. Los fármacos que inhiban la telomerasa arrancarán de las células tumorales su inmortalidad. Los inhibidores de la telomerasa no destruirían las células tumorales, pero detendrían su proliferación, lo que poten-

ciaría la eficacia agentes quimioterápicos anticancerosos. al uso A diferencia dede losotros tratamientos y la radioterapia, que dañan cuantas células del organismo se hallen en proceso de división, los inhibidores podrían producir escasos efectos secundarios. Hay cierta preocupación en torno a las células madre (stem cells ), presentes en las placas intestinales, la médula ósea y otros tejidos. Se trata de una estirpe que debe regenerarse con frecuencia. Las células madre, que dan lugar por división a todo un repertorio de células derivadas, podrían necesitar de la intervención de la telomerasa. La negatividad de las pruebas en las que se busca la actividad telomerasa en los tejidos normales podría significar que se han escapado sin detectar vestigios de ésta en las células madre. “Si el 99 % de las células no t iene telomerasa, uno podría no advertir el 1 % de las que lo tienen”, subraya Greider. Los estudios sobre la telomerasa podrían avivar las esperanzas de quienes andan a vueltas con la longevidad. Si se introdujera la telomerasa en las células del organismo, ¿podrían alargarse los telómeros? Si así sucediera, las células tal vez pudieLos telómerosamarillo ( ) de los extremos de los cromosomas se acortan a medida rejuvenecer, aunque muchos que las células envejecen y se dividen. La enzima que restaurala integridad deran tales gerontólogos rechazan tal idea. estructuras podría ser responsable de la inmortalidad de las células cancerosas. BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

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El telómero humano Robert K. Moyzis Aunque este remate de ADN, situado a ambos extremos del cromosoma, no contiene genes, reviste singular interés en el proceso de la división celular y resulta imprescindible para la supervivencia del material hereditario

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l premio Nobel Hermann J. Muller sostuvo, hace más de medio siglo, que los segmentos que se encuentran en los extremos de los cromosomas desempeñan un papel crítico en la célula. Cuando no se sabía aún que el ADN cromosómico constituía una doble hebra que portaba los genes, Muller comprendió que el material situado en los extremos remataba a los cromosomas para protegerlos de la desintegración. Bautizó esas terminaciones con el nombre de telómero, construido a partir de las voces griegas telos, extremo, y meros, parte. Transcurrieron varias décadas sin que se conociera mucho más de los telómeros. Hace unos 10 años comenzó a descifrarse su estructura en varias especies. Pero se resistía el descubrimiento de la composición del telómero humano. Hoy no encierra ya ningún misterio. Hace unos años, desarrollé con mi equipo del Laboratorio Nacional de Los Alamos nuevas técnicas que nos permitieron clonar el telómero humano, identificar su secuencia de nucleótidos (componentes básicos del ADN ) y rec abar más inf orm aci ón sobre su estructura tridimensional y su función en la célula. En el curso de nuestros experimentos, confirmamos que el telómero, estructura carente de genes, resulta imprescindible para la supervivencia del cromosoma. Hallazgo que presta respaldo a la idea, cada vez más aceptada, según la cual las regiones libres de genes de los cromosomas desempeñan a menudo funciones críticas en la célula, aun cuando no puedan especificar la secuencia de aminoácidos de las proteínas corporales. (Las proteínas son fundamentales para todos los procesos biológicos.) Es evidente que quienes se dispongan a desentrañar el funcionamiento de cromosomas o de genes particulares tendrán que identificar las secuencias de ADN, no sólo de los genes sino también de muchas

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regiones sin ellos. Deberán, asimismo, determinar de qué forma interaccionan entre sí las diversas partes de un mismo cromosoma. La clonación del telómero humano contribuye a ese ambicioso empeño, al facilitar el avance del Proyecto Genoma Humano en los Estados Unidos y de otros programas de investigación similares abordados fuera de ese país. Proyecto y programas que se han fijado como meta cartografiar el genoma humano (la dotación entera de cromosomas que corresponde a la célula) y señalar la ubicación de cada gen. Así como la determinación de los extremos de un rompecabezas simplifica su resolución, la descripción de los extremos de los cromosomas humanos debería facilitar el poder completar los mapas cromosómicos. Conforme avance el proceso cartográfico, los investigadores descubrirán, con toda seguridad, las raíces genéticas de muchas enfermedades y sacarán a la luz de qué manera los cromosomas dirigen el desarrollo y aseguran la actuación correcta de las células.

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uando nos dispusimos a clonar el telómero humano, sólo contábamos con el conocimiento de sus probables funciones y un manojo de referencias relativas a su composición. Sabíamos, por ejemplo, del trabajo pionero de Muller. Los experimentos de éste con la mosca de la fruta Drosophila melanogaster y otros similares realizados con el maíz por Barbara McClintock, del Laboratorio de Cold Spring Harbor, pusieron de manifiesto que los extremos rotos, o inducidos, de los cromosomas eran inestables, y estables, las terminaciones enteras. Los extremos rotos no tardaban en degradarse o en combinarse con otros cromosomas. De esa suerte de observaciones Muller dedujo que las regiones teloméricas, a diferencia de otras, permitían que las células retuvieran los

cromosomas constituidos en entidades intactas y diferenciadas. Se cree también que los telómeros impiden que los cromosomas se acorten durante el proceso de su replicación. Este truncamiento es potencialmente letal, ya que puede eliminar genes. Se infirió esa misión protectora tras advertir cierta peculiaridad de la maquinaria que duplica al ADN lineal, así el del genoma humano, antes de que las células se dividan. Las enzimas que controlan la replicación adolecen de un punto flaco inquietante: cuando copian el ADN, tienden a omitir nucleótidos en uno de los extremos de cada nueva cadena. Si la célula no dispusiera de mecanismos que contrarrestaran ese efecto, los cromosomas se irían acortando progresivamente a lo largo de las sucesivas generaciones celulares. Cierto recorte quizá no incidiera mucho en las células somáticas, en las no reproductoras, con tal de que se conservaran parte del telómero y todos los genes. Pero la abreviación progresiva resultaría, andando el tiempo, devastadora para la especie, si ocurriera en las células germinales (óvulos y espermatozoides), srcinadoras de los nuevos miembros de la 1. TELOMEROS, así se llaman los segmentos de ADN que ponen remate a los cromosomas. Podemos identificarlos en los cromosomas humanosnaranja ( ) mediante una sonda fluorescente amarillo ( ) capacitada para reconocer la secuencia nucleotídicaTTAGGG, donde las letras abrevian el nombre de nucleótidos (bloques constructores de la molécula de ADN) que poseen las bases timina, adenina y guanina. Esas representaciones facilitaron la demostración de la naturaleza del telómero humano: un segmento constituido por la repetición de miles de unidades TTAGGG. Los cromosomas de la figura se encuentran en metafase, en la que cada cromosoma se ha replicado de cara a la división celular, si bien los pares resultantes no se han separado todavía unos de otros.

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especie. El hecho de que el ADN humano y de otras especies no hubiera sufrido semejante proceso de acortamiento implicaba que los extremos de los cromosomas —los telómeros— de las cadenas primigenias habían funcionado como centinelas que anularon los riesgos enzimáticos en los extremos. A la hora de diseñar el plan de clonación del telómero humano, partíamos del supuesto de que éste se presentaba más de una vez en cada célula, pues debía alojarse en los extremos de cada cromosoma. Todas las células somáticas humanas contienen 46 cromosomas: complemento de 22 se hereda de un la madre y otro complemento homólogo del padre, así como también un par de cromosomas sexuales (un X de la madre y un X o un Y del padre). Sospechábamos también que el ADN telomérico, además de encontrarse repetido muchas veces en la célula, podría contener secuencias de nucleótidos reiteradas, o consistir en

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ellas. Respaldaban esa estructura dos motivos: determinada característica, perfectamente conocida del genoma humano, y los estudios acometidos con otros organismos. n 25 por ciento del ADN humano está formado por agrupaciones de nucleótidos que se presentan más de una vez en cada célula. Aunque algunas de tales secuencias repetitivas se hallan esparcidas por todo el ADN, otras se repiten muchas veces en fila, a semejanza de un tartamudeo en el ADN. Estas secuencias repetitivas en tándem suel en ubic arse en

inferíase que las secuencias repetitivas podrían cumplir misiones específicas en los cromosomas y que la capacidad del telómero de rematar a los cromosomas e impedir su acortamiento podría deberse a las unidades repetitivas que contenía. Esta hipótesis se reforzó con el estudio de los telómeros en otros organismos. Elizabeth H. Blackburn y Joseph G. Gall, de la Universidad de Yale, lograron aislar el primer telómero, en el microorganismo Tetrahymena thermophila. Se concentraron en T. termophila porque, en ciertas fases de su ciclo biológico, el ADN telomérico

regiones críticas, del centrómero sobre todo,alrededor que garantiza la correcta distribución de los cromosomas en las células hijas durante la división celular. Además, las agrupaciones repetitivas (“clusters”) de dichas unidades crean generalmente estructuras tridimensionales poco corrientes, que podrían encerrar algún significado funcional para la célula. De ese haz de descubrimientos

constituye del genoma.una fracción importante Cuando se encuentra en estas fases, el microorganismo rompe segmentos de sus cromosomas y los multiplica (“amplifica”), generando unas diez mil copias de cada uno de los “minicromosomas” resultantes. Estas unidades multiplicadas y relativamente cortas, que contienen telómeros intactos para asegurar su estabilidad, se aíslan

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fácilmente del resto del ADN y permiten determinar su secuencia de nucleótidos. Los análisis revelaron que los extremos de los minicromosomas estaban formados por múltiples repeticiones en tándem de la secuencia TTGGGG. Esta notación es, en cierto sentido, taquigráfica. Los nucleótidos se hallan constituidos por un azúcar, un grupo fosfato y una base de las cuatro siguientes: timina ( T), guanina ( G), adenina ( A) o citosina ( C); por eso los genéticos acostumbran representar los nucleótidos con sólo el símbolo de sus bases. La timina de una

Pero se trabajó. Muchos laboratorios, incluido el de Blackburn, asentada ya en la Universidad de California en Berkeley, realizaron en ese intervalo valiosos experimentos que demostraron que los telómeros de distintos organismos eucariotas unicelulares (ni bacterias, ni virus) eran similares a los de T. thermophila. Todos constaban de secuencias simples repetitivas y ricas en guanina que se ajustaban a la fórmula general ( T/A )14(G)1-8 . Dicho de otro modo: la unidad repetitiva en una cadena de ADN comprende de uno a cuatro nucleótidos de timina o adenina (o una mezcla de

de la secuencia en cuestión exponiendo una biblioteca o colección de clones de ADN humano a sondas constituidas por ADN repetitivo de otro mamífero, un roedor por ejemplo. (Si determinado segmento de ADN se halla en una biblioteca nos lo descubre la sonda integrada por una secuencia idéntica o similar de otro organismo.) Esperábamos, pues, que el ADN telomérico de un roedor reconociera al ADN telomérico humano, y que la información que poseíamos sobre las características terminales nos permitiera distinguirlo de otros ADN repetitivos elegidos por nuestras sondas.

cadena ADN secomplementaria, aparea con la ade-y nina dedel la cadena la guanina con la citosina. Por tanto, la notación TTGGGG significa que los nucleótidos de timina están apareados con los nucleótidos de adenina de la cadena complementaria y que, igualmente, los nucleótidos de guanina están apareados con los de citosina. Ni que decir tiene que era mejor conocer una secuencia telomérica que ninguna, pero la cantidad, 100 veces mayor, de ADN en las células humanas (con unos 6000 millones de pares de nucleótidos) y la relativa escasez de telómeros (sólo dos en cada cromosoma) nos indicaban que el aislamiento del telómero humano requería otras estrategias. A nadie extrañó, pues, que pasaran varios años sin que se registraran avances sólidos.

ambos) y de uno a ocho nucleótidos de guanina. Las unidades más frecuentes incluyen tres o cuatro nucleótidos de guanina. Apoy ados en la impo rtancia que tenían los telómeros para la estabilidad y la correcta replicación de los cromosomas, mi equipo pensó que la versión humana, además de poseer unidades repetitivas, podría ajustarse a la misma fórmula descrita en otros eucariotas. Después de todo, resultaba inverosímil que estructura tan vita l y adap tativa hubiera variado caprichosamente a lo largo de la evolución; antes bien, tendería a conservarse, sobre todo en las especies pertenecientes al mismo orden. Si nuestra sospecha de que el telómero humano incluía una secuencia conservada y repetitiva iba bien encaminada, podríamos acotar la búsqueda

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l método usual para aislar un segmento específico de una biblioteca no encierra particular dificultad. Se somete el ADN de la biblioteca a una solución que separa ambas cadenas del dúplex. Se introducen luego las cadenas sencillas de la sonda. Si la sonda encuentra las bases complementarias en la biblioteca, se apareará con ellas y formará un segmento de ADN dúplex; ese proceso recibe el nombre de hibridación. Tras lo cual se pueden aplicar distintas técnicas para purificar la sonda unida al ADN e identificar su secuencia de nucleótidos. Muchos estudios realizados en otros laboratorios apoyaban nuestra idea de que el ADN de roedor serviría para descubrir el telómero humano. La investigación había demostrado, en efecto, que, cuando se obligaba a las células de roedores a incorporar cromosomas humanos, las células no destruían los cromosomas extraños; el ADN humano se replic aba en cada división celular. Si el telómero humano difiriese mucho del telómero del huésped, las moléculas encargadas de proceder a la replicación en las células del roedor no estarían capacitadas para reconocerlo, ni probablemente podrían copiar el ADN. Nuestro plan básico de acción era razonable, pero teníamos un problema. Con independencia del tipo de sondas elegidas, parecía poco probable que pudiéramos aislar el telómero humano a partir de las bibliotecas existentes de ADN humano. La mayoría de las bibliotecas se construyen con la ayuda de enzimas de restricción, que reconocen secuencias de nucleótidos cortas y específicas, dispersas por los cromosomas, cortando el ADN por esas mismas 2. PARTES FUNDAMENTALES DE UN CROMOSOMA HUMANO, esquematizadas.secuencias. Se Otras enzimas se encarsupone que cada bucle contiene uno o más genes, segmentos de los cromosomas que gan de incorporar los fragmentos en codifican proteínas. Los cilindros representan segmentos de ADN que, si bien no plásmidos (ADN dúplex circular de las determinan proteínas, revisten interés para la estabilidad o actividad de los cromobacterias) u otros tipos de ADN circusomas; sobre todo, los telómeros, los segmentos de unión a la matriz (que podrían lar, cortados a su vez por la misma constituir también el srcen de replicación donde comienza la síntesis de ADN) y el centrómero. Los centrómeros aseguran la segregación correcta de los cromosomas. enzima de restricción. El empleo de

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Construcción de una biblioteca dotada de ADN telomérico

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as bibliotecas típicas de ADN facilitan la clonación de muchos genes; carecen, sin embargo, de ADN telomérico (izquierda ). Para aislar el telómero de las células humanas, el autor hubo de construir con su equipo una biblioteca que incorporara las secuencias de nucleótidos teloméricas (derecha). Sabiendo que el telómero estaba formado, probablemente, por muchas repeticiones de una secuencia fija, eliminó también el ADN sin reiterar de la librería.

una misma enzima de restricción asegura que los extremos libres de los fragmentos y los extremos de los círculos cortados puedan aparearse. Los círculos modificados genéticamente o vectores, se introducen luego en una bacteria, Es cheri ch ia coli por lo común, donde se replican libremente. Cada célula bacteriana srcina muchas copias idénticas, o clones, del vector y, por tanto, del ADN humano insertado. El conjunto completo de clones de ADN humano purificado por las

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células bacterianas integra la biblioteca. Por desgracia, cuando las enzimas de restricción parten los cromosomas, los fragmentos de los extremos, que contienen al telómero completo junto con otros nucleótidos, sólo poseen una punta cortada por la enzima. El otro extremo, distal, presenta intacto su ADN ori gin al. La sec ció n cor tad a puede engarzarse en un vector, pero el otro extremo no; ello significa que la porción que mantiene entero su

ADN completo no formará parte de la biblioteca. Aun cuando el extremo natural pudiera unirse al vector, el fragmento telomérico resultaría quizá demasiado grande para que el vector lo incorporase. Era, pues, evidente que, si queríamos acotar el ADN telomérico en una biblioteca humana, no había más remedio que crear una que lo contuviera. Resolvimos el problema prescindiendo de las enzimas de restricción. En nuestro ensayo, los cromosomas avanzaban

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mecánicamente a través de una jeringa provista de una aguja fina calibrada. Rompíase así el ADN en pequeños fragmentos, entre los cuales habría de contarse los los del del telómero. telómero. Podíamos haber construido luego 3. SONDA FLUORESCENTE que recono-una biblioteca insertando los fragce la secuencia telomérica humana TTAmentos en plásmidos (utilizando una GGG (puntos amarillos en las microfototécnica habitual) e introduciendo los graf ías). La sonda se ha unido a los plásmidos en bacterias. Sin embargo, extremos de los cromosomas extraídos de los animales que se citan. Nos ha ser-para simplificar el proceso de selección de clones, introdujimos otro paso vido para identificar de los entre la etapa de rotura del ADN y la cromosomas de cada los pezextremos óseo, anfibio, reptil, ave o mamífero estudiado hasta etapa de inserción. Como esperábaahora (más de 100 especies en total). Losmos que la unidad básica del telómero datos indican que los telómeros de los estuviera repetida muchas veces en la cinco grupos son idénticos, aun cuando célula, eliminamos los fragmentos las especies no compartan ningún antecesor común en los últimos 400 millonescarentes de ADN repetitivo. Desechade años. Vale la pena destacar semejantemos de ese modo bastante cantidad de conservación de una secuencia de ADNmaterial innecesario. a lo largo de tanto tiempo. La eliminación del ADN no repeti-

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tivo resultó tarea fácil. Separamos las cadenas de los fragmentos que habíamos os creado y luego, durante un breve intervalo, dejamos que ue se apareasen los segmentos complementarios. Sólo las secuencias repetitivas se encuentran en múltiples copias; por consiguiente, encuentran a sus complementarias mucho antes que las secuencias de copia única, obligadas éstas a buscar su complementaria perdida en algún lugar de la “sopa” de ADN. Como remate, eliminamos por métodos enzimáticos áticos todo todo el el ADN ADN sin sin hibridar hibridar,eses decir, el ADN no repetitivo.

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ompletada la biblioteca, volvimos a nuestro plan: localizar, en el ADN humano, las secuencias repetitivas conservadas. Cuando expusimos los clones de ADN de nuestra nueva biblioteca a la acción del ADN repetitivo de hámster, marcado radiactivamente, observamos que había dos clones, de un total de miles, que contenían una posible secuencia telomérica. Ambos clones estaban formados por repeticiones en tándem de la secuencia TTAGGG, que encajaba con la fórmula general de los telómeros de otras

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especies. La fórmula exacta se había encontrado con anterioridad en el telómero del parásito microscópico Trypanosoma brucei. ¿Habíamos conseguido identificar la unidad básica del telómero humano? La investigación progresaba con firmeza. Nos servimos primero de la citometría de flujo, una técnica explorada en Los Alamos que emplea los láseres para identificar y separar cromosomas. Con este método determinamos que cada cromosoma contenía secuencias repetidas TTAGGG, según cabía esperar de una secuencia telomérica. Pero no logramos localizar dichas

experimentos pondrían también de manifiesto que cada telómero humano estaba formado por 250 a 1500 secuencias TTAGGG repetidas. La mayor parte de la variabilidad se presenta entre diferentes tipos celulares, siendo los cromosomas de los espermatozoides los que poseen los telómeros más largos. Después de estos experimentos estábamos convencidos de haber identificado realmente al telómero humano. Pero continuamos buscando la ratificación. Una prueba firme de que la secuencia repetitiva TTAGGG persistía en muchas especies, y no la

compartíamos sólo con el hámster y un parásito, consolidaría esa ratificación. Por tanto, aplicamos la hibridación in situ al ADN de más de un centenar de especies de vertebrados. Incluimos en nuestra agenda de trabajo mamíferos, aves, reptiles, anfibios y peces óseos, organismos que carecían de un antecesor común en más de 400 millones de años. Diseñamos los experimentos procurando que la hibridación se produjera en el caso exclusivo de que la sonda encontrase la secuencia TTAGGG , pero no si daba con otra secuencia similar, la TAAGGG por ejemplo. La

secuencias repetidas en los cromosomas.

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ás tarde, con mis colegas Julianne Meyne y Robert L. Ratliff demostré visualmente, mediante la técnica de hibridación in situ , que había, en ambos extremos de los cromosomas de las células humanas, largos segmentos formados por las secuencias repetidas. Estos segmentos terminales se expresan a menudo mediante (TTAGGG)n, donde n indica un número sin especificar de repeticiones. Llevamos a cabo la hibridación separando de las células humanas los cromosomas, inmovilizándolos en portaobjetos y abriendo las cadenas de la doble hélice. A continuación, aplicando una técnica desarrollada por David C. Ward, de Yale, añadimos el compuesto biotina a una sonda sintética diseñada para hibridarse con la secuencia TTAGGG y colocamos la sonda biotinilada sobre los portaobjetos, introdujimos avidina marcada con fluorescencia, que se une fuertemente a la biotina. Por último, amplificamos la señal de la avidina mediante anticuerpos marcados con fluorescencia que reconocían específicamente a la avidina. Las imágenes que observamos con el microscopio de fluorescencia no daban lugar a dudas: la sonda se situaba en los extremos de cada cromosoma y no reconocía ninguna otra sección. Pero no podíamos determinar si la sonda se había hibridado con los pocos nucleótidos finales de los cromosomas o lo había hecho con alguna sección próxima a los extremos. Para corroborar lo que veíamos, expusimos brevemente el ADN cromosómico a la acción de Bal31, enzima que va eliminando, progresivamente y desde los extremos, las moléculas de ADN dúplex linea l. Las secue ncias TTAGGG fueron las primeras en desaparecer, lo que confirmaba su ubicación en los extremos. Este y otros

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Construcción de un CAL para clonar ADN humano

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l telómero humano, junto con el ADN adyacente en el mismo cromosoma, puede insertarse en cromosomas artificiales de levadura (CAL), como el que se obtiene en el apartado 3, y replicarse en las células de dicho hongo. Se separa luego el ADN humano multiplicado en numerosas copias (“amplificado”) para determinar su secuencia. Esta técnica ha permitido conocer la composición del ADN adyacente al telómero de algunos cromosomas.

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secuencia humana se encontró en los telómeros de todas las especies analizadas; era éste un descubrimiento notable, pues el orden de los nucleótidos tiende a cambiar rápidamente con el tiempo en la mayor parte del genoma. Para situar nuestro descubrimiento en su perspectiva histórica, considérese que la secuencia telomérica (TTAGGG)n apareció verosímilmente mucho antes de que los dinosaurios poblaran la Tierra. Por tanto, es probable que los telómeros de los cromosomas de los dinosaurios, si pudieran analizarse, fuesen idénticos a los de los cromosomas humanos.

construir un cromosoma artificial completamente humano, por la poderosa razón de que no se conocen todavía las secuencias cruciales para el funcionamiento del centrómero humano. Sin embargo, puede realizarse un experimento similar con los cromosomas artificiales de las levaduras (CAL). Nuestros colaboradores Harold C. Riethman, David T. Burke y Maynard V. Olson, de la Universidad de Washington en St. Louis, construyeron CAL que contenían el supuesto telómero humano, en vez del telómero de la levadura. Cuando este ADN “quimérico” se insertó en células

cuyos telómeros ofrecen mayor variabilidad, reconozcan la secuencia humana como un telómero constituye una prueba adicional de que el segmento de ADN que aislamos de nuestra biblioteca era, en verdad, el telómero humano. Una vez establecida la identidad del telómero humano, nuestro grupo, entre otros, comenzó a explotar las posibilidades de los CAL que contenían el telómero humano para nuevos fines; por ejemplo, el de identificar las secuencias de nucleótidos adyacentes a los telómeros en cada cromosoma. Los CAL resultan para ello imprescin-

dibles, ya pueden contener fragmentos de que hasta 500.000 nucleótidos o más. Los plásmidos, por el contrario, admiten sólo unos 40.000 nucleótidos adicionales. Estos esfuerzos están contribuyendo a encajar las piezas en los mapas de los cromosomas humanos. Los mapas actuales recuerdan las representaciones geográficas del siglo XVI, en las que algunas regiones se describían con fino detalle, en tanto que otras —el Nuevo Mundo, por ejemplo— se difuminaban en aproximaciones hipotéticas de los límites de continentes enteros. Hasta hace poco, se determinaba la ubicación de un gen por la vía indirecta de medir su distancia de los marcadores de ADN (secuencias de nucleótidos que se heredan a menudo junto con un gen particular). La frecuencia con la que un gen y un marcador se heredan en tándem se traduce en una estimación aproximada de la distancia que media entre ambos; las frecuencias más altas indican posiciones más próximas en el cromosoma. La comparación de los modelos de herencia de cierto número de marcadores proporciona su ubicación aproximada y, por tanto, la posición aproximada del gen asociado. Solía ocurrir antaño que, cuando se sospechaba que un marcador se encontraba próximo al extremo de un cromosoma, descubríase otro marcador nuevo que obligaba a desplazar el extremo unos millones de nucleótidos más. Hoy podemos ya establecer si un marcador está realmente cerca del extremo: clonando el telómero y el ADN adyacente en CAL y midiendo directamente la distancia entre algún punto del material clonado y el marcador. Con el tiempo, deberíamos adquirir la capacidad de determinar 4. ADN HUMANO amarillo ( ), clonado en un cromosoma artificial de levadura; se la localización de todos los marcadolocaliza en una mancha próxima al telómero del brazo largo de cada copia del crores de ADN midiendo su distancia premosoma 7 de una célula humana en metafase. Podemos ya determinar la ubi cación cisa al telómero. de marcadores genéticos en el cromosoma 7 midiendo su distancia al ADN localizado in situ. (Las esferas que aparecen en la microfotografía corresponden a núcleos Los estudios de los CAL que contiede otras células.) nen ADN adyacente al telómero están

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esde luego, la prueba definitiva de que la secuencia ( TTAGGG)n constituía el telómero humano consistiría en demostrar que opera como tal en las células humanas. El diseño ideal estribaría en insertar la secuencia en un cromosoma artificial que poseyera sólo el supuesto telómero y segmentos de ADN humano imprescindibles para la replicación del cromosoma, es decir, un srcen de replicación (donde comienza la síntesis de ADN) y un centrómero. Si este cromosoma “desmontado” se mantuviera intacto en las células humanas y se replicara sin que sus extremos se acortasen, podríamos estar seguros de que la secuencia ( TTAGGG)n es la responsable y, por tanto, el telómero. Por desgracia, nadie ha podido

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dese levadura, el cromosoma sobrevivió y replicó correctamente, lo que demostraba que la secuencia humana (TTAGGG)n se comportaba como un genuino telómero. Los laboratorios de William R. Brown, de la Universidad de Oxford, Howard J. Cooke, del Consejo de Investigación Médica de Edimburgo, y Charles R. Cantor, entonces en la Universidad de Columbia, llegaron, cada uno por su lado, a resultados similares. Como la divergencia evolutiva entre las levaduras y el hombre se produjo hace más de mil millones de años —lo que significa que esencialmente no están relacionados—, el fracaso del experimento no hubiera invalidado necesariamente nuestras conclusiones anteriores. Ahora bien, el hecho de que hasta las células de levadura,

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5. EL ADN SE VA ACORTANDO conforme se va replicando iz- ( telomérico 3’ de cada cadena parental, que se proyect a más allá ( sepa- del extremo opuesto 5’ y está probablemente curvado quierda). Cuando las cadenas parentales apareadas a) se e), se( ran (b), se les unen los cebadores de ARN; permiten éstos que despliega durante la replicación ( se muestra un extremo f). (Sólo las polimerasas sinteticen las cadenas hijas. Extraídos los ceba3’ terminal.) Se produciría luego la síntesis normal dependien te dores (c), una polimerasa une los fragmentos de ADN recién de los cebadores de ARN. Los espacios 5’ se mantienen g), pero ( sintetizados d(), pero no puede rellenar los espacios (“gaps”) la telomerasa, que en los seres humanos ncluye i a un ARN comcorrespondientes a los extremos (los telómeros). La enzima plementario tea TTAGGG, añade unidades teloméricas a los lomerasa podría ser la encargada de contrarrestar tal acortanuevos extremos 3’. Finalmente, los extremos vuelven a curvarmiento. De acuerdo con cierta hipótesis derecha ( ), el segmento se (h), rematando al ADN (“capping”).

desentrañando la función que cumple ese material subtelomérico. Cabe suponer que se trata de regiones peligrosas para los genes y que habrán de contener muy pocos, ya que, si por alguna razón el telómero se escindiera, los genes situados en esta zona serían los primeros en ser eliminados. La verdad es que la mayoría de los organismos unicelulares poseen ADN no codificador en las regiones próximas al telómero, seguramente para que sirva de tampón entre el telómero y las regiones codificadoras de proteínas. Por lo que se ve, los cromosomas humanos adoptan una estrategia similar. Muchos de los fragmentos que se han examinado en los CAL son reminiscentes de ese ADN “espacia-

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dor”. Lo mismo que las regiones subteloméricas de los organismos unicelulares, contienen también muchas secuencias repetidas. Además, en contraste con el ADN telomérico, el número y la secuencia de las unidades repetitivas varían de forma notable de un cromosoma a otro e incluso entre individuos. a investigación consagrada al ADN subtelomérico podr ía sacar a la luz nuevos marcadores de ADN asociados con genes causantes de enfermedades, amén de contribuir a revelar la identidad y ubicación de los contados genes que se instalan en los aledaños del telómero. Sirva de ejemplo el gen responsable de la enfermedad de Huntington, una

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degeneración programada de neuronas específicas, que se ha cartografiado en una región próxima al extremo del brazo corto del cromosoma 4. La ciencia se había mostrado incapaz de acotar su lugar exacto, al no disponer de un ADN marcador que delimitara al gen en el extremo telomérico. Parte de esta dificultad residía en que se ignoraba dónde terminaba el cromosoma. Con la identificación del telómero humano, la investigación de la base física de esta enfermedad tiene ya una cota definida: el gen debe localizarse en los dos últimos millones de nucleótidos del cromosoma, nucleótidos que pueden ser ahora examinados para caracterizar marcadores y, en definitiva, el propio gen.

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Por último, la clonación del telómero humano permite profundizar en una línea de investigación diferente: los estudios de las causas del envejecimiento celular. Se ha propuesto la hipótesis según la cual únicamente las células germinales contienen los mecanismos para evitar el acortamiento de los cromosomas durante la replicación, con el corolario complementario de que las células somáticas no reproductoras perderían las subunidades teloméricas en el proceso de división. Cuando la mayor parte o la totalidad del telómero ha desaparecido, los cromosomas se degradan y las

de la prolongación monofilar en forma de grupos TTGGGG. La telomerasa humana podría añadir unidades TTAGGG al ADN humano mediante un mecanismo similar. Se han propuesto varias vías de explicación sobre cómo estas unidades adicionales evitarían que los cromosomas se acortasen durante la replicación. Ninguna ha recibido todavía respaldo experimental. Nosotros ofrecemos en la figura 5 uno de esos mecanismos hipotéticos. La respuesta a la cuestión del remate (“capping”) es igualmente incompleta. Podría, sin embargo,

células mueren. Lapermitirá identificación del telómero humano comprobar en el laboratorio la validez de esa explicación teórica.

tener que ver con el hecho de conocidas que todas las secuencias teloméricas pueden formar estructuras poco usuales. Por ejemplo, las bases de guanina de una de las cadenas de ADN se aparean con guaninas de la misma cadena, aunque en los genes la guanina siempre se enlaza con la citosina, nunca consigo misma. Esta conformación insólita podría impedir la unión de las enzimas que degradan el ADN sin telómeros. Independientemente de estas cuestiones sin resolver, la demostración de que la secuencia (TTAGGG) n es el telómero humano ha dado credibilidad a nuestra hipótesis srcinal: las secuencias repetitivas no implicadas de forma directa en la síntesis de proteínas almacenan información crítica para la supervivencia y función de los cromosomas. Las próximas metas a conseguir serán identificar otras secuencias de importancia pareja y averiguar el medio a través del cual esas secuencias y la TTAGGG envían sus mensajes a la célula.

A

unque el aislamiento del telómero humano facilite ya el avance de muchas líneas de investigación, quedan cuestiones pendientes relativas al comportamiento de dicha estructura; en particular, el mecanismo mediante el cual ese segmento de ADN estabiliza el cromosoma e impide su acortamiento durante la replicación. Cierta respuesta parcial al problema de la replicación nos viene sugerida a raíz de varios descubrimientos. Se sabe, por ejemplo, que los extremos de muchos telómeros no poseen la estructura en doble hélice, sino que la cadena rica en G se prolonga allende la cadena complementaria rica en C. Greg B. Morin, de Yale, ha obtenido pruebas, en células cancerosas humanas, de la agregación de unidades TTAGGG al extremo monofilar por parte de una enzima peculiar, la telomerasa. Esta actividad recuerda la ejercida por la primera telomerasa conocida, que fue descubierta en T. thermophila por Blackburn y Carol W. Grieder, adscrita hoy al Laboratorio de Cold Spring Harbor. A diferencia de la enzima humana, la telomerasa de T. thermophila sí se ha estudiado de manera exhaustiva. Sabemos, así, que contiene, además de aminoácidos, ARN, un pariente próximo del ADN. (En el ARN, generalmente monofilar, la timina se substituye por uracilo.) El ARN de la enzima incluye la secuencia complementaria de la cadena rica en G de la subunidad telomérica de T. thermophila: TTGGGG. El híbrido proteínaARN se alinea con el extremo monofilar del telómero, de manera que el segmento de ARN se extiende por delante mismo del grupo terminal TTGGGG. En esa situación sirve de molde para atraer nucleótidos complementarios, que se van incorporando en el extremo

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BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA A HIGHLY CONSERVED REPETITIVE DNA SEQUENCE , (TTAGGG) N, PRESENT AT THE TELOMERES OF HUMAN CHROMOSO-

. Robert K. Moyzis, Judy M. Buckingham, L. Scott Cram, Maria Dani, Larry L. Deaver, Myrna D. Jones, Julianne Meyne, Robert L. Ratliff y Jung-Rung Wu en Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 85, número 18, págs. 6622-6626; 1988. MES

CLONING HUMAN TELOMERIC DNA FRAGMENTS INTO SACCHAROMYCES CEREVISIAE SING A YEAST-ARTIFICIAL-CHROMOSOU ME VECTOR. Harold C. Riethman, Robert

K. Moyzis, Julianne Meyne, David T. Burke y Maynard V. Olson en Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 86, n. o 16, págs. 6240-6244;

agosto de 1989.

STRUCTURE AND FUNCTION OF TELOMERES.

Virginia A. Zakian en Annual Review of Genetics, vol. 23, págs. 579-604; 1989.

TEMAS 11

Control de la apoptosis en los mamíferos: genes reguladores de la muerte Natalia López Moratalla

T

odas las células del organismo están abocadas a morir y solamente permanecen vivas si reciben señales de supervivencia procedentes de las células que les rodean, que impiden que se ponga en marcha el programa de muerte celular. La desaparición de factores de crecimiento y de algunas hormonas provoca el suicidio celular; es el caso de la interleuquina IL-2 para los linfocitos T, del antígeno para los linfocitos B, de la interleuquina IL-5 para los eosinófilos, del factor de crecimiento nervioso para las neuronas, o del factor de crecimiento derivado de plaquetas para las células de la glía. De forma similar la desaparición de hormonas esteroideas conlleva la muerte de células de la mama y de otras glándulas sexuales secundarias. Otras moléculas, por el contrario, inducen la apoptosis: el glutamato de las neuronas, el factor de crecimiento transformante  de los hepatocitos, o los glucocorticoides de los linfocitos, etc. Una alteración del ADN, que escape a la reparación enzimática, puede inducir una apoptosis mediada por la expresión de la proteína p53. La producción de radicales libres o las interacciones específicas a través de moléculas de superficie como Fas/ligando de fas, o TNF/receptor del TNF median también la aparición de las señales que desencadenan el proceso de activación de proteasas, imprescindible para la realización del programa de muerte celular. Algunas proteínas de ciertos virus, como el adenovirus (proteína E1B) y el papilomavirus (proteína E6) humanos, inactivan o destruyen la proteína p53, lo que impide que esa célula muera por efecto de la infección; otros virus, como el Epstein-Barr, portan genes que codifican proteínas virales que actúan como el bcl-2, inmortalizando a la célula infectada. Normalmente no basta con la reducción de los niveles de los factores de supervivencia, sino que se requiere además que el paso del tiempo o alguna lesión hayan hecho disminuir la expresión de los genes de la familia bcl-2, que codifican proteínas inhibidoras de la apoptosis. De hecho una variedad de agentes que causan la muerte celular programada pueden quedar bloqueados por el producto del gen bcl-2. La apoptosis de una célula provocada por los linfocitos T citotóxicos aporta las proteasas que desencadenan la fragmentación del ADN y la destrucción celular; ésta es la razón de que este tipo de apoptosis no dependa del estado del producto del gen bcl-2, mientras que las otras vías pueden quedar bloqueadas por sus efectos. Los radicales libres son mediadores de la apoptosis; se producen, por ejemplo, cuando las células T4 se infectan por un virus; en el caso del virus HTLV-1, el agente de la leucemia de la células T de los adultos, estas moléculas BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

desregulan la proliferación, mientras que por el contrario el virus del sida, HIV, induce la destrucción de estos linfocitos. Las células T mantienen en su citoplasma un delicado equilibrio entre oxidantes y antioxidantes. La activación por su receptor (TCR), por Fas o por TNF produce un aumento de radicales libres de oxígeno y de óxido nítrico. A su vez los macrófagos pueden tanto aumentar los radicales libres de los linfocitos T como incrementar los antioxidantes a través de las citoquinas IL-1 y TNF, o aportar precursores de tioles para la síntesis de glutatión. Cuando los niveles de antioxidantes son insuficientes, se activa el factor de transcripción citoplásmico NF-B, que se traslada al núcleo y dirige la expresión de los “genes de la muerte”. Es poco lo que se sabe acerca de cómo las proteínas codificadas por los genes de la familia bcl-2 bloquean la apoptosis. Estas proteínas se localizan en las membranas de las mitocondrias del núcleo y del retículo endoplásmico y parecen tener actividad antioxidante; recogerían a manera de “basurero” los radicales libres que o bien median la activación de las proteasas o intervienen en la cascada reacciones destructoras que estas proteasas ponen endemarcha.

