1. Mecanotransducción
2. Desplazamiento celular
3. Expresión génica
4. Ciclo celular
1. Mecanotransducción
El agarre de las células a la matriz extracelular o a otras células vecinas mediante moléculas de adhesión como las integrinas, cadherinas, selectinas o las inmunoglobulinas, no sirve sólo para sujetarse o para resistir fuerzas de compresión o de estiramientos, no tienen una misión para la células con consecuencias únicamente mecánicas, sino que también actúan como mecanotransductores. Al poseer un dominio extracelular y otro intracelular (Figura 1), ambos comunicados, permiten el trasiego de información entre ambos, es decir, entre el medio extracelular y el intracelular (Figura 2). Cuando los dominios extracelulares se unen a sus "ligandos", los dominios citosólicos pueden desencadenar procesos internos que afectan a la fisiología celular. Así, pueden interactuar con ciertas vías de señalización interna, afectar a la movilidad celular, provocar cambios en la expresión de genes, alterar el ciclo celular, incluso pueden determinar la supervivencia de la propia célula. Asimismo, defectos en la adhesión celular provocan numerosas patologías en los organismos que en algunos casos son letales. De hecho la mayoría de las células no se diferencian, proliferan o sobreviven si no están adheridas correctamente a un sustrato, y la metástasis en los procesos cancerosos necesita un cambio previo de adhesión celular. Se produce por tanto un flujo de información desde el exterior celular que se transmite al citoplasma similar al que se da en los receptores clásicos de la membrana plasmática. Es decir, la célula necesita anclarse al medio donde se encuentra y además saber a qué tipo de moléculas está sujeta.
También ocurre al contrario, cambios en la fisiología celular afectan a la adhesión celular. Se produce entonces un flujo de información en sentido contrario, es decir, determinadas moléculas citosólicas pueden afectar al dominio intracelular de las proteínas de adhesión que a su vez provoca cambios en la afinidad del dominio extracelular por sus ligandos (Figura 2). Así, las moléculas de adhesión se comportan como receptores tradicionales o, según muchos autores, son verdaderos receptores ya que constituyen una vía bidireccional de comunicación entre el exterior y el interior celular. A las integrinas, por ejemplo, se les han asignado multitud de procesos de modulación de la señalización interna de la célula, un repertorio tan amplio que se puede comparar con algunos receptores típicos de la membrana plasmática. Independientemente del sentido en el que viaje la información lo hará mediante cambios conformacionales en la estructura tridimensional de la proteína adhesión.
Existe otro mecanismo mediante el cual las células pueden alterar su capacidad de adhesión: variando el número y del tipo de moléculas de adhesión que están presentes en la membrana plasmática. Estas dos variables, número y tipo, son controladas por la célula según sus necesidades fisiológicas.
Vamos a ver a continuación algunos ejemplos en los que las moléculas de adhesión afectan a la fisiología celular y también como la células modifican las propiedades, tipo y número de moléculas de adhesión para llevar a cabo sus necesidades fisiológicas:
2. Desplazamiento celular
Cuando una célula decide desplazarse tiene que cambiar sus reglas de adhesión, es decir, debe romper los lazos con las células o con la matriz extracelular a las que está unida en el tejido en el que se encuentra y sintetizar nuevas moléculas para desplazarse por los tejidos. Por ejemplo, las células de los embriones deben moverse para ocupar sitios nuevos y eso supone un cambio de adhesión que les permita migrar. Esto también ocurre frecuentemente en los epitelios estratificados, donde las células deben perder la polaridad, desprenderse de sus células vecinas, convertirse en células migradoras y viajar hasta su nuevo destino. El nuevo destino se reconoce también por adhesión. Se ha propuesto que las células cancerosas tienen que realizar un proceso similar para convertirse en metastásicas. Las células no nadan sino que reptan mediante puntos de adhesión al sustrato, que es la matriz extracelular u otras células, que le sirven como puntos de anclaje para tirar del resto de la célula. Esto hace a las moléculas de adhesión elementos esenciales en el frente de avance de la célula en movimiento, puesto que es esta parte la que se agarra al sustrato y permite al citoesqueleto tirar del resto del célula (Figura 3).