REDUCCION DE LOS Fas, TNF NIVELES DE FACTORES MUTACION RADICALES LFas, RTNF FACTORES VIRUS LIBRES INDUCTORES DE SUPERVIVENCIA DEL ADN TCR p53

R A DI C A L ESL I B RE S

Bax, Bad, Bag, Bak NF-κB bcl-2, bclXL Æ Æ Æ + + REGULACION DE LA EXPRESION GENICA LINFOCITOST CITOTOXICOS Æ

INICIACION DE LA SEÑAL DE APOPTOSIS Æ

ESTIMULACION DE PROTEINFOSFATASAS ESTIMULACION DE PROTEINQUINASA ELEVACION DE LOS NIVELES DE CALCIO INTRACELULAR RADICALES LIBRES bcl-2

Æ

bcl-2

Æ

INHIBIDOR DE PROTEASAS (crmA)

ACTIVACION DE LA CASCADA DE ICE PROTEASAS RADICALES LIBRES ACTIVACION DE LA ENDONUCLEASA

DEGRADACION DE PROTEINAS CELULARES

Æ

DEGRADACION DEGRADACION DE DEL ADN PROTEINAS NUCLEARES

AMPOLLAS EN MEMBRANA

DISMINUCION DEL VOLUMEN CELULAR

Æ

MUERTE DE LA CELULA

47

Telómeros, telomerasa y cáncer Carol W. Greider y Elizabeth H. Blackburn La telomerasa, enzima un tanto insólita, actúa sobre los extremos de los cromosomas, los telómeros. Detectada en muchos tumores humanos, está en el punto de mira de las terapias contra el cáncer

nsiempre la naturaleza las cosas no sentaban comportamientos extraños. son lo que parecen. Actividades todas ellas que amenazan Lo que semeja una roca del la supervivencia y fidelidad de la replifondo del mar puede ser en realidad cación de los cromosomas y, en conseun pez venenoso; la flor de jardín que cuencia, de las células que los portan. admiramos, quizás una planta insecNo fue hasta los años setenta, sin tívora en espera de su presa. La apa- embargo, cuando se determinó la comriencia engañosa también se da en los posición de los telómeros. En 1978, cromosomas, componentes celulares. una de las autoras (Blackburn), Los cromosomas son ristras de ADN cuando trabajaba con Joseph G. Gall, lineal donde se encuentran los genes. en la Universidad de Yale, encontró Creíase antaño que el ADN de los extre- que los telómeros de Tetrahymena mos de los cromosomas era estático. contenían una secuencia de nucleótiSin embargo, en la mayoría de los orga- dos muy corta — TTGGGG— que se nismos estudiados, los extremos de los repetía muchísimas veces. (Los cromosomas, denominados telómeros, nucleótidos son los “ladrillos” que conestán siempre cambiando. Se acortan forman el ADN. Se suelen designar y alargan sin cesar. con letras que representan las bases Durante los últimos quince años, la químicas que distinguen a unos de investigación de este inesperado fenó- otros: la base del nucleótido T es meno ha deparado numerosos descu- timina, la del nucleótido G es guabrimientos. En particular, ha permi- nina.) Tetrahymena es un ciliado unitido identificar una enzima extraordi- celular que vive en las charcas. naria, la telomerasa, que actúa sobre De entonces acá se han caracterilos telómeros y que se la supone nece- zado los telómeros de muchos animasaria para el mantenimiento de muchos les, plantas y microorganismos. Como cánceres humanos. Este último ocurre en Tetrahymena, la mayoría de hallazgo ha disparado las especulacio- telómeros —incluidos los de ratones, nes sobre la posibilidad de emplear dro- humanos y otros vertebrados— congas que, al inhibir la enzima, atajen tienen secuencias cortas y repetidas diversos tipos de neoplasias. Cabe, que suelen ser ricas en nucleótidos T también, que ciertos cambios en la lon- y G. Por ejemplo, en humanos y ratogitud del telómero se hallen involucra- nes la secuencia es TTAGGG; en las dos en el proceso de envejecimiento de lombrices, TTAGGC (A indica adenina las células humanas. y C, citosina). El interés actual por telómeros y Se llegó al descubrimiento de la telomerasas tiene su srcen en experitelomerasa a raíz de la comparación mentos realizados en los años treinta de la longitud de los telómeros; dicho por Barbara McClintock y Hermann cotejo sugirió que una enzima de esas J. Muller, a la sazón en las universi- características podría resolver un dades de Missouri y Edimburgo, res- antiguo rompecabezas de la biología. pectivamente. Por separado, y con A principios de los años ochenta, las organismos distintos, ambos genéticos investigaciones habían revelado que, percibieron que los cromosomas porta- por alguna razón, el número de sububan en sus extremos un componente nidades repetidas de los telómeros especial que les confería estabilidad. difería de un organismo a otro, e Muller acuñó el término “telómero”, incluso entre distintas células del del griego “final” ( telos ) y “parte” mismo organismo. Además, en una (meros). MacClintock observó que, sin célula determinada, el número podía esas estructuras terminales, los cro- fluctuar a lo largo del tiempo. (Cada mosomas se pegaban unos con otros, especie, sin embargo, tiene una media sufrían cambios estructurales y pre- característica. En Tetrahymena , el

E

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telómero medio presenta 70 heterogerepeticiones; en humanos, 2000.) La neidad observada llevó a Blackburn, que ya se había trasladado a Berkeley, Jack W. Szostak, de la Universidad de Harvard, y Janis Shampay, de Berkeley, a proponer una nueva solución del “problema de la replicación de los extremos”.

E

l problema tiene que ver con la fiel replicación de los genes que las células deben acometer cada vez que se dividen. De esa forma, cada célula hija recibe un lote completo. Si una de las células hijas no recibe el lote completo, funcionará mal y morirá. (Los genes son las secuencias de nucleótidos que portan información para la síntesis de proteínas y ARN, moléculas que llevan a cabo la mayoría de las funciones celulares. Los genes se distribuyen a lo largo del ADN que está flanqueado por los dos telómeros presentes en cada cromosoma.) En 1972, James D. Watson, que trabajaba en Harvard y en el Laboratorio de Cold Spring Harbor, observó que las polimerasas de ADN, enzimas que replican el ADN, eran incapaces de copiar en su totalidad los extremos de los cromosomas lineales. La maquinaria de replicación dejaba sin copiar una estrecha región terminal, un trozo de telómero [véase el recuadro]. En teoría, si las células no compensasen esta falta, los cromosomas se acortarían en cada ronda de división celular. Con el tiempo, esa erosión constante terminaría por eliminar los telómeros y algunos genes decisivos. Las células implicadas morirían, lo que significaría el final de ese linaje celular. Resultaba obvio que todas las especies unicelulares sujetas a esa suerte de acortamiento debían arreglárselas para contrarrestarlo; si así no fuera, habrían desaparecido hace mucho tiempo. Lo mismo ocurría con las células de la línea germinal (por ejemplo, las precursoras de óvulos y

TEMAS 11

espermatozoides), encargadas de perpetuar las especies en el caso de los organismos pluricelulares. ¿Cómo protegían las células sus telómeros?

P

ara Blackburn, Szostak y Shampay, las fluctuaciones observadas en la longitud de los telómeros constituían una señal de que las células se esforzaban por mantener los telómeros con un tamaño más o menos constante. Efectivamente, los telómeros se acortan durante la división celular, pero también se alargan tras la adición de subunidades teloméricas recién sintetizadas. Sospechábamos

mayoritario es proteína, polipéptido del que precisa para funcionar. Lo extraordinario es que también incluye una molécula de ARN (primo hermano del ADN) que contiene el molde nucleotídico necesario para construir las subunidades teloméricas. La telomerasa acerca el extremo de una cadena de ADN a ese ARN y se coloca ella misma de suerte tal, que el molde se sitúa junto a ese extremo. A continuación, la enzima va añadiendo nucleótidos de ADN, hasta que forma

una subunidad telomérica. Cuando la subunidad está completa, la telomerasa puede deslizarse hacia el nuevo extremo del cromosoma y agregar una nueva subunidad, repitiendo el proceso de síntesis. En 1988, Greider dejó Berkeley y se instaló en el Laboratorio de Cold Spring Harbor. Posteriormente, nuestros grupos y otros encontraron telomerasas en otros ciliados, así como en levaduras, ranas y ratones. En 1989, Gregg B. Morin, de Yale, la descubrió

que la fuente estas repeticiones adicionales se de escondía en alguna enzima desconocida capaz de hacer algún truco que la polimerasa de ADN normal era incapaz de realizar. Cuando las células replican sus cromosomas, que están formados por dos cadenas de ADN enrolladas una sobre la otra, el primer paso consiste en separar esa doble hélice. Las polimerasas utilizan las dos cadenas “progenitoras” (o “parentales”) como molde para construir una nueva compañera. La enzima especial que Blackburn, Szostak y Shampay imaginaban debería ser capaz de extender las cintas monocatenarias de ADN a partir de cero, sin el apoyo de un molde previo de ADN. En 1984, Greider y Blackburn se propusieron averiguar, en el laboratorio de la segunda en Berkeley, si esa preconizada enzima alargadora de telómeros —la telomerasa— existía realmente. Con júbilo comprobamos que así era. Cuando mezclábamos telómeros sintéticos con extractos de células de Tetrahymena, los telómeros iban incorporando nuevas subunidades, como cabía esperar si la enzima en cuestión se hallaba presente. Fuimos ahondando con los años en el modo de operar de la telomerasa. Como todas las polimerasas, y casi todas las enzimas, el componente

NUCLEO CELULA

TELOMERO

CROMOSOMA

1. LOS TELOMEROS, extremos de los cromosomas, impiden que los cromosomas se adhieran entre sí e interaccionen hasta amenazar su estabilidad. En la micrografía de arriba se observan, resaltados con colores brillantes, los telómeros de una célula de epidermis humana. La imagen, tomada mediante microscopía de barrido con láser, es una composición de diversas secciones ópticas del núcleo. Cada color indica una profundidad distinta.

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

49

también en una línea celular procedente de un cáncer humano, esto es, células malignas mantenidas durante generaciones en cajas de cultivo. Nadie pone hoy en cuestión que casi todos los organismos con células dotadas de núcleo diferenciado sintetizan su propia telomerasa. La estructura de la enzima puede diferir de una especie a otra, pero todas las versiones poseen un molde de ARN específico de cada especie para construir las repeticiones teloméricas.

L

a importancia de la telomerasa en muchos organismos unicelulares

es ahora indiscutible. organismos son inmortales enEstos el sentido de que, salvo accidentes o intromisiones de los genéticos en su vida, pueden dividirse indefinidamente. Como demostró Guo-Liang Yu, del grupo de Blackburn, en 1990, Tetrahymena necesita telomerasa para mantener esa inmortalidad. Cuando se degrada la enzima, los telómeros se acortan y las células mueren. El equipo de Blackburn y otros han demostrado también que, en levaduras, las células que carecen de telomerasa acortan la longitud de sus telómeros y mueren. ¿Qué papel desempeña la telomerasa en el cuerpo humano, formado por multitud de tipos celulares y mucho más complejo que Tetrahymena o las levaduras? Sorprendentemente, muchas células humanas carecen de telomerasa. Greider y otros descubrieron ese fenómeno a finales de los años ochenta, tras poner en orden unas investigaciones realizadas en Filadelfia hacía más de un cuarto de siglo. Antes de los años sesenta, se pensaba que las células humanas que se replicaban en el cuerpo estaban capacitadas para dividirse indefinidamente. Pero Leonard Hayflick y sus colaboradores, del Instituto Wistar, demostraron con nitidez que se trataba de una idea incorrecta. Hoy se sabe que las células somáticas (las que no forman la línea germinal) procedentes de recién nacidos suelen dividirse unas 80 o 90 veces en cultivo, mientras que las de una persona de 70 años sólo se dividen de 20 a 30 veces. Cuando las células humanas detienen su reproducción —o, en palabras de Hayflick, se tornan “senescentes”— adquieren un aspecto diferente y funcionan con menos eficacia que cuando son jóvenes. Después de cierto tiempo, mueren. En los años setenta, A. M. Olovnikov, de la Unión Soviética, relacionó ese cese programado de la división celular con el problema de la replicación de los extremos. Propuso que las células

50

El problema de la replicación de los extremos

S

e plantea el problema de la replicación de los extremos cuando los mecanismos normales de replicación cromosómica son incapaces de llevar a término su tarea. Siempre que las polimerasas de ADN copian las dos cadenas srcinales, o “progenitoras”, de ADN presentes en el cromosoma, las nuevas cadenas “hijas” resultantes son un poco más cortas por uno de sus extremos (5). Si las célulasno compensasen este defecto del mecanismo de replicación, los cromosomas se acortarían inexorablemente. A principios de los años ochenta se propuso que la telomerasa, enzima que alarga los telómeros, era la solución del problema de la replicación de los extremos. 

1

La replicación del ADN cromosómico, esquematizada, comienza en regiones denominadas orígenes de replicación, por donde las cadenas progenitoras (“parentales”) se separan. La síntesis de las dos cadenas hijas se produce de manera continua (flechas negras) hacia un lado de esas regiones y de manera discontinua (flechas rojas) hacia el lado opuesto. N DE

GE

RI

O

REPLICA CI

O

N

3¢ 5¢ 5¢ 3¢

2

3

4

Las cadenas parentales, una vez separadas, sirven de molde para que las polimerasas sinteticen las cadenas hijas. Las partes que se van construyendo en forma de fragmentos se extienden a partir de los cebadores, pequeños segmentos de ARN.

Otras enzimas eliminan los cebadores y rellenan los intervalos entre fragmentos adyacentes.

Pero las enzimas no pueden rellenar el intervalo que queda en el extremo 5 de cada una de las cadenas hijas.

CADENA PARENTAL

POLIMERASA

3¢ 5¢

CADENAS HIJAS

CEBADOR 3¢ 5¢

CADENA PARENTAL

NUCLEOTIDO

3¢ 5¢ INTERVALO SIN RELLENAR 3¢ 5¢

ENZIMA

3¢ 5¢ EXTREMO CORTO



3¢ 5¢

TEMAS 11

Resolución del problema por la telomerasa

TELOMERASA

MOLDE DE ARN

D

e acuerdo con cierto modelo de la resolución del problema de la replicación de los ext remos por la telomerasa, la enzima añade ADN a los cromosomas antes de que comience la replicación. El ADN agregado consta de una o varias subunidades teloméricas, que son secuencias cortas de nucleótidos que se repiten muchas veces en los telómeros. Est e añadido asegura que las cadenas hijas serán al menos tan largas como sus progenitoras.

A ADN

T 2. LA TELOMERASA porta su propio molde (púrpura) para sintetizar ADN telomérico. En el esquema, la enzima está añadiendo la secuencia TTGGGG (color dorado oscuro ) a un cromosoma de Tetrahymena. La telomerasa agrega nucleótidos que son “complementarios” con los del molde: coloca el nucleótido T frente al nucleótidoA, y G frente aC.

1

Antes de que comience la replicación, la telomerasa añade algunas repeticiones teloméricas ( color dorado) a uno de los extremos de cada cadena parental.

TELOMERASA

5¢ 3¢

3¢ 5¢

3¢ 2

Las cadenas parentales se separan.

CADENAS PARENTALES

ADN TELOMERICO AÑADIDO 5¢

3

3¢ 5¢

Las cadenas hijas se sintetizan en la forma usual.

4

Se eliminan los cebadores y se rellenan los huecos internos.

5

Las cadenas hijas tienen la misma longitud que sus parentales originales (gris).

3¢ 5¢

3¢ 5¢ INTERVALO SIN 3¢ RELLE5¢ NAR

3¢ 5¢ CADENAS HIJAS COMPLEJAS 3¢ 5¢

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

A

T

somáticas humanas eran incapaces de corregir el acortamiento cromosómico que se producía cuando las células replicaban su ADN. Probablemente, la división cesaba cuando las células se percataban de que sus cromosomas se habían acortado demasiado. No nos enteramos de los trabajos de Olovnikov hasta 1988, cuando Calvin B. Harley, a la sazón en la Universidad McMaster, atrajo la atención de Greider hacia ellos. Intrigados, Greider y Harley decidieron comprobar si en las células humanas los cromosomas se acortaban con el paso del tiempo. Se acortaban. La mayoría de las células somáticas normales que examinaron perdían segmentos de sus telómeros a medida que se dividían en el cultivo, señal ésta de que la telomerasa no era activa. De la misma manera, ellos y el grupo de Nicholas D. Hastie, del Consejo de Investigaciones Sanitarias (MRC) de Edimburgo, encontraron que los telómeros de algunos tejidos humanos normales se acortaban conforme la gente envejecía. (Un hecho tranquilizador, según observó Howard J. Cooke, era que los telómeros se mantenían intactos en la línea germinal.) Estos resultados sugerían que las células humanas podían “contar” divisiones siguiendo el número de repeticiones teloméricas que perdían, y detenían su división cuando los telómeros alcanzaban una longitud crítica. Pero la prueba definitiva que lo corroborase no se había obtenido todavía.

C C C

C

G

G

G

G

NUCLEOTIDO

¿Podía el encogimiento de los telómeros y la merma de capacidad proliferativa a lo largo del tiempo ser una causa del envejecimiento humano? Probablemente no es la causa principal. Las células humanas tienen un potencial de división mayor del que necesitan a lo largo de una vida. No obstante, el funcionamiento de un cuerpo más viejo puede verse a veces comprometido por el envejecimiento de un subgrupo de células. Por ejemplo, una herida puede cicatrizar mal si en el sitio donde se ha producido el daño se reduce el número de células capaces de formar piel nueva. De la misma manera, una merma de cierto tipo de leucocitos podría contribuir a fallos inmunitarios relacionados con la edad. Además, se sabe que la aterosclerosis se desarrolla allí donde las paredes de los vasos sanguíneos han sufrido daños. Cabe la posibilidad de que las células de los sitios repetidamente dañados terminen por “agotar” su capacidad replicativa, de suerte que las venas sean incapaces de reemplazar las células perdidas. En esas condiciones, el daño persiste y se acaba desarrollando la aterosclerosis.

A

lgunos sospechan que la pérdida de capacidad proliferativa observada en las células humanas que carecen de telomerasa puede ser un hecho privilegiado por la evolución, en el sentido de que no nos hace más decrépitos sino que nos ayuda a evitar el cáncer. Los cánceres surgen cuando una célula acumula muchas mutaciones genéticas que, en conjunto, provocan que la célula escape de los controles normales sobre la replicación y los movimientos migratorios. Cuando las células y sus descendientes se multiplican sin control, pueden invadir los tejidos vecinos y dañarlos. Algunas pueden también

51

escapar y viajar hasta zonas del organismo que no les corresponde, estableciendo nuevos focos malignos (metástasis) en sitios distantes. En teoría, la falta de telomerasa retardaría el crecimiento de los tumores, al hacer que las células que se dividen sin cesar pierdan sus telómeros y mueran antes de que produzcan más daño. Si las células cancerosas fabricasen telomerasa, retendrían sus telómeros y, en principio, podrían sobrevivir indefinidamente. La posiblidad de que la telomerasa ejerza una función importante en el mantenimiento de los cánceres humanos fue objetono dehan debate en 1990. Pero los ya indicios adquirido peso suficiente hasta hace muy poco tiempo. En 1994, Christopher M. Counter, Silvia Bacchetti, Harley ysus colegas de McMaster demostraron que la telomerasa se mostraba activa no sólo en las líneas de células cancerosas mantenidas en el laboratorio, sino también en tumores de ovarios in vivo. Posteriormente, grupos dirigidos por Harley, que se había trasladado a la Geron Corporation, en Menlo Park, y por Jerry W. Shay, del hospital clínico de la Universidad del Suroeste de Texas en Dallas, detectaron telomerasa en 90 muestras de tumores humanos, de las 101 analizadas (que representaban 12 tipos distintos de tumores) y no la detectaron en ninguna de las 50 muestras analizadas de tejido somático normal (de cuatro tipos distintos de tejidos). Sin embargo, antes incluso de que se obtuvieran esas pruebas, se había comenzado a explorar algunos de los detalles de la relación entre telomerasa y cáncer. Esos trabajos suge rían que, probablemente, la telomerasa se activaba cuando la célula había iniciado su proliferación, una vez rotos los frenos normales que se lo impedían. La primera pista fue el descubrimiento, inicialmente desconcertante, que realizaron por separado Titia de Lange, hoy en la Universidad Rockefeller, y el grupo de Hastie. En 1990, comunicaron que en los tumores humanos los telómeros eran más cortos que los telómeros del tejido normal circundante. Estudios realizados por los laboratorios de Greider, Bacchetti y Harley explicaban por qué los telómeros eran tan cortos. Promovieron la síntesis, por células humanas normales, de cierta proteína vírica que hacía que las células ignorasen las señales de alarma que suelen indicarles la suspensión de la división. Las células tratadas continuaban proliferando

52

O R E M O L E T L E D D U IT G N O L

CELULAS SOMATICAS

CELULAS DE LA LINEA GERMINAL

La telomerasa está inactiva. Los telómeros se acortan

La telomerasa está activa. Se mantienen los telómeros

UMBRAL DE LA SENESCENCIA

La mayoría de las células dejan de dividirse

CELULAS ANORMALES QUE IGNORAN LOS AVISOS PARA DETENER LA DIVISION

CELULAS SOMATICAS INMORTALIZADAS Y CELULAS TUMORALES

La telomerasa está activa. Se mantienen los telómeros

La telomerasa está inactiva. Los telómeros se acortan

CRISIS La mayoría

de las células mueren NUMERO DE DIVISIONES CELULARES

mucho tiempo después de que, en teoría, hubiesen entrado en la etapa de senescencia. En la mayoría de las células, los telómeros se acortaban drásticamente, y no se detectaba telomerasa. Con el tiempo, acababan muriendo. Algunas células, sin embargo, sobrevivían y devenían inmortales. En éstas, los telómeros se mantenían con una longitud llamativamente corta, a pesar de que presentaban telomerasa. De tales resultados se infería que los telómeros de las células cancerosas eran menores porque las células sintetizan telomerasa sólo cuando han empezado ya a replicarse sin control. Para entonces, las células han perdido presumiblemente un número importante de subunidades teloméricas. Cuando la enzima se activa, estabiliza esos telómeros cortos y hace que las células prolíficas se vuelvan inmortales. Estos y otros descubrimientos condujeron a un modelo, tan atractivo cuan hipotético, sobre la activación de la telomerasa en humanos, en los estados normal y maligno. Según ese modelo, las células de la línea germinal sintetizan de modo rutinario la telomerasa durante el desarrollo embrionario. Una vez que el cuerpo está totalmente formado, la telomerasa queda bloqueada en muchas células somáticas, y los telómeros se van acortando a medida que tales células se reproducen. Cuando el tamaño de los telómeros alcanza cierto umbral, se emite una señal que impide que las células sigan dividiéndose. Sin embargo, si las mutaciones genéticas que promueven el cáncer obstaculizan la emisión de esas señales de seguridad, o dejan que las célu-

las las ignoren, las células continúan dividiéndose, obviando la senescencia. Presumiblemente, continuarán también perdiendo secuencias teloméricas y sufrirán alteraciones cromosómicas que harán que surjan nuevas mutaciones, tal vez carcinogénicas. Cuando los telómeros se han reducido a la mínima expresión, las células mueren. Ahora bien, si como consecuencia de los trastornos genéticos del período de precrisis se vuelve a fabricar telomerasa, las células no perderán completamente sus telómeros, sino que se salvarán y mantendrán su tamaño. De esa manera, las células alteradas genéticamente adquieren las características inmortales del cáncer.

A

unque, en general, los resultados experimentales apoyan esta visión del proceso, de nuevo las cosas puede que no sean como parecen. Algunos tumores avanzados carecen de telomerasa y ciertas células somáticas, así macrófagos y linfocitos, sintetizan la enzima, como se ha comprobado hace poco. Mas, en conjunto, los indicios sugieren que muchas células cancerosas necesitan la telomerasa para dividirse indefinidamente. La presencia de telomerasa en diversos tipos de cánceres humanos y su ausencia en muchas células normales significa que la enzima puede ser un buen blanco de drogas anticáncer. Los agentes capaces de obstaculizar la telomerasa podrían matar a las células tumorales (haciendo que los telómeros desaparezcan) sin alterar el funcionamiento de muchas células normales. La mayoría de las terapias anticáncer actuales no sólo alteran las células malignas, sino también las

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C E L U L A SJ O V E N E S

C E L U L A SS E N E S C E N T E S

3. MODELO DE REGULACION de la longitud de los telómeros en humanos. Sugiere que las células de la línea germinal ( líneas azules en la gráfica de la izquierda ) sintetizan telomerasa y mantienen los telómeros con un tamaño grande. Por su parte, muchas células somáticas, no germinales ( color dorado oscuro en la curva), carecen presumiblemente de telomerasa; en consecuencia, los telómeros se van acortando poco a poco. Andando el tiempo, muchas células somáticas entran en un estado de senescencia: detienen su división y sufren otros cambios. Sin embargo, algunas célu-

normales. Suelen ser, pues, bastante tóxicas. Además, como se detecta telomerasa en muchos tipos de cáncer, tales agentes podrían intervenir contra tumores muy dispares. Ante posibilidades tan apasionantes los laboratorios farmacéuticos no se han cruzado de brazos. Sin embargo, urge dar respuesta a varios interrogantes. Debe determinarse, por ejemplo, qué células normales (además de las ya identificadas) fabrican telomerasa, y qué importancia reviste la enzima para esas células. Si la telomerasa es allí crucial, las drogas que la bloqueen pueden resultar tóxicas y, por tanto, inaceptables. El hecho de que los telómeros sean ya más cortos en ciertas células tumorales puede, no obstante, obviar ese problema. Los agentes inhibidores de la telomerasa pueden provocar que las células cancerosas pierdan sus telómeros y mueran, antes de que las células normales, con telómeros mucho más largos, pierdan una cantidad de telómero lo suficientemente grande como para que sufran cualquier efecto adverso. Debe demostrarse, asimismo, que la inhibición de la telomerasa destruye los tumores productores de dicha enzima. Harley, Greider y sus colaboradores revelaron que cierto agente inhibidor causaba el acortamiento de los telómeros en células tumorales cultivadas. Las células afectadas morían tras 25 ciclos de división celular. El grupo de Blackburn ha encontrado, sin embargo, que a veces las células compensan la pérdida de telomerasa. Mediante el proceso de recombinación, por el que un cromosoma obtiene ADN procedente de otro cromosoma, las

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

C E L U L A ST U M O R A L E S

las aberrantes (color dorado claro en la curva) continúan dividiéndose. Muchas de éstas perderán repeticiones teloméricas hasta que alcanzan un punto crítico y mueren. Pero si alguna de tales células aberrantes comienza a fabricar telomerasa, se replica indefinidamente trazo ( verde de la curva). Esta propiedad, que se encuentra en muchas células tumorales, se denomina inmortalidad celular. Las micrografías de la parte superior muestran células somáticas jóvenes (izquierda), senescentes (centro) y células tumorales inmortales (derecha).

células pueden “reparar” el acortamiento de ciertos telómeros. Si en los tumores humanos se produjese frecuentemente la activación de una ruta alternativa “recuperadora de telómeros”, la terapia dirigida contra la telomerasa no serviría para nada. Los estudios con animales ayudarán a resolver estos problemas. Contribuirán también a que sepamos si los inhibidores de las telomerasas podrán eliminar los tumores en organismos vivos y si lo harán con celeridad suficiente para evitar que los cánceres afecten a otros tejidos importantes. Para desarrollar agentes que bloqueen la telomerasa en humanos, los investigadores deben también tener una idea más precisa del funcionamiento exacto de la enzima. ¿Cómo se une al ADN? ¿Cómo “decide” cuántas subunidades teloméricas debe añadir? En el núcleo, el ADN está cubierto con todo tipo de proteínas, incluidas algunas que se unen específicamente a los telómeros. ¿Qué papel desempeñan las proteínas que se unen a los telómeros en el control de la actividad de la telomerasa? ¿Interrumpiría la elongación de los telómeros una alteración de la actividad de dichas proteínas? En los próximos 10 años esperamos aprender muchas cosas acerca de las interacciones entre los tipos de moléculas que influyen en la longitud de los telómeros. Mucho es lo que se ha avanzado en el conocimiento de los telómeros, desde que se identificó el ADN repetitivo de los extremos de los cromosomas de un habitante de las charcas. La elongación de los telómeros por la telomerasa, con-

siderada en su inicio un mecanismo “astuto” mediante el cual algunos organismos unicelulares mantenían sus cromosomas, ha resultado ser, como siempre, algo distinto de lo que parecía. De hecho, la telomerasa es el principal medio con que cuentan las células nucleadas de la mayoría de los animales para proteger los extremos de sus cromosomas. Además, el estudio de ese proceso puede permitir el desarrollo de estrategias innovadoras en la lucha contra el cáncer. A principios de los años ochenta, a nadie se le habría ocurrido que el estudio del mantenimiento de los cromosomas en Tetrahymena llevaría a identificar posibles terapias contra el cáncer. Las investigaciones sobre la telomerasa nos recuerdan que, en la aproximación científica a la naturaleza, nunca puede predecirse cuándo y dónde se descubrirán procesos fundamentales. Nunca sabes en qué momento te darás cuenta de que una roca es en realidad una piedra preciosa.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA IDENTIFICATION OF A SPECIFIC TELOMERE TERMINAL TRANSFERASE ACTIVITY IN TETRAHYMENA E XTRACTS. Carol W. Greider

y Elizabeth H. Blackburn enCell, vol. 43, parte 1, págs. 405-413, diciembre 1985. IN VIVO ALTERATION OF T ELOMERE SESENESCENCE CAUSED BY MUTATED TETRAHYMENA TELOMERASE RNAS. G.-L. Yu, J. D. Bradley, L. D. QUENCES AND

Attardi y E. H. Blackburn en Nature, vol. 344, págs. 126-132, 8 de marzo de 1990.

TELOMERES. Dirigido por E. H. Blackburn

y C. W. Greider. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1995.

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Suicidio celular, en la salud y en la enfermedad Richard C. Duke, David M. Ojcius y John Ding-E Young Las células están preparadas para suicidarse y a menudo lo hacen. Esa apoptosis es imprescindible para el buen funcionamiento de nuestro cuerpo

M

ientras usted lee este artículo, las células de su cuerpo se mueren a millones. Pero no se asuste, la mayoría se autosacrifican para que usted sobreviva. Investigaciones recientes indican que la salud de todos los organismos pluricelulares, incluidos los seres humanos, depende no sólo de que el cuerpo sea capaz de producir nuevas células, sino también de que sus células puedan autodestruirse cuando no sirven para nada o sufren una alteración. Este proceso crítico, que ahora se denomina apoptosis, o muerte celular programada, pasó inadvertido durante décadas. Pero en los últimos años los biólogos han realizado notables progresos en el conocimiento de cómo se lleva a cabo y controla el suicidio celular. La motivación de muchos investigadores es doble. Por una parte, la curiosidad científica y, por otra, el deseo de combatir algunas de las enfermedades más temidas. La regulación aberrante de la apoptosis —que puede determinar un exceso o un defecto de suicidio celular— contribuye probablemente a patologías muy dispares, del cáncer a la artritis reumatoide pasando por el sida y la enfermedad de Alzheimer. Quienes investigaban el desarrollo embrionario en la primera mitad del siglo XX se percataron ya de que la muerte celular no era, como se había pensado, forzosamente mala para el cuerpo. Antes bien, resultaba imprescindible. En los años cincuenta se demostró que ciertos organismos pluricelulares alcanzaban su morfología final eliminando determinadas células seleccionadas. El renacuajo se desprende de su cola durante el proceso de metamorfosis en rana. Los mamíferos pierden innumerables neuronas durante el proceso de formación del sistema nervioso. Los microscopistas

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habían identificado también las principales señales indicadoras que distinguían esta muerte celular fisiológica de la mera destrucción accidental, o necrosis. La muerte necrótica ocurre cuando una célula sufre un daño grave, causado tal vez por un golpe físico o por falta de oxígeno. La hinchazón es una señal característica. Los orgánulos internos, así las mitocondrias (las factorías energéticas celulares), y toda la célula se hinchan y cuartean. Estos efectos ocurren porque los daños impiden que la célula controle adecuadamente su balance de fluidos y iones. El agua y las partículas cargadas (especialmente iones de sodio y calcio), que en condiciones de normalidad se bombean hacia fuera, ahora entran a raudales. Otra señal es la inflamación: los macrófagos circulantes y otros glóbulos blancos del sistema inmunitario convergen en las células necróticas y las ingieren. La inflamación coadyuva a limitar la infección y eliminar los restos, pero la acción y las secreciones de los glóbulos blancos pueden lesionar también el tejido normal de la vecindad, y a veces bastante.

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os científicos que estudian células que sufren apoptosis aprecian cambios muy distintos. No observan hinchamiento. Ven que las células que se están muriendo se encogen y se apartan de sus vecinas. Al poco tiempo parece que hierven: se forman unas burbujas en la superficie, que desaparecen, sustituidas de inmediato por otras nuevas burbujas. Los orgánulos internos retienen su estructura, pero el núcleo, que se altera poco en la necrosis, cambia espectacularmente durante la apoptosis. Uno de los cambios más notables afecta a la cromatina (ADN cromosómico y proteínas), que en una situación normal está dis-

persa y durante el proceso apoptótico se condensa formando una o varias manchas cerca de la membrana nuclear. En este punto, las células apoptóticas suelen ingerirse por células cercanas o por células carroñeras, que se encuentran en todos los tejidos, sin que se produzca una respuesta inflamatoria. Las células que se están muriendo y no se ingieren pueden sufrir nuevos cambios. El núcleo se desintegra y las células se dividen en numerosos “cuerpos apoptóticos”, que pueden contener una o dos piezas nucleares. Como antes, estos cuerpos se eliminan discretamente. (A finales de los años setenta, los estudios bioquímicos escribieron otra página de la apoptosis: la cromatina suele disgregarse en fragmentos que producen un patrón similar a los peldaños de una escalera cuando dichos fragmentos se separan por tamaños en geles sometidos a electroforesis.) Curiosamente, ciertas células que sufren muerte celular programada no se engullen. Hoy sabemos que persisten largo tiempo, si no indefinidamente. El cristalino del ojo, por ejemplo, está formado por las carcasas de células que sustituyen la mayor parte de su citoplasma por la proteína cristalina, cuando mueren. En la piel, las células denominadas queratinocitos se generan a partir de precursores de una capa más profunda, y después emigran hacia la superficie, muriendo en el camino. En vez de cristalina, reemplazan su contenido por queratina, una proteína resistente, y adquieren una cubierta que repele el agua. Estas células muertas constituyen la capa protectora externa de la piel, hasta que se caen, reemplazadas por otros queratinocitos. Aunque la mayoría de los eventos apreciables que definen la apoptosis

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quedaron ya corroborados en los años cincuenta y se conocía su función en el desarrollo embrionario, la importancia de la apoptosis en el mantenimiento diario del organismo maduro seguiría sin reconocerse durante veinte años más. El patólogo australiano John F. R. Kerr y sus colegas escoceses Andrew H. Wyllie y Alastair

Currie abrieron un nuevo surco con un trabajo publicado en 1972.

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n dicho artículo, afirmaban que el mismo tipo de muerte celular que era evidente durante el desarrollo, acontecía también en organismos maduros y durante toda la vida. Sugerían que, a diferencia de la necrosis,

CELULA NORMAL

donde la célula es una víctima pasiva, esta forma de muerte es activa, y requiere que la célula gaste energía en su propio ocaso. Los investigadores proponían, además, que una iniciación inadecuada del suicidio celular, o su inhibición, podría contribuir a muchas enfermedades, cáncer incluido. Fueron ellos quienes, acon-

CELULA INICIANDO APOPTOSIS

BURBUJA CROMATINA CONDENSADA CROMATINA

FRAGMENTOS NUCLEARES

CELULA VECINA 1. LA MUERTE CELULAR por apoptosis, o suicidio celular, comporta una serie de cambios característicos. La célula comienza por encogerse y desprenderse de sus vecinas (arriba a la derecha ).

FRAGMENTOS CELULARES (CUERPOS APOPTOTICOS)

Aparecen luego burbujas su superficie (parece que en la célula hierve); la cromatina (complejo de ADN nuclear y proteínas) se condensa en los extremos del núcleo. Al poco tiempo, el núcleo y después la propia célula estallan; los fragmentos celulares son rápidamente engullidos por células vecinas.

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sejados por un colaborador, adoptaron el término griego apoptosis para distinguir este tipo de muerte celular de la necrosis (“causar la muerte”). En griego clásico, apoptosis significa “caerse” (“morirse”), como caen los pétalos o las hojas en otoño. A pesar de la profundidad de las ideas de la publicación de 1972, sus observaciones durmieron en el limbo durante más de una década, hasta que los pocos grupos que a la sazón seguían la pista de la apoptosis comenzaron a confirmar las predicciones del artículo. Encontraron signos del carácter progresivo de la apoptosis y de que su ausencia podría favorecer el cáncer. Los investigadores empezaron a señalar con precisión algunas de las moléculas que intervienen en el proceso y en su regulación. Hay ahora muchos expertos empeñados en descifrar con exactitud cómo y cuándo las células se autodestruyen. Quedan cuestiones pendientes, pero se han descubierto ya algunos principios fundamentales. La mayoría de las células, si no todas, fabrican una serie de proteínas que se utilizan como armas autodestructivas. Mientras una célula es útil para el cuerpo, la maquinaria letal permanece silente. Pero si la célula resulta infectada, se torna maligna o amenaza la salud del organismo, se liberan las proteínas letales. La apoptosis puede ponerse en marcha de varias maneras. Por ejemplo, cuando una célula deja de percibir las señales químicas (factores de crecimiento o supervivencia) que le permiten comunicarse con otras y reafirmarse en la importancia del papel que lleva a cabo. También puede ponerse en marcha cuando una célula recibe mensajes externos o internos que anu-

ronas y células del músculo esquelético), pueden morir prematuramente si se tornan conflictivas. Las quemaduras solares, por ejemplo, pueden provocar apoptosis en los queratinocitos que aún no han llegado a su destino en la piel. En todos los tipos celulares y en todos los organismos pluricelulares estudiados hasta la fecha, las armas suicidas son unas enzimas que degradan proteínas. Se denominan proteasas “de tipo ICE”, porque estructuralmente se parecen a la enzima transformadora de la interleucina 1, o ICE (“interleukin-1 converting enzyme”),

que fue el primer miembro del grupo que se descubrió. Las proteasas de tipo ICE que destruyen a las células son como una colección de cuchillos afilados, que se mantienen envainados en condiciones de normalidad. Cuando las enzimas se activan (las hojas se desenvainan), destruyen otras proteínas y, con ello, las células. Algunas de las proteínas lisadas son componentes estructurales esenciales de la célula. En otros casos, los cortes 2. BURBUJAS de la superficie de una producidos por las proteasas conducélula apoptótica, vistas en una espec- cen directa o indirectamente a la destacular electromicrografía de barrido. trucción del material genético, impidiendo, por tanto, el propio mantenimiento de la célula. lan las señales anteriores; o cuando A pesar de que todas las células tielas células reciben órdenes contradic- nen la misma maquinaria letal, las torias sobre si deben o no dividirse. señales que llevan a la autodestrucción de unas y otras pueden ser disn algunos tipos celulares, la pues- tintas. La facilidad y rapidez con que ta en marcha de los mecanismos se activa el programa mortal puede apoptóticos es predecible. Los quera- variar también de un tipo celular a tinocitos que migran a la superficie de otro y de un estado de desarrollo a otro la piel están muertos y desaparecen en una misma célula. Y una célula aproximadamente a los 21 días de concreta puede ser sensible a varios comenzar su viaje. Sin embargo, esas tipos de señales inductoras. Entre los mismas células, así como las que están objetivos principales de la investigadestinadas a durar toda la vida (neu- ción actual está el de especificar la gama de inductores apoptóticos y descifrar cómo activan a las destructivas proteasas de tipo ICE. Se sabe que las RANA instrucciones que portan los inductores se transmiten a las proteasas a través de una serie de intermediarios y que diferentes inductores pueden GUSANO recurrir a intermediarios distintos. Pero, en la mayoría de los casos, se desconocen las cadenas de interaccioHUMANO nes, o rutas de señales, que intervienen en el proceso. Tampoco se ha avanzado en el desciframiento de las moléculas que activan directamente a las proteasas. Podemos hacernos una idea de los 3. EL DESARROLLO NORMAL de los organismos pluricelulares depende de la suprogresos realizados analizando cómo presión de ciertas células mediante apoptosis. El gusano Caenorhabditis elegans se suicidan los linfocitos T en diferen(arriba), que mide sólo un milímetro de longitud, elimina exactamente 131 de sus tes estadios de su ciclo vital. Las célu1090 células durante el proceso de maduración de la forma hermafrodita a la forma las T son protagonistas estelares de la adulta. El paso de renacuajo a rana supone eliminar las células de la cola. Se pienrespuesta inmunitaria contra virus y sa que los embriones humanos utilizan la apoptosis para eliminar las membranas otros microorganismos invasores. interdigitales.

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L

as células T se producen a partir de precursores, en la médula ósea. Las células inmaduras emigran después al timo, donde los timocitos, nombre que entonces reciben, se especializan. Durante este proceso despliegan en sus membranas las moléculas receptoras que más tarde permitirán a las células T maduras detectar las infecciones. Para cumplir su función beneficiosa, las células T deben fijarse a los antígenos microbianos (proteínas marcadoras que señalan la presencia de un invasor), a través de sus receptores. Deben también ignorar a las sustanciasque elaboradas por el propio cuerpo, ya las células T autorreactivas pueden destruir los tejidos normales. Sólo los timocitos que fabrican receptores útiles madurarán y pasarán al torrente sanguíneo, para patrullar por todo el cuerpo. Mientras se hallan en el timo, los timocitos que no son capaces de fabricar receptores funcionales sufren apoptosis, ya que no van a ser útiles. Los timocitos también se autodestruyen si sus receptores se unen con mucha fuerza a moléculas presentes en el timo. Una unión de ese tipo es señal de que las células pueden más tarde atacar el tejido sano y destruirlo (autoinmunidad). Las células T maduras que logren entrar en circulación permanecen en estado latente, a menos que encuentren el antígeno identificable por receptores celulares. Las células latentes, igual que los timocitos y muchas células más, son sensibles a otros inductores del suicidio: rayos X (en radioterapia contra el cáncer) y otros agentes que dañan el ADN. Las lesiones inducidas provocan que las células sinteticen p53, proteína que activa el programa de suicidio. Durante un tiempo se pensaba que, para autodestruirse, todas las células debían sintetizar p53 u otras proteínas. La síntesis de proteínas se exige en muchos casos, aunque no siempre. Las células T circulantes se tornan activas, esto es, proliferan y producen proteínas que promueven la inflamación, cuando sus receptores se traban con antígenos foráneos. Esta actividad es importante mientras persista el agente infeccioso; ahora bien, una vez desaparecida la infección, las células deben morir. Si tal no ocurriera, se acumularían y srcinarían una inflamación crónica (con su correspondiente hinchazón y fiebre) y, posiblemente, un estado de autoinmunidad. Se conocen dos formas de inducir la apoptosis de las células innecesarias.

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Células apoptóticas del adulto

C

asi todos los tejidos portan células apoptóticas en algún momento. Las células suelen suicidarse por el bien del cuerpo. La lista de ejemplos que aquí se presenta no es exhaustiva.

Ojo. El cristalino, que se forma durante el desarrollo embrionario, está constituido por células apoptóticas que han rellenado su interior con cristalina, una proteína.

Intestino. Las células que componen las proyecciones digitiformes de la pared intestinal se producen en la base de los “dedos” y, a los pocos días, viajan hacia el extremo. Allí mueren y desaparecen.

Piel. Las células de la piel comienzan su vida en las capas más profundas y después emigran a la superficie, sufriendo apoptosis por el camino. Las células muertas forman la capa exterior protectora de la piel.

Timo. Los linfocitos T, leucocitos que son componentes críticos del sistema inmunitario, maduran en el timo. Los que pueden ser inútiles o pueden llegar a atacar al propio tejido, se suicidan antes de alcanzar el torrente sanguíneo.

Utero. Cuando las células de la pared uterina mueren y se pierden durante la menstruación, la apoptosis es la causa.

Otras. Las células que resultan infectadas por un virus o portan mutaciones genéticas irreparables acostumbran suicidarse. Cuando una célula genéticamente alterada no se suicida, puede devenir en cancerosa.

Uno de los mecanismos implica la pérdida de factores de supervivencia; en este caso, la desaparición de interleucina 2, un factor de las células T, cuando se ha eliminado el agente infeccioso. El segundo mecanismo depende de una molécula Fas, que recientemente ha suscitado notable interés. Las células T latentes producen pequeñas cantidades de proteína Fas, que se sitúa en la membrana celular. Uno de los extremos de la proteína se proyecta hacia el exterior de la célula y el otro hacia dentro, pudiendo así transmitir señales al interior celular. Cuando las células T encuentran un antígeno y se activan, fabrican más Fas, que en un comienzo no interviene. Sintetizan también transitoriamente otra molécula de superficie: el ligando de Fas. A los pocos días, Fas empieza a actuar. Entonces, el ligando de Fas presente en las células activadas se une al Fas que hay en la misma célula o en otra célula T activada, en el sitio donde se ha desencadenado la infección. Esa unión es la señal para que las células portadoras de Fas sufran apoptosis. Por tanto, las células T activas tienen unos pocos días para llevar a cabo su

tarea (erradicar la infección), muriéndose después.

H

emos dicho ya que la sensibilidad de los linfocitos T y otras células a diferentes inductores de la apoptosis puede depender del estado de las células en cada momento. Cuando se irradia con rayos X, las células T latentes mueren en seguida, pero no así las células T activas. Una unión fuerte entre un receptor de timocito y proteínas del timo provoca la muerte, pero la unión de los antígenos con las células T maduras circulantes provoca su activación. Más aún: algunos tipos celulares son de por sí más proclives a la apoptosis que otros. ¿A qué se deben tales diferencias? Sospechamos que la evolución se las ha arreglado para que las células irreemplazables, como las neuronas y las células del músculo esquelético, opongan mayor resistencia, ya que la pérdida de esas células acarrearía consecuencias nefastas para el organismo. Por contra, las células fácilmente sustituibles, como las sanguíneas, parecen más propensas a morir ante la menor provocación. Se percibe con creciente nitidez que la sensibilidad está modulada funda-

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INTERIOR DE LA CELULA



4. INICIO DEL SUICIDIO CELULAR, en una recreación artística. El proceso comienza cuando la célula recibe una señal externa 1 ( ) o interna y esa señal se transmite, a través de una serie de intermediarios o transductores de señales ( 2), a los agentes de la destrucción. Estos agentes, que pertenecen a una familia de proteínas denominadas proteasas de tipo ICE, se activan en respuesta a la señal (3). Las proteasas dañan a las células de muchas maneras posibles, atacando su entramado estructural 4 () o activando enzimas que disgregan la cromatina nuclear 5( ).

 “ES HORA

DE MORIR”

AGENTE INDUCTOR

TRANSDUCTORES DE SEÑALES



mentalmente por la proteína Bcl-2 y otras similares, las Bax y Bad. Unas moléculas como bloquean la apoptosis, otras la promueven. La proporción entre aquéllas y éstas coadyuva a determinar la rapidez con que se va a producir la apoptosis. Se desconoce, sin embargo, el mecanismo de interacción entre las moléculas implicadas y la maquinaria letal. De la misma manera que la apoptosis es esencial para la supervivencia de un organismo, su desregulación parece estar detrás de muchas patologías, como las de etiología vírica. Una vez dentro de las células, los virus intentan subvertir la maquinaria de síntesis de proteínas y pone rla a su servicio, para que sólo fabrique las proteínas necesarias en la producción de más virus. Para desgracia del virus, el mero acto de detener la síntesis proteica de su hospedador basta para inducir el suicidio en muchos tipos celulares. Si la célula hospedadora muere, se disgrega el virus con ella. Por eso ciertos virus han desarrollado métodos para inhibir la apoptosis de las células que infectan. El virus de Epstein-Barr, agente de mononucleosis y vinculado con linfomas en los seres humanos, recurre a un mecanismo que se ha observado también en otros virus, produciendo sustancias que se parecen a Bcl-2, inhibidor de la apoptosis. Puede fabricar también moléculas que hacen que la célula hospedadora incremente su propia síntesis de Bcl-2. Los papilomavirus, una de las principales causas del cáncer cervical, inactivan o degradan la proteína p53, inductora de la apoptosis. Y los virus vacunales, similares a los utilizados como vacuna de la viruela, elaboran una proteína que impide que las proteasas de tipo ICE lleven a cabo el programa de apoptosis, lo que indica que algunos vi rus huma no s podr ían ha ce r lo mismo. De ahí que la búsqueda de terapias antivíricas se empeñe en hallar formas de bloquear la actividad

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ENTRAMADO INTERIOR DE LA CELULA

de las moléculas antiapoptóticas preparadas por los virus.

A

fortunadamente para nosotros y para otros animales, el sistema inmunitario posee sus propias estratagemas para contrarrestar esas artimañas víricas. Una de las principales consiste en erradicar las células infectadas, utilizando para ello una subserie de linfocitos T denominados citotóxicos, o células T asesinas. Tras unirse a las células diana, las células asesinas las bombardean con dos tipos de proteínas que, juntas, asestan un golpe mortal. Una de las proteínas (perforina) se inserta en la membrana de la célula infectada. Allí, forma un estructura parecida a un poro, que facilita la entrada de granzimas [ véase “Células asesinas”, por John Ding-E Young y Zanvil A. Cohn, en INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, marzo de 1988]. Estas enzimas pueden activar las proteasas de tipo ICE, induciendo así la apoptosis. Pero si este intento exterminador falla, los iones de calcio que atraviesan los nuevos poros pueden colaborar con las granzimas, produciendo una muerte necrótica. Ahora bien, la capacidad que tienen las células T de inducir apoptosis a diestro y siniestro, no sólo en las células infectadas, puede perjudicar a las células sanas que residen cerca de los tejidos infectados. Semejante daño indiscriminado ocurre porque muchas células del cuerpo portan en sus membranas la proteína Fas, en especial cuando se infectan ellas mismas o sus vecinas. Si las células asesinas llegan

AGENTE DESTRUCTOR INACTIVO (PROTEASA DE TIPO ICE)

hasta las células infectadas, el ligando de Fas que sobresale de la superficie de las células T puede acoplarse con la proteína Fas presente en las células enfermas, poniendo en marcha la maquinaria apoptótica en las células infectadas. Esta actividad es útil y aumenta la eficacia de otras tácticas inmunitarias para combatir las infecciones. Pero el ligando de Fas presente en las células T puede acoplarse con la proteína Fas que hay en las células sanas vecinas e instar también su suicidio. Se ha sugerido que ese efecto indiscriminado pudiera ser la explicación del daño grave que los virus de la hepatitis infligen en el hígado, aunque infecten a muy pocas células hepáticas. La inducción apoptótica de las células sanas parece contribuir también al hundimiento inmunitario que atormenta a los enfermos de sida. En la gente que contrae el virus de inmunodeficiencia humana (VIH), agente del sida, las células T coadyuvantes mueren. Cuando esos linfocitos T desaparecen, las células T citotóxicas mueren también, ya que éstas necesitan las señales de crecimiento de las células coadyuvantes para impedir la apoptosis. Cuando cae el número de células T, disminuye a su vez la capacidad del cuerpo para luchar contra las enfermedades, especialmente las infecciones víricas y parasitarias. Sabemos que son muchas más las células coadyuvantes que sucumben que las que son infectadas con el VIH. Resulta también evidente que muchas de las células mueren probablemente por apoptosis. Pero se desconoce el

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NUCLEO

 ENZIMA MODIFICADORA DE LA CROMATINA EN ESTADO INACTIVO

 ENZIMA ACTIVA

PROTEASA ACTIVA

elemento que impulsa a esa autodestrucción. Una respuesta plausible estaría en el exceso de proteína Fas. Recuérdese que, en condiciones de normalidad, las células T sólo fabrican proteína Fas funcional si llevan activas unos días y se encuentran ya listas para morir. Pero las células coadyuvantes de los sidosos pueden acarrear en sus membranas grandes cantidades de proteína Fas funcional, antes incluso de que las células hayan dado con un antígeno. Cabe esperar que tal despliegue de proteínas Fas les haga sufrir apoptosis prematuramente, cada vez que encuentran el ligando de Fas en otras células (como en las células T ya activadas contra el VIH u otros microorganismos). Las células pueden poner en marcha también su propia muerte, sin recibir señales de células activadas, si encuentran el antígeno que sus receptores reconocen. Cuando se produce el reconocimiento antigénico, las células T fabrican ligando de Fas. El ligando de estas células puede acoplarse con las moléculas Fas que ella misma porta y activar así el programa letal. Y lo que es peor, esas células T estimuladas antigénicamente, que portan Fas y su ligando, pueden expandir el proceso de muerte celular prematura, induciendo el suicidio celular a diestro y siniestro. No podemos descartar que los radicales libres de oxígeno desencadenen, por su parte, el suicidio de las células T exentas de virus. En los sidosos, las células inflamatorias de los nódulos linfoides infectados producen tales

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ENTRAMADO DAÑADO CROMATINA

sustancias altamente reactivas, que atentan contra el ADN y las membranas celulares. Los radicales libres causarán necrosis si provocan un daño excesivo, pero pueden inducir apoptosis si el daño es más sutil. En apoyo de la tesis de los radicales libres, se ha observado que las molé culas capac es de neutralizar radicales libres previenen la apoptosis en células T obtenidas de pacientes con sida. (Hoy se están estudiando algunas terapias contra el sida basadas en la lucha contra la apoptosis.)

A

unque en los pacientes infectados con el VIH las células T coadyuvantes normales pueden verse inducidas al suicidio por otras células inmunitarias, en términos técnicos las células sanas no mueren por un proceso de autoinmunidad. Se dice que ocurre autoinmunidad cuando los receptores antigénicos de las células inmunitarias reconocen antígenos específicos de las células sanas y hacen que esas células que portan tales sustancias mueran. Pero existen también enfermedades de autoinmunidad en las que se da apoptosis. Si el cuerpo elimina de oficio los linfocitos autorreactivos, ¿cómo puede presentarse la autoinmunidad? La verdad es que el cuerpo permite la circulación de algunos linfocitos dotados de una baja capacidad autorreactiva. Esas células suelen encerrar poco peligro, pero pueden volverse hiperactivas. Lo harán, por ejemplo, si esos linfocitos reconocen también algún antígeno foráneo (presente en algún

microorganismo, o en la comida). Cuando tal acontece, proliferan y pueden llegar a atacar tejido sano con redoblado entusiasmo. Las reacciones de autoinmunidad suelen ser autolimitadas. Desaparecen cuando los antígenos que las desencadenan se quitan de en medio. En algunos casos, sin embargo, los linfocitos autorreactivos sobreviven más de lo que debieran y continúan induciendo apoptosis en las células normales. Por lo que se ha observado en animales y seres humanos, parece que existe un exceso de supervivencia de células autorreactivas en al menos dos síndromes de autoinmunidad crónicos, el lupus sistémico eritematoso y la artritis reumatoide. En otras palabras, los linfocitos sufren muy poca apoptosis, y las células normales demasiada. Se está investigando la posibilidad de que la larga vida de los linfocitos autorreactivos tenga que ver con su producción de moléculas que bloquean la unión entre el ligando de Fas (presente en las otras células) y la proteína Fas de su superficie, impidiendo así que el ligando envíe mensajes de muerte a los linfocitos. De acuerdo con otras hipótesis, los linfocitos evitarían la apoptosis porque producen poco Fas o mucho Bcl-2, el inhibidor del suicidio. En cualquier caso, un mayor conocimiento de cómo viven y mueren las células T debería conducirnos a la creación de procedimientos que permitieran activar selectivamente el programa letal en los linfocitos específicos responsables de las enfermedades de autoinmunidad. Pensamos, por

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5. LAS CELULAST de los sidosos sufren apoptosis prematura, aunque no estén enfermas. Cuando un virus invade un tejido, las células T coadyuvantes proliferan y ponen en marcha una respuesta inmunitaria contra el intruso (arriba a la izquierda ). Las células T mueren varios días después, una vez concluido el trabajoarriba ( a la derecha). En los pacientes infectados con VIH, virus responsable del sida, muchas célulasT sanas se suicidan antes de que puedan proliferar y combatir la infección. Por qué lo hacen no está muy claro y aquí se muestra una de las muchas posibilidadesabajo ( ).

Así se activan en condiciones normales las células T coadyuvantes... FRAGMENTOS MICROBIANOS

COMPLEJO ANTIGENICO

2 Las células T se activan si su receptor antigé-

nico encaja con el antígeno, si una molécula CD4 se une adecuadamente al complejo antigénico y si determinadas moléculas se fijan también.

CELULA QUE PRESENTA EL ANTIGENO

RECEPTOR ANTIGENICO

CELULA T COADYUVANTE INACTIVA

CD4

1 Se desencadena el mecanismo de activación de

MICROORGANISMO

una célula T coadyuvante cuando una célula presentadora de antígenos ingiere a un microorganismo, lo destroza y exhibe los fragmentos en la superficie.

Así se puede inducir un exceso de apoptosis en las células T de los pacientes infectados con el VIH

3 La proteína Fas puede inducir la

muerte inmediatamente si encuentra a una célula T activada que porte el ligando de Fas (no se muestra aquí). Pero la célula puede morir sin necesidad de ese contacto; basta con que reconozca a un antígeno y empiece ella misma a producir ligando de Fas.

CELULA T COADYUVANTE SANA CD4

FAS

LIGANDO DE FAS

ANTICUERPO ANTI-VIH GP120 LIBRE

GP120

2 La unión hace que anticuerpos ant i-VIH se

VIH

1 La liberación de la proteína gp120 puede provo-

car un suicidio desmesurado de células T coadyuvantes en los sidosos. Ese polipéptido se fija en las moléculas CD4.

ejemplo, en poder enviar directamente una molécula activadora de Fas (quizás el propio ligando de Fas) a las articulaciones artríticas, induciendo así la autoaniquilación de las células inmunitarias hiperactivas. Varios tipos de tejidos parecen utilizar el ligando de Fas para no ser víctimas de la autoinmunidad. Con el ligando de Fas en su superficie, células de testículo, ojo y posiblemente cerebro inducen una rápida apoptosis en cualquier célula T activada y portadora de Fas que se le cruce por el camino. Se espera poder aplicar este descubrimiento a los trasplantes de órganos. De momento, los únicos órganos y tejidos trasplantables son aquellos cuyos antígenos tipificadores de tejidos son compatibles con los de los tejidos de los receptores. La compatibilidad debe ser alta, condición para que el sistema inmunitario admita el

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fijen a dos CD4. Esa trabazón conmina a la célula al suicidio, quizá porque la induce a presentar prematuramente en su superficie proteína Fas funcional.

trasplante. Pero si se lograse que los órganos y tejidos que se donan presentasen el ligando de Fas, podrían resistir los ataques inmunológicos del hospedador y ser adecuados por tanto para el trasplante.

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n la autoinmunidad, las células inmunitarias no mueren cuando se supone que deberían hacerlo; en el cáncer son las células tumorales las que dejan de autosacrificarse. De hecho, la definición del cáncer cada vez se acerca más a la de una patología en que se produce una excesiva proliferación de células y una pérdida de capacidad autodestructiva [véase “Así se produce el cáncer”, por Robert A. Wei nbe rg, en I NVESTIGACIÓN Y CIENCIA, noviembre de 1996]. Se desarrolla el cáncer cuando una célula acumula mutaciones en varios de los genes que controlan el creci-

CELULA QUE PRESENTA EL ANTIGENO

miento y la supervivencia de las células. Si una mutación es irreparable, la célula afectada suele autodestruirse antes de volverse potencialmente peligrosa. Pero si la célula no muere, ella o sus descendientes pueden vivir lo suficiente como para acumular mut aciones que la lleven a dividirse sin control y srcinar metástasis, situación en que se desprenden del tumor original y establecen masas en puntos alejados del mismo. En muchos tumores, el daño genético parece que impide que se induzca la apoptosis, ya que sus células han inactivado el gen que cifra la proteína p53. Esta proteína, recordemos, conduce a la activación de la maquinaria apoptótica de la célula cuando el ADN sufre daños. En más de la mitad de todos los tumores sólidos, incluidos los de pulmón, colon y mama, falta la proteína p53 o no es funcional.

TEMAS 11

...y así mueren 3 La célula activada prolifera. Las células T activadas

también presentan en su superficie dos tipos de moléculas, Fas y el ligando de Fas.

OTRA CELULA ACTIVA

FAS FUNCIONAL CELULAS MUERTAS PASAN LOS DIAS

4 A los pocos días, Fas se

LIGANDO DE FAS

FAS INMADURA

CELULA T ACTIVA

“MUERTE”

MAQUINARIA LETAL

puede unir al ligando de Fas presente en la propia superficie celular o en la de otras células inmunitarias. El ligando de Fas envía entonces instrucciones a la célula T para que ponga en funcionamiento la maquinaria letal y se autodestruya.

4 En las células “conminadas”, la unión con el antí-

geno puede conducir a la muerte, porque el ligando de Fas se une entonces a la proteína Fas que se ha vuelto funcional prematuramente, y pone en marcha la orden de suicidio. Estas células estimuladas por el antígeno también pueden inducir el suicidio en otras células. OTRA CELULA “CONMINADA”

“MUERTE”

CELULAS MUERTAS MAQUINARIA LETAL

Las células que alcanzan el estado canceroso podrían eliminarse por otros inductores apoptóticos. La tendencia de las células normales a suicidarse cuando les faltan sus factores de crecimiento normales o el contacto físico con sus vecinas constituye, a buen seguro, un mecanismo de defensa contra la metástasis; la rápida activación de la apoptosis en las células tumorales que abandonan su tejido srcinario erradica presumiblemente a muchas células metastásicas antes de que tengan alguna probabilidad de desarrollarse. Pero las células cancerosas se las arreglan a veces para volverse insensibles a los efectos apoptóticos de la falta de factores de crecimiento y la pérdida de los contactos célula-célula. Otras proteínas relacionadas con la apoptosis se han visto comprometidas también en los estados malig-

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

nos. En varios tipos de cánceres, nos referimos a determinados linfomas, se impide la muerte celular mediante una síntesis desmesurada de Bcl-2, la proteína inhibidora del suicidio. Y hay razones para sospechar que algunos tumores se oponen a que Fas envíe señales a la maquinaria letal, o producen ligando de Fas para evitar la apoptosis mediada por el sistema inmunitario. Por extraño que parezca, ciertas células normales fabrican niveles sustanciosos de Bcl-2. Esta proteína parece proteger a las células cuya pérdida sería devastadora para el cuerpo, pero ese escudo tiene un precio. Si las células en cuestión se tornan cancerosas, engendran tumores más agresivos. Protegidas por Bcl-2, tienen una probabilidad menor de morir que otras células tumorales. En consecuencia, pueden ser más propensas a desarrollar metástasis en tejidos que no suministran los factores de supervivencia sintetizados por sus tejidos de srcen. Consideremos los melanocitos, células productoras de melanina. Este pigmento oscurece a otras células de la piel y previene de los efectos causados por la absorción de dosis letales de luz solar. Si los melanocitos muriesen fácilmente, correrían peligro las otras células. Por ello, los melanocitos fabrican grandes cantidades de Bcl-2. Sin embargo, cuando los propios melanocitos resultan genéticamente dañados no son tan propensos a suicidarse como las demás células de la piel, pero sí lo son, cuando se vuelven malignos, a formar tumores agresivos que se propagan con celeridad. Los estudios sobre apoptosis han empezado también a aclarar la raíz

de la resistencia que muchos tumores oponen a los efectos leta les de las radiaciones y la quimioterapia. Creíase, tiempo atrás, que esas terapias causaban la destrucción del fo co tumoral, provocando la muerte necrótica de las células malignas. Hoy sabemos que la muerte de esas células suele resultar de la apoptosis, frecuentemente por la activación de p53. Las células que carecen de p53 o que producen niveles elevados de la proteína inhibidora Bcl-2, pueden, por tanto, volverse resistentes a los efectos de los tratamientos anticancerosos. Se están las posibilidades de lasinvestigando terapias genéticas para vencer la resistencia a la apoptosis. En los trabajos correspondientes se introduce un gen p53 normal en los cánceres que lo presentan dañado, con el fin de restablecer la síntesis de proteína p53 normal. También se han abordado las formas de impedir que los genes Bcl2 hiperactivos produzcan proteína Bcl-2. Otros enfoques se han propuesto como meta impedir que las células reciban los factores de crecimiento específicos que promueven su supervivencia.

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n contraste con el cáncer, donde ocurre muy poca apoptosis, la muerte celular que acompaña a las cardiopatías isquémicas y los accidentes cerebrovasculares causados por el bloqueo de uno de los vasos sanguíneos que alimenta un segmento del músculo cardíaco o el cerebro se debe, en buena medida, al suicidio celular. En el corazón, el bloqueo diezma a las células que dependían totalmente de los vasos sanguíneos obstruidos. Esas células mueren por necrosis, en parte, porque son drásticamente privadas del oxígeno y la glucosa que necesitan para mantenerse y, en parte también, porque los iones de calcio, que en condiciones normales se bombean fuera de la célula, penetran a raudales y alcanzan niveles tóxicos. Pero aquí no se acaba la destrucción. A los pocos días, las célu las que rodean la zona necrótica, y que inicialmente sobreviven porque siguen recibiendo alimentos procedentes de otros vaso s sanguíne os, pued en tamb ién morir. Muchas fallecen por necrosis, alcanzadas por los radicales libres que se liberan cuando las células inflamatorias inundan la zona muerta para eliminar el tejido necrótico. Pero otras muchas células, que han sufrido daños menos graves, se suicidan. Si el paciente es tratado y se restablece su flujo sanguíneo, se eleva el número de células que pueden morir por necrosis

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o apoptosis: la reperfusión multiplica la producción de radicales libres. Algo similar acontece en los accidentes cerebrovasculares. Las células más afectadas mueren por necrosis. Después, a los pocos días, la inflamación y los agentes químicos que se liberan de las células muertas (en particular el neurotransmisor glutamato) provocan más necrosis y apoptosis en las células vecinas. Las células que desaparecen lo hacen para siempre, ya que ni las células del músculo cardíaco ni las neuronas se dividen en el cuerpo adulto. El conocimiento de los factores que provocan la muerte hís-

la causa exacta de esa apoptosis. Se han propuesto varios agentes; entre ellos, los radicales libres, niveles insuficientes de factores de crecimiento nervioso y niveles excesivos de neurotransmisores. Parece verosímil que una combinación de esos factores pudiera ser el responsable último de la autodestrucción gradual de muchas células. Estudios con animales indican que una administración prolongada de factores de crecimiento nervioso podría actuar de protección contra la apoptosis en esas condiciones. La pérdida del control normal del mecanismo de la apoptosis pudiera

tica inherente a las cardiopatías, accidentes cerebrovasculares y reperfusión, ha favorecido el desarrollo de nuevos tratamientos. En ese contexto, podría restringirse la muerte celular mediante fármacos bloqueantes de la producción de radicales libres o mediante drogas inhibidoras de las proteasas de tipo ICE. Habrá que atribuir a la apoptosis el motivo de la muerte celular que se registra en enfermedades marcadas por la pérdida progresiva de neuronas cerebrales, como las enfermedades de Alzheimer, Parkinson, Huntington y la esclerosis lateral amiotrófica (enfermedad de Lou Gehrig). Se desconoce

hallarse la retinitis pigmentosa (unadetrás de lasde causas de la ceguera) y la osteoporosis.

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os encontramos todavía en las primeras fases de la investigación sobre la muerte celular, lo que significa que también están en sus etapas iniciales los esfuerzos empeñados en combatir las enfermedades mediante la intervención en el propio proceso autodestructor. En ello andan numerosos laboratorios farmacéuticos, diseñando nuevos fármacos y comprobando la influencia sobre la supervivencia celular de otros ya existentes. El conocimiento cada vez

mayor de los procesos apoptóticos estimulará sin duda las líneas de investigación incoadas.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA APOPTOSIS: A BASIC B IOLOGICAL P HENOMENON WITH WIDE-RANGING IMPLICATIONS IN TISSUE KINETICS. J. F. R. Kerr,

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También las plantas envejecen y mueren

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a llegada del otoño marca cada año de manera invariable el inicio de una sinfonía de colores. Las hojas de los árboles caducifolios exhiben toda una rica paleta que jamás hubiera imaginado el artista más exigente. Ese cambio de colores refleja un proceso de senescencia que les lleva a la muerte. La senescencia presenta dos aspectos distintos, relativo uno a sus diversos tejidos y órganos conforme van madurando (sus hojas, los pétalos de sus flores, el fruto), mientras que el segundo se refiere la planta entera. Existen plantas que completan su ciclo reproductor una vez en la vida y mueren. Son las plantas de hábito monocárpico. Otras, en cambio, lo realizan muchas veces antes de morir, las de hábito policárpico. La naturaleza se renueva así y asegura la supervivencia de las especies vegetales gracias a estos procesos controlados por los genes de la planta, que se expresan o reprimen en el momento adecuado. En la propia planta estos procesos activos aseguran la redistribución de nutrientes en el curso del desarrollo, una renovación ordenada de macromoléculas y un uso eficiente de los recursos. El reconocimiento de que se trata de procesos activos ha llevado a los biólogos a la búsqueda de genes bajo

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cuyo control se produzca la senescencia. Se han descrito ya una serie de ellos, a los que se ha dado el nombre de genes SAG (del inglés senescence-associated genes). Por su secuencia de nucleótidos son semejantes a los que codifican las cisteína proteasas, enzimas que se sabe que se inducen durante el proceso de senescencia. Otros genes se reprimen en el inicio de este proceso. Son los SDG (senescence down genes). La sospecha de que las proteasas puedan estar implicadas en la senescencia se dirige también a otras enzimas, como la ARNasa o la lipoxigenasa. También se señala como otro posible controlador al etileno, una hormona vegetal. En mutantes en que está bloqueada la percepción del etileno aumenta la longevidad de las hojas y se retrasa la inducción de los genes SAG. La participación de citoquininas está también vinculada a la senescencia de las hojas; una caída de sus niveles endógenos acelera el proceso. La muerte celular programada es un proceso activo esencial de las plantas para el desarrollo de sus tejidos y órganos, como sucede también entre los animales. Esteban Santiago

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Biología celular del envejecimiento humano Leonard Hayflick Al cultivar in vitro células humanas normales, éstas acaban por perder su capacidad funcional y dejan de dividirse. El tiempo en que esto sucede podría representar el límite máximo de duración de la vida humana

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a duración de la vida humana no ha aumentado de forma significativa durante milenios. Para la mayoría de las personas los noventa años bíblicos constituyen aún el límite superior. Lo que ha cambiado, al menos en los países desarrollados, es la esperanza de vida global. La mejora de las condiciones de vida y los avances de la medicina, en particular el control de las enfermedades infecciosas, tan sólo han permitido que un número mayor de personas alcance lo que parece ser el límite máximo de duración de vida. Incluso si se eliminaran las principales causas de muerte, la duración de la vida humana se mantendría en unos noventa o cien años. La explicación radica en que, aun cuando la muerte pueda sobrevenir como consecuencia de enfermedades cardiovasculares o del cáncer, tales enfermedades derivan de la normal degeneración por envejecimiento de las paredes arteriales o del sistema inmunitario. La causa fundamental de muerte en los últimos años de la vida es el incremento de la vulnerabilidad del organismo frente a enfermedades o accidentes, vulnerabilidad atribuible al declinar inexorable de la capacidad funcional a partir de los treinta años, disminución que Bernard L. Strehler estimó ronda el 0,8 por ciento anual. Además el inglés Benjamin Gompertz, experto de una compañía de seguros, descubrió en 1825 que las probabilidades de morir se duplicaban cada ocho años a partir de los treinta. ¿Cuáles son las causas de este declive natural? ¿Podría detenerse o incluso sería posible recuperar la plenitud funcional? Exceptuando ciertos tipos celulares (especialmente las células nerviosas y algunas células musculares), el organismo de una persona no es hoy el mismo organismo que fue varios años

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atrás. Muchas de sus células han muerto y han sido reemplazadas por sus descendientes. Las nuevas células, sin embargo, no rejuvenecen al organismo. El envejecimiento no se manifiesta en las células individuales sino en las estirpes celulares. Entre los seres vivos más viejos se encuentran determinados árboles, como las secuoyas. Pero las células vivas de tales árboles no tienen más de tres decenios y la mayor parte del árbol esta constituida por células muertas, que no son necesarias para su supervivencia. Puesto que para determinar la edad no hay que considerar a las células muertas, dichos árboles no tienen en realidad más de treinta años y son, por tanto, notablemente más jóvenes que las células nerviosas más viejas de muchos seres humanos. Nuestra investigación del proceso de envejecimiento a nivel celular utiliza el cultivo in vitro de fibroblastos humanos normales (las células estructurales de los tejidos de sostén del organismo). Los fibroblastos se dividen repetidamente durante meses, pero poco a poco van dejando de hacerlo y, finalmente, mueren. Tales observaciones obligan a pensar que el proceso de envejecimiento de una célula normal es una propiedad innata de las células.