En la pérdida de afinidad por las células vecinas participan las cadherinas (Figura 4). Las células epiteliales, por ejemplo, expresan E-cadherinas, mientras que las células mesenquimáticas, que son móviles, expresan un juego de cadherinas entre las que se encuentran las N-cadherinas, R-cadherinas y cadherina 11. Las N-cadherinas favorecen la movilidad de las células y se ha demostrado que la expresión de N-cadherina supone un cambio desde la inmovilidad a la movilidad por parte de la célula. Hay una relación entre la progresión de un cáncer y las cadherinas que se expresan en las células tumorales. Por ejemplo, las células tumorales que no expresan N-cadherina no son metastásicas pero sí las que lo hacen. Esta actividad se puede provocar experimentalmente mediante la inducción de la expresión de dicha cadherina. El cambio en el tipo y número de cadherinas que una célula dispone en su membrana plasmática es una consecuencia de señales intracelulares. Las N-cadherinas, aunque no las E-cadherinas, producen también otros efectos intracelulares que favorecen la movilidad celular, además de la adhesión. Así, cuando la cadherina N está unida a su ligando, su dominio extracelular interacciona con los dominios extracelulares de los receptores de los factores de crecimiento. Esto impide una eliminación de la membrana de tales receptores y por tanto favorece la supervivencia de la célula. Las N-cadherinas también promueven la supervivencia y el crecimiento mediante la inactivación de las vías apoptóticas. Estas vías, que llevan a la muerte celular, se activan cuando las células pierden sus puntos de adhesión.
Si el cambio de moléculas de adhesión es importante para iniciar la movilidad celular, también lo es para permitir su desplazamiento. Se ha demostrado que en el frente de avance de las células que se mueven es necesario un recambio constante de las integrinas, moléculas que se unen a la matriz extracelular, y de las cadherinas, ambas situadas en la membrana plasmática. Este recambio está mediado por los endosomas tempranos y otros orgánulos que participan en el tráfico vesicular (Figura 5). Se ha demostrado que el tráfico vesicular de integrinas y cadherinas contribuye a promover la invasión de muchos tejidos durante la metástasis de las células cancerosas, probablemente favoreciendo el recambio y reciclado de uniones focales, que son puntos de adhesión. Este mecanismo opera también en las células normales que se desplazan en los tejidos. Antes se pensaba que la endocitosis transportaba moléculas de integrina desde la parte trasera de la célula hasta el frente de avance para permitir así la adhesión de las continuas extensiones celulares (podios) que se proyectan hacia la dirección del movimiento. Sin embargo, los experimentos indican que el tráfico vesicular y rápido reciclado de las integrinas de la membrana plasmática en la zona del frente de avance impide que estas moléculas difundan por el resto de la membrana plasmática de la célula, focalizándolos por tanto donde deben realizar su función, en el frente de avance. Este mecanismo es vital para que el frente de avance explore, se adhiera y sirva de punto de apoyo para arrastrar al resto de la célula. El movimiento celular tiene que ir acompañado además por la acción de las cadherinas.
Los movimientos de poblaciones celulares de manera conjunta, lo que ocurre mucho durante el desarrollo embrionario o durante la reparación de heridas, es un fenómeno frecuente que está basado en las uniones que se establecen entre las células. Aunque para mantener la integridad de los epitelios son necesarias las uniones estrechas, uniones adherentes y desmosomas, sólo las uniones adherentes son necesarias para los movimientos coordinados de células. Las uniones célula-célula de esos complejos de unión permiten un cableado que se extiende en una población celular y hacen que estas células actúen de forma coordinada (Figura 6). Por ejemplo, para tapar una herida en un epitelio. En los movimientos poblacionales son importantes los complejos actina-miosina. Las fuerzas tractoras las generan la miosina II, mientras que la polimerización de los filamentos de actina permite la extensión de los citoplasmas de las células del frente de avance de la población. El entramado de actina de toda la población está conectado a través de las uniones adherentes y la fuerza de tracción de una célula se transmite directamente a las otras célula.
3. Cambios en la expresión de genes
La unión de la proteína de adhesión a su ligando es capaz de alterar la expresión génica de la célula (Figura 7). Numerosas proteínas citosólicas pueden interaccionar con los dominios intracelulares de las proteínas de adhesión. Estas proteínas citosólicas, que hacen de intermediarias entre las moléculas de adhesión y el citoesqueleto, pueden viajar al núcleo celular donde actúan como factores de transcripción o modulan la actividad de otros factores de transcripción, provocando un cambio en la expresión génica. Poseen secuencias de aminoácidos que son como etiquetas que les permiten ser introducidas o sacadas del núcleo por el sistema de importinas y exportinas que funciona en los poros nucleares. Sin embargo, cuando están unidas a las moléculas de adhesión estas secuencias están enmascaradas.