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uestra técnica de cultivo celular es relativamente simple. Primero tratamos pequeñas cantidades de tejido pulmonar embrionario con enzimas digestivas que las disocian en millones de células individuales. Las células se separan de las enzimas sedimentándolas por centrifugación; luego se introducen en botellas que contienen una disolución nutritiva y se incuban a temperatura corporal. Las células comienzan entonces a dividirse regularmente. Al cabo de

una semana, la población celular alcanza un estado de confluencia, cubriendo toda la superficie del cultivo en forma de una capa unicelular. Una vez se ha alcanzado la confluencia, las células normales dejan de dividirse en virtud del fenómeno denominado inhibición por contacto. Si se desean nuevas divisiones celulares, las células deben separarse de la botella que contiene el “cultivo madre” y distribuirse en números iguales en otras dos botellas con medio nutritivo fresco. Mediante este procedimiento, denominado subcultivo, se consigue, en el momento en que los cultivos hijos alcanzan la confluencia y dejan de dividirse, duplicar aproximadamente el número de células separadas del cultivo madre. El hecho de que la población celular se duplique no significa que todas las células se hayan dividido una vez; algunas no se dividen en absoluto y otras lo hacen varias veces. Si se preparan cuatro cultivos hijos a partir de uno madre, el número total de células se duplicará dos veces, aunque para ello se requiere un período de incubación más largo. No obstante, con independencia de la dilución, la capacidad de división de los fibroblastos embrionarios humanos queda limitada a cincuenta duplicaciones de la población en un período comprendido entre siete y nueve meses. Cuando los fibroblastos normales agotan su capacidad de proliferación no dejan de dividirse súbitamente, sino que, a medida que la población celular se aproxima al límite de las cincuenta duplicaciones, se requiere un tiempo mayor para que los cultivos hijos alcancen la confluencia. El primer signo de senescencia próxima es la prolongación del tiempo empleado en alcanzar la confluencia, que pasa a ser de diez días en vez de una semana.

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1. FIBROBLASTOS “JOVENES” (células del tejido conectivo) de un embrión humano. La micrografía muestra cómo estas células recubren la superficie de una placa.

Las células fusiformes se fijaron y tiñeron durante un período de proliferación activa. Los núcleos muestran un color rojizo.

2. FIBROBLASTOS ENVEJECIDOS teñidos durante la pérdida de su capacidad de división. Dicha pérdida ocurre aproximadamente cuando han tenido lugar cincuenta duplicaciones de

la población celular. Las células experimentan distintos cambios degenerativos y luego mueren. Esto indica que el envejecimiento es una propiedad innata de las células normales.

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se sabe, resulta adversamente afectada por defectos en la preparación del medio de cultivo, por la limpieza inadecuada del material de vidrio, por contaminación vírica y por otros artefactos técnicos. Pero las intensas pesquisas realizadas llevaron a pensar que había otras razones. El experimento más demostrativo de que la muerte celular es una propiedad innata de las células normales lo realizamos en colaboración con Paul S. Moorhead. Aprovechando el hecho de que las cepas de fibroblastos humanos, derivadas de embriones masculinos y femeninos, pueden diferenciarse comparando sus cromosomas sexuales, mezclamos células femeninas con una edad de diez duplicaciones de la población con igual número de células masculinas con una edad correspondiente a cuarenta duplicaciones. Se 3. CURVAS DE SUPERVIVENCIA de las personas de raza blanca en tres períodos de la historia de los Estados Unidos. Las curvas muestran qu e, con la mejora de las utilizaron cultivos sin mezclar de cada condiciones de vida y los avances de la medicina, ocurren menos muertes en los cepa, como control; los tres cultivos primeros años de vida. La eliminación de todas las causas de muerte atribuibles a fueron sometidos a subcultivo de la enfermedad o accidente daría lugar a una curva hipotética (que es la curva en color; forma habitual. Tras veinte duplicala primera empezando por arriba ); las personas morirían únicamente por las caciones de la población, en los cultivos rencias fisiológicas relacionadas con el envejecimiento. mixtos sólo logramos distinguir células femeninas. Los cultivos control de El producto final es un subcultivo en por experimentar distintos cambios células femeninas seguían dividiénel que nunca se alcanza la confluencia, degenerativos y mueren. dose, pero las células control masculicon independencia de la duración del En un principio atribuimos la nas habían muerto. Estos resultados cultivo o de la frecuencia de la renova- muerte de los cultivos a errores expe- apoyan la idea de que la muerte de las ción del medio. Las células terminan rimentales; la división celular, como células masculinas más viejas era atribuible a una propiedad innata de las propias células y no a errores de la técnica, pues en otro caso sería difícil explicar por qué únicamente sobrevivían las células femeninas del cultivo mixto.

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4. ESPERANZA DE VIDA (en ordenadas) de las personas de raza blanca de los Estados Unidos de América en el nacimiento y a los 45 y 75 años de edad a partir de 1900. El incremento de unos veinticuatro años en la esperanza de vida desde 1900 se produce principalmente entre los grupos jóvenes.

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tra observación indicó que las cepas de fibroblastos normales tenían un período vital limitado. Cuando se almacenaban los fibroblastos procedentes de embriones humanos por debajo de cero grados Celsius, manifestaban una sorprendente “memoria”. Si habían sido congelados en el momento de alcanzarse la vigésima duplicación de la población, después de descongelados experimentaban treinta duplicaciones más y luego se detenían. Si se congelaban en la décima duplicación de la población celular, y luego se descongelaban, dichas células e xperimentaban cuarenta duplicaciones más. Es decir, en todo caso, la suma de duplicaciones antes y después de la congelación totalizaba cincuenta. Era como si las células poseyeran un contador o programador de divisiones. [Una de nuestras cepas celulares humanas, designada WI-38, conservó este recuerdo durante más de trece años de preservación en nitrógeno líquido]. La duración limitada de la vida de

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las células humanas en medio de cultivo se ha observado en fibroblastos y en otros tipos celulares normales, derivados de distintos tejidos, como la piel, el cerebro, el hígado y la fibra muscular lisa. No se conoce todavía ninguna excepción a la regla general de que las células normales poseen una capacidad de división limitada. Las cepas de células humanas en medio de cultivo pueden transformarse, no obstante, en líneas celulares “inmortales” al ser tratadas con el virus SV 40, productor de cáncer. Se conocen unas seiscientas líneas celulares inmortales o transformadas, muchas de las cuales desarrollan espontáneamente en lossecultivos celulares. La línea celular humana más famosa, llamada HeLa, fue obtenida en 1952 de un cultivo celular del cérvix uterino. Ha sido mantenida en cultivo desde entonces. Las células transformadas son claramente anormales en características tales como el número y la forma de sus cromosomas, sus propiedades químicas y sus características tintoriales. Es más, muchas de las células transformadas dan lugar a tumores al ser inyectadas en animales de laboratorio, mientras que las células normales no producen tal efecto. Se llega, por tanto, a la paradójica conclusión de que las células animales tienen que adquirir algunas de las propiedades de las células cancerosas para poseer una capacidad ilimitada de división.

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lgunos descubrimientos posteriores hicieron pensar que el tiempo vital limitado de las células normales en medio de cultivo podría representar una forma de envejecimiento a nivel celular. Cultivamos fibroblastos obtenidos de personas de edad avanzada para determinar si las células 5. CULTIVO DE CELULAS HUMANAS normales. La técnica utilizada consiste en disociar el tejido en células individuales mediante la utilización de la enzima digestiva tripsina. Las células se transfieren luego a una botella aplanada donde se multiplican hasta cubrir la superficie del recipiente. Luego dejan de multiplicarse. La población celular se divide entonces en dos mitades iguales, cada una de las cuales vuelve a cultivarse. no puede más queEste unasproceso cincuenta veces repetirse con células humanas fetales y menos si las células son de donantes adultos. Las células cultivadas pueden almacenarse congeladas en nitrógeno líquido. Si al cabo de varios años se las vuelve a cultivar, aún “recuerdan” el nivel de duplicaciones al que fueron congeladas y continúan dividiéndose hasta alcanzar el número de las posibles.

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más viejas experimentaban un menor número de divisiones en el medio de cultivo. Puesto que nuestros estudios iniciales se habían realizado a partir de tejido pulmonar de embriones humanos, utilizamos fibroblastos pulmonares procedentes de autopsias de ocho personas adultas de edades comprendidas entre los 20 y los 87 años. Observamos que los fibroblastos viej os se dupli caban entr e 14 y 29 veces en medio de cultivo, sin que existiera una clara correlación entre el número de divisiones y la edad del

donante. Hubo, no obstante, una reducción considerable del número de duplicaciones en relación con las 50 que, de forma invariable, se observaban en los fibroblastos embrionarios humanos. Estudios posteriores realizados por George M. Martin, Samuel Goldstein, Edward Schneider y Youji Mitsui en cultivos de fibroblastos obtenidos de biopsias de piel humana arrojaron el resultado de que el número de duplicaciones celulares es inversamente proporcional a la edad del dador. Resultados parecidos obtu-

vieron Y. Lebuilly con células hepáticas humanas y Edwin L. Bierman con células musculares. El envejecimiento es una característica de todos los animales que alcanzan un tamaño fijo con la madurez. Algunos peces continúan creciendo a lo largo de toda su vida y no envejecen en el sentido habitual del término. Resulta interesante plantearse si las células normales de diferentes animales envejecerán en cultivo celular, como lo hacen las humanas. Las variaciones en la duración de la vida entre diferentes especies son mucho mayores que las existentes entre individuos

de la misma La mosca deun la fruta es viejaespecie. a los cuarenta días, ratón a los tres años, un caballo a los treinta, el hombre a los cien y ciertas tortugas a los ciento cincuenta. No se han examinado más que unas cuantas especies, pero los datos disponibles apuntan a una relación directa entre la duración de la vida de una determinada especie y la capacidad de sus células para dividirse en medio de cultivo. George A. Sacher, Jr. descubrió otra relación interesante, consistente en una gran correlación positiva entre la duración de la vida y el cociente de dividir el peso cerebral por el peso total del organismo. Esta correlación fue observada en ochenta y cinco especies animales de diferentes tamaños, desde el ratón al elefante. El dato indica que a lo largo de la evolución de los animales vertebrados pudo haber existido una importante relación entre el incremento de la duración de la vida y el incremento del tamaño cerebral. Otra forma de estudiar el envejecimiento celular consiste en realizar series de trasplantes de células marcadas en animales consanguíneos antes de que envejezcan. Se evita así la muerte de las células marcadas cuando el animal huésped muere. Tales experimentos in vivo han completado los realizados en cultivos celulares. Los resultados de distintos laboratorios sobre trasplantes en serie de tejido de glándula mamaria, de piel y de células sanguíneas inmaduras de ratas pusieron de manifiesto que las células trasplantadas envejecían y morían igual que lo hacían en cultivos celulares. En algunos casos, sin embargo, el tiempo transcurrido hasta 6. EL LIMITEun DE DUPLICAC de células normales en medio decultivo se demostró preparando cultivo mixtoION de células fetales femeninas y masculinas que eran res- la muerte de las células era mayor que pectivamente “jóvenes” y “viejas”. Los cultivos separados de cada tipo sirvieron de la duración de la vida de un animal de control. Después de treinta duplicaciones de la población, sólo las células femeninas dicha especie. Esta observación puede permanecían en el cultivo mixto y únicamente las células control femeninas seguían explicarse por el hecho de que las céludividiéndose. Las células masculinas habían agotado su potencial de duplicación y habían dejado de dividirse varias semanas antes de que la mezcla fuera examinada. las trasplantadas no crecen tan rápiEs improbable que errores de tipo técnico o virus contaminantes pudieran explicar el damente como lo harían en medio de que únicamente las células masculinas de los cultivos mixtos hubieran muerto. La cultivo, sino que la mayor parte del explicación que resultaba, con mucho, la más verosímil era la que afirmaba que la tiempo permanecen en estado de pérdida de la capacidad normal de división se debía a un control intracelular. reposo. Si crecieran al mismo ritmo

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7. CAPACIDAD REPLICATIVA de fibroblastos fetales (de animal recién nacido en el caso de la tortuga) en medio de culti-

que el cultivo celular, el trasplante alcanzaría en pocos meses un tamaño varias veces superior al del huésped. Algo parecido se ha observado al cultivar células normales a temperatura ambiente en lugar de hacerlo a la temperatura corporal; las células se dividían lentamente y degeneraban muchos meses después de la muerte de cultivos hermanos mantenidos a la temperatura corporal. Aunque el tiempo de supervivencia aumentaba, el número total de duplicaciones de la población celular no excedía, en las células incubadas a temperatura ambiente, al correspondiente a las células incubadas a temperatura corporal. En contraste con lo anterior y al igual que ocurría en aquellos cultivos celulares cuyas células transformadas eran inmortales, las células cancerosas se replican indefinidamente al trasplantarlas de unos animales a otros. Para localizar e interpretar el mecanismo responsable de la limitada capacidad de replicación de las células normales, utilizamos un enfoque experimental distinto, en colaboración con Woodring Wright. Al tratar las células cultivadas con citochalasina B, las células expulsan los núcleos y éstos pueden separarse de los restos celulares por centrifugación. De esta forma pueden obtenerse millones de células desprovistas de sus núcleos. Dichas células se denominan citoplastos y permanecen viables durante varios días, tiempo duran te el que pueden fusionarse con células normales. Para determinar si el programador que dicta la capacidad replicativa está localizado en el núcleo o fuera de él, en el citoplasma, fusionamos citoplastos derivados de células jóvenes con células viejas y viceversa. Observamos que el citoplasma tenía poco efecto en la rapidez de envejecimiento, lo que nos hizo pensar que el control radicase probablemente en el núcleo.

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vo. Dicha capacidad es proporcional a la duración de la vida de las distintas especies.

Luego se desarrollaron técnicas para insertar núcleos celulares en citoplastos. En colaboración con Audrey Muggleton-Harris hemos reconstituido células humanas normales viables a partir de núcleos aislados jóvenes y de citoplastos viejos, así como partiendo de núcleos viejos y citoplastos jóvenes. Los resultados de los primeros ensayos parecen indicar que el programador que determina la capacidad de proseguir las divisiones celulares se encuentra realmente en el núcleo. En lugar de disociar el tejido en sus células individuales, también pueden cultivarse directamente sobre vidrio o plástico pequeños fragmentos de un tejido animal intacto. Ya en los años veinte se descubrió, en un pequeño fragmento de tejido de embrión de pollo colocado en cultivo celular, que el tiempo que tardaban los fibroblastos en salir (migrar) de los límites del tejido cultivado aumentaba con la edad del embrión. Este lapso de tiempo se denomina período de latencia.

envejecimiento. Los datos actuales indican que las células normales disponen de algún tipo de programación que controla su capacidad funcional y reproductora. No todas las células del organismo, sin embargo, tienen la capacidad de los fibroblastos para una replicación rápida. Los tejidos cuyas células experimentan replicación rápida son la piel, los tejidos formadores de sangre y la capa celular que recubre el intestino. Otras células más especializadas, como las nerviosas, las endocrinas, las musculares, las sensoriales y algunas células del sistema inmunitario, experimentan pocas divisiones o no se dividen en absoluto una vez han alcanzado la madurez. Los gerontólogos están de acuerdo en general en el hecho de que los cambios más importantes que ocurren con la edad tienen lugar en las células muy especializadas y no en las que experimentan rápidas divisiones. De hecho, parece probable que el animal envejezca y muera por otras razones antes de que se haya alcanzado el punto final de la replicación de los n los años sesenta Milena Soufibroblastos y de otras células de divikupová y Emma Holecková obser- sión rápida. varon un incre mento simil ar en el No obstante, el mecanismo que período de latencia en relación con la limita la división celular de las células edad de las ratas en cultivos de frag- que proliferan rápidamente es con toda mentos de corazón, hígado y riñón. Roy probabilidad el mismo que limita la L. Walford, Jr. y Harold Waters obtu- capacidad funcional de las células vieron en 1970 una veintena de culti- especializadas que se dividen más lenvos de fragmentos de tejido de donan- tamente o que no experimentan divites humanos con edades comprendidas sión. Se han detectado una gran varieentre los pocos minutos y los ochenta dad de cambios fisiológicos y morfolóaños, observando que el período de gicos en los cultivos de fibroblastos latencia aumentaba con la edad (aun- humanos mucho antes de que pierdan que aumentaban también las variacio- su capacidad de dividirse. Entre ellos nes individuales del período). pueden citarse los cambios en la utiliA partir del hecho comprobado de zación de las sustancias nutritivas, en que las células normales no son inmor- la expresión y reparación del material tales, sino que tienen una capacidad genético, en las vías metabólicas de la limitada para dividirse, resulta impor- célula, en la actividad de varias enzitante determinar las consecuencias mas cruciales y en la morfología de la que este descubrimiento pueda tener superficie celular y de los orgánulos en la comprensión del proceso del celulares. Muchos de estos cambios son

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idénticos a los que ocurren en los seres humanos con el envejecimiento. Una explicación del mecanismo por el que los fibroblastos humanos pierden su capacidad de dividirse pudiera arrojar luz sobre los factores determinantes de las pérdidas funcionales que el envejecimiento comporta para las células más especializadas. ¿Cuáles son, pues, los mecanismos subyacentes a los cambios inducidos por el envejecimiento en la mayoría de las células? Muchos gerontólogos creen que la respuesta puede encontrarse en el mensaje genético. Su razonamiento es el siguiente: si el complejo desarrollo desde el huevo zado hasta la madurez sexualfertiliestá orquestado por el aparato genético, lo más probable es que los cambios producidos por el envejecimiento sean controlados también por los genes. Tres son las hipótesis generales basa-

das en las propiedades de las moléculas portadoras de información (ADN y ARN) que se con side ran com o las explicaciones más plausibles del proceso del envejecimiento. a primera hipótesis, formulada por Zhores Medvedev y desarrollada ulteriormente por Leslie Orgel, propone que, con el tiempo, la información transmitida en los procesos de transcripción y traducción del mensaje genético, desde el ADN al ARN y a las enzimas y otras moléculas proteicas, podría estar sujeta a un número creciente de errores. Estos errores ori-

partes defectuosas que, al ser ensambladas en el producto final, reducirían su eficacia o impedirían que funcionase. Aunque tal hipótesis sobre la existencia de los “errores catastróficos” ha sido sometida a prueba en varios laboratorios, estudiando la síntesis proteica de las células en proceso de envejecimiento, los resultados no han proporcionado pruebas suficientes para mantenerla. La acumulación de errores en un sistema biológico puede evitarse en parte por los conocidos procesos de reparación, pero los propios sistemas de reparación no actúan a la perfec-

ginarían enzimáticas defectuosas y moléculas conducirían a un declive de la capacidad funcional de las células. La situación sería análoga a la que produce el funcionamiento defectuoso de una pieza en una máquina automática. El aparato produciría, a su vez,

ción niy de forma indefinida. Ronald W. Hart Richard B. Setlow observaron que fibroblastos de la piel obtenidos de diferentes animales, desde la musaraña al elefante y al hombre, eran capaces en medio de cultivo de reparar las alteraciones de su ADN

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8. EL TAMAÑO CEREBRAL también parece estar relacionado con laduración de la vida de varias especies animales, indicando la posible existencia de una conexión entre ambos parámetros, que debió aparecer durante la evolución de los animales vertebrados. Como muestra esta representación logarítmica, hay una correlación significativa con una pendiente de alrededor de 0,25. La dispersión de los datos se debe a las variaciones de la duración de la vida para un determinado peso cerebral y a la estratificación entre órdenes de animales. Al tomar en consideración otras variables (tales como el peso corporal, el metabolismo y la temperatura corporal), ladispersión alrededor de la línea se reduce considerablemente.

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causadas por radiaciones ultravioleta. La capacidad de reparación variaba en proporción directa a la duración de la vida de las especies estudiadas. Por ejemplo, los seres humanos viven alrededor del doble que los chimpancés, y la velocidad de reparación del ADN en aquéllos viene a ser también aproximadamente el doble. Estudios posteriores confirmaron estos datos y añadieron que la capacidad para la reparación del ADN en cultivos de células normales disminuye a medida que se aproximan al límite de su capacidad de replicación. Estos procesos pueden compararse a lo lavadoras que sucedeautomáticas. con los automóviles las Las doso máquinas tienen lo que los ingenieros denominan “duración media sin fallo mecánico”. Pueden funcionar normalmente durante algunos años sin reparaciones; con reparaciones perfectas podrían durar indefinidamente mientras se dispusiera de piezas de recambio. Si las reparaciones no son perfectas o faltan las piezas adecuadas, la máquina irá a parar finalmente al montón de la chatarra. Las piezas de recambio quirúrgicas en el caso de los seres humanos se limitan a unos cuantos órganos y además son piezas imperfectas. Aun cuando fueran posibles los trasplantes cerebrales, el esfuerzo sería en vano. La inmortalidad, después de todo, presupone la continuidad de la propia identidad, algo imposible con un cerebro ajeno.

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edvedev es el autor también de la segunda hipótesis sobre las bases genéticas del envejecimiento. Es sabido que sólo alrededor de un 0,4 por ciento de la información del ADN contenido en el núcleo celular es utilizada por una determinada célula en su período vital. Es más, muchos de los genes de la molécula del ADN están repetidos en secuencias idénticas, por lo que el mensaje genético resulta enormemente redundante. Medvedev sostiene que las secuencias repetidas estarían normalmente reprimidas, pero que cuando un gen activo resultara seriamente dañado, sería reemplazado por un gen idéntico de reserva. La redundancia del ADN podría, por lo tanto, proporcionar un mecanismo protector frente a la vulnerabilidad intrínseca del sistema, causada por accidentes moleculares. Este mecanismo prolongaría el tiempo de supervivencia al evitar la acumulación de un número tal de errores que alterase el mensaje genético. Al final, sin embargo, todos los genes repetidos se habrían utilizado, los errores se acu-

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9. LOS EXPERIMENTOS DE FUSION CELULAR han ayudado a det erminar la localización del programador que controla el envejecimiento celular. Ello fue posible gracias al desarrollo de técnicas de aislamiento del nú cleo celular y de reinserción en otras células. Las células desprovistas de núcleo, denominadas citoplastos, pueden sobrevivir durante un corto período de tiempo. Los núcleos de células jóvenes (resultado de diez duplicaciones) fueron insertados en citoplastos de células viejas (tras treinta duplicaciones) y viceversa. Los resultados preliminares indicaron que el programador que controla el número de divisiones celulares se encuentra en el núcleo y no en el citoplasma que lo rodea. mularían y las deficiencias fisiológicas determinantes del envejecimiento irían apareciendo. Esta hipótesis permite hacer la predicción de que las especies de larga vida tienen que tener más ADN redundante que las de vida corta. La tercera hipótesis genética del envejecimiento propone que los cambios producidos por la edad no son más que una continuación de las señales genéticas normales que regulan el desarrollo de un animal desde que es concebido hasta la madurez sexual. Supone incluso la existencia de “genes de envejecimiento”, que frenarían o detendrían ciertas vías bioquímicas de forma secuencial y conducirían a una expresión programada de los cambios propios del envejecimiento. La coloración gris del cabello, la menopausia y la disminución de las facultades atléticas serían algunos de los cientos de fenómenos asociados al

envejecimiento. Ninguno de ellos es considerado como una enfermedad, pero tales cambios disminuyen la capacidad funcional de la célula e incrementan la vulnerabilidad a las enfermedades. Dichos fenómenos programados genéticamente variarían en cuanto al tiempo de su expresión en diferentes tipos celulares. La raíz del envejecimiento podría encontrarse en deficiencias de tipos celulares clave cuya velocidad de envejecimiento fuese más rápida y tuviese mayores consecuencias. La función de los hipotéticos genes de envejecimiento podría ser análoga al declinar funcional normal y a la muerte celular que se produce en gran escala durante el desarrollo embrionario. El desarrollo de una extremidad de un vertebrado, por ejemplo, no sólo supone la formación de millones de células, sino también la muerte y la resorción de millones de otras célu-

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10. TIEMPO DE MIGRACION de fibroblastos que crecen a

donde proceden. Este hecho se ha demostrado con fibroblas-

partir de un pequeño fragmento de tejido en medio de cultivo. Varía inversamente con la edad del organismo de

tos de pollo, de rata y de seres humanos, ob tenidos de diferentes tejidos.

las. El destino de estas últimas está determinado por “programadores de muerte” que operan en el momento oportuno. Puede suponerse que el mismo proceso continúa a lo largo de la vida, operando a diferentes velocidades en distintos tejidos y terminando por producir los cambios que conducen al envejecimiento y aumentan la susceptibilidad a las enfermedades. Los defensores de tal programa de envejecimiento genéticamente predeterminado aducen que el éxito evolutivo de las especies no depende más que de la capacidad de sus miembros para vivir el tiempo necesario para procrear y criar a sus hijos; lo que suceda luego es irrelevante para la supervivencia de la especie. Las tres hipótesis sobre el envejecimiento pueden aplicarse tanto a las células que crecen en cultivo como a las que envejecen en el organismo intacto. No se excluyen mutuamente y podrían operar de un modo simultáneo. Hay dos líneas celulares que escapan del proceso de envejecimiento y

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muerte: las cancerosas y las germinales (el óvulo, el espermatozoide y sus inmediatos precursores). Resulta interesante especular si las células cancerosas y las células germinales podrían librarse del envejecimiento a través de un mecanismo común. De hecho, la forma en que se intercambia la información genética entre los virus productores de cáncer y las células animales pudiera ser parecida a la forma en que se barajan las cartas genéticas cuando el espermatozoide se fusiona con el óvulo. El intercambio de información genética entre dos células normales adyacentes en el organismo (mediada por virus, por agentes carcinogénicos o por radiaciones ionizantes) podría srcinar una célula cancerosa. Al barajar la información genética en la génesis del óvulo y el espermatozoide o en el proceso de fusión de estas células volvería a ponerse en marcha el mecanismo que controla el número de divisiones celulares. De esta forma, aunque los distintos miembros de una especie esta-

rían programados para morir, la especie sobreviviría. Un ser humano sería, pues, el camino a través del cual las células germinales producirían nuevas células germinales inmortales.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA CURRENTTHEORIESOF BIOLOGICALAGING.

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HANDBOOK OF

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Sistema inmunitario y envejecimiento Natalia López Moratalla

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os cambios que con la edad tienen lugar en el sistema inmunitario de los mamíferos han llevado a la idea bastante generalizada de que envejecimiento y dete-

rioro inmunitario son dos asociados. Unesencial hecho evidente en este sentido esprocesos que el timo, glándula para la maduración de los linfocitos y el desarrollo de la respuesta inmunitaria, va desapareciendo paulatinamente conforme el individuo va teniendo más edad, siendo uno de los procesos que condicionan y limitan la duración de la vida de los miembros de una determinada especie. El sistema inmunitario tiene dos grandes vías para dar respuesta a las agresiones externas: un mecanismo celular, a través del cual se activan células capaces de atacar al agente invasor, y otro humoral, que conduce a la síntesis de anticuerpos que reaccionan frente a los antíge nos extraños. El antígeno extraño debe ser presentado a los linfocitos T4 por una célula presentadora para que se ponga en marcha la respuesta. Entonces se activa un linfocito, hasta entonces “virgen”, libera citoquinas y de esta forma ayuda a que otros linfocitos se convierten en citolíticos. Todos ellos, junto con las células asesinas naturales que también se activan, lisan las células del organi smo que han sido dañadas. Los linfocitos que han reconocido un antígeno se convierten en células con memoria. De forma similar, los linfocitos B al interactuar con el antígeno, y generalmente ayudados por los linfocitosT, se convierten en células plasmáticas que sintetizan los anticuerpos.

Alteraciones inmunológic as con la edad on la edad se producen alteraciones en la distribución

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de las subpoblaciones celulares que realizan diferentes. Así las células “vírgenes”, además de funciones tener disminuida su potencialidad funcional, van siendoreemplazadas progresivamente por las que tienen memoria, demodo que disminuye la capacidad de respuesta a los antígenos. También la capacidad de síntesis de los diferentes tipos de anticuerpos se ve afectada por el paso del tiempo. Disminuye la síntesis de inmunoglobulinas, anticuerpos frente a los antígenos. La reacción ante los estímulos externos es así menos intensa; de hecho la vacunación es menos efectiva en los ancianos. Por otra parte, con la edad, el sistema inmunitario empieza a perder precisión en el reconocimiento de lo propio y sintetiza autoanticuerpos, desencadenando respuestas contra el organismo al que pertenece. Las células T y B también envejecen, en el sentido de que su activación se vuelve defectuosa. Ambos tipos de linfocitos utilizan el mismo proceso de estimulación en la respuesta inmunitaria: la unión del agente estimulador con un receptor de membrana produce una rápida activación de la fosfolipasa C, que libera los mensajeros intracelulares inositol trifostato (IP3) y diacilglicerol (DAG) a partir de fosfolípidos. El primero provoca un aumento del calcio intracelular, mientras que el DAG induce la fosforilación de una serie de proteínas que dirigen la expresión de genes, a través de la activación de la proteinquinasa C, cuyo resultado es la activación CELULA CELULA PRESENTADORA ANTIGENO y proliferación del linfocito que ha PLASMATICA sufrido el estímulo. El envejecimiento FRAGMENTO PROTEINA hace que estas reacciones se tornen DE ANTIGENO HLA defectuosas en muchas de tales células, perdiéndose afinidad de enlace TCR (RECEPTOR en los receptores o aminorándose el DE LA CELULA T) aumento del calcio, y reduciéndose LINFOCITO B P59fyn P56lck CITOQUINAS la síntesis de las proteínas necesarias PLC ANTICUERPO para la activación. Las alteraciones DAG TIROSINA acumuladas en el ADN hacen que los QUINASA PIP2 PKC Ca++ linfocitos no se multipliquen ante la PERFORINAS RESIDUOS CONDENSACION IP3 RESIDUOS TIROSINA señal de proliferación en respuesta a DE LA CROMATINA SER/TREO la citoquina IL-2. Ca++ En definitiva el declive del timo trae NUCLEO como consecuencia una menor capaQUINASA NUCLEO MUERTE cidad de crecimiento y diferenciación CELULAR de las células del sistema inmunitario; LINFOCITO T 4 IL-2 LFAS FAS el timo, con su reducción de tamaño, se convierte en el reloj que marca el La presentación de antígenos y la puesta en marcha de la respuesta inmunitaria, envejecimiento de los componentes humoral y celular, implica la intervención de un número de tipos celulares. Con el paso del tiempo algunas de estas células sufren cambios que alteran la del res-sistema inmunitario, que resulta para el mantenimiento de la puesta inmunitaria. Los “centenarios jóvenes” portan una batería de genes esencial imvida al responder frente al ataque de plicada en la presentación de antígenos que enlentece la senescencia del sistema inmunitario. agentes extraños nocivos. BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

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Glucosa y envejecimiento Anthony Cerami, Helen Vlassara y Michael Brownlee Considerado antaño inerte, el azúcar más abundante del organismo puede alterar ciertas proteínas, contribuyendo así al deterioro general que acompaña al envejecimiento

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medida que envejecemos, nuestras células y tejidos van experimentando cambios que llevan al deterioro y muerte del organismo. Las células pierden eficacia y capacidad para reparar el material dañado; simultáneamente, los tejidos van ganando en rigidez. Por dar un ejemplo: los pulmones y el músculo del corazón se expanden menos eficazmente, los vasos sanguíneos se endurecen y los ligamentos y tendones se tensan. Los ancianos tienen también mayor predisposición a desarrollar cataratas, aterosclerosis y cáncer, entre otras enfermedades. Pocos investigadores atribuirían esos efectos diversos a una sola causa. Pero nosotros hemos descubierto que hay un proceso muy conocido, utilizado en la decoloración y el endurecimiento de alimentos, que podría contribuir al deterioro de las células y de los tejidos que acompaña a la edad. Se trata de la unión química de la glucosa con las proteínas (y, según hemos descubierto, con los ácidos nucleicos). La unión enzimática de la glucosa con las proteínas se produce en un sitio específico, sobre una molécula determinada y para un fin concreto. Por el contrario, el proceso no enzimático añade glucosa al azar sobre cualquiera de los sitios que se ofrecen a todo lo largo de cualquier cadena polipeptídica. Fundados en los estudios in vitro e in vivo desarrollados en nuestro laboratorio, proponemos que esa “glicosilación” no enzimática de ciertas proteínas desencadena en el organismo una serie de reacciones químicas que culminan en la formación y acumulación final de enlaces cruzados (“crosslinks”) irreversibles entre moléculas proteicas adyacentes. Si la hipótesis se demostrara correcta, ayudaría a explicar por qué diversas proteínas, en particular las que constituyen la estructura de los tejidos y órganos, se van entrecruzando de forma

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progresiva a medida que las personas envejecen. Aunque hasta ahora nadie ha descrito satisfactoriamente el origen de esos puentes, muchos investigadores coinciden en que el entrecruzamiento generalizado de proteínas contribuye probablemente al endurecimiento y a la pérdida de elasticidad característicos de los tejidos envejecidos. También nosotros proponemos que la adición no enzimática de glucosa a los ácidos nucleicos puede deteriorar gradualmente el ADN. Los químicos especialistas en alimentación conocen desde hace mucho las etapas del proceso de alteración de las proteínas por la glucosa, pero hasta hace poco eran escasos los biólogos conscientes de que esos mismos procesos podían desarrollarse también en el organismo. Las reacciones no enzimáticas entre la glucosa y las proteínas, denominadas en su conjunto reacción de Maillard, o de oscurecimiento, parecen complicadas, pero son bastante sencillas si se comparan con muchas reacciones bioquímicas. Comienzan con la atracción mutua entre un grupo aldehído (CHO) de la glucosa y un grupo amino (NH2) de una proteína. Las moléculas se combinan y forman lo que se conoce por base de Schiff (véase la figura 3 ), producto inestable que rápidamente y de modo espontáneo evoluciona hacia una situación más estable, si bien todavía reversible: la formación de compuestos conocidos por productos Amadori. Si una proteína permanece en el organismo durante meses o años, algunos de esos productos Amadori se van des hid rat ando poc o a poc o y sufren una postrer transformación en nuevas estructuras derivadas de la glucosa. Pueden éstas combinarse con diversos tipos de moléculas para dar lugar a formas irreversibles, que hemos denominado productos finales de glicosilación avanzada ( AGE, por advanced glycosylation end products).

La mayoría de los AGE presentan un color pardo amarillento, son fluorescentes y exhiben propiedades espectrográficas específicas. Y son muchos los que pueden establecer enlaces cruzados con las proteínas adyacentes, lo que resulta más importante aún para el organismo. Se desconoce la estructura química precisa de los productos finales de glicosilación avanzada y de la mayoría de los derivados AGE. Pero hay datos que indican que los AGE suelen formarse por la unión de un producto Amadori con la glucosa o con otro azúcar. Tales productos finales podrían tender puentes con otras proteínas uniéndose a los grupos amino. En ocasiones podrían fusionarse dos productos Amadori, srcinando un AGE que es otro entrecruzado. El único entrecruzado derivado de la glucosa del que se conoce la estructura química constituye precisamente un ejemplo de ese tipo. Se trata del 2-furanil-4(5)(2-furanil)-1H-imidazol, o FFI. Aislado inicialmente en el laboratorio (de una mezcla del aminoácido lisina, la proteína albúmina y la glucosa), el FFI se encontró luego en el organismo.

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el estudio de la diabetes, enfermedad caracterizada por la presencia de elevados niveles de glucosa en la sangre, se derivó la convicción de que la reacción de oscurecimiento podía transcurrir también en el organismo, y de que incluso podía dañarlo. A. Cerami y Ronald J. Koenig indicaron a mediados de los años setenta que la sangre de los diabéticos contenía niveles superiores a los normales de hemoglobina A1c, una variante de la hemoglobina, el componente proteico de los glóbulos rojos encargado de transportar oxígeno. Interesados por el motivo de esa elevación de los niveles de la proteína, decidieron determinar su estructura. La hemoglobina A1c es un producto Amadori. Como sucede con la mayoría

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de los productos Amadori formados en los alimentos, la cantidad de hemoglobina A 1c viene condicionada por el nivel de glucosa en sangre: cuando es alto, también lo es la cantidad de productos Amadori. (Diversos investigadores han identificado desde entonces unas dos docenas de proteínas Amadori en el hombre y, como cabía esperar, su concentración en los diabéticos duplicaba o triplicaba la presentada por los no diabéticos.) Estos datos revelan que la glucosa, que baña los tejidos y las células del organismo entero, no es la molécula biológicamente inerte que la mayoría

de los biólogos creía. El azúcar no reacciona en su configuración cíclica, pero el anillo se abre lo bastante a menudo para permitir la formación de productos Amadori. La glucosa, el azúcar menos reactivo del organismo, tiene el mayor efecto potencial sobre las proteínas porque es el más abundante. La reactividad de la glucosa hizo que Cerami pensara que su exceso en la sangre de personas con diabetes incontrolada podría constituir algo más que un indicador de la enfermedad. Si el azúcar podía unirse a las proteínas del organismo en reacciones

no sometidas al control enzimático, pensó, su presencia en cantidades excesivas quizá contribuyera a las complicaciones de la diabetes: el abanico de trastornos que van desde una sensación de malestar general hasta la insuficiencia renal, afección común entre los diabéticos, a los que acorta la vida. Pudiera ser que la elevación de los niveles de glucosa actuara especialmente sobre las proteínas de vida larga, formándose abundantes productos terminales de glicosilación avanzada. La acumulación de AGE modificaría a su vez de manera indeseable los tejidos del organismo.

1. MACROFAGO (cuerpo de superficie rugosa del centro), to. Los autores postulan que losAGE van acumulándose célula que elimina desechos de los tejidos, a punto de inge- sobre células y proteínas de vida larga, formando enlaces rir glóbulos rojos (discos lisos) a los que se han unido pro- cruzados que deterioran los tejidos. Los macrófagos retiran ductos finales de glicosilación avanzada, oAGE . Los AGE las proteínas alteradas, pero pierden eficacia con el enveson moléculas derivadas de la combi nación de glucosa y de jecim iento del ind ividu o. En esta micrograf ía, realiz ada por proteína sin participación de enzimas, proceso denomina- David M. Phillips, las células aparecen aumentadas 10.000 do, en su conjunto, reacción de Maillard, o de oscureci mien-diámetros.

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Esas reflexiones hicieron pronto sospechar que la glucosa pudiera estar implicada en los cambios hísticos asociados con el envejecimiento normal. El efecto de la diabetes sobre muchos órganos y tejidos a menudo se describe como un envejecimiento acelerado, porque varias de las complicaciones que afectan a las personas que la sufren —cataratas seniles, rigidez muscular y aterosclerosis— son idénticas a las alteraciones que se presentan en la vejez, salvo que se desarrollan antes. Si, en efecto, el exceso de glucosa acelerase el desarrollo de esos achaques en los diabéticos, sería razo-

teínas susceptibles de acumular gran cantidad de productos finales de glicosilación avanzada. También parecía probable que la formación de esos AGE, y de entrecruzados derivados de ellos, participara en el oscurecimiento y enturbiamiento del cristalino (es decir, en el desarrollo de cataratas seniles) que acompañan a la vejez. Venía a apoyar esa noción el descubrimiento anterior de la existencia de dos tipos de enlaces cruzados en los agregados proteicos del cristalino humano aquejado de cataratas seniles. Un enlace tenía color, señal de que podía tratarse de un AGE; el otro era una

nable postular que, en cantidades normales, participase su lenta aparición en las demás personas a medida que envejecen. Los estudios de senescencia efectuados en nuestro laboratorio (que venían a complementar a los de diabetes) se abordaron con el propósito de determinar si los productos finales de la glicosilación avanzada se acumulaban realmente en las proteínas de vida larga del organismo y provocaban la formación de estructuras de entrecruzamiento entre aquéllas. Nuestro primer objetivo fueron los constituyentes proteicos mayoritarios del cristalino del ojo pues, según se cree, esas proteínas se conservan de por vida; se ajustaban, por tanto, al modelo de pro-

unión de tipo disulfuro formada entre los grupos sulfhidrilo (SH) del aminoácido cisteína. Experimentos in vitro realizados por Cerami, Victor J. Stevens y Vincent M. Monnier demostraron que, actuando sobre una solución de aquellas proteínas, la glucosa producía estructuras parecidas a las de las cataratas. Mientras que en ausencia de glucosa las soluciones que contenían cristalinos bovinos permanecían claras, cuando había glucosa se formaban agregados de proteínas, probable indicio de que entre las moléculas se habían establecido enlaces cruzados. Los agregados difractaban la luz y convertían en opaca la solución. Los análisis de los enlaces tendidos entre las

moléculas confirmaron la presencia de ambos tipos: uniones disulfuro y pigmentadas. También descubrieron que los enlaces pigmentados de las cataratas seniles humanas eran de color pardusco y exhibían la característica fluorescente de los productos finales de la glicosilación avanzada. Se comprobó incluso que algunos entrecruzamientos eran el producto de glicosilación avanzada FFI.

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stos datos y otros parecidos indican que la glicosilación no enzimática de las lentes cristalinas puede contribuir a la formación de cataratas

a través mecanismos. Es probable quede la dos glucosa altere la configuración de las proteínas e inste el afloramiento de grupos sulfhidrilo antes ocultos, que devendrían susceptibles de combinación con otros grupos sulfhidrilo próximos. Se formarían entonces uniones disulfuro y se iniciaría la agregación proteica. Posteriormente se reorganizarían los productos Amadori de las proteínas, facilitándose la formación de FFI y otros enlaces pigmentados que decolorarían el cristalino y le conferirían opacidad. Convencidos de que al menos un tipo de proteínas sufre la reacción de oscurecimiento y forma uniones no deseables, centramos nuestra atención en la proteína más abundante del organismo: el colágeno. Esa proteína extracelular de larga vida une entre sí las células de muchos órganos y colabora en la constitución del entramado que da forma y soporte a las paredes de los vasos sanguíneos. Es también el componente mayoritario de los tendones, la piel, el cartílago y otros tejidos conjuntivos. Son muchos los investigadores que han puesto de manifiesto la formación de colágeno en muchos tejidos, así como que su entrecruzamiento y rigidez aumentan con la edad. Las primeras pruebas de que el colágeno podía acoger a los productos finales de la glicosilación avanzada se recabaron en estudios de la duramadre, la capa de colágeno que separa el cerebro del cráneo. Monnier, Cerami y Robert R. Kohn demostraron que la duramadre de ancianos y diabéticos exhibía una coloración pardo amarillenta de propiedades fluorescentes y espectrográficas comparables con las de los productos finales de la glicosilación avanzada obtenidos in vitro . 2. FORMACION de uniones entrecruzadas derivadas de la glucosa, mostrada de Como cabía esperar, las proteínas de modo muy esquemático; comienza cuando la glucosa se une a un grupo amino2)(NHpersonas afectadas de diabetes habían de una proteína arriba ( ), por ejemplo el colágeno. El producto inicial, una base deacumulado más pigmento que las de Schiff, se transforma rápidamente en producto Amadori que, tras atravesar diverlos no diabéticos. En estos últimos sos estadios mal conocidosflecha ( ), se convierte en un AGE. Los AGE discontinua se parecen a cepos tendidosen ( rojo), listos para apresar los grupos amino libres individuos la coloración aumentaba en proporción lineal a la edad. de alguna proteína próxima y formar enlaces entrecruzados abajo ( ).

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3. ESTRUCTURA QUIMICA de las bases de Schiff de glucosala de la mayoría de losAGE pero se ha identificado uno de y proteína y de los product os Amadori. Queda por desentrañarellos: el 2-furanil-4(5)-(2-furanil)-1 H-imidazol, FFI.

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ruebas obtenidas en varios estudios indican que la glucosa no sólo induce en el colágeno la formación de AGE, sino también el establecimiento de uniones entrecruzadas. Por los trabajos de otros investigadores se conoce desde hace tiempo que, sometidas a tensión, cuesta más romper las fibras de los tendones de la cola de ratas viejas que las fibras de ejemplares jóvenes, indicio de que las fibras viejas están más entrecruzadas y son menos flexibles. Monnier, Cerami y Kohn intentaron imitar los efectos del envejecimiento incubando fibras de tendones de ratas jóvenes en presencia de varios azúcares. Las fibras acumulaban gradualmente los productos finales de la glicosilación avanzada y mostraban un aumento concomitante del tiempo de rotura. Luego analizamos el establecimiento de uniones de entrecruzamiento en el colágeno purificado y en el aórtico. En el primer caso se incubó la proteína con glucosa en un tubo de ensayo; en el segundo caso se incubó esencialmente en el organismo de animales diabéticos que presentaban elevados niveles de glucosa en sangre. Los análisis demostraron inequívocamente en ambos casos que la glucosa provocaba la formación de un entrecruzado generalizado. Sospechamos que la formación de enlaces cruzados entre derivados de glucosa y proteínas de vida larga ayuda a explicar muchos de los síntomas del envejecimiento y muchas de las complicaciones de la diabetes, pero tales uniones no son las únicas que pueden dañar al organismo. Hemos demostrado que los AGE dispuestos sobre el colágeno de las paredes arteriales y en las membranas basales de

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los capilares pueden, de hecho, capturar gran variedad de proteínas plasmáticas que, en circunstancias normales, son de vida breve. Aun cuando se incube primero el colágeno con glucosa y luego se lave en su totalidad el azúcar libre, las proteínas de vida larga conservan la capacidad de unirse covalentemente a ciertas moléculas: albúmina, inmunoglobulinas y lipoproteínas de baja densidad. Esas uniones quizás expliquen por qué tanto los ancianos como los diabéticos están predispuestos al desarrollo de aterosclerosis, que es la aparición de una placa de células de músculo liso, colágeno (procedente de las células de la musculatura lisa) y lipoproteínas (las proteínas ricas en colesterol que constituyen la fuente principal de grasa y colesterol de las lesiones ateroscleróticas) en las paredes arteriales. No se conocen aún los procesos exactos que instan el desarrollo de la aterosclerosis. Resulta concebible que la glucosa contribuya a la formación de la placa fomentando la acumulación progresiva de productos finales de glicosilación avanzada sobre el colágeno de las paredes del vaso. Una vez formadas esas sustancias, el colágeno atraparía las lipoproteínas de baja densidad que circulan por el plasma, que a su vez podrían constituir sitios de unión para otras lipoproteínas. Teóricamente el colágeno modificado por la glucosa podría atrapar también el factor de Von Willebrand, una proteína cuya función consiste, según se cree, en promover la agregación de las plaquetas (cuerpos pegajosos que participan en la coagulación de la sangre). Las plaquetas liberarían un factor que estimula la prolife-

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pio, productos finales de glicosilación avanzada. Esos AGE contribuirían al demostrado incremento de las alteraciones cromosómicas con la edad y al deterioro correlacionado de la reparación, la replicación y la transcripción del ADN. Según parece, esos cambios genéticos merman la capacidad del organismo para renovar proteínas de importancia decisiva en el normal funcionamiento y supervivencia de la célula. La glicosilación no enzimática podría también causar mutaciones que afectasen a la actividad del sistema inmunitario y srcinar algún tipo de cáncer. Richard Bucala, PeterdeModel y Cerami se dieron cuenta que, incubando ADN con glucosa, se producían inequívocamente compuestos coloreados fluorescentes. La coloración no se produce con la rapidez descrita en las proteínas, porque los grupos amino de los ácidos nucleicos son mucho menos reactivos que los grupos amino de las proteínas. No se ha investigado todavía el efecto de los AGE sobre los ácidos nucleicos de las células de mamífero, pero los estudios que hemos realizado con bacterias indican que la glicosilación no enzimática pudiera entorpecer el normal funcionamiento de los genes humanos. Si se incuba en glucosa un 4. FIBRAS de colágeno, la proteína más abundante en el reino animal, ampliadasbacteriófago a (un virus bacteriano) de 26.000 aumentos en esta micrografía electrónica de barrido de colágeno de embrión genoma de ADN y se le introduce en de pollo tomada por Christine McBride y David E. Birk. A medida que los animales la bacteria Escherichia coli , dismiy las personas envejecen, el entrecruzamiento de las moléculas de proteína de esas nuye la capacidad de los fagos para fibras provoca el endurecimiento de los tejidos del organismo entero. Aunque no infectar las células de E. coli. El grado se conoce la naturaleza exacta de todos los entrecruzamientos, los datos disponi bles de disminución depende del tiempo de señalan que muchos de ellos podrían ser derivados AGE. incubación, así como de la concentración del azúcar. ración de células de la musculatura riñones envejecidos, la capacidad de Bucala y sus colaboradores desculisa, que añadirían más colágeno. filtrar los desechos de la sangre. Por brieron también que, si se añadía el Otros procesos en los que intervenga otra parte, con el paso del tiempo los aminoácido lisina a la mezcla de ADN la glucosa estimularían la formación capilares endurecidos del organismo y glucosa, se aceleraba la pérdida de de la placa ( véase la figura 5 ). Debe- se estrechan sobremanera o se oclu- la actividad vírica. Presumiblemente rán efectuarse más estudios para yen en las extremidades inferiores, el azúcar reaccionaba con el aminoádeterminar la distinta participación donde la gravedad aumenta el ritmo cido, formándose un “ AGE-lisina”, que de los mecanismos citados y para eva- de captura de proteínas por las pare- se unía inmediatamente al ADN. luar su posible interacción con otros des de los vasos. Ello contribuye al Puesto que las células de mamífero procesos que contribuyan al desarro- empeoramiento de la circulación y a contienen proteína y glucosa, parece llo de la aterosclerosis. la pérdida de sensibilidad que los diaprobable que la unión covalente de La captura y entrecruzamiento de béticos y los ancianos no diabéticos proteínas al ADN que se advierte en proteínas explicaría también las agre- experimentan en las extremidades. las células envejecidas responda a una gaciones que se observan en las mem- Los nervios sensoriales necesitan un reacción similar. Se desconoce qué branas basales de los capilares de per- aporte adecuado de sangre para fun- efectos derivan de esa unión de prosonas ancianas (y el espesamiento cionar correctamente. teínas con el material genético. más rápido en los diabéticos). El Puesto que el envejecimiento se engrosamiento de una membrana registra tanto en el nivel celular como o se sabe todavía por qué la unión basal especializada del riñón, la al ADN de la glucosa, o de una en el hístico, acometimos el examen matriz mesangial, provoca la insufi- de los efectos de la glucosa sobre el proteína glicosilada, obstaculiza la ciencia renal de los diabéticos. Menos material que regula la actividad celu- actividad normal de los bacteriófagos, conocidas son las consecuencias del lar: los genes. El ácido nucleico ADN, si bien en otro estudio se demostró que espesamiento de la membrana basal que contiene grupos amino, constila glucosa provocaba una mutación renal en las personas no diabéticas, tuye, al menos en las células en reposo, del ADN. Los investigadores aislaron aunque sospechamos que el proceso una molécula de vida larga; por con- plásmidos (fragmentos extracromosópueda contribuir a amortiguar, en los siguiente, podría acumular, en princi- micos de ADN bacteriano) portadores

N

78

TEMAS 11

5. PRODUCTOS FINALES DE LA GLICOSILACION que, según sitos de colesterol en las placas ateroscleróticas. Los macróse sospecha, participan a través de varios mecanismos en lafagos intentan extraer esas lipoproteínas, liberando en el génesis de la aterosclerosis y, por tanto, de la enfermedadproceso un factor que estimula la proliferación de células de coronaria, a la que están predispuestos diabéticos y ancianos.músculo liso y su síntesis de más colágeno azul ( ). Finalmente, Cuando se daña la pared interna de un vaso sanguíneo sanolos AGE del colágeno podrían capturar el factor de Von Wille(arriba), las proteínas del plasma se pegan a la pared arterialbrand, que provoca la adhesión de las plaquetas a la pared del (abajo). Los AGE del colágeno de la pared atrapan li poproteí-vaso. Igual que los macrófagos, las plaquetas liberan un factor nas de baja densidad (LDL), que se acumulan y forman depó-de proliferación celular.

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

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de genes que conferían a E. coli resistencia contra los antibióticos ampicilina y tetraciclina. Seguidamente incubaron los plásmidos en glucosa6-fosfato, un azúcar que reacciona antes que la glucosa, introdujeron el ADN en células bacterianas y expusieron las células a un antibiótico. Murió la mayoría de las células expuestas a la tetraciclina, mientras que la mayor parte de las expuestas a la ampicilina sobrevivió. Resulta evidente que algunos de los plásmidos incubados portaban el gen de resistencia a la ampicilina, pero habían perdido la actividad del gen de resisten-

tencia a la tetraciclina habían sufrido pérdidas o inserciones de ADN. Sospechamos que los genes afectados habían capturado agregados de productos finales de glicosilación avanzada y que las mutaciones derivaban del intento, por parte de las bacterias, de reparar el ADN modificado por los AGE. Tal conclusión se apoyaba también en la observación de que el ADN de las bacterias que carecían de la enzima reparadora de ADN no mutaba. Para determinar mejor los efectos de los productos finales de glicosilación avanzada sobre el ADN de células humanas estamos desarrollando

conocimiento de los mecanismos celulares de reparación de los ácidos nucleicos glicosilados. El objetivo final de nuestro trabajo sobre envejecimiento y diabetes es encontrar el medio de prevenir o retrasar sus efectos debilitadores. Si nuestra hipótesis de glicosilación es correcta, tales efectos podrían mitigarse evitando la formación de uniones de entrecruzamiento derivadas de la glucosa o bien aumentando la actividad de los procesos que eliminan los AGE. Para afrontar el primer punto hemos desarrollado, en colaboración

AGE

ciaEstudios a la tetraciclina. nuevos para medir adicionales evidenciaron métodos y las proteínas glicosiladas enlos el ADN. que la mayoría de los genes de resis- Se necesita profundizar además en el

con Peter C. Ulrich, una prometedora droga llamada aminoguanidina. Se trata de una molécula pequeña, del grupo de los compuestos conocidos por hidrazinas, que reacciona con los productos Amadori. Por lo que se ve, se une a los grupos carbonilo, impidiendo con ello que los productos Amadori se transformen en productos finales de glicosilación avanzada.

E in vitro

n ensayos del producto efectuados incubamos albúmina con glucosa sola o bien con glucosa y aminoguanidina. Los productos finales de glicosilación avanzada se formaron en la primera mezcla en media semana y se incrementaron progresivamente con el tiempo. Por el contrario, aun produciéndose igual cantidad de productos Amadori, en la mezcla de aminoguanidina se apreciaba una notable inhibición de la formación de AGE. De la misma forma, cuando incubamos colágeno con glucosa, la proteína aparecía extremadamente entrecruzada, mientras que la adición de aminoguanidina bloqueaba casi todos los puentes intermoleculares derivados de glucosa. Resultados parecidos se han obtenido en estudios realizados en ratas diabéticas. En la aorta de los animales tratados con aminoguanidina se concentraban menos productos finales de glicosilación avanzada y menos entrecruzamientos que en la de ratas no tratadas. En un grupo distinto de ratas diabéticas hemos demostrado que la aminoguanidina impide la acumulación de inmunoglobulinas en la membrana basal de los capilares renales y la de lipoproteínas en la pared arterial. Se están proyectando ensayos de la aminoguanidina en seres humanos. Si 6. LOS PLASMlDOS, anillos extracromosómicos de ADN bacteriano, mutan al incula droga resultase inocua, podrían llebarlos con azúcar, señal de que la glucosa podría participar en alguna de las altevarse a cabo pruebas a largo plazo de raciones observadas en el envejecimiento. Después de la incubación, se insertaron su capacidad para prevenir las comen E. coli plásmidos dotados de genes que conferían a la bacteria resistencia frenplicaciones diabéticas. Puesto que la te a los antibióticos ampicilina y tetraciclina. Las células se reprodujeron normaldiabetes constituye, en ciertos aspecmente en presencia de ampicilina, mientras que la mayoría murió ante la tetracitos, un modelo de envejecimiento, el clina. Al parecer, las enzimas bacterianas intentaban reparar los genes de éxito de esos experimentos podría, en resistencia a la tetraciclina que acumulaban AGE.

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TEMAS 11

nas muy entrecruzadas que terminan por acumularse. Además, con la edad, el mecanismo de limpieza de desechos que constituyen los macrófagos parece ir perdiendo eficacia. En apoyo de esta última idea hemos descubierto que el número de receptores de AGE de que disponen los macrófagos de ratón disminuye a medida que envejecen. Tratamos de descubrir fármacos que aumenten el ritmo de extracción de esos indeseables productos de glicosilación avanzada, pero el tratamiento adecuado tendrá que disolver los productos finales sin dañar excesivamente las proteínas, irreemplazables. En el exagerada caso de la mielina, una estimulación de la captación de AGE en proteínas envejecidas o dañadas podría desgastar la vaina de 7. AMINOGUANIDINA, una droga experimental desarrollada en el laboratorio de mielina, esencial para el funcionalos autores y que interfiere en la capacidad de los productos Amadori para sufrir los cambios que, en circunstancias normales, provocan el establecimiento de enlamiento nervioso. ces entrecruzados. Se estudia su eficacia y seguridad en los seres humanos.

última instancia, facilitar el estudio de las propiedades de la aminoguanidina (o de compuestos parecidos) para prevenir enfermedades relacionadas con la edad en sujetos no diabéticos. También estamos analizando el otro enfoque del tratamiento: incrementar la actividad de los sistemas de extracción de los AGE del organismo. Aun cuando no pudiera impedirse la formación de los productos finales de glicosilación avanzada, cualquier sistema que resultara eficaz en la extracción de AGE ayudaría a contrarrestar el desarrollo de estructuras peligrosas a expensas de las proteínas. Los macrófagos, las células “carroñeras” que extraen desechos de los tejidos, constituyen, según parece, uno de esos sistemas de eliminación.

H

ace algunos años que advertimos tal propiedad de las células carroñeras, cuando examinamos la mielina de los nervios periféricos, que es una mezcla compleja de proteínas de vida larga que forman la vaina de aislamiento que rodea las fibras nerviosas. Para simular los efectos de una exposición prolongada a la glucosa en el organismo, incubamos mielina aislada en glucosa durante ocho semanas. A continuación añadimos macrófagos a la mezcla. En esas condiciones, las células ingerían más mielina que cuando la sustancia no se había expuesto al azúcar. También eliminaban más mielina de los animales diabéticos que de los no diabéticos, por la probable razón de que aquéllos portan gran cantidad de productos finales de glicosilación avanzada. Pruebas más recientes indican que

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

las señales que informan a los macrófagos sobre la captación de proteína son específicamente los productos finales de glicosilación avanzada. Por ejemplo, hemos encontrado que el macrófago de ratón porta 150.000 receptores para los AGE que se forman sobre la albúmina. Los macrófagos intentan ingerir toda proteína que aparezca unida a productos finales de glicosilación avanzada, FFI, pero los receptores de las células no reaccionan con ninguna de las sustancias distintas de AGE que se acumulan sobre las proteínas, incluidos los productos Amadori. Afloró espectacularmente la afinidad de los macrófagos por los FFI, y por los productos finales de glicosilación avanzada en general, cuando unimos FFI y otros AGE con las proteínas de membrana de glóbulos rojos normales. Los macrófagos de ratón captaron con más avidez las células alteradas que las normales. (Además de apoyar el argumento de que los macrófagos constituyen un sistema extractor de AGE, este hecho indica que los productos finales de glicosilación avanzada desempeñan al menos un papel constructivo en el organismo: quizá señalen que una célula ha envejecido y tiene que eliminarse.) ¿Por qué se acumulan los AGE sobre las proteínas si el organismo dispone de un sistema para deshacerse de ellos? Carecemos de respuesta, pero resultan verosímiles algunas explicaciones. Por un lado, los productos finales suelen formarse en lugares de difícil acceso para los macrófagos. Por otro, parece cada vez más difícil la extracción de las proteí-

D

ebemos contar con más pruebas antes de poder afirmar con certeza que la glicosilación no enzimática de proteínas contribuye a las alteraciones hísticas y celulares que caracterizan al envejecimiento. Los datos aportados indican que nuestra hipótesis es prometedora. Y más importante aún, nuestros descubrimientos afianzan la atractiva posibilidad de que algún día se desarrollen tratamientos para prevenir alguno de los cambios que tan a menudo convierten el “envejecimiento” en sinónimo de “enfermedad”.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA MODIFICATION OF DNA BY REDUCING SUGARS: A POSSIBLE MECHANISM FOR NUCLEIC ACID AGING AND AGE-RELATED DYSFUNCTION IN GENE EXPRESSION. Ri-

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sara, A. Kooney, P. Ulrich y A. Cerami en Science, volumen 232, número 4758, páginas 1629-1632; 27 de junio de 1986.

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Restricción calórica y envejecimiento Richard Weindruch Comer menos, pero con la garantía de tomar suficientes proteínas, grasas, vitaminas y minerales. Esta prescripción obra milagros en la salud y la longevidad de los roedores. ¿Ayudará también a los seres humanos? HUMANO

H

ace sesenta años, en la Universidad de Cornell se realizó un extraordinario descubrimiento. El equipo de Clive M. McCay sometió a ratas experimentales a una dieta muy baja en calorías, y lograron con ello ampliar el límite superior de la vida de los animales en un 33 por ciento; el tope máximo, que está en los tres años, lo retrasaron a cuatro. Más adelante observaron que estas ratas mantenidas con dietas hipocalóricas alargaban su juventud y sufrían menos enfermedades propias de la edad avanzada que sus congéneres alimentados con una dieta normal. Desde los años treinta, la única medida que ha demostrado de forma convincente retardar el envejecimiento no sólo en los roedores (mamíferos como nosotros), sino también en una escala animal que va de los protozoos unicelulares a las lombrices intestinales, las moscas de la fruta y los peces, ha sido la restricción calórica. Según era de esperar, la potencia evidenciada por el método plantea la cuestión de si prolongará también la vida y el estado de buena salud de las personas. Aunque el tema está abierto, el mero hecho de la eficacia mostrada en organismos dispares abona las posibilidades de una respuesta afirmativa. Además, la idea recibe respaldo complementario de ciertos resultados llamativos que se han obte-

1. PROLONGACION de la esperanza de vida. Se ha conseguido, a menudo de una manera sustancial, mediante dietas muy bajas en calorías en una serie de animales, algunos de los cuales se muestran aquí. Queda por ver si la restricción calórica aumentará ese parámetro en los seres humanos. Las dietas restrictivas alcanzan dicho objetivo sólo si los animales reciben un suministro adecuado de nutrientes.

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Dieta Normal Vida media: 75 años Vida máxima: 110 años (unos pocos viven más) Restrición calórica Vida media: ??? Vida máxima: ???

RATA BLANCA Dieta normal Vida media: 23 meses Vida máxima: 33 meses Restricción calórica Vida media: 33 meses Vida máxima: 47 meses

TEMAS 11

nido en investigaciones realizadas en monos y en humanos. Por supuesto, aun cuando la austeridad calórica fuera nuestra fuente de juventud quizá no se ganaría el fervor popular. No tiene el hombre un buen historial de adhesión a dietas severas. Pero podrían desarrollarse algún día fármacos que ayudaran a controlar, con inocuidad y a largo plazo, nuestro apetito o remedar las influencias beneficiosas que la limitación de calorías ejerce sobre los tejidos del organismo. Este último enfoque nos permitiría consumir dietas regulares sin dejar de cosechar los saludables efec-

proceso (o procesos) del envejecimiento en sí mismo. La investigación ha puesto al descubierto los múltiples beneficios que la restricción calórica aporta a los animales, siempre, claro está, que se respeten al máximo los requerimientos nutricionales de quienes siguen la dieta. En la mayoría de los estudios, los individuos sujetos a experimentación, por lo común ratas o ratones, consumen de un 30 a un 50 por ciento menos de calorías que las que ingieren los sujetos control; pesan, también, de un 30 a un 50 por ciento menos. Al propio tiempo, reciben las

(es decir, la esperanza máxima de vida de los miembros más longevos del grupo). Esta segunda consecuencia supone que la restricción calórica restaña algunos procesos básicos del envejecimiento. Todo lo que impida la muerte prematura, como la causada por accidente o por enfermedad evitable o tratable, aumentará el promedio de vida de una población. Pero hay que frenar el ritmo de envejecimiento si se quiere que los individuos resistentes sobrepasen el máximo actual.

tos derivadosEn de muchos restringir la ingesta alimentaria. laboratorios, entre ellos el nuestro de la Universidad de Winsconsin en Madison, se están investigando las bases moleculares y celulares de la influencia de la restricción calórica en el retraso del envejecimiento. Tal vez nuestros esfuerzos acaben aportando vías alternativas a la restricción de alimento; de momento, sin embargo, lo que a la mayoría nos guía es desentrañar el

proteínas, grasas, vitaminas y minerales que demanda el funcionamiento eficaz de sus tejidos. En otras palabras, los animales siguen una dieta prudente llevada al límite, en la que reciben sólo las calorías que los salvan de la desnutrición. Si se satisfacen las necesidades nutritivas, la restricción calórica aumentará, de forma consonante, no sólo el promedio de vida de la población, sino también la duración máxima

bajas en la calorías han en los roedores mayoría deaplazado las enfermedades graves que suelen presentarse en edades avanzadas; por ejemplo, los cánceres de mama, próstata, sistema inmunitario y tracto gastrointestinal. Por otro lado, de los aproximadamente 300 indicadores de envejecimiento que se han medido, un 90 por ciento de los mismos mantiene, en los roedores sometidos a restricción calórica, valor es “más jóvenes” durante más

A

demás de modificar al alza la esperanza de vida, las dietas

ARAÑA Dieta normal Vida media: 50 días Vida máxima: 100 días Restricción calórica Vida media: 90 días Vida máxima: 139 días LEBISTES RETICULATUS

Dieta normal Vida media: 33 meses Vida máxima: 54 meses Restricción calórica Vida media: 46 meses Vida máxima: 59 meses DAFNIA Dieta normal Vida media: 30 días Vida máxima: 42 días Restricción calórica Vida media: 51 días Vida máxima: 60 días

PROTOZOO Dieta normal Vida media: 7 días Vida máxima: 13 días

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

Restricción calórica Vida media: 13 días Vida máxima: 25 días

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tiempo que en los bien alimentados. Así, ciertas respuestas inmunitarias decaen en los ratones normales de un año (madurez), pero no lo hacen en los ratones más delgados, aunque genéticamente idénticos, hasta los dos años de edad. De igual forma, a medida que los ratones envejecen suelen eliminar la glucosa (un azúcar de estructura simple) que portan en la sangre con menor eficacia que en su juventud (cambio que puede desembocar en diabetes); además, se demoran más en la

síntesis de las proteínas necesarias, experimentan mayor entrecruzamiento (y, por tanto, mayor rigidez) en las proteínas hísticas de larga duración, pierden masa muscular y aprenden más despacio. En los animales sometidos a restricción calórica, todos estos cambios se postergan. Por consiguiente, a nadie sorprenderá que los investigadores se plantearan si las ventajas dimanantes de las dietas bajas en calorías se debían a la propia restricción calórica (energética)

Beneficios de la restricción calórica

a E IV V E R B O S E U Q E J A T N E C R O P

D

esde comienzos del siglo XX los avances registrados en las prácticas sanitarias de los norteamericanos han tenido mucho que ver en el aumento de su promedio de vida (a), sobre todo al mejorar la prevención y el tratamiento de las enfermedades que interrumpen prematuramente la existencia. Pero esas intervenciones no han afectado de manera significativa a la duración máxima de la vida, que se cree determinada por procesos de envejecimiento intrínsecos. (Las curvas y los datos de la gráfica muestran proyecciones para las personas nacidas en los años indicados y se han calculado suponiendo que no cambian las condiciones que influyen en la pervivencia.) La restricción calórica, por el contrario, ha aumentado la esperanza máxima de vida, tanto como la media, en roedores (b); se trata de la única práctica que ha demostrado retardar el envejecimiento en mamíferos, señal de que el envejecimiento en humanos podría demorarse también. Aunque las dietas severas amplían la pervivencia más que las moderadas, un estudio de ratones alimentados

100 90 80 D 70 A D 60 E A 50 D A 40 C A 30 20 10 0

o si tal éxito correspondía a la limitación de grasas o algún otro componente de la dieta. Se ha comprobado que la hipótesis primera es la correcta. La restricción en grasas, proteínas o carbohidratos sin reducción calórica no aumenta la vida máxima de los roedores. La simple complementación con complejos polivitamínicos o con elevadas dosis de antioxidantes no sirve, ni tampoco la modificación del tipo de grasa, proteína o carbohidratos de la dieta.

SUPERVIVENCIA HUMANA EN ESTADOS UNIDOS

1980 1940

1988

1900 VIDA MEDIA 1900 — 47 AÑOS 1988 — 75 AÑOS 0

10

20

30

VIDA MAXIMA

40

50 60 70 EDAD (AÑOS)

80

90

100 110

FUENTE: Oficina del Censo de EE.UU.; Centro Nacional de Estadística Sanitaria

b

SUPERVIVENCIA DEL RATON

ANIMALES CON RESTRICCION CALORICA

E 100 V I V E 80 R B OD S A D E E 60 U QA D E J A 40 A C T A N E 20 C R O P

desde edad temprana (tres semanas) con una dieta reducida en calorías demuestra que hasta las restricciones ligeras reportan algún beneficio (c). Este hallazgo es una noticia prometedora para las personas. También es alentador el descubrimiento de que la restricción calórica en roedores no se limita a prolongar la vida: los animales a ella sometidos permanecen jóvenes más tiempo (tabla). La hembra que se muestra tenía 53 meses cuando se tomó esta fotografía y murió de causas desconocidas un mes más tarde. La mayoría de los ratones de su raza que siguen una dieta normal mueren a los 40 meses.

0

COMIENZO DEL ESTUDIO

SUJETOS CONTROL

VIDA MEDIA CONTROLES — 33 MESES RESTRINGIDOS— 45 MESES

0

10

20

VIDA MAXIMA

30 40 EDAD (MESES)

50

60

c

RESTRICCION DE CALORIAS EN ROEDORES: EFECTOS SELECCIONADOS Retrasa las disminuciones relacionadas con la edad de: control de glucosa en sangre; fecundidad en las hembras; reparación del ADN; inmunidad; capacidad de aprendizaje; masa muscular; síntesis de proteínas

Demora los aumentos relacionados con la edad de: entrecruzamiento de proteínas de larga duración; producción de radicales libres por las mitocondrias; lesión oxidativa hística sin restañar

Retrasa el inicio de las enfermedades que aparecen en la senectud, entre ellas: alteraciones autoinmunitarias; cánceres; cataratas; diabetes; hipertensión; insuficiencia renal

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SUPERVIVENCIA DEL RATON A DIFERENTES NIVELES DE INGESTION CALORICA

60

50 ) S E S E

VIDA MAXIMA

( 40 M A D I V

30

VIDA MEDIA

20 20

40 60 80 100 120 INGESTA CALORICA POR SEMANA

140

TEMAS 11

Los estudios sugieren también, y esto es alentador, que la restricción calórica puede ser útil aun cuando no se inicie hasta la mediana edad. De hecho, el descubrimiento más excitante de toda mi carrera ha sido el de que la restricción calórica iniciada en ratones que entraban en el ecuador de su existencia extendía la esperanza de vida de un 10 a un 20 por ciento y se oponía al desarrollo de cáncer. Además, aunque la limitación de la ingesta calórica hasta alrededor de la mitad de la consumida por los animales que se alimentan libremente retrasa al máximo la cota superior de la pervivencia, unaproporciona restricción menos drástica también algún beneficio, se haya empezado al principio de la vida o más tarde. Para poder afirmar que la restricción alimentaria retrasará forzosamente el envejecimiento en el ser humano, habrá que confirmar los resultados de los roedores en monos (que tienen un parecido más estrecho con los humanos) o en miembros de nuestra propia especie. Y para que esas investigaciones proporcionen información de mayor fuste, deberán incluir un seguimiento de muchos años (empresa cara y de logística difícil). Pese a todo, se están desarrollando ya dos importantes ensayos en monos. Es demasiado pronto para saber si las dietas bajas en calorías prolongarán la vida o la juventud de los monos. Pero sí se han podido medir los efectos de la restricción calórica en los indicadores biológicos del envejecimiento: parámetros que suelen cambiar con la edad y podrían contribuir a predecir la duración futura del intervalo de buena salud y la esperanza de vida. En este contexto, sabido es que, conforme los primates envejecen, su presión arterial y sus niveles sanguíneos de insulina y glucosa se elevan; al mismo tiempo, disminuye la sensibilidad a la insulina (la capacidad de las células para captar glucosa en respuesta a las señales emanadas de la insulina). El aplazamiento de esos cambios podría significar que la dieta experimental está reduciendo el ritmo de envejecimiento, al menos en algunos de sus aspectos. De las dos investigaciones que se están llevando a cabo en monos, la dirigida por George S. Roth comenzó en 1987. Se examinan monos rhesus, que suelen llegar hasta unos 30 años, aunque a veces alcanzan los 40, y monos ardilla, que rara vez sobrepasan los 20 años. Algunos animales iniciaron la restricción dietética en la juventud (al año o a los dos años de

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

2. ESTOS DOS RATONES TIENEN LA MISMA EDAD: 40 meses. Sin embargo, comparado con el animal de la derecha alimentado con una dieta normal, el de la izquierda, que ha sido criado en una dieta baja en calorías desde los 12 meses (principio de la madurez), parece más joven y está más sano.

edad); otros, entrados ya en la pubertad. El segundo proyecto lo encabezan William B. Ershler, Joseph W. Kemnitz y Ellen B. Roecker. Centrado sólo en monos rhesus, el experimento empezó en 1989; yo me uní a ese equipo un año después. Nuestros monos se sometieron a la dieta de restricción calórica en plena juventud, entre ocho y catorce años de edad. En uno y otro trabajo, la restricción calórica impuesta es alrededor de un 30 por ciento inferior a la ingesta de los controles, que se alimentan sin ningún tipo de menoscabo.