Un primer ejemplo es la proteína denominada JAB (Figura 7), que se puede encontrar tanto asociada al dominio citosólico de las integrinas como localizada en el interior del núcleo celular. Que alterne de un lugar a otro dependen de si la integrina está unida a su ligando o no. En el interior del núcleo JAB1 activa a los factores de transcripción c-jun, los cuales favorecen la expresión de ciertos genes. Un segundo ejemplo son las β-cateninas (Figura 7), las cuales interactúan con el dominio citosólico de las E-cadherinas, pero también se encuentran en el núcleo donde se asocian con la molécula LEF-1, la cual favorece la expresión de determinados genes. En este caso parece que la unión de β-catenina a las E-cadherinas no depende del estado de unión de la E-cadherina sino de la cantidad de E-cadherinas que haya en la membrana, lo cual depende de la adhesividad general y del estado de diferenciación de la célula. Cuando hay muchas moléculas de E-cadherinas, indicio de que la célula lleva a cabo una fuerte adhesión, hay un mayor secuestro de β-catenina. Un tercer ejemplo lo encontramos en las uniones estrechas donde las moléculas ZO-1 pueden liberarse y trasladarse al núcleo donde afectan la expresión de ciertos genes, los cuales parecen ser necesarios para la reorganización y diferenciación de los epitelios.
Una de las peculiaridades de las moléculas de adhesión es que pueden afectar a otras cascadas de señalización que se dan en la célula. Por ejemplo, las cadherinas pueden interaccionar con los dominios extracelulares de receptores de los factores de crecimiento, como vimos anteriormente. Esto permite que la vía que potencia el crecimiento y la supervivencia de la célula se vea modulada por su adhesividad. Otro ejemplo es la interacción de las proteínas que hacen de puente entre las moléculas de adhesión y el citoesqueleto, las cuales forman parte también de otras cascadas de señalización como es el caso de la β-catenina (Figura 8). Las moléculas Wnt se secretan en los tejidos y afectan a la diferenciación, proliferación y homeostasis de las células que poseen los receptores Frizzled y LRP. La vía Wnt necesita a la β-catenina para llevar a cabo su función en el interior del núcleo afectando a la expresión génica. La activación de los receptores Frizzled y LRP provoca que la β-catenina no sea fosforilada, lo cual evita su degradación. Sin embargo, la disponibilidad de β-catenina depende de su liberación desde los dominios intracelulares de las cadherinas, como vimos anteriormente. Todo esto implica que las vía Wnt y la adhesión celular están conectadas gracias a una molécula común que es la β-catenina y por tanto se modulan mutuamente.
4. Ciclo celular
El paso por las distintas fases del ciclo celular afecta a la adhesión celular, y al contrario, la adhesión afecta al avance del ciclo celular. Así, la unión de las integrinas a sus ligandos es necesaria para avanzar desde la fase G1 a la fase S. La señal que emiten las integrinas intracelularmente actúa sinérgicamente con las producidas por los factores de crecimiento para hacer avanzar el ciclo celular. Por el contrario, la adhesión de las cadherinas inhibe este cambio de fase. En las células cancerosas estas vías de señalización en las que participan las moléculas de adhesión están inhibidas.
La unión de las integrinas a sus ligandos provoca una serie de activaciones que llevan finalmente a favorecer la síntesis y la estabilidad de la ciclina D, necesaria para la quinasa dependiente de ciclina que se encuentra en el corazón de la maquinaria molecular que permite el paso a la fase S. En el caso de las cadherinas, cuando están unidas a otras cadherinas de otra célula, unen a su dominio citosólico a las moléculas α- y β-cateninas, las cuales a su vez unen filamentos de actina. Cuando las cadherinas no están unidas las β-cateninas quedan libres y pueden viajar al núcleo, como vimos anteriormente, donde provocan la expresión de la ciclina D1 y de otras proteínas que favorecen la proliferación. Estas vías no actúan por separado. Por ejemplo, la vía desencadenada por la integrina activa a una proteína Src, la cual actúa sobre una serie de proteínas que favorecen la internalización de las cadherinas y su degradación.
Durante la mitosis muchas células pierden la adherencia y se vuelven más redondeadas, pero la citocinesis y la entrada en G1 requiere que se vuelvan a unir al sustrato del entorno. En el inicio de la mitosis se fosforilan numerosas proteínas que interaccionan con los dominios citosólicos de las proteínas de adhesión, lo que contribuye a disminuir la capacidad de adhesión de la célula. Estas proteínas fosforiladas viajan al interior de la célula donde realizan funciones relacionadas con los eventos que ocurren en la mitosis. La citocinesis requiere de la acción de las integrinas, si están inactivadas no ocurre la separación de las células hijas. Se supone que son puntos de anclaje para la generación de fuerzas de tracción. Tanto cadherinas como integrinas se han relacionado con la orientación del surco de división que separará a las dos células y también con el establecimiento de las divisiones asimétricas.
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