L

os resultados provisionales obtenidos hasta ahora son prometedores. En uno y otro proyecto, los animales sometidos a dieta se muestran sanos y felices, aunque ansiosos a la hora de comer; sus cuerpos parecen responder al régimen de forma muy similar a lo observado en los roedores. La presión arterial y los niveles de glucosa son menores que en los animales control; la sensibilidad a la insulina, mayor. Los niveles de insulina en sangre son también menores. No se han acometido investigaciones sistemáticas sobre los efectos de la restricción calórica a largo plazo en humanos de peso medio. Los datos relativos a poblaciones que se han visto forzadas por la pobreza a vivir con escasas calorías no aportan información significativa, puesto que tampoco reciben las cantidades adecuadas de nutrientes esenciales. Pese a ello, algunos estudios sobre ciertas pobla-

ciones ofrecen pruebas indirectas de la eficacia de la restricción calórica. Pensemos en los habitantes de Okinawa, muchos de los cuales consumen dietas bajas en calorías, si bien provistas de los nutrientes necesarios. La incidencia de centenarios en la isla multiplica por 40 la de cualquier otra del archipiélago nipón. En otro orden y de acuerdo con los resultados publicados de estudios epidemiológicos realizados en EE.UU. y en otros países, ciertos cánceres, sobre todo los de mama, colon y estómago, aparecen con menos frecuencia en personas que consumen pocas calorías. Se obtuvieron asimismo resultados interesantes en el examen de las ocho personas que participaron en el experimento Biosfera 2, en Tucson; instaladas en un entorno autoabastecido, se vieron obligadas a recortar notablemente su ingesta durante dos años al ser menor de lo esperado la producción de alimentos en el hábitat. Se ha cuestionado el valor científico de ese proyecto, pero quienes nos sentimos interesados en los efectos de las dietas bajas en calorías contamos con la fortuna de que el médico del equipo fuera Roy L. Walford, experto en restricción calórica y envejecimiento (y mi mentor en estos lances). Walford ayudó a sus compañeros a evitar la desnutrición y llevaba el registro de vari os aspe ctos de la fisiolog ía del grupo. Sus análisis revelaron que la restricción calórica inducía una caída de la presión arterial y de los niveles de glucosa: las dos secuelas observa-

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Una teoría sobre el envejecimiento

D

e acuerdo con la doctrina más aceptada, envejecemos por culpa, en buena parte, de la labor destructiva de los radicales libres (rojo) producidos en las mitocondrias. Los radicales se forman (izquierda) cuando la maquinaria productora de energía de las mitocondrias (recuadro negro) usa el oxígeno y los nutrientes para sintetizar ATP, la molécula (verde) que aporta el combustible para la mayoría de las actividades celulares. Esos radicales atacan, y quizá lesionan MITOCONDRIA SANA DE CELULA JOVEN

Un número restringido de radicales libres atacan la célula

para siempre, la propia maquinaria y el ADN mitocondrial que es necesario para construir partes de dicho mecanismo. También pueden dañar otros componentes mitocondriales y celulares. La teoría sugiere que, con el tiempo (derecha), el daño acumulado en las mitocondrias comporta la caída de síntesis de ATP. E insta una mayor producción de radicales libres, acelerando así la destrucción de los componentes celulares. A medida que se las va privando de energía y dañando, las células se desenvuelven peor. En consecuencia, los tejidos que forman y el organismo entero empiezan a fallar. Se sospecha que la restricción calórica retarda el envejecimiento, sobre todo al reducir la producción de radicales libre s en las mitocondrias.

RADICAL LIBRE

NUTRIENTES Y OXIGENO

Abundante ATP impulsa las actividades celulares

MATRIZ

MITOCONDRIA DAÑADA EN CELULA VIEJA AGOTADA

Mayor daño provocado por radicales libres

NUTRIENTES Y OXIGENO

ATP

Menor aportación de ATP

MAQUINARIA PRODUCTORA DE ENERGIA MEMBRANA INTERNA ADN MITOCONDRIAL T IE M PO

COMPLEJO MOLECULAR

La fabricación de energía... y de radicales libres

L

a maquinaria mitocondrial de producción energética consiste fundamentalmente en la cadena de transporte de electrones: una serie de cuatro complejos moleculares grandes (gris) y dos pequeños (verde claro). Los complejos I y II (izquierda) captan del alimento electrones (flechas color oro) y los hacen llegar a la ubiquinona, el lugar de mayor generación de radicales libres (rojo). La ubiquinona envía los electrones en sentido descendente por el resto de la cadena hasta RADICALES LIBRES

H+

COMPLEJO I

el complejo IV, donde interaccionan con el oxígeno y el hidrógeno para formar agua. El flujo de electrones induce la corriente de protones (H+) (flechas azules) a otro complejo —la sintetasa de ATP ( morado )— que extrae la energía suministrada por los protones para fabricar ATP ( verde oscuro). Los radicales libres se forman cuando los electrones se escapan de la cadena de transporte y se combinan con el oxígeno de su vecindad. H+ e - + O 2 + H +

H+

COMPLEJO IV

H2O

ATP H+

ADP + FOSFATO

COMPLEJO III

MATRIZ

MB ME

NA RA

UBIQUINONA COMPLEJO II H+

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SINTETASA DE ATP CITOCROMO C

H+

H+

TEMAS 11

das en roedores y monos. El colesterol sérico total disminuyó también. Aunque se les conceda un carácter provisional a los resultados obtenidos en monos y humanos, los datos derivado s de los estudios con roed ores demuestran sin ambages que la restricción calórica ejerce múltiples efectos beneficiosos. Tamaña diversidad representa, empero, un problema para los investigadores: de los múltiples cambios registrados, ¿cuál contribuye más (en el supuesto de que lo haga alguno) a aumentar la longevidad y la juventud? No existe acuerdo entre los expertos. Pero sí han descartado propuestas antaño seseconsideraron viables. que Por ejemplo, sabe que una ingesta baja en energía retrasa el crecimiento y reduce la cantidad de grasa del organismo. Estos dos efectos compitieron, tiempo atrás, por arrogarse la primacía del cambio que conducía a la longevidad; ya nadie los defiende. Se siguen estudiando otras hipótesis. Todas cuentan con algún respaldo experimental. A tenor de una de ellas, la restricción calórica reduce la tasa de división celular en muchos tejidos. Dado que la proliferación descontrolada de las células es un signo patognomónico del cáncer, este cambio permitiría explicar, en principio, por qué disminuye, en los animales alimentados con dietas bajas en calorías, la incidencia de varios cánceres característicos de las etapas finales de la vida. Otra propuesta se basa en el hallazgo de que la restricción calórica tiende a reducir los niveles de glucosa en sangre. Un menor nivel de glucosa circulante disminuiría la tasa de acumulación de azúcar en las proteínas de larga duración y moderaría, por tanto, los efectos destructivos de tal concentración. Ahora bien, la teoría que hasta el presente ha recabado el apoyo más sólido sostiene que la restricción calórica retarda la esperanza de vida y el vigor corporal por la razón principal de que labora contra el daño que los radicales libres infligen en las mitocondrias. Estos orgánulos son diminutas estructuras citoplasmáticas que actúan como centrales energéticas de las células. Los radicales libres son moléculas muy reactivas (derivadas por lo común del oxígeno) que portan un electrón desapareado en su superficie. En ese estado, las moléculas tienden a oxidar destructivamente cualquier compuesto que les salga al paso, es decir, a arrebatarle electrones. Desde los años cincuenta se viene sospechando que los radicales libres contribuyen al envejecimiento. Por enton-

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

a hipótesis que atribuye el envejecimiento a los radicales libres mitocondriales se funda, en parte, en el conocimiento de la síntesis de ATP (trifosfato de adenosina) en las mitocondrias. Esta molécula abastece de energía a la mayoría de los procesos

verdad es que se responsabiliza a las mitocondrias de la mayoría de los radicales libres presentes en las células. Uno de esos productos secundarios es el radical superóxido (O 2–). (El punto de la fórmula representa el electrón desapareado.) Este metabolito renegado es destructivo por derecho propio; además, puede convertirse en peróxido de hidrógeno (H2O2), que, si bien no es un radical libre desde el punto de vista técnico, puede formar con facilidad un radical libre extremadamente agresivo: el hidroxilo (OH–). Una vez constituidos, los radicales libres pueden atacar proteínas, lípi-

celulares, como el bombeo la decontraciones a través de las membranas, ción de las fibras musculares y la síntesis de proteínas. Se forma ATP a través de una secuencia muy complicada de reacciones; en esencia, precisa de la actividad de una serie de complejos moleculares incrustados en la membrana interna de las mitocondrias. Con la ayuda del oxígeno, los complejos extraen energía de los nutrientes y usan esa energía para fabricar ATP. Por desgracia, la maquinaria mitocondrial que extrae energía de los nutrientes también produce radicales libres como producto secundario. La

dos y ADN parte la célula. Pero de se cualquier cree que los másdevulnerables son los componentes de las mitocondrias (incluidos la maquinaria sintetizadora de ATP y el ADN mitocondrial que cifra parte de esos mecanismos). Según cabe suponer, en parte se hallan en peligro porque residen en la zona, o aledaños, donde se generan los radicales libres, y reciben, por tanto, el incesante bombardeo de los agentes oxidantes. Además, el ADN mitocondrial carece del escudo proteico que protege de los agentes destructivos al ADN nuclear. Opinión que encaja con la observación según

ces, Denham Harman sugirió que la producción de radicales libres en el curso del metabolismo normal disgregaba gradualmente las células. Pero hubo que esperar hasta los ochenta para percibir que las mitocondrias eran, probablemente, los blancos atacados con mayor agresividad.

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DIETA NORMAL

DIETA REDUCIDA

688 calorías al día Ingesta alimentaria: Peso corporal:14 kg

477 calorías al día Ingesta alimentaria: Peso corporal:9,5 kg

Peso correspondiente a la grasa: 25%

Peso correspondiente a la grasa: 10%

PARAMETROS DE SALUD

PARAMETROS DE SALUD

Presión arterial: 129/60 (sístole/diástole)

Presión arterial: 121/51 (sístole/diástole)

Nivel de glucosa: 71 (miligramos por decilitro de sangre)

Nivel de glucosa: 56 (miligramos por decilitro de sangre)

Nivel de insulina: 93

(microunidades por mililitros de sangre)

Nivel de insulina: 29 (microunidades por mililitros de sangre )

Triglicéridos: 169 (miligramos por decilitro de sangre)

Triglicéridos: 67 (miligramos por decilitro de sangre)

3. LOS RESULTADOS DEL ENSAYO sobre restricción calórica que se está llevando a cabo en monos rhesus no permiten revelar si la limitación de calorías prolongará la esperanza de vida. Pero la comparación de un grupo control ( ) con izquierda animales sometidos a una dieta estricta derecha ( ) después de cinco años indica que al menos algunos parámetros biológicos que suelen elevarse con la edad cambian más despacio en los animales de prueba.

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la cual el ADN mitocondrial sufre mucho más daño oxidativo que el ADN nuclear extraído del mismo tejido. Los defensores de la hipótesis que ve en los radicales libres mitocondriales la causa del envejecimiento sugieren que la lesión que provocan en la mitocondria acaba minando la formación de ATP y fomenta la producción de radicales libres. El incremento de éstos acelera, a su vez, la lesión oxidativa de los componentes mitocondriales, que refuerza la inhibiciónlo de la síntesis de ATP. Pero los radicales libres atacan también otros componentes celulares, no sólo las mitocondrias; fenómeno que degrada aún más el funcionamiento de las células. Al par que merma el rendimiento de las células, decae también el de tejidos y los órganos de los que forman parte, y el propio organismo deviene menos capaz de afrontar los retos que cuartean su estabilidad. El organismo intenta contrarrestar los efectos nocivos de los agentes oxidantes. Las células poseen enzimas antioxidantes, que detoxifican los radicales libres, y fabrican otras enzimas que reparan el daño oxidativo. Ninguno de esos sistemas es eficaz al 100 por cien, sin embargo; de ahí la probabilidad de que la lesión se acumule con el tiempo.

COMIDA TIPICA

Lechuga 1/5 de la lechuga Tomates 1/2 taza Aliño de la ensalada 2 cucharadas soperas

Pastel relleno de manzana 1 pieza

Agua con gas 1/4 litro

Patata cocida 198 gramos Crema agria 1 cucharada sopera

Zanahorias 1 taza

Pan francés 2 rebanadas Mantequilla 1 1/2 cucharada sopera

Guisantes 1/2 taza Solomillo de ternera 170 gramos (antes de cocinarlo)

contra la lesión oxidativa de las mitocondrias. Sohal y sus colaboradores examinaron mitocondrias procedentes del cerebro, el corazón y el riñón de ratones. Hallaron que los niveles del radical superóxido y del peróxido de hidrógeno en los animales sometidos a restricción calórica durante un plazo dilatado eran bastante inferiores que en los controles alimentados normalmente. Además, en el grupo experimental la restricción caló-

Calorías: 1268

rica ponía freno aumento significativo de al producción de radicales libres que, con la edad, aparecía en los grupos control. Este efecto COMIDA RESTRINGIDA EN CALORIAS mitigador iba acompañado de una menor lesión oxidaMacedonia Leche Yogur natural tiva en proteínas y ADN 57 gramos de frutas desnatada 1/2 taza Levadura mitocondriales. Según otro 1/4 litro de cerveza trabajo, la restricción de 2 cucharadas Batata calorías ayuda a evitar los soperas 113 gramos Arroz integral cambios relacionados con la Brécol 1/2 taza 1 tallo edad que se operan en las actividades de ciertas enziEspinacas mas antioxidantes (aunque 1 taza muchos investigadores, Cucurbitáceas 1 taza entre los que me cuento, sospechan que la razón Semillas de soja Salmón principal de la disminución 1/5 de taza 90 gramos observada en la gravedad (antes de cocinarlo) del daño atribuido a la oxidación resulta, en buena Calorías: 940 medida, de la caída en la Derivadas de grasas: 18%; de proteínas:32%; de carbohidratos: 50% producción de radicales libres). 4. LA COMIDA de una persona que sigue una dieta de unas ¿A través de qué mecanis2000 calorías arriba ( ) podría reducirse considerablemente —en una tercera parte de las caloríasabajo ( )— si se quiere mos podría la restricción calórica reducir la generaseguir un régimen de restricción calórica. ción de radicales libres? Se ignora. Para algunos, puede que una menor ingesta de a hipótesis de que el envejeciacortamiento de la esperanza y del calorías induzca un menor consumo miento resulta en buena medida promedio de vida. de oxígeno en las mitocondrias (en de la lesión inducida por los radicales Con la edad, disminuye asimismo la general o en tipos celulares selecciolibres en las mitocondrias y en otros fabricación de ATP en el cerebro, el nados). Según otros, gracias a las diecomponentes celulares se ha visto corazón y el músculo esquelético; no tas bajas en calorías las mitocondrias corroborada por una serie de hallaz- otra cosa cabría esperar si las proteí- aprovecharían mejor el oxígeno que gos. En un ejemplo impresionante, el nas y el ADN mitocondriales de esos utilizan, lo que redundaría en una equipo de Rajindar S. Sohal y William tejidos se hallaran irreparablemente menor formación de radicales libres C. Orr investigó roedores y otros orga- dañados por los radicales libres. Un por unidad de oxígeno consumido. nismos, entre ellos moscas de la fruta, fenómeno de degradación semejante Cabe suponer que un menor consumo moscas domésticas, cerdos y vacas. se advierte en los tejidos humanos, (o un uso más eficaz) de oxígeno comObservaron que, con la edad, aumen- que tal vez ayude a explicar por qué portaría la producción de menos raditaban la generación de radicales libres las enfermedades degenerativas del cales libres. Datos recientes llevan a en las mitocondrias y los cambios oxi- sistema nervioso y del corazón menu- pensar también que el control calórico dativos causados en la membrana dean en edad avanzada y por qué los podría reducir la generación de radimitocondrial interna (donde se sinte- músculos pierden masa y se debilitan. cales libres en las mitocondrias al tiza el ATP) y en las proteínas y el Debemos al grupo de Sohal una rebajar los niveles de triyodotironina, ADN mitocondriales. En varias de las aportación importante entre las prue- o T3, una hormona tiroidea del torrente especies descubrieron también una bas más sólidas de la hipótesis según circulatorio. correlación entre el ritmo más intenso la cual la restricción de calorías La prudencia aconseja no aplicar en de producción de radicales libres y el retarda el envejecimiento al operar humanos un régimen severo de resDerivadas de grasas: 33%; de proteínas: 22%; de carbohidratos: 45%

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tricción de calorías hasta que no progrese más la investigación en primates. Lo que no significa que no debamos extraer determinadas lecciones de los hallazgos acumulados para una posible aplicación futura de tales programas. Una primera consecuencia: si consideramos que un recorte drástico de alimento retrasa el crecimiento en los roedores jóvenes, tal medida sería probablemente perjudicial para los niños. Además, dado que los niños no toleran el hambre igual que los adultos, se mostrarían, a buen seguro, más sensibles a cualquier efecto negativo

de grasa por cada kilogramo de peso actual. La dieta incluiría también carbohidratos complejos (cadenas largas de azúcares, que abundan en frutas y verduras) en suficiente cuantía para alcanzar el nivel deseado de calorías. Para conseguir las raciones diarias recomendadas de todos los nutrientes esenciales, un individuo debería seleccionar los alimentos con sumo cuidado y probablemente tomar vitaminas u otros suplementos. Quien se propusiera seguir un régimen con restricción calórica tendría que considerar también sus inconvenientes potenciales, amén de las pun-

todavía desconocido de una dieta baja en calorías (pese a que restricción calórica no es lo mismo que hambre). El comienzo de la dieta en torno a los 20 años evitaría esos inconvenientes y probablemente proporcionaría la mayor esperanza de vida. Hay que prestar atención también al progreso pautado en la restricción de calorías. En un comienzo, los investigadores no conseguían prolongar la pervivencia de las ratas si establecían dicho control de la dieta en los adultos. Sospecho que el fracaso se debía a que los animales se pusieron a régimen de forma súbita, recibieron poquísimas calorías o ambas cosas. Trabajando con ratones de un año, hemos observado que una disminución progresiva y gradual de las calorías hasta un 65 por ciento de la cuantía normal aumentaba la esperanza de vida.

zadas del bajo hambre. Siempre, de porun supuesto, la orientación médico. El grado de severidad de la dieta podría acarrear una pérdida de peso que tal vez impidiera la fecundidad en las mujeres. Además, un estado anovulatorio prolongado, si se acompaña de una disminución de la producción de estrógenos, podría aumentar el riesgo de osteoporosis y pérdida de masa muscular a una edad avanzada. No debe descartarse que la restricción calórica comprometa la capacidad de la persona para resistir el estrés, como el derivado de lesiones, infecciones o exposición a temperaturas extremas. Por extraño que parezca, apenas si se ha estudiado la resistencia al estrés en los roedores sometidos a dietas bajas en calorías, y en consecuencia contamos con pocos elementos de juicio. Podrían pasar otros 10 o 20 años antes de que la ciencia alcance un conocimiento claro de si la restricción calórica puede aportar a los humanos las ventajas que se ha demostrado ofrece a ratas, ratones y otros organismos. Mientras tanto, los investigadores confían en llegar a entender la naturaleza del envejecimiento y dominar los procesos para retardarlo, ya sea a través de la restricción calórica, a través de fármacos que reproduzcan los efectos de la dieta o a través de otros métodos todavía por descubrir.

¿P

odemos acordar una ingesta de calorías apropiada para el hombre? Extrapolar a partir de los ratones es arriesgado. Sin embargo, algunos datos dan pie para admitir que muchas personas harían mejor en consumir una cantidad que les permitiera pesar de un 10 a un 25 por ciento menos de su “punto establecido” personal. En esencia, este punto es el peso que el cuerpo está “programado” para mantener, si no se come en respuesta a estímulos externos, como los anuncios de televisión. El problema que se nos plantea es la determinación del “punto establecido” de cada individuo, una tarea harto delicada. Para obviar esa dificultad, los dietólogos y endocrinólogos podrían emplear un sistema empírico para encontrar el nivel calórico que reduzca en una cantidad predeterminada el nivel de glucosa o de colesterol en sangre. De la investigación en animales se infiere, además, que un régimen de restricción calórica razonable en humanos podría suponer una ingesta diaria de alrededor de un gramo de proteínas y no más de medio gramo

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA THE RETARDATION OF AGING AND DISEASE D IETARY R ESTRICTION . Richard Weindruch y Roy L. Walford. Charles C. Thomas, 1988. FREE RADICALS IN AGING . Dirigido por Byung P. Yu. CRC Press, 1993. BY

M ODULATION

OF

AGING P ROCESSES

BY

. Dirigido por Byung P. Yu. CRC Press, 1994. D IETARY R ESTRICTION

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Envejecimiento cerebral y mental Dennis J. Selkoe Cuando envejece, el cerebro sufre alteraciones químicas y se desgastan ciertas neuronas. Para mucha gente, sin embargo, esos cambios no suponen un descenso perceptible de la inteligencia

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eflexionemos, con Shakespeare, sobre la senectud. En Como gustéis , su memorable personaje Lord Jaques enumera siete edades del hombre, terminando con un trazo de tristeza:

El último acto, fin de esta extraña y azarosa historia, Es segunda puericia y mero olvido. Para muchos de nosotros, igual que para el melancólico Jaques, la perspectiva del envejecimiento evoca la imagen de un ocaso inexorable y arrollador, una lenta marcha hacia la anulación mental y la muerte. Pero, ¿es inevitable el deterioro profundo del cerebro, y por ende de la mente? No, es la respuesta. Verdad es que la ciencia nos enseña que, conforme nos alejamos de la juventud, hay moléculas y células del cerebro que funcionan cada vez peor, o desaparecen. Algunos de cuyos cambio s pueden alterar la capacidad cognitiva, si sobrepasan ciertos umbrales críticos. Pero la investigación realizada mueve a pensar que el desgaste mental motivado por el daño acumulado no constituye, en absoluto, ningún rasgo consustancial de la longevidad. La pérdida de consciencia en los ancianos síguese, probablemente, de alguna enfermedad específica que acelera o se suma al proceso de envejecimiento. En las naciones desarrolladas, la causa principal de demencia senil —pérdida de memoria y raciocinio en la vejez— reside en la enfermedad de Alzheimer. Otras causas son los accidentes cerebrovasculares y la enfermedad de Parkinson. Los médicos no siempre pueden distinguir entre aquellos ancianos que manifiestan cierta pérdida de memoria, relativamente estable, y los que están dando los primeros pasos en la enfermedad de Alzheimer u otra demencia progresiva. Las investigaciones en curso sobre el proceso nor-

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mal de envejecimiento y sobre las enfermedades mentales permitirán, sin duda, resolver el dilema y facilitarán el desarrollo de terapias lenitivas y preventivas. Para la mayoría de los estudiosos del envejecimiento cerebral, el fin último consiste en potenciar la calidad de su función en la vejez, no necesariamente prolongar la vida, aunque esto último podría ser una consecuencia de lo primero. El estudio de los cambios químicos y estructurales que tipifican el envejeci miento cerebral en ausencia de enfermedades nos enseña que se trata de cambios heterogéneos, como el propio cerebro. No se reduce éste a un conjunto de neuronas (células que transmiten señales), sino que posee también células de la glía (sirven de apoyo a las neuronas y coadyuvan en su reparación) y vasos sanguíneos. Hay subgrupos de células y áreas del cerebro que son más propensas que otras a sufrir daños relacionados con la edad. Asimismo, el momento de aparición de las alteraciones físicas, su combinación y alcance, amén de los efectos que producen en el intelecto, difieren notablemente de una persona a otra. En general, sin embargo, se puede decir que la mayoría de las modificaciones estructurales y químicas de las que hablaremos se manifiestan entre los cincuenta y sesenta años. Algunas adquieren mayor vigor después de los 70. Como probablemente no exista un mecanismo unificador que explique lo que globalmente conocemos como senectud cerebral (disfunciones moleculares y celulares relacionadas con la edad), parece improbable que se dé con el elixir para demorar o invertir el proceso de decadencia. Los cambios asociados con la edad se han estudiado sobre todo en las neuronas, células que, en general, no se multiplican después del nacimiento. A medida que envejecemos, va mermando nuestra cifra de neuronas cerebrales, pero sin acomodarse a nin-

gún patrón fijo. A modo de botón de muestra, son muy pocas las neuronas que desaparecen en las áreas del hipotálamo que regulan la secreción de ciertas hormonas por la glándula hipofisaria. Por contra, son bastantes las que tienden a desaparecer de la sustancia negra y el locus coeruleus. La enfermedad de Parkinson puede diezmar hasta un 70 por ciento o más de las neuronas de esas áreas, alterando seriamente la función motora. El envejecimiento por sí solo elimina muchas menos, aunque los individuos de edad avanzada con síntomas que recuerdan a la enfermedad de Parkinson —movimientos torpes y un andar curvado y arrastrapiés— pueden haber perdido hasta un 30 por ciento o un 40 por ciento del complemento celular srcinal.

A

lgunas partes del sistema límbico, incluido el hipocampo, se resienten también, en diverso grado, de la muerte celular. (El sistema límbico es fundamental para el aprendizaje, la memoria y las emociones.) Se ha calculado que aproximadamente un 5 por ciento de las neuronas del hipocampo desaparecen cada década en la segunda mitad de la vida. De acuerdo con esa cifra, se habrán perdido el 20 por ciento de las neuronas en ese período. Se trata, no obstante, de un desgaste desigual, que deja casi intactas ciertas áreas del hipocampo. Aun cuando sobrevivan las neuronas, sus cuerpos celulares y sus complejas extensiones, los axones y las dendritas (colectivamente designadas neuritas), pueden atrofiarse. El axón 1. GEORGE BERNARD SHAW, que murió en 1950 a la edad de 94 años, escribió varias obras después de cumplir los noventa. Objetivo principal de investigación en el campo del envejecimiento cerebral es el concerniente a la extensión del número de personas que mantengan su vigor mental a lo largo de toda la vida.

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BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

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de las neuronas envía señales a otras neuronas, a menudo distantes. Las dendritas, más abundantes y muy ramificadas, generalmente reciben señales de otras neuronas. Con la edad, se suelen atrofiar las neuritas y los cuerpos celulares en ciertas áreas del cerebro importantes para el aprendizaje, memoria, planificación y otras funciones intelectuales complejas. Las neuronas grandes, en particular, se atrofian en regiones del hipocampo y corteza cerebral. Los cuerpos celulares y axones pueden degenerarse en determinadas neuronas secretoras de acetilcolina, que se

Stephen J. Buell, del hospital clínico adscrito a la facultad de medicina de la Universidad de Rochester, han observado un crecimiento neto de las dendritas en ciertas regiones del hipocampo y corteza entre los cuarenta y setenta años, seguido por una regresión de las dendritas en edades muy avanzadas (ochenta y noventa años). Postulan que el desarrollo dendrítico inicial refleja el esfuerzo de las neuronas viables por contrarrestar la pérdida de sus vecinas a causa de la edad. Esta capacidad compensadora falla, por lo que parece, en las neuronas muy viejas. Los ensayos con ratas adultas

dad. Queda por determinar la funcionalidad de las dendritas que aparecen en edades muy avanzadas. Además de los cambios operados en el número y la estructura de sus cuerpos celulares y neuritas, las neuronas pueden sufrir alteraciones en su arquitectura interna. En ese orden, el citoplasma de ciertas células del hipocampo y otras áreas cerebrales vitales para la memoria y el aprendizaje pueden llenarse de ramilletes de filamentos proteínicos helicoidales (nódulos neurofibrilares). Un exceso de tales nódulos en esa y otras áreas del cerebro contribuye, se supone, a la demen-

proyectanhacia desdeel lahipocampo parte basalydel prosencéfalo diversas áreas de la corteza. La acetilcolina constituye uno de los varios neurotransmisores que utilizan las neuronas para enviarse señales entre sí. Pero no todos los cambios neuronales son destructivos por necesidad. Algunos pueden obedecer al esfuerzo de las neuronas supervivientes por compensar la pérdida o atrofia de otras neuronas y sus proyecciones. Paul D. Coleman, Dorothy G. Flood y

han demostrado una capacidad de desarrollo similar. Después de exponer los animales a ambientes estimuladores de la visión, aparecen en la corteza visual dendritas más largas y complejas. Tales hallazgos resultan alentadores. Sugieren, por un lado, que el cerebro es capaz de un remodelamiento dinámico de sus conexiones neuronales, incluso en edades muy avanzadas. Insinúan, por otro, la posibilidad de terapias que aumenten dicha plastici-

cia propia de la enfermedad Alzheimer; se desconoce el alcancede que puedan tener pequeñas cantidades de los mismos en cerebros sanos. El desarrollo de nódulos durante la senectud parece indicar que ciertas proteínas, en especial las del citoesqueleto (entramado interno de la célula), atraviesan cambios químicos que podrían perjudicar la función normal de las neuronas. Abundando en ello, el citoplasma neuronal de muchas partes del cere-

2. ESTRUCTURAS CEREBRALES implicadas en el aprendizaje, memoria y raciocinio (las indicadas en negritas ). Suelen sufrir cambios anatómicos en la vejez, que pueden debilitar las funciones cognitivas. Las alteraciones enumeradas, sólo una muestra, generalmente se producen en determinadas partes de las estructuras afectadas. El peso del cerebro también mengua con la edad gráfica ( ). El grupo de Robert D. Terry, de la Universidad de California en San Diego, responsable de los datos representados en la gráfica, atribuye, en parte, la disminución a la at rofia de algunas neuronas.

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bro se llena de gránulos con lipofuscina, un pigmento fluorescente que procede de membranas interiores ricas en lípidos no digeridas en su totalidad. Tampoco aquí hay acuerdo a la hora de decidir si los gránulos de lipofuscina dañan a las células o son meros indicadores de la longevidad. Igual que las neuronas, también se resienten las células de la glía, que desempeñan un papel de apoyo en las funciones cerebrales. Robert D. Terry, de la Universidad de California en San Diego, y otros investigadores han comprobado que los astrocitos fibrosos aumentan constantemente de tamaño y número después de células, los sesenta. La proliferación de estas que son capaces de liberar diversos factores que promueven el crecimiento neuronal y neurítico, tiene consecuencias desconocidas. Quizá represente de nuevo un intento del cerebro de compensar el paulatino declive numérico y estructural de las neuronas.

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sistimos a cambios en las áreas interneuronales. En humanos, monos, perros y otros animales, los espacios extracelulares del hipocampo, corteza cerebral y otras regiones del cerebro, suelen acumular cantidades moderadas de placas seniles. Estos depósitos esféricos, de lento desarrollo, son en un principio agregados de una molécula pequeña, la proteína amiloide beta, polipéptido que también se acumula en vasos sanguíneos dispersos por esas regiones y en las meninges, tejido conectivo que cubre el cerebro. Ignoramos qué células srcinan estos depósitos de proteína y qué efecto tiene dicha acumulación sobre las neuronas vecinas en los ancianos sanos. Quizá muy pronto se pueda responder a esos interrogantes, ya que la acumulación espectacular de proteínas amiloides que se observa en pacientes con Alzheimer se ha visto aupada al primer plano de la investigación. Las alteraciones estructurales observadas en el envejecimiento cerebral resultan de cambios deletéreos en la actividad o concentración de moléculas que son importantes para la integridad y funcionamiento de las células. Una de las teorías más venerables defiende que las células envejecen por culpa de la lenta acumulación de defectos en su ADN, que es el material del que están hechos los genes. Los genes portan las instrucciones químicas que informan con precisión a las células sobre la síntesis de proteínas. En algún punto, esgrime la teoría, los daños causados al ADN merman la calidad o cantidad de pro-

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

3. NEURONAS DEL HIPOCAMPOfotografías ( ) teñidas, procedentes de cerebros humanos sanos de individuos alrededor de los cincuenta, setenta y noventa años, y de un paciente con enfermedad de Alzheimer: de izquierda a derecha. Dorothy G. Flood y Paul D. Coleman, del hospital clínico adscrito a la facultad de medicina de la Universidad de Rochester, han observado que la longitud media del árbol dendrítico (formas ramificadas ) aumenta entre los cincuenta y setenta años en individuos sanos y experimenta una regresión alrededor de los noventa ( ). Ese gráfica desarrollo normal podría reflejar un intento del cerebro de compensar los cambios destructivos debidos a la edad. El crecimiento de las dendritas en los pacientes con Alzheimer no está relacionado con la edad.

teínas de interés (ciertas enzimas). Del mismo modo, el daño puede incrementar la actividad o cantidad de proteínas indeseables (las que promueven el desarrollo de cánceres).

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asta hace poco, las investigaciones genéticas se centraban, de forma casi exclusiva, en el ADN cromosómico nuclear, que son las largas cadenas de ADN helicoidal, donde se ubican los genes determinantes de las proteínas celulares. Indicaban esos trabajos que la maquinaria enzimática diseñada para escindir y reparar los errores presentes en el ADN nuclear perdían eficacia al final de la vida, y quizá también en ciertas enfermedades cerebrales. Se han aducido, asimismo, pruebas de que los controles celulares que gobiernan la actividad genética pueden relajarse durante el envejecimiento. Un posible mecanismo podría estribar en la eliminación de grupos metilo (CH 3) de ciertas partes de la molécula de ADN [ véase “Una herencia distinta”, por Robin Holliday; I NVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto de 1989]. En los últimos años, ha cobrado cuerpo la sospecha que involucra al

ADN de las mitocondrias en el proceso de envejecimiento cerebral. Estos orgánulos son “centrales” que suministran a la célula la energía que necesitan. Contienen su propio ADN, que porta instrucciones para fabricar 13 proteínas necesarias para generar energía. Si el ADN mitocondrial pierde eficacia gradualmente, las consecuencias pueden ser la producción de proteínas mitocondriales defectuosas, o la eliminación de dichas proteínas. Entre las pruebas que adjudican un papel causal al ADN mitocondrial en cambios asociados con el envejecimiento se cita la proclividad del mismo al deterioro, mayor que en el caso del ADN nuclear; débese ello, quizás, a la naturaleza de la maquinaria reparadora del ADN que, en los orgánulos, es menos eficaz que en el núcleo. Además, el ADN mitocondrial se halla tal vez más expuesto a la acción de los radicales libres, que son compuestos oxigenados altamente reactivos y constituyen un subproducto continuo de las reacciones que realizan las mitocondrias para producir energía. Los radicales libres surgen también en otros procesos celulares y en respuesta a las radiaciones ionizantes. Oxidan, esto es, añaden áto-

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mos de oxígeno a las moléculas, modificando su comportamiento. Se ha descubierto que, en cerebros de rata, la concentración de una enzima muy importante determinada por el ADN mitocondrial, la oxidasa del citocromo, disminuye con la edad. Varios investigadore s han identificado también deleciones específicas en segmentos del ADN mitocondrial en cerebros envejecidos y en pacientes con ciertos transtornos cerebrales asociados con la edad, como la enfermedad de Parkinson. Aun cuando la mayoría de los genes nucleares y mitocondriales permane-

teasas dañadas, malo en sí, puede agravarse si decaen los niveles de superoxidodismutasa y catalasa, enzimas éstas encargadas de inactivar radicales libres y defender diversos tipos de moléculas contra los daños oxidativos. Al menos en ratas, escasean progresivamente con la edad. Los grupos de John M. Carney, de la Universidad de Kentucky, y de Robert A. Floyd, de la Fundación para Investigaciones Médicas de Oklahoma, han aportado recientemente algunas de las primeras pruebas de que dicha oxidación puede conducir a una pérdida de la función mental.

Muchas moléculas no proteínicas de interés cerebral cambian de manera notable su estructura o varían su concentración durante el envejecimiento. Hay pruebas de que las largas cadenas de átomos de carbono que integran los lípidos de las membranas que envuelven a las células y a los orgánulos internos sufren modificaciones químicas. Lo vemos en la oxidación destructiva causada por radicales libres; al trastornarse la composición de la membrana, se modifica su comportamiento. En esa línea, se ha comprobado que, con la edad, se produce un descenso

cen inalterados y de producen lasnormacanti- demostraron Comparando jerbos jóvenesen y viejos, en la fluidez deque las son membranas de los dades apropiadas proteínas la presencia los sinaptosomas, unas pequeñas les, modificaciones posteriores de las segundos de un número significativa- vesículas neuronales implicadas en el proteínas pueden producir daños mente mayor de proteínas oxidadas. almacenamiento y liberación de neumoleculares en la vejez. Las prorotransmisores. También se teínas pueden sufrir distintas producen cambios en la compomodificaciones químicas, como sición lipídica de la mielina que la oxidación de ciertos aminoárecubre y aísla a los axones. Las cidos, glicosilación (adición de alteraciones de la mielina puecadenas laterales de carbohiden tener un efecto apreciable dratos) o interconexiones (forsobre la velocidad y eficacia con mación de enlaces químicos la que las fibras nerviosas profuertes entre proteínas). Estas pagan los impulsos eléctricos a modificaciones ocurren normaldistancias largas. mente y permiten a la proteína Los cambios moleculares aquí llevar a cabo su función. No obsaludidos constituyen sólo una tante, existen abundantes pruepequeña muestra de los enconbas de que, a medida que se trados en los cerebros viejos de envejece, muchas proteínas humanos y otros mamíferos. A la acumulan cambios inútiles. Así, 4. TEJIDO CEREBRAL de un hombre de 69 años, hora de buscar el sentido de tales los niveles de proteínas oxida- cribado con las clásicas lesiones de la enfermedad dealteraciones nos encontramos con das en células epiteliales humael problema de saber cuál es la Alzheimer: placas y nódulos placa visible enseniles este fragmento esfera ( neurofibrilares. grande de causa y cuál el efecto. Por ejemnas y células de cerebro de rata La aumentan progresivamente con color dorado oscuro) contiene proteína amiloide beta plo, hay pocas dudas de que con y, en la periferia, axones y dendritas dañadas ( garala edad. En ratas muy viejas, el paso de los años se acumulan batos oscuros). Los nódulos, que son fibrillas enrollatales proteínas pueden repredaños en el ADN. Pero, ¿son los das que llenan el citoplasma, confieren a las células sentar el 30 por ciento o 50 por una apariencia negruzcapequeñas ( manchas oscu- daños los que determinan que ciento del total del contenido ras). Las placas y los nódulos aparecen en los cere-aumente el grado de oxidación de proteínico de la célula. Las célu- bros sanos de los adultos de edad avanzada, pero enlas enzimas, o se produce primero las de adultos jóvenes con pro- cuantía mucho menor y en regiones muy limitadas. la oxidación y ello repercute en el geria, un síndrome raro caracADN? Lo más probable es que terizado por un prematuro enveambas cosas sean ciertas. Cuando j ec imi e nto de muc ho s te jido s Este incremento iba acompañado de se ponen en marcha muchos procesos, corporales, contiene niveles de proteí- un descenso en la actividad de ciertas éstos indudablemente afectan a otros, nas oxidadas que se aproximan a los enzimas críticas. Además, los anima- iniciándose toda una compleja cascada encontrados en ancianos sanos de les viejos tenían más problemas que de eventos. ochenta años. los jóvenes a la hora de orientarse en Por ser las proteínas que catalizan un laberinto radial. e parejo interés es la cuestión de los efectos que ejercen sobre la muchas de las principales reacciones Cuando inyectaron a los jerbos viejos químicas, las enzimas celulares han un compuesto ( N-ter t- butil-  - mente los cambios anatómicos y fisiocentrado la atención. Varias enzimas fenilnitrona) que inactiva los radicales lógicos relacionados con la edad. Para que sintetizan neurotransmisores, o libres de oxígeno y que rebaja,por tanto, mucha gente, la respuesta puede ser sus receptores, se vuelven menos acti- la oxidación, cayeron los niveles depro- “muy pocos”. Hasta que no podamos vas a medida que el individuo enve- teínas oxidadas, y la actividad de las registrar el funcionamiento mental de jece. En algunas de esas enzimas, las enzimas alcanzó los niveles caracterís- un número grande de personas de modificaciones postsintéticas pueden ticos de los animales jóvenes. Además, edad muy avanzada y logremos correfaltar parcialmente. con las mejoras bioquímicas se recupe- lacionarlo con los cambios químicos Resulta una cruel ironía que las raba la destreza juvenil en el recorrido estructurales en sus cerebros, cualproteasas, enzimas responsables de la laberíntico. Cuando se detenía la tera- quier relación entre alteraciones físidegradación de proteínas oxidadas, pia, las cantidades de proteínas oxida- cas específicas y disfunciones del inteentre otras, también se oxiden y pier- das y la actividad enzimática volvían a lecto seguirá siendo puro misterio. dan actividad. El problema de las pro- ser las propias de los animales viejos. Sabemos que las personas exentas

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de la enfermedad de Alzheimer y de cualquier otra condición morbosa cerebral apenas evidencian alteraciones anatómicas y fisiológicas. En muchos estudios donde aparece una deficiencia neuroquímica asociada con la edad, como la reducción en la actividad de una enzima o en los niveles de ciertas proteínas o moléculas de ARN, las mediciones que se obtienen en las personas de edad avanzada están entre un 5 por ciento y un 30 por ciento menos que las obtenidas para adultos más jóvenes. El grado de pérdida neuronal en varias regiones del cerebro es del mismo orden.

de memoria, percepción y lenguaje disminuye sólo levemente. Lo que sí han descubierto varios trabajos es una disminución de la velocidad de ciertos aspectos del procesamiento cognitivo. En efecto, los septuagenarios pueden mostrarse incapaces de recordar con rapidez determinados detalles de algo ocurrido con anterioridad (una fecha o un lugar), pero suelen acordarse de ello minutos u horas más tarde. Con tiempo suficiente y un ambiente que disminuya la ansiedad, la mayoría de la gente anciana, sana, responde con idoneidad similar a la de los adultos

dades con distintos orígenes y mecanismos. Y es legítimo preguntarse la razón de que se esté más expuesto con los años a ciertas perturbaciones cerebrales, como la enfermedad de Alzheimer; pero en muchos casos ignoramos la causa. Por ser, y con mucho, la enfermedad de Alzheimer motivo frecuente de las alteraciones intelectuales graves en la tercera edad, vamos a revisar brevemente las últimas investigaciones sobre su srcen, desarrollo y tratamiento. Para nuestra fortuna se trata de un campo que ha progresado notablemente en los últimos años.

Aunque una pérdida del 30%gradual puede pruebas jóv ene s odede med ianamental. edad en las Alz Elheisrcen de stituy la enfermedad parecer muy alta, ese descenso habilidad Mienmer con ó, has ta de hac e no parece ejercer especiales efectos tras más compleja sea la tarea (por poco, un auténtico enigma. Los rápiprácticos sobre la mente. De hecho, las ejemplo, un problema matemático con dos avances experimentados por imágenes obtenidas con la muchos laboratorios en el análicámara de positrones (TEP) indisis de la química y biología molecan que los cerebros de personas cular de los depósitos de amiloide ochenta años, sanas, desarrodes beta posibilitaron la identillan pareja actividad que los cereficación del srcen molecular de bros de jóvenes veinteañeros. esta enfermedad, compleja y Igual que ocurre con otros órgadevastadora. En 1991, Alison M. nos, el cerebro parece tener conGoate y John A. Hardy y sus siderables reservas fisiológicas y colegas, del Hospital londinense tolera pequeñas pérdidas de funde St. Mary, revelaron la implición neuronal. cación de mutaciones genéticas Los estudios epidemiológicos en ciertos casos, lo que han cony psicológicos dibujan una situafirmado otras investigaciones ción similar. Las estimaciones posteriores. de frecuencias de demencia Estas mutaciones ocurren en 5. IMAGENES DE CEREBROS obtenidas con la cávarían, pero las más directas, mara de positrones. Corresponden a un adulto sano el gen que determina el precurprocedentes de un estudio sor de la proteína amiloide beta, (izquierda) y a un enfermo de Alzheimerderecha ( ), “puerta a puerta” realizado por para destacar las diferencias. El exceso de sombraso APP beta. A partir del precuroscuras en la segunda imagen denuncia el deterioro el grupo de Denis A. Evans, de sor se forma la proteína amiloide la facultad de medicina de Har- que sufre la actividad cerebral. beta, responsable de las placas vard, indican que, en conjunto, seniles y de los depósitos amiloiel 90 por ciento de las personas des vasculares. Aunque se descomayores de 65 años goza de buena muchos pasos), más probable será que noce aún la función normal de la APPsalud mental. Evans y sus colabora- las personas adultas de edad avanbeta, hemos hallado que el precursor dores publicaron en 1991 que menos zada y sanas la resuelvan peor que los se sintetiza en la mayoría de las céludel 5 por ciento de los individuos con adultos más jóvenes. Un mensaje de las del cuerpo. Sabemos también que edades comprendidas entre 65 y 75 moderado optimismo se desprende de la versión mutada acelera la constituaños presentaban síntomas de demen- muchas investigaciones sobre el pro- ción de los depósitos extracelulares y cia, un carácter que afecta a casi el 20 ceso normal de envejecimiento: es vasculares del segmento amiloide beta. por ciento de los individuos entre 75 y posible no aprender o recordar rápi- Algunas mutaciones determinan que 85 años. La cifra sube a casi el 50 por damente cuando se tienen muchos la acumulación amiloide sea mayor o ciento en los mayores de 85 años (dos años, pero, si se está sano, se aprende más rápida. La diversa celeridad de las veces más que en otras estimaciones). y se memoriza bien. formaciones explicaría, parcialmente, Si bien los datos son preocupantes En su conjunto, pues, los descubri- que algunas personas presenten los para los mayores de 75 años, del estu- mientos físicos, epidemiológicos y psi- síntomas antes que otras. dio cabe deducir también que un buen cológicos sugieren que un descenso Las investigaciones sobre el sínnúmero de personas se libra de los medio o moderado en la memoria o en drome de Down han contribuido de principales trastornos cognitivos en la velocidad de procesamiento intelec- forma destacada al progreso de la sus últimos años. tual podría estar relacionado con una ciencia. Quienes muestran el sínLos análisis sobre el rendimiento de acumulación gradual de cambios ana- drome nacen con tres copias del crolos ancianos sanos llevan a conclusio- tómicos y fisiológicos normales en el mosoma 21 (donde se localiza el gen nes similares. Por ejemplo, Arthur L. cerebro durante el proceso de enveje- de la APP-beta), y no las dos normaBenton, Daniel Tranel y Antonio R. cimiento. Por su parte, las demencias les. Estos individuos desarrollan una Damasio, de la facultad de medicina parecen nacer de cambios más especí- cantidad considerable de placas senide la Universidad de Iowa, han com- ficos y mayores en subgrupos de neu- les y nódulos neurofibrilares entre los probado que, cuando las personas de ronas y en los circuitos neuronales. En cuarenta y cincuenta años. Los exá70 a 80 años mantienen una buena otras palabras, detrás de la demencia menes neuropatológicos de pacientes salud, su rendimiento en las pruebas senil se encuentran siempre enferme- con síndrome de Down fallecidos a una

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6. MEDICIONES QUIMICAS en cerebros de jerbos. Los resul-(barras marrones ). Pero los niveles descienden tras el tratatados sugieren la reversibilidad de ciertos cambios relacionamiento con una droga que inactiva a ciertos agentes químicos dos con la edad. John M. Carney, de la Universidad de Ken-oxidantes (b). Los jerbos viejos son más torpes que los jóvenes tucky, y Robert A. Floyd, de la Fundación para Investigaciones en un laberinto radial c(), como el de la fotografía. Tras el Médicas, de Oklahoma, han encontrado que el número de tratamiento, el número de errores es menor d).( La aparente grupos carbonilo presentes en las proteínas cerebrales (unmejoría en la memoria a corto plazo alimenta la esperanza de marcador del grado de oxidación de las proteínas) en jerbosque los compuestos antioxidantes puedan un día ayudar a viejos (barras azules en a ) es mayor que en los jerbos jóvenes proteger la mente de los ancianos.

edad temprana revelan que, en su juven tud , com enz aro n a for mar se depósitos amorfos de proteína amiloide, décadas antes de que se desarrollaran las placas seniles, los nódulos neurofibrilares y los indicios de demencia. Tan importante descubrimiento, unido al de las mutaciones APP-beta en la enfermedad de Alzheimer, deja claro que los depósitos de proteínas amiloides pueden servir de evento seminal en algunos de los casos de Alzheimer, si no en todos. Se desconoce el mecanismo en virtud del cual la proteína, inerte en un comienzo, desencadena, transcurrido un largo intervalo de tiempo, los grandes cambios estructurales y bioquímicos en axones, dendritas, cuerpos celulares de las neuronas y células de la glía, que secuestran la mente de las víctimas del Alzheimer. Cabe la posibilidad de que la proteína, ella misma, permanezca inerte, si bien, y en la medida en que se va acumulando con los años, atraiga a otro tipo de moléculas hacia los depósitos. Estas otras moléculas minarían las neuronas y glía de los alrededores. De acuerdo con una hipótesis alternativa, en cuanto la proteína amiloide alcanzara concentraciones críticas, dañaría directamente a las neuronas y glía vecinas, o las debilitaría ante procesos nocivos leves que acontezcan en el cerebro. En cualquier caso, el trabajo de Damasio, Bradely T. Hyman y Gary W. Van Hoesen en Iowa, y del equipo de John Morrison en Monte Sinaí, entre otros, ha demostrado que la acumulación de proteína amiloide, junto con la formación de nódulos neurofibrilares y otros cambios estructurales en las neuronas y sus proyecciones, fomentan la desconexión progresiva

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de los circuitos neuronales que controlan la memoria y el juicio. Con los años, el sistema límbico y las cortezas de asociación, vitales para la organización de los procesos mentales, parecen quedarse cada vez más aislados de las demás áreas neurales. Esta desconexión contribuye al desajuste de la memoria, juicio, capacidad de abstracción y lenguaje, una situación habitual en los pacientes con Alzheimer. Como la mayoría de las funciones motoras y sensitivas permanecen activas hasta las etapas finales de la enfermedad, los cambios producen la clásica y trágica situación de una persona que puede andar, hablar y comer, pero que está ausente del mundo que le rodea.

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pesar de los progresos reseñados, permanecen abiertas cuestiones del máximo interés. ¿Cómo pueden determinar las mutaciones en el gen de la APP-beta una aceleración de los depósitos amiloides en comparación con el lento ritmo de deposición observado en los ancianos normales? ¿Por qué los depósitos se limitan al cerebro, cuando la inmensa mayoría de los tejidos sintetizan el precursor amiloide? ¿Qué células son las que segregan los devastadores fragmentos amiloides? ¿Por qué en algunas neuronas de ciertas regiones del cerebro, como el hipocampo, se observa una sorprendente reacción ante la presencia de la proteína amiloide, mientras que en otras, como el cerebelo, la reacción es débil o nula? Y lo que es más importante, ¿cómo impedir la terrible destrucción? Queda, además, el problema de cómo aproximarse al envejecimiento de la mente. Probablemente no exista un remedio único para bloquear todos los potenciales estragos inherentes a

una gran longevidad, según subrayan los resultados de muchos ensayos clínicos con vitaminas, minerales y otros compuestos administrados para “reforzar” reacciones bioquímicas en el cerebro o incrementar el flujo sanguíneo. Estas sustancias han provocado una escasa o nula mejoría cognitiva en ancianos, dementes o no. Un “remedio casero” razonable sería mantenerse en forma. El grupo de Robert E. Dustman, de la Universidad de Utah, y otros han demostrado que las personas mayores que practican regularmente ejercicios aeróbicos rinden mejor en las pruebas cognitivas que las personas sedentarias de la misma edad. Deben evitarse los agentes que, como el alcohol, entorpecen la actividad del sistema nervioso, y andar con precaución a la hora de prescribir a los ancianos medicamentos que actúan sobre el cerebro. Las pruebas clínicas y experimentales demuestran que las personas mayores de 60 años suelen mostrarse especialmente sensibles a las benzodiazepinas (como el sedante Valium) y otros muchos depresores y estimulantes del sistema nervioso central. Comparados con los adultos jóvenes, los mayores manifiestan una menor capacidad de raciocinio cuando ingieren ese tipo de drogas, sus efectos son más duraderos y reaccionan con más fuerza a dosis bajas. Estos efectos indeseables sobre la cognición son aún mayores en las personas afectadas por alguna demencia. Persiste abierto el debate de si mantener o incrementar la actividad mental puede frenar el paulatino declive cognitivo de los años finales de vida: seguimos sin tener datos rigurosos al respecto.

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Se ignora, asimismo, el efecto que pueda ejercer sobre la función cerebral una dieta restrictiva, a pesar de su consideración generalizada como potencial antídoto contra el envejecimiento. Se ha demostrado que una dieta equilibrada desde el punto de vista nutritivo, y muy baja en calorías, retrasa la aparición de enfermedades asociadas con la edad y aumenta la vida media de muchos mamíferos inferiores. En algunos estudios, ratas alimentadas con dietas restrictivas presentaban menos cambios neuroquímicos en sus cerebros al final de la vida que sus compañeras que recibieron

medad de Alzheimer, por ejemplo, se buscará, con toda seguridad, inhibir las enzimas que sintetizan la proteína amiloide beta a partir de su precursor. Se bloquearía con ello la acumulación de la proteína en el tejido cerebral y se impedirían las respuestas inflamatorias y neurotóxicas que el polipéptido verosímilmente desencadena. Este tipo de tratamiento podría extenderse a los casos moderados de pérdida de memoria en los ancianos que no han caído en plena demencia. Parece ello probable, ya que durante un envejecimiento normal también se acumulan, en áreas del cerebro impor-

mejordiestras alimentación; además,deeran más en las pruebas laberinto.

tanteslas para la memoria y ely aprendizaje, placas amiloides nódulos neurofibrilares que caracterizan a la enfermedad de Alzheimer, aunque en un grado mucho menor. Son también varias las terapias que se estudian para prevenir el Parkinson y tratar los accidentes cerebrovasculares.

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l equipo de Alan Peters, de la facultad de medicina de la Universidad de Boston, mantuvo ratas con un régimen muy bajo en calorías durante un período de cuatro años, uno más de lo que suelen vivir. Los técnicos comprobaron la pérdida de neuronas y la aparición de alteraciones neuronales y gliales, propias de la edad, en una fase tardía con respecto a los animales del experimento control. Por otra parte, el hecho de que tales alteraciones se produjeran sugiere que el control sobre las calorías puede retrasar, pero no impedir, el envejecimiento del cerebro. Se desconoce el motivo de que la restricción calórica aumente la longevidad en las pruebas con animales de laboratorio. Ni nadie sabe cuál puede ser su efecto en el hombre. Lo cierto es que, para que resulte eficaz, el tratamiento debería aplicarse durante una gran parte de la vida. Ahora bien, un recorte drástico y grave de la nutrición en la vejez podría provocar síntomas de demencia; vale decir, la restricción calórica constituye un riesgo, si no se realiza bajo control médico. Una alternativa más “apetecible” (literal y figuradamente) al peligroso recorte de la dieta podría ser la administración prolongada de un antioxidante, la vitamina E. Se ha demostrado que esta vitamina alarga la vida y retrasa la aparición de ciertas enfermedades sistémicas asociadas con la edad en roedores, pero aún no se ha demostrado su posible beneficio para el hombre. Por ahora, la aproximación más racional en el tratamiento contra los problemas cognitivos derivados de la edad consiste en descifrar los mecanismos moleculares responsables de las enfermedades mentales, para preparar, en consecuencia, drogas que bloqueen pasos críticos. En la enfer-

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l envejecimiento cerebral será objeto de un examen molecular y clínico más riguroso en los años que se avecinan, instado por el propio envejecimiento de las naciones avanzadas. El descubrimiento de vías para bloquear las perturbaciones de las funciones corticales asociadas con la edad, sin prolongar necesariamente la vida, permitirá que muchos de los ancianos conserven su independencia y disfruten de la vida más allá de los ochenta años. Un envejecimiento feliz del cuerpo y de la mente tendrá profundas consecuencias económicas y sociológicas, y para dirigirlas se requerirá una gran creatividad y vigor. Afortunadamente, en este punto, la sociedad contará con una valiosa fuente de ayuda para resolver esos problemas: la agudeza y sabiduría de muchos de sus ciudadanos más viejos.

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agosto de 1991.

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Ancianos entre los ancianos Thomas T. Perls Los nonagenarios y centenarios gozan de una salud y vigor desconocidos entre las personas veinte años más jóvenes. Quizá debamos replantearnos los criterios aceptados sobre el envejecimiento

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n la facultad de medicina me enseñaron que la incidencia de trastornos crónicos discapacitantes, en particular la enfermedad de Alzheimer, aumenta inexorablemente con la edad. Y así, al iniciar mi especialización geriátrica, esperaba que mis pacientes mayores de 95 años, ancianos entre los ancianos, fueran los más débiles; pero la experiencia me lo desmintió: a menudo se trataba de los más sanos y ágiles. Sirva de ejemplo cierto centenario con quien tenía concertada una entrevista. Me rogó que la retrasáramos. Había visto jurar el cargo a 19 presidentes de la Unión y dedicaría la mañana de la cita a votar a su candidato siguiente. Hechos como éste ponían en cuestión la vieja y simple relación directa entre envejecimiento y cadencia progresiva de achaques. ¿Cabía la posibilidad de que muchos nonagenarios avanzados disfrutaran de buena salud y que el grupo de los más ancianos constituyera una población especial, mal conocida? Desde entonces, y con excepciones contadas, los centenarios que he tratado confiesan que su novena década de vida transcurrió exenta de problemas. Muchos trabajaban, llevaban una vida sexual normal y disfrutaban del aire libre y del ocio. La edad, insistían, no era un problema. Opinión que respaldan las pruebas que se van acumulando, a tenor de las cuales una parte significativa de este grupo de edad goza de mejor salud que muchos octogenarios o que estén todavía en los noventa y pocos. La idea arraigada de que el paso de los años lleva sin remisión al deterioro extremo debe revisarse. Quizá tenga que modificarse también el cálculo del coste que significará atender a este grupo de edad en el futuro. La población centenaria aumentó un 160 por ciento en EE.UU. durante el decenio de 1980. Muchos demógrafos predicen que habrá entre 20 y 40 millones de personas con 85

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años o más en 2040; diez años más tarde, habrá, según esas curvas de proyección, cuatro millones de centenarios. La carga económica que significaría cuidar a las personas mayores de 85 años podría resultar costosísima si un porcentaje elevado de las mismas requiriera, además, atenciones especiales. Pero, ¿y si los gastos sanitarios del grupo de ancianos más ancianos fueran menores de lo supuesto? Mis primeras sospechas de semejante posibilidad nacieron a raíz de un estudio sobre la enfermedad de Alzheimer que llevé a cabo con Lewis A. Lipsitz. Según los registros publicados, esta afección que arruina la capacidad mental conduce a la muerte al 40 % de las personas de 85 años o mayores. Algunos informes reseñan que casi el 50 % de los nonagenarios y el 70 % de los centenarios padecen Alzheimer. Pero muchos de los estudios en los que se basan estas afirmaciones no incluyen a personas mayores de 93 años, lo que arroja algunas dudas sobre tales extrapolaciones. En 1991 emprendí con Lipsitz una investigación con un propósito definido: comprobar si la incidencia de enfermos de Alzheimer en el centro, un hospital para crónicos, coincidía con las proyecciones previstas para los centenarios. De los 12 residentes que habían cumplido un siglo, sólo cuatro padecían Alzheimer. Esta baja cifra —el 25 %— resaltaba tanto más cuanto se trataba de personas internadas, que, a diferencia de las no hospitalizadas, presentan ya algún tipo de deterioro. Nuestros datos indicaban que, al menos en lo que a capacidad mental se refiere, los más ancianos se hallaban en mejor forma de lo que se ha venido suponiendo. ¿A qué debían su buen estado? Sospechamos que la respuesta reside en que, por la razón que sea, algunas personas oponen particular resistencia a las enfermedades que discapacitan y matan a la mayoría antes de los 90 años. En virtud de

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esa resistencia, no sólo sobreviven, sino que se desenvuelven relativamente libres de achaques. Se trata, en otras palabras, de una curiosa versión de supervivencia del mejor adaptado. Estos individuos parecen seleccionados para sobrevivir largo tiempo porque poseen rasgos que les capacitan para evitar o retrasar las enfermedades que suelen acompañar al envejecimiento. La noción, de srcen darwinista, de supervivencia selectiva la aplicaron, con algunas restricciones más, los demógrafos del decenio de 1970 a los

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ancianos americanos de color. Hasta los 75 años la mortalidad de los americanos de raza negra era mayor que la correspondiente a los blancos; traspasado ese umbral, la tendencia se invertía; en lo que se denominó un fenómeno de cruzamiento, la probabilidad de que los blancos murieran a una edad determinada era mayor que la de sus compatriotas negros. Atribuyeron a la inferioridad económica y al

menor acceso a la sanidad la tendencia de los negros a morir antes. Quienes sobrevivían constituían un grupo insólitamente robusto, capaz de superar los obstáculos que derrotaban a los demás. El vigor, a su vez, les confería después una ventaja de supervivencia sobre la mayoría de los americanos blancos de edad similar. Esta hipótesis de supervivencia selectiva permite aclarar otros fenó-

1. CENTENARIO Y DEPORTISTA. Tom Lane compitió en 100 metros espalda en las Olimpiadas Senior celebradas en septiembre de 1994 en San Diego. El ejemplo de Lane contradice la idea de que la edad trae consigo una debilidad generalizada.

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Supervivencia del mejor adaptado

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a francesa Jeanne Calment ha sido la persona más longeva de edad confirmada. Cuando se tomó la fotografía celebraba su 116 cumpleaños; falleció en 1997, a los 122 años. Este caso y otros semejantes enseñaron a los investigadores que los índices de mortalidad de los ancianos entre los ancianos son inferiores, con mucho, a lo que cabría esperar de la extrapolación de los índices de defunción de los individuos más jóvenes (gráfico de la izquierda). James W. Vaupel, Anatoli Yashin, A. Roger Thatcher y Vaino Kannisto examinaron las estadísticas de defunción de un total de ocho millones de personas. Encontraron que, a partir de los 97, la posibilidad de que una persona fallezca a una edad dada se desvía de la tendencia esperada (verde claro). En vez de aumentar siguiendo una curva exponencial, el índice disminuye tendiendo a una representación más lineal (verde oscuro). (La proporción superaría la unidad si muriera todo un grupo de edad en menos de una año.) Estos hallazgos respaldan la hipótesis del autor según la cual

Jeanne Calment (1875-1997).

menos, hasta ahora inexplicables, que ponen de manifiesto la sorprendente salud física y mental de los más ancianos. Según parece, la probabilidad de que los varones que sobreviven hasta

los miembros más viejos de nuestra especie tienden a estar más sanos de lo que deberíamos inferir a tenor de la visión clásica del envejecimiento. Tendencias de mortalidad parecidas se observaron entre ciertas moscas (gráfico de la derecha), lo que proporciona un ulterior apoyo a la hipótesis del autor. James R. Carey comparó las mortalidades esperadas (naranja claro) con las observadas (naranja oscuro). Encontró que la posibilidad de morir a una edad determinada alcanzab a un máximo en torno a los 50 días. Traspasado ese umbral, el riesgo empezaba a disminuir, de modo que, a los 100 días, la posibilidad de que murieran en un determinado día los insectos más viejos no era más que del 5%.

la del varón medio octogenario. Quizás esas pautas sean consecuencia de que los hombres susceptibles de padecer enfermedad de Alzheimer suelen fallecer de la afección cuando tienen ochenta y tantos o al poco de entrar en los noventa. Estas tendencias se explicarían si el grupo de varones que alcanza el siglo lo formaran casi exclusivamente individuos insensibles a la enfermedad de Alzheimer y que, por tanto, conservaran sus facultades mentales. La salud mental de los varones mayores de 90 años, considerados en su conjunto, es en general mejor que la de sus coetáneas femeninas. Las mujeres, según parece, tienden a convivi r con su demenc ia, más que a morir de ella. Por consiguiente, las ancianas añosas conservan por término medio menos vigor mental que los varones de su misma edad, es decir, los supervivientes sanos que han quedado después de la muerte de otros varones sensibles a la demencia. En estas avanzadas edades, los varones gozan también de mejor salud que las mujeres. Sexagenarios y septuagenarios se muestran más proclives que las mujeres a padecer accidentes cerebrovasculares y paros cardía2. LAS CAPACIDADES COGNOSCITIVAS de los varones más ancianos ( barra azul cos. El retraso en el comienzo de estas oscura a la derecha ) son por término medio más elevadas que l as de las mujeres deafecciones agudas permite a las mujesu misma edad barra ( azul clara a la derecha ), aun cuando entre las personas de res vivir más que los varones, quienes 65 a 79 años las mujeres parecen tener una ligera ventaja izquierda ( ). El fenómeno tienen que afrontar la enfermedad en contrario, conocido como cruzamiento de género, ocurre entre los 80 y los 89 años etapas tempranas de su vida. En (en el medio). Este modelo surge porque los hombres con deterioro mental suelen cifras absolutas, hay bastantes más morir antes que las mujeres; los varones que resisten muestran un estado mental mujeres de 95 años; en términos de fundamentalmente sano.

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la segunda mitad de los noventa desarrollen la enfermedad de Alzheimer va disminuyendo a medida que pasan los años. Además, el estado mental del varón medio de esa edad es mejor que

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salud mental y física media, los hombres toman entonces la delantera. Los varones sanos que han esquivado las enfermedades demuestran una ventaja de supervivencia: aunque los hombres constituyen sólo el 20 % de los centenarios, el 40 % de los que llegan a 105 años son varones. Este giro hacia una mayor adaptación física y mental en los hombres después de los 90 años constituye lo que yo llamo cruzamiento del género.

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odemos observar los primeros signos de ese fenómeno en los estudios realizados entre las personas octogenarias. Los varones que rebasan dicha edad sin grandes problemas de salud, continúan viviendo quizá sin necesitar atención especial. El equipo encabezado por Richard M. Suzman encontró que los varones mayores de 80 años eran más independientes que las mujeres de edad similar. En el artículo de 1984 señalaban que el 44 % de los varones pertenecientes a ese grupo de edad eran fuertes e independientes en comparación con tan sólo el 28 % de las mujeres del mismo grupo de edad. Kenneth G. Manton y Eric Stallard calcularon la esperanza de vida activa de los miembros de la población anciana de EE.UU. Según sus resultados, a partir de los 85 años cabe esperar que los hombres tengan una vida activa y sana más larga que las mujeres. ¿Qué factores biológicos y ambientales permitirían a las personas más

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ancianas llegar a los 95 años y sobrepasarlos en buena salud? Condiciones múltiples y entrelazadas desempeñan, sin duda, importantes papeles. Los genes de la longevidad parecen proteger contra el desarrollo de enfermedades; habilidades adaptativas, determinadas o no genéticamente, capacitan a los supervivientes para evitar las afecciones que signifiquen una amenaza potencial para la vida. Ciertos hábitos de la vida cotidiana — abstención del tabaco, dieta equilibrada y ejercicio— ayudan a mantenerse en forma más tiempo. Es indudable que también contribuye el no haber sufrido reveses especiales. Seductores candidatos a posibles genes de longevidad de los seres humanos son los que controlan el mecanismo de autoprotección del organismo contra los radicales de oxígeno. Estos compuestos de gran reactividad que aparecen de forma natural lesionan el ADN y destruyen las células. Todos nacemos con determinada capacidad para combatir este tipo de lesiones. Las variaciones génicas que cifran una resistencia eficaz contra la agresión oxidativa podrían contribuir a la prolongada vida de los más ancianos, al disminuir la tasa de daño que los radicales de oxígeno infligen a las células. Además de ser portadores de los genes de la longevidad, los más ancianos quizá tengan un complemento bajo de genes deletéreos, de lo que se han encontrado pruebas. Hace poco se ha vinculado una forma del gen que

cifra la apolipoproteína E (apo-E) a un riesgo sustancialmente mayor de adquirir la enfermedad de Alzheimer. La edad media de comienzo del Alzheimer parece estar relacionada con el tipo de genes apo-E que una persona hereda de cada progenitor. Hay tres formas comunes: E2, E3 y E4. Las personas que heredan dos genes E4 (uno de cada uno de los progenitores) multiplican por ocho el riesgo común de contraer la enfermedad; cuando la adquieren, exhiben síntomas a una edad media de 68 años. Los pacientes con Alzheimer que portan dos genes E3 manifiestan síntomas de la enfermedad algo después, en torno a los 75 años. El papel de la E2 sigue sin aclararse, pero hay pruebas que la asocian a un menor riesgo de desarrollar la enfermedad.

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radley T. Hyman y yo hemos determinado la incidencia de E4 entre sujetos sanos de 90 a 103 años. Según nuestros resultados, el 14 % del grupo (con una edad media de 93 años) tenía al menos un gen E4. Estudios anteriores realizados entre personas de 85 años indicaron que el 18 % es portador al menos de un gen E4 y que el 25 % de las personas más jóvenes de 65 era portador del tipo génico. La incidencia de la variedad E4 disminuye notablemente al aumentar la edad, cayendo casi al 50 % en un intervalo de 28 años. (De acuerdo con otros estudios, hay una reducción aún mayor entre los centenarios.) Sospe-

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Tres que lo consiguieron

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as personas mostradas aquí son algunas de las más ancianas y más sanas que han superado todos los avatares y han sobrevivido hasta cumplir un siglo o casi. La mayor esperanza de tener una vida larga y sana probablemente consista en heredar buenos genes, aunque hay otros factores que también pudieran influir. Estas personas suelen tener sus propias hipótesis para explicar tamaña longevidad; a la investigación científica corresponde aclararlas.

ALFRED BENEDETTI, de 101 años, ha participado en lanzamiento libre de jabalina, tiro y baloncesto en las Olimpíadas Senior durante los últimos 11 años. Hasta el verano de 1994, jugaba a los bolos dos veces por semana. Benedetti atribuye su salud y longevidad a que ni fuma ni bebe (salvo un vasito de oporto que toma todos los días). Está constantemente ocupado y pasa mucho de su tiempo leyendo, escribiendo o haciendo trabajos manuales.

chamos que los más ancianos tienen frecuencias insólitamente bajas de genes E4, en parte porque este tipo génico se halla asociado con una mayor probabilidad de desarrollar enfermedad de Alzheimer de desenlace fatal; por consiguiente, muchos de los que tienen el E4 no alcanzan a ver los noventa. Aunque el E4 puede ser uno de los muchos marcadores potenciales de un mayor riesgo de mortalidad, no se ha demostrado su valor como factor de predicción de la enfermedad de Alzheimer.

Los genes podrían constituir una suerte de plantilla de la esperanza de vida del sujeto. Pueden considerarse como los indicadores de la capacidad con que se afronta la enfermedad y, como tales, contribuyen a determinar dos propiedades interrelacionadas que influyen en el envejecimiento: la capacidad adaptativa y la reserva funcional. Se llama adaptativa la capacidad que tenga una persona para superar una enfermedad o una lesión y para afrontar con eficacia tales amenazas. Por reserva funcional se

entiende cuánto se demanda de un órgano para que obtenga un rendimiento adecuado. Es evidente que la capacidad adaptativa depende en parte de la reserva funcional del organismo, porque la habilidad para afrontar la enfermedad precisa el funcionamiento adecuado de los órganos.

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a importancia de estas dos características para la supervivencia de los más ancianos se aprecia en los efectos variables que ejerce la acumulación progresiva de nudos neurofibrilares sobre la cognición. Se llama nudos neurofibrilares a la red de células cerebrales muertas que van apareciendo con el envejecimiento; abundan en los enfermos de Alzheimer. El número de nudos que puede acumu3. EL ELEVADO UMBRAL para la adquisición de enfermedades crónicas y un proceso de envejecimiento más lento podrían explicar por qué los más ancianos suelen sobrevivir con buena salud, según el modelo teórico del aut or. En la mayoría de nosotros, la lesión hística derivada de procesos patológicos se produce con relativa rapidezazul ( oscuro) y nuestro umbral para la enfermedad disminuye muy deprisa a medida que envejecemos (azul claro); así, en torno a la edad de 80 años aparecen los síntomas de las enfermedades relacionadas con el envejecimiento (a). Los individuos resistentes que envejecen despacio (naranja oscuro) y tienen un umbral más elevado para la enfermedad (naranja claro) se vuelven sintomáticos mucho más tarde b( ), si llegan a serlo.

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ANGELINA STRANDEL, de 101 años, aconseja a quienes aspiren a llegar a su edad que “vigilen las calorías y se alejen de los alimentos grasos”. Strandel indica también que, aunque durante su vida ha tenido que enfrentarse a muchos problemas, no deja que el estrés la domine. Ahora vive con su hijo; la longevidad parece cosa de familia: su hermana vivió 100 años.

HERBERT KIRK, de 99 años, se licenció en arte en 1993 en la Universidad estatal de Montana. Aparece aquí con la escultura que presentó como proyecto de fin de carrera. Kirk atribuye su longevidad a la práctica de ejercicio: jugaba al tenis hasta los ochenta años y todavía le gusta correr. Cuando tenía 95, ganó dos medallas de oro (en 800 metr os y cinco kilómetros) y una de plata (en 200 metros) en un campeonato internacional senior celebrado en Helsinki.

larse antes de que se perciban los signos de Alzheimer varía de un paciente a otro. A este propósito, una autopsia reveló que un hombre de 103 años que exhibía pocos signos externos de enfermedad de Alzheimer tenía tal cantidad de nudos neurofibrilares, que, de haberse encontrado en un cerebro más joven, habríamos hablado de un paciente con merma creciente de sus facultades mentales. Cabe suponer que el anciano tenía un exceso de reserva de función cerebral que le permitía compensar el proceso que estaba lesionando su cerebro. Quizá las personas en quienes la acumulación de nudos es lenta y que muestran una elevada tolerancia a ellos pueden mantenerse mentalmente sanas durante mucho tiempo, mostrando signos manifiestos de Alzheimer sólo en una etapa muy tardía, si llegan a expresarse. El descubrimiento de que muchas personas con más de 95 años están en buena forma quizás induzca a revisar la planificación futura de la atención sanitaria de los más ancianos. Buena parte de ella se basa en la tesis según la cual, aunque las condiciones letales podrían retrasarse con el avance de las técnicas médicas, la incidencia de enfermedades degenerativas no sufrirá alteraciones. La tesis postula que los ancianos entre los ancianos seguirán padeciendo un número mayor de enfermedades y experimentarán más discapacidad crónica que las personas octogenarias. Si este

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planteamiento fuera cierto, el continuo aumento del tamaño de la población de los más ancianos presagiaría una carga significativa de salud deficiente entre los miembros más añosos de la sociedad.

Cuando redacté estas líneas la señora Jeanne Calment, de Arles, había cumplido 120 años. La mayoría de nosotros no nos aproximamos siquiera a esa edad y si hay alguno con aspiraciones de Matusalén sepa que cuenta con muchas probabilidades en ero los datos que empiezan a aflo- su contra. Pero la investigación rar encajan mejor en la tesis con- reciente sobre el grupo de los más traria. James F. Fries ha propuesto ancianos ha inspirado un nuevo planque las mejores formas de vida y los teamiento sobre la biología del enveavances médicos concentrarán la mor- jec imie nto. Los estu dios gené tico s, bilidad, la mortalidad y la discapaci- bioquímicos y epidemiológicos debedad en un período más corto. Significa rían revelar con precisión por qué ello que se pospondría el comienzo de algunas personas oponen resistencia las grandes enfermedades mortales a las afecciones debilitantes (y tal vez (cardiopatía, cáncer, accidentes cere- permitan ampliar el número de las brovasculares y enfermedad de Alzhei- que participen de tal característica). mer), así como el de las enfermedades discapacitantes asociadas con la edad (enfermedad articular degenerativa, deterioro sensorial y pérdida benigna de la memoria). En coherencia con la BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA hipótesis de Fries, los vigorosos centenarios atraviesan un breve período de SLOWING OF MORTALITY RATES AT OLDER A GES IN L ARGE M EDFLY C OHORTS . achaques antes de morir. Aunque las James R. Carey, Pablo Liedo, Dina Orozestadísticas de causa de defunción co y James W. Vaupel en Science, voluentre los centenarios son escasas, la men 258, páginas 457-461; 16 de octubre información disponible sugiere que las de 1992. causas habituales son enfermedades ESTIMATES OF CHANGE IN CHRONIC DISAagudas, como la neumonía, y no afecBILITY AND I NSTITUTIONAL I NCIDENCE ciones letales de larga duración. En AND P REVALENCE R ATES IN THE U.S. ELDERLY POPULATION FROM THE 1982, cierto modo, pues, el anciano más 1984 AND 1989 N ATIONAL L ONG T ERM anciano parece un reflejo de la imagen C ARE S URVEY . Kenneth G. Manton, del futuro dada por Fries; quizá sea el Lawrence S. Corder y Eric Stallard en representante de los raros individuos Journal of Gerontoly: Social Sciences, que resisten ellos solos la enfermedad, volumen 48, número 4, páginas S153sin la ayuda de la ciencia médica avanS166; julio de 1993. zada.

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¿Por qué envejecemos? Ricki L. Rusting En buena parte, la respuesta está escrita en nuestros genes. Pero, ¿en cuáles? Investigaciones recientes nos ofrecen pistas sugestivas

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ichael R. Rose, de la Universidad de California en Irvine y experto en evolución, habla con orgullo de su singular colección de moscas de la fruta. Después de cruzamientos sucesivos de hembras y machos longevos, ha conseguido poblaciones de Drosophila melanogaster que viven el doble de lo normal. La longevidad es uno de los rasgos extraordinarios de estos matusalenes en miniatura. Destaca que se trata de “moscas superiores, más robustas que cualquier otra de su misma edad y mejor equipadas para resistir el estrés”. Ya viejas, muchas de ellas siguen siendo más fuertes que las jóvenes normales. No le falta razón para sentirse ufano. El alargar la vida de una manera notable y mantener la salud, no importa en qué especie, constituye toda una proeza. Pero no termina ahí la tarea del grupo de Rose; ha comenzado a estudiar los alelos, o variantes de genes, que puedan explicar las diferencias existentes entre las supermoscas y sus parientes del montón, y ha identificado ya uno. El trabajo de Rose sobre lamosca de la fruta forma parte de un proyecto más amplio encaminado a explicar por qué envejece el hombre y, en definitiva, por qué se deteriora nuestro cuerpo y muere de manera inevitable. Algunos mantienen la esperanza de que su empeño investigador abra el camino para frenar el proceso del envejecimiento que conduce a la muerte, un proceso, opinan, sujeto a controles internos. Si lo último es cierto, la detención de dicho proceso ayudaría a retrasar o prevenir buena parte de los tumores y otras enfermedades incapacitantes o letales relacionadas con la edad.

Cualquier tratamiento que retrase el envejecimiento contribuirá, sin duda, a prolongar la vida, aunque pocos estarían dispuestos a admitir que la prolongación de la vida constituya por sí misma un objetivo prioritario. Hace sólo 15 años, los datos aducidos no salían del ámbito de la mera descripción, si excluimos la observación de que la restricción calórica podía prolongar la vida de roedores y otros animales. (La cuestión de cómo actúa la restricción dietética sigue pendiente.) Ahora, las teorías sobre las causas del envejecimiento abundan casi tanto como las mismas moscas: la senescencia seguiríase del estricto cumplimiento de un programa genético que nos conduce a la muerte; deberíase a alteraciones fortuitas del ADN o de algunas enzimas indispensables para el funcionamiento del organismo; obedecería a cambios en los niveles hormonales, a un declive del sistema inmunitario o a la actividad inexorable de moléculas extremadamente reactivas y potencialmente destructivas, como son los radicales libres del oxígeno, y así por demás. Ante gavilla de opiniones tan dispares, escribiría en 1979 Alex Comfort, uno de los pioneros del campo, que “a lo largo de la historia la teoría ha oscurecido de manera ruinosa los estudios sobre el envejecimiento”. Lo único que admiten todos es que el envejecimiento lo motiva más de una causa. Van en aumento las pruebas de la intervención de múltiples procesos paralelos, a menudo interactivos, muchos de ellos genéticamente controlados, que se combinan entre sí hasta asegurar la decrepitud definitiva.

1. ESTA MUJER DE EDAD, y como ella muchas otras personas de más de 65 años, viven en asilos de ancianos o en hogares especiales. Comenzamos a entrever las razones de por qué el hombre pierde su vigor y se hace más proclive a una serie de enfermedades a medida que entra en la vejez.

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La naturaleza pierde interés

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ara algunos, Rose entre ellos, no descubriremos las bases fisiológicas de la senescencia, si no conocemos cómo apareció el envejecimiento en la historia de la vida. La teoría evolutiva proporciona una buena parte del entramado necesario para entender el funcionamiento y las disfunciones del organismo —así como para identificar los genes implicados en el control de la duración de la vida. La teoría evolutiva afirma que los individuos más aptos —aquellos cuyo

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conjunto particular de alelos les capacita mejor para sobrevivir y reproducirse en su ambiente— son los que dejan su impronta en el acervo hereditario de las generaciones siguientes. Se seleccionarán o se retendrán aquellas modificaciones genéticas que mejoren las aptitudes de los individuos (por ejemplo, capacitándoles para escapar más rápidamente de un peligro); y esas mejoras se habrán generalizado al cabo de algunas generaciones. Determinados rasgos se seleccionan porque es más probable que sus portadores sobrevivan y se

reproduzcan con mayor facilidad, aportando una descendencia más numerosa para la próxima generación. Del mismo modo, la selección natural eliminará las mutaciones que sean letales antes de que se alcance la madurez sexual; los individuos afectados no dejarán descendencia, y así acabarán desapareciendo los rasgos letales. Desde finales del siglo pasado, muchos se han adherido a la idea según la cual la senescencia aumentaría la aptitud de los más jóvenes al fomentar la desaparición de los mayo-

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res, evitando el agotamiento de los recursos disponibles; el envejecimiento, sugiere esa opinión, estaría programado en los genes y cuya única finalidad sería la de destruir el organismo. Pero el juicio pierde adeptos, en parte porque la mayoría de los animales no sobreviven en su estado salvaje el tiempo suficiente para entrar en la senescencia. La historia nos muestra que, hasta tiempos no muy lejanos, el hombre moría también muy joven. La esperanza de vida de una persona nacida en un país industrializado se cifra hoy en torno a los 75 años; sin embargo, esa esperanza de

ción prolongada a los estrógenos requeridos para la fertilidad podría predisponer el tejido de la mama a la malignidad. Abundando en esa idea, Caleb E. Finch, de la Universidad de California del Sur, ha comprobado que hormonas normales y otras moléculas reguladoras provocaban trastornos en los propios tejidos y células donde desarrollaban su acción fisiológica específica. El hipotálamo y la hipófisis controlan la función ovárica, pero también parecen contribuir al envejecimiento del ovario, al menos en los roedores. A su vez, el ovario, que envía

vida apenas alcanzó los o 40 de años durante el segmento más30largo la historia humana. Otras hipótesis evolutivas atribuyen a los genes el control de la senescencia, si bien los alelos importunos no se seleccionaron con ese fin. Los genes del envejecimiento —los gerontogenes— se habrían instalado cómodamente en los cromosomas humanos porque la selección natural no habría podido evitar su difusión. Los alelos perjudiciales persistirían en una especie si sus efectos nocivos no se evidenciaban hasta avanzada ya la madurez sexual. Y lo que es peor aún, como propuso George C. Williams, de la Universidad estatal de Nueva York en Stony Brook en los años cincuenta, los alelos que devienen destructivos en etapas tardías de la vida podrían adoptarse fácilmente si comportaban alguna mejora adaptativa en edad temprana; dualidad de efecto que se conoce por pleiotropía antagónica. Los genes que especifican las instrucciones para la síntesis de las hormonas de la reproducción podrían muy bien encontrarse dentro de ese grupo traicionero. Steven Austad, de la Universidad de Harvard, propone que el riesgo creciente de cáncer de mama con la edad de la mujer podría corroborarlo: la exposi-

señalespromover al hipotálamo y a la hipófisis, parece el envejecimiento de esos órganos. Tales propiedades pleiotrópicas, supone Finch, constituyen una muestra de que el envejecimiento resulta de la actividad de los sistemas nervioso y endocrino y de su mutua interacción. Ahora bien, los genes que refuerzan la adaptación precoz no tienen por qué vol ver se dir ect ame nte dañino s en época posterior y degradar irremisiblemente al organismo. Para Thomas B. L. Kirkwood, del Consejo de Investigaciones Médicas en Londres, y Richard G. Cutler, del Instituto Nacional de Envejecimiento, la senescencia podría aparecer en una población siempre que los sistemas de mantenimiento del organismo, sometidos a control genético, asegurasen la supervivencia del individuo para perpetuar la especie, aunque fueran incapaces de sostener el funcionamiento ininterrumpido del mismo.

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Un soma desechable

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irkwood sugiere que la mayoría de los animales no ha adquirido, a través de la evolución, sistemas de mantenimiento que aseguren su inmortalidad, porque se hubiera

2. LOS FIBROBLASTOS NORMALES (azul) o células del tejido conjuntivo, procedentes de tejido humanoizquier( da), aumentan de tamaño a medida que envejecen en una placa de cultivo ( derecha). Al mismo tiempo, su ritmo de proliferación se hace cada vez más lento,

derrochado una energía que se invertiría mejor en la reproducción: al existir la probabilidad del riesgo de muerte violen ta, la esp eci e har ía bie n en invertir en sistemas de protección que garanticen el vigor juvenil durante ese período, pero no más allá de él. El resto del suministro energético de un organismo puede dirigirse entonces hacia la promoción de una fertilidad óptima. Apoyado en la táctica industrial de invertir poco en la durabilidad de los artículos que habrán de utilizarse durante poco tiempo, Kirkwood llama a su modelo la teoría del soma desechable. En este caso, serían las

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ría cierta capacidad de recuperación, en caso de lesiones accidentales. Probablemente, nos las arreglamos para seguir adelante en la madurez y después aprovechando las reservas. Como nuestra capacidad de recuperación se extingue progresivamente, la respuesta al estrés ambiental se hace cada vez más difícil, hasta que al fin nos encontramos con la muerte. La hipótesis del soma desechable explica la idea que atribuye el envejecimiento a la destrucción causada por moléculas producidas en el curso normal de la vida, incluidos los radicales libres de oxígeno, según propuso, mediados cincuenta, Denham Harman, de lalos Universidad de Nebraska. Muchas reacciones biológicas generan radicales libres. Al llevar un electrón no apareado, tales radicales pueden oxidar —y consiguientemente dañar— proteínas, ADN, lípidos y otras moléculas por todo el organismo. Pueden dar lugar también a más radicales y agentes oxidantes emparentados, hasta que dejan de dividirse por complecomo el agua oxigenada o peróxido de to. Varios laboratorios han identificado ya muchos de los genes que parecen hidrógeno, por lo que se ponen en marcontrolar la pérdida de la capacidad cha largas cadenas de actividad desreplicativa. Lo que esos hallazgos signi- tructiva. Harman adelantó que una fican en relación con el organismo hu- acumulación de lesiones oxidativas mano se desconoce por el momento. irreversibles en células y tejidos en todo el cuerpo podría desencadenar el envejecimiento. células somáticas, las células no La hipótesis del soma desechable reproductoras, las que en último tér- explica también la idea de Anthony mino serían las prescindibles. Por con- Cerami, para quien la glucosa, el comtraste, una fracción de las células ger- bustible principal del organismo minales debe conservar la capacidad humano, constituiría otro factor decide autorrepararse perfectamente, ya sivo en el proceso de envejecimiento. que de otro modo la especie se extin- Cerami ha demostrado que la glucosa guiría. altera lentamente las proteínas de Kirkwood estima que la inversión vida prolongad a, como el colágeno, que el hombre ha hecho para proteger haciendo que queden entrelazadas el soma proporciona suficiente capaentre sí por puentes intermoleculares; cidad defensiva para asegurar el a tal glicosilación, afirma, podría ánimo de vivir quizá para 40 años — deberse el endurecimiento del tejido el período que cabía esperar sobrevi- conjuntivo y del miocardio que se provir durante una buena parte de nues- duce con el paso del tiempo. Según el tra evolución—. Esa inversión inclui- modelo del soma desechable, estos y

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otros procesos de desgaste podrían contribuir al envejecimiento si superan la capacidad de nuestros sistemas de prevención y de reparación para combatirlos. Pero la prueba de fuego de esta hipótesis evolutiva radicará en la identificación de los genes que controlen las moléculas que frenan o que promueven la senescencia.

Claves genéticas

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btenidas las moscas reforzadas, el grupo de Rose comparó las proteínas sintetizadas por los insectos normalesdeylas losmoscas experimentales: muchas longevas producen una versión extraordinariamente activa de la enzima antioxidativa superoxidodismutasa, lo que significa que albergan una variante del gen especificador de la enzima; sintetizan, en particular, una versión muy eficiente de la forma de la enzima que se da en el citoplasma de las células. En la mosca de la fruta, como en el hombre y otros organismos, las superoxidodismutasas defienden contra el daño oxidativo, al neutralizar el superóxido, un radical libre muy dañino. De esa diferencia genética hemos de colegir que las moscas normales envejecen antes porque sus defensas frente a los radicales libres no son tan eficaces como las sometidas a una reproducción selectiva. La superoxidodismutasa producida por la mosca de la fruta es, sin duda, uno de los muchos factores que influyen en la celeridad de su envejecimiento. Rose y Joseph L. Graves han comprobado que las moscas longevas son más resistentes a la privación del alimento porque almacenan más grasa. El grupo de Thomas E. Johnson, de la Universidad de Colorado, lleva años trabajando en la reproducción selectiva de Caenorhabditis elegans, nema-

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todo del suelo; ya ha conseguido prolongar la vida de la especie provocando mutaciones genéticas al azar. Está centrado en la identificación de los genes que se expresan diferencialmente en los grupos normales y en los longevos (transcriben diferencialmente el ADN en ARN, que después se traduce en proteína). En 1988 anunció que la mutación de un único gen, el age-1, aumentaba el período de vida media del C. elegans en un 70 por ciento. Los nematodos mutantes producen niveles elevados de antioxidantes (superoxidodismutasa citoplasmática y catalasa) y son más resistentes al paraquat, herbicida que induce la generación del radical superóxido. La mutación del gen age-1 parece inactivar el gen, lo que significa que la proteína codificada por él deja de producirse. Si la eliminación de una proteína conduce a un incremento de la producción de antioxidantes, es posible entonces que sean las proteínas normales las que inhiban la producción de esas sustancias. Johnson considera que la inhibición es efecto no deseado de alguna función pleiotrópica importante todavía por descubrir. Michael Jazwinski, del hospital clínico de la Universidad estatal de Louisiana, investiga la senescencia en la levadura de cerveza ( Saccharomyces cerevisiae ). Ha identificado varios genes que prolongan su vida; así, LAG1 (del inglés “longevity assurance gene 1”, el gen 1 que garantiza la longevidad), más activo en las células jóvenes que en las viejas. Al inducir una actividad LAG1 extra, después del declive normal de su expresión, se le alarga la vida hasta un tercio. Y lo que es más importante, las células de levadura provectas que llevan el gen “extraactivo” no se tornan inmortales (como ocurre con las células cancerosas en los organismos pluricelulares); sencillamente se mantienen jóvenes durante un período más prolongado.

3. MICHAEL ROSE, de la Universidad de California en Irvine, ha conseguido prolongar la vida media de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster( fotografía de la izquierda) mediante cruces selectivos. El insecto que aparece en la fotografía está enganchado a un sedal mediante una gota de pegamento para la realización de un experimento en el que Joseph L. Graves demuestra que las moscas de larga vida son más fuertes que los individuos normales: pueden mantener el vuelo durante más tiempo dentro de un amplio margen de humedad y temperatura.

Jazwinski, que desconoce cuál puede ser la función de la correspondiente proteína, ha descubierto que un gen similar se expresa en ciertas células humanas.

Descubrimientos radicales

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unque la función del LAG1 siga siendo un misterio, el descubrimiento de que el antioxidante superoxidodismutasa parece afectar a la longevidad tanto en la mosca de Rose como en el pequeño nematodo de Johnson encaja con el entusiasmo creciente por la teoría de los radicales libres de Harman. Una buena parte de los datos disponibles hasta el momento acerca de los radicales libres se basa más en correlaciones que en demostraciones definitivas de causa y efecto. Por ejemplo, si el daño causado por radicales libres y no reparado fuese una causa de envejecimiento, los animales con una tasa metabólica alta —es decir, que queman oxígeno con una relativa rapidez— tendrían que vivir menos que los que consumen oxígeno con más

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lentitud. Los metabolizadores rápidos serían los que producirían radicales libres con más rapidez. En efecto, el metabolismo basal, o de reposo, de una especie es inversamente proporcional a la duración de su vida; el ratón tiene un metabolismo mucho más elevado que el hombre, y raramente su vida se alarga más allá de los tres años. Cutler, del Instituto Nacional de Envejecimiento, ha encontrado razones nuevas que apoyan esa idea. Ha descubierto que los tejidos del hombre y de otras especies longevas producen en general más superoxidodismutasa y son más resistentes a la oxidación. El hombre envejecería porque esa protección especial frente a la oxidación sería insuficiente para protegerle indefinidamente. También se piensa que las moléculas oxigenadas reactivas part icip an en el desarr ollo de muchas afecciones de aparición frecuente en el envejecimiento, incluidos el cáncer, la artritis y la aterosclerosis. Son varias las enfermedades en las que están implicados los lípidos oxidados, que se sabe que se acumulan en células viejas. EMAS 11

mitocondrial de las células de corazón y cerebro del adulto de edad avanzada un defecto que no se ha observado en el tejido fetal. Y, según Douglas C. Wallace, de la Universidad de Emory, parece probable la degradación, en las personas mayores, de un número significativo de moléculas de ADN mitocondrial; acaricia también la idea de que algunas enfermedades crónicas que suelen presentar en la vejez se hallen relacionadas con el fallo mitocondrial, incluidas la diabetes de instauración tardía y las enfermedades 4. THOMAS E. JOHNSON, de la Universidad de Colorado, que aparece examinando de Parkinson y de Alzheimer. una placa de petri junto a una de sus ayudantes, ha prolongado la vida de otro organismo pluricelular: el pequeño nematodo del suelo Caenorhabditis elegans A finales de los años ochenta, se ( fotografía de la derecha ). Johnson y sus colaboradores consiguieron esta proezadesarrolló una técnica para determipor dos caminos distintos: mediante cruces selectivos de ejemplares de probada nar los grupos carbonilo, un subprolongevidad y mediante la producción de mutaciones en un gen, conocido con el ducto ordinario de la oxidación de las nombre deage-1. El grupo se propone ahora clonar el gen age-1. proteínas. Las mediciones revelaron que la cantidad de proteínas oxidadas Algunos de los datos más convin- condrial es vulnerable a la agresión en diversos tipos celulares del orgacentes proceden, sin embargo, de estu- oxidativa: la tasa de oxidación del nismo humano aumentaban exponendios acerca del ADN y proteínas. ADN es bastante más elevada en la cialmente con la edad del donante. Hasta hace relativamente poco mitocondria que en el núcleo. El mate- También se han obtenido datos llamatiempo, no se disponía de una prueba rial genético se muestra vulnerable tivos al examinar fibroblastos —céluirrefutable de que el ADN se iba porque carece de histonas, las proteí- las que producen colágeno y otros dañando irreversiblemente a lo largo nas que se unen al ADN nuclear y lo constituyentes del tejido conjuntivo— del tiempo. En efecto, la mayoría de protegen; los propios genes mitocon- procedentes de pacientes con afecciolos genes nucleares estudiados siguen driales están apenas defendidos por nes genéticas raras, que causan un produciendo secuencias aminoacídilas enzimas que, como se ha compro- envejecimiento prematuro. Las persocas correctas. Y lo consiguen a pesar bado recientemente, escinden y reem- nas que padecen progeria y el sínde que cada célula del organismo plazan los trozos de ADN oxidados en drome de Werner presentan niveles humano está expuesta cada día a unos el núcleo celular. de grupos carbonilo extraordinaria10.000 “impactos” oxidativos. Pero los Estas observaciones sugieren la mente más elevados que los indiviestudios sobre el ADN mitocondrial posibilidad de que una agresión oxi- duos normales de su misma edad. confirman la existencia de la degrada- dativa continua sobre el ADN mito- Según algunos cálculos, hasta una ción irreversible, al menos en las mito- condrial podría entorpecer, lenta e mitad de las proteínas, incluidas condrias, las centrales energéticas de inexorablemente, la actividad de las muchas enzimas, de una persona de la célula. mitocondrias en el adulto que enve- edad avanzada podrían quedar inacSe abordó el examen del ADN mito- je ce no rm al me nt e. Af ec ta do un tivas por culpa de las alteraciones oxicondrial (que codifica una docena de número suficiente de orgánulos, las dativas. Ese grado de oxidación, proteínas que la mitocondria necesita células en las que residen quedarían añade, conduciría casi con certeza a la para su funcionamiento), en parte, ayunas de energía. Y cuando se inte- senescencia. porque se había visto que la capacidad resara una cifra notable de células de En 1991, el grupo de John M. Carde los orgánulos para generar energía un órgano, su función comenzaría a ney, del hospital clínico de la Univerdeclinaba con la edad. Sospechábase declinar. sidad de Kentucky, ofrecía los primedel ataque de los radicales libres al Gino A. Cortopassi y Norman Arn- ros datos directos de la degradación ADN, porque las mitocondrias son la heim, de la Universidad de California de la función fisiológica por ataque de fuente principal de radicales libres en del Sur, respaldaron en 1990 ese plan- los radicales libres sobre las proteíel organismo y porque el ADN mito- teamiento. Descubrieron en el ADN nas. Demostraron que el nivel de pro-

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5. EL ATAQUE OXIDATIVO contra proteínas tonalidades ( de de las teorías principales sobre el envejecimiento, propuesta ) —indicado de a mediados de los años cincuenta, sostenía que el organismo verde), lípidos (rosa) y ADN (azul de lavanda manera esquemática por la unión de una pequeña esfera humano de se deteriora a lo largo del tiempo debido a que en su color azul brillante— puede degradar la función de muchosinterior se forman agentes oxidativos potencialmente desconstituyentes celulares (sólo se representan algunos). Unatructivos conocidos con el nombre de radicales libres.

teína oxidada aumentaba en el cerebro del jerbo conforme éste envejecía; al tratarlo con fenilbutilnitrona (FBN), la oxidación descendía hasta niveles propios de los individuos jóvenes. También, en otro experimento, no repetido aún, administraron FBN a jerbos seniles durante dos semanas. Antes del tratamiento, los animales más viejos, sometidos a pruebas en un laberinto, presentaban ciertas limitaciones de la memoria a corto plazo al compararlos con los individuos más jóvenes. Al final del período de tratamiento, los más viejos se comportaron como los más jóvenes (aunque al interrumpir el tratamiento, la mejoría en la realización de la prueba se desvaneció). Los datos acerca de los radicales libres apoyan, pues, la posibilidad de que el envejecimiento sea consecuencia de nuestra incapacidad para

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enfrentarnos con el desgaste, y no porque nuestros cromosomas contengan un programa diseñado para matarnos. Pero la idea de una muerte específicamente programada no se ha descartado por completo.

Envejecimiento en una placa de petri

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firmábase en los años cincuenta que las células humanas capaces de proliferar en el organismo se replicarían indefinidamente en los cultivos celulares. La gente envejecía y moría, no por la existencia de un programa intrínseco que determinara el declive celular, sino a resultas de procesos que trascendían el plano celular para ubicarse en un nivel superior dentro de la organización fisiológica.

El dogma se vino abajo cuando Leonard Hayflick y Paul S. Moorhead dieron a conocer en 1961 que los fibroblastos humanos normales llevaban escrita la limitación del número de veces que podían dividirse: el número de veces que las poblaciones de fibroblastos procedentes de un embrión pueden duplicarse está prefijado, y es de unas cincuenta. La existencia del límite de Hayflick ha recibido amplia confirmación, y el estudio de la razón por la que se detiene la proliferación celular puede orientarnos en la investigación sobre la degradación general del individuo. La probabilidad de que el envejecimiento de las células in vitro guarde relación con el envejecimiento del organismo se ha reforzado en los últimos años: la capacidad de las células para duplicarse desciende progresivamente con la edad del donante; los

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Defensas ante las lesiones oxidativas

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efensas dispares evitan o reparan las agresiones oxidativas de las moléculas producidas por los radicales libres. Son insuficientes en su conjunto. Las observaciones revelan que algunas de estas defensas pierden fuerza con la edad.

fibroblastos de pacientes con el síndrome de Werner no pueden replicarse tantas veces como las células procedentes de individuos normales de la misma edad, y, por último, todos los tipos celulares humanos estudiados hasta le fecha tienen sus límites de proliferación propios en los cultivos. Asimismo, se han identificado los genes cuya expresión cambia sistemáticamente a medida que los fibroblastos en cultivo pierden su capacidad de duplicarse —tal como sería de esperar, si existiera un programa para el envejecimiento. Se dispone ya de datos que indican que en los cromosomas 1 y 4 existen genes que participan en la pérdida de la capacidad replicativa. Judith Campisi ha determinado que la desconexión del gen c-fos precede y probablemente afecta a muchos de los otros cambios descubiertos. Cuando se

BIOLOGÍA DEL ENVEJECIMIENTO

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COLABORADORES DE ESTE NUMERO Traducción:

Esteban Santiago: Ciclos letales y navajas suizas, Cáncer. Enzima de inmortalidad y ¿Por qué envejecemos?; Carmen Carulla: Control del ciclo celular; Santiago Torres y Rosa Ruiz Vázquez: Reparación inducible del ADN; Luis Serra: El telómero humano; Santiago Torres: Telómeros, telomerasa y cáncer, Suicidio celular, en la salud y en la enfermedad y Envejecimiento cerebral y mental; Cristóbal Mezquita: Biología celular del envejecimiento humano; Antonia Martín Hidalgo y Emilio Herrera Castillón: Glucosa y envejecimiento; Ana Mª Rubio: Restricción calórica y envejecimiento y Ancianos entre los ancianos Portada: fotografía de Josep Mª Barres Página

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Natalia López Moratalla y Esteban Santiago

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Documentos PLS; Barbara Osborne (abajo, derecha) Documentos PLS Petit Format-Guigoz Documentos PLS George V. Kelvin George V. Kelvin ( arriba), Koki Hare y Marc W. Kirschner (abajo) George V. Kelvin George V. Kelvin ( arriba), Andrew W. Murray (fotogramas) George V. Kelvin Paul Howard-Flanders Patricia J. Wynne Robert K. Moyzis George Retseck Jason Küffer Patricia J. Wynne; Robert K. Moyzis (fotografías) Jason Küffer Robert K. Moyzis Jason Küffer Scott Henderson y David Spector (arriba); Tomo Narashima (abajo) Seward Hung (recuadro); Tomo Narashima (superior, derecha ) Jana Brenning Judith Campisi Andra Geras Brian V. Harmon (arriba); Jared Schneidman DesignSchneidman (abajo) Design Jared Slim Flms Jared Schneidman Design Leonard Hayflick Alan D. Iselin Natalia López Moratalla y Esteban Santiago David M. Phillips Sally Black Chistine McBride y David E. Birk Carol Donner Sally Black Suzanne Barnes Lisa Burnett (gráficos); cortesía de Richard Weindruch (fotografías) Richard Weindruch Tomo Narashima (arriba); Dana Burns-Pizer (abajo) Karl Gude; Kirk Boehm (fotografías) Karl Gude; fuente: Roy L. Walford FPG International Carol Donner (dibujo); Johnny Johnson (gráfico) Dorothy G. Flood y Paul D. Coleman (fotografías y dibujos); Johnny Johnson (gráfico) Dennis J. Selkoe Robert P. Friedland Johnny Johnson (gráficos); Ralph Warren Landrum (fotografía) John R. McCutchen Georges Gobet (arriba); Lisa Burnett (abajo) Lisa Burnett Erik Leigh Simmons ( arriba); Lisa Burnett (abajo) Erik Leigh Simmons ( izquierda); Victoria Enger (derecha) Robert Prochnow James R. Smith (arriba); Johnny Johnson (abajo) Joseph L. Graves (izquierda); Stephanie Rausser (derecha) Ken Abbott (izquierda); Sinclair Stammers (derecha) Tomo Narashima (izquierda); Johnny Johnson (derecha)

silencia definitivamente al c-fos, los fibroblastos dejan de replicar su ADN. Por consiguiente, también dejan de dividirse. Se sospecha que el propio c-fos puede acallarse para siempre mediante un proceso más primario, a saber, mediante un inhibidor celular que impida la iniciación de la síntesis del ADN. ¿Tienen los telómeros algo que ver? Calvin B. Harley, de la Universidad McMaster de Ontario, Carol W. Greider, del Laboratorio Cold Spring Harbor, y sus respectivos colaboradores han visto que la longitud de los telómeros desciende progresivamente en

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las el células somáticas se dividen en organismo, y lo que mismo sucede durante el envejecimiento de los fibroblastos en cultivo. Además, la longitud del telómero es un mejor indicador del potencial de división que la edad del individuo del que proceden las células. Dicho acortamiento obedece a un extraño desperfecto en la maquinaria responsable de la duplicación del ADN durante la división celular. Siempre que se produce una nueva copia de ADN se elimina un pequeño fragmento de cada telómero. Estos hallazgos dan a entender que el telómero podría ser el reloj que determina la pérdida de la capacidad proliferativa de las células. Gran interés tiene también la observación de Harley y Greider de que la longitud del telómero se mantiene, si no está ligeramente aumentada, en los espermatozoides y en las células transformadas o inmortalizadas. Esa estabilidad podría explicar por qué las células germinales normales y las células malignas no pierden su capacidad replicativa. Podría, pues, suceder que el organismo entrara en decadencia cuando los órganos pierden su capacidad reparadora de las células dañadas. Los críticos aducen que la gente no muere porque sus fibroblastos dejen de dividirse; la capacidad de división celular dista aún de extinguirse en el momento en que su “propietario” perece. Los escépticos señalan que los estudios de senescencia replicativa no pueden arrojar mucha luz sobre los procesos que conducen al deterioro de las células que no se dividen, en particular neuronas y células del miocardio, que operan admirablemente durante años. Los cambios genéticos que se observan en los fibroblastos, replican otros, representan sólo un aspecto del proceso de envejecimiento, aunque un aspecto significativo, y citan el ejemplo del revestimiento unicelular del endotelio en los vasos sanguíneos: si

hipótesis evolutivas? Para muchos, una limitación de la capacidad de proliferación puede haber surgido no como un programa letal, sino como una defensa frente al cáncer. La pérdida de la capacidad proliferativa podría, pues, ser otro ejemplo de pleiotropía antagónica. El “programa” que nos ayuda a defendernos contra el cáncer evita también que seamos inmortales. Aunque sea mucha la gente que acabe enfermando de cáncer, nuestra resistencia intrínseca nos hace significativamente menos proclives a los tumores que muchos otros animales. A pesar del extraordinario progreso conseguido en la investigación de las células en cultivo, los radicales libres, los genes determinantes de la longevidad y otras vías prometedoras, el proceso de envejecimiento humano continúa siendo una caja negra. A lo que hay que añadir la confusión provocada por el hecho de que los cambios relacionados con la edad no ocurran de manera uniforme, ya sea entre individuos (que difieren en susceptibilidad a afecciones específicas y en su exposición a los distintos tipos de estrés ambiental), ya sea entre células. Saber con exactitud cuánto podrá extenderse la vida intentando echar remiendos en el proceso de envejecimiento, es algo que queda reservado a la imaginación de cada uno. Jazwinski, por citar a alguien, se lleva la palma a la hora de especular. Afirma que la duración máxima posible de la vida, que en la actualidad se cifra en unos 120 años, podría llegar a alcanzar los 400 años. Piensa incluso que el mortal medio que reciba el tratamiento dentro de unos 30 o 50 años, por decir una fecha, es probable que se beneficie de unos 30 años adicionales de vida. La prolongación de la vida tendría profundas consecuencias sociales, económicas y ambientales, y obligaría a plantearse la cuestión de si debería o no intentarse esa ampliación.

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las células endoteliales dentro de un área pequeña de un vaso hubieran perdido la capacidad de proliferación, y desaparecieran o se alterara su función, eso podría ser el inicio de los procesos que conducen a la aterosclerosis. La merma de capacidad proliferativa parece ser un problema del sistema inmunitario.

En busca de una teoría común ómo reconciliar los datos acerca de los fibroblastos con las

